可編程模擬陣列及在肌電信號采集中的應(yīng)用

 

在生物信號采集的過程中，信號的幅度因被測對象、不同種類的生物電勢的頻譜、不同的肌肉群以及皮膚電極耦合等因素而異，所以，通常需要根據(jù)不同的被測對象調(diào)節(jié)模擬前端的放大器放大倍數(shù)以及帶寬。實現(xiàn)這類調(diào)節(jié)的一種可能選擇就是采用可編程模擬陣列(FPAA)，通過采用可編程模擬陣列實現(xiàn)一個RMS-DC轉(zhuǎn)換器或把經(jīng)放大的EMG（肌電）信號數(shù)字化并在微處理器中處理RMS數(shù)值。FPAA讓需要的全部模擬電路在一個可編程組件中實現(xiàn)，它確保更大的系統(tǒng)靈活性以及可靠性，并縮小電路的尺寸和降低成本。

 

在EMG信號的處理中，前端利用模擬電路完成的好處在于，被采集的EMG信號的幅度范圍從10 μV至1 mV，這些信號需要放大至60-100dB，因此，利用具有高共模抑制比(CMRR)的集成儀表放大器可以最小化共模干擾的影響。濾波器一級也采用模擬電路實現(xiàn)，當帶外頻率需要進一步的衰減時，通常采用二階或四階低通和高通濾波器。

 

本文介紹利用Anadigm  FPAA對EMG信號進行采集和模擬處理的電路實現(xiàn)方案，這個模擬信號處理方案的目的就是為了從EMG信號獲得足夠的生物特征，以控制諸如假肢或電刺激器這樣的外部設(shè)備。

 

 

正如可編程門陣列(FPGA)已經(jīng)變革了數(shù)字電路設(shè)計一樣，F(xiàn)PAA給模擬電路設(shè)計引入了方便的原型設(shè)計方法并縮短了設(shè)計時間。在FPAA中最重要的單元是可配置模擬模塊(CAB)，由它巧妙地處理各種信號并把路由網(wǎng)絡(luò)連接起來。FPAA是一種可以被編程和再次編程的集成電路，可以對模擬電路功能執(zhí)行路由端的調(diào)整。電路配置文件由個人電腦、系統(tǒng)控制器或附帶的EEPROM下載至FPAA之中，從而產(chǎn)生功能完整的電路。該電路配置在任何時間均可變，對于已經(jīng)完成的功能配置可以通過新的下載進行改變或?qū)崟r升級進行重新配置。

 

基于開關(guān)電容技術(shù)的Anadigm  AN221E04 FPAA具有可配置特性的若干CAB，并能夠被編程為執(zhí)行不同的功能，如濾波器、放大器、乘法器、比較器以及其它功能。這些功能可以被用于對生物學信號的采集和處理。此外，F(xiàn)PAA斷續(xù)放大器具有102dB的CMRR，從而把共模干擾信號以及60Hz電源線干擾最小化。

 

 

電路的實現(xiàn)利用AnadigmDesigner 2軟件實現(xiàn)，其中，包括電路仿真器以及一個可編程器件，利用在AN220D04評估板上的串行接口實現(xiàn)工作測試。由電池供電的評估板利用光學接口被連接至一臺計算機以確保病人的安全性。

 

上述系統(tǒng)的方框圖如圖1所示。

 

 

圖1  用于EMG信號采集和處理的系統(tǒng)的方框圖

 

 

通過表面電極采集的EMG信號的幅度在10 μV至1 mV范圍內(nèi)，然而，共模信號(干擾)可能高達幾伏。研究人員以前推薦采用幾種技術(shù)把FPAA與其它模擬電路接口，但是，它們均不適合于對生物電勢的采集，因此，研究人員提出了一種新的配置，其中，參考電極被連接至FPAA的參考引腳(VMRR)，而有源電極被直接連接至斷續(xù)輸入。

 

斷續(xù)放大器被用于放大具有直流成分的、非常小和非常低頻的信號，這些信號不會因放大器的偏置而改變。對于肌電信號來說，在10Hz以下它具有可以忽略不計的成分，但是，正是由FPAA提供的模擬前端選項提供較好的采集結(jié)果。

 

把干擾源最小化是通過采用屏蔽技術(shù)、利用更短的電纜、防止出現(xiàn)地環(huán)路、在電極區(qū)準備好被測皮膚以及采用自粘貼的Ag-AgCl電極來實現(xiàn)的。這些措施使得對信號的采集具有足夠的信噪比，以便于在模擬域?qū)崿F(xiàn)連續(xù)的信號處理。

 

模擬信號濾波

 

EMG信號的帶寬被定義為從50 Hz至350 Hz。作為一個設(shè)計選項，可以采用低階濾波器配置，從而以足夠的信噪比來捕獲EMG信號。這是利用一個二階切比雪夫帶通濾波器以及一個雙線性濾波器來實現(xiàn)的，因此，對低頻的衰減為每十倍頻程20dB，對高于帶寬的頻率的衰減是每十倍頻程40dB。

 

輸入級利用被配置為具有64倍增益的斷續(xù)放大器來實現(xiàn)。第一個濾波器級是中心頻率為200Hz、5倍增益、帶寬300Hz的帶通濾波器；第二級是一個截止頻率為500Hz、增益為20的低通濾波器。信號調(diào)理電路的總增益為6400(76dB)。所有的參數(shù)可以在任何時間被重新配置。

 

采集電路的傳輸函數(shù)如方程1和2所示，它們分別代表了斷續(xù)輸入級、雙二次帶通濾波器以及低通雙線性濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)。

 

 

其中，GChopper是斷續(xù)放大器的增益；GBP是帶通濾波器的增益；GLP是低通濾波器的增益；fBP是帶通濾波器的中心頻率；fLP是低通濾波器的截止頻率；Q是帶通濾波器的品質(zhì)因子。

 

如圖2所示為方程1的頻率響應(yīng)，繪圖是利用信號發(fā)生器(HP 33120A)獲得，而在AnadigmDesigner 2軟件中的仿真由Matlab繪出。從圖中可見，理論和實驗結(jié)果類似，兩者之差源于實驗誤差或FPAA電路的容差。仿真也證明FPAA開發(fā)工具是可靠的。

 

 

 

圖2  頻率響應(yīng)圖：實線為Matlab仿真結(jié)果；(□)線為AnadigmDesigner 2仿真和實驗結(jié)果

 

RMS數(shù)值的確定

 

RMS數(shù)值的確定是利用經(jīng)典拓撲完成的。乘法和平方根提取是利用FPAA中的CAB實現(xiàn)的。外部的一個RC被用作一階濾波器，被直接連接至FPAA差分輸出并再次注入同一個FPAA之上，如圖3所示。

 

 

圖3  利用模擬電路產(chǎn)生RMS數(shù)值的經(jīng)典拓撲

 

利用從志愿者的二頭肌采集的EMG信號以及采用自粘貼的Ag-AgCl電極，以便于獲得具有低紋波的RMS信號，與此同時，確保電路的響應(yīng)時間，如圖4所示。RC在實驗中可以被調(diào)節(jié)，最終的數(shù)值是R = 220 k且C = 470 nF，定義的截止頻率為1.5Hz。

 

 

圖4  RMS數(shù)值(Channel 2: 500 mV/div)和二頭肌信號(Channel 1: 1 V/div)

 

模擬信號處理的最后一級由產(chǎn)生觸發(fā)脈沖的比較器電路或由—當EMG RMS電平超過已調(diào)節(jié)設(shè)置點門限時—要控制外部設(shè)備的開關(guān)控制電路組成。FPAA電路具有一個可變的參考比較器來執(zhí)行這一功能，而參考電壓作為靈敏度閥值。

 

完整的電路如圖5所示。在圖5右上角的輸出3和4對應(yīng)于經(jīng)放大和濾波的EMG信號的平方，而右下角的輸出7和8對應(yīng)于模擬信號處理之后的EMG信號的RMS。

 

 

圖5  用于采集EMG信號的完整的FPAA電路

 

FPAA電路(AN221E04)的高共模抑制比使得以高共模噪聲抑制能力對極小幅度的生物電勢(10 μV至500 μV)進行采集成為可能。接下來，通過采用干擾最小化技術(shù)產(chǎn)生低噪聲的信號，該信號可以足夠的質(zhì)量被用作假肢或電刺激器的控制信號。

 

通過上述例子證明，可編程模擬陣列具有靈活性，它能夠修改模擬電路的特性，如利用軟件修改濾波器的截止頻率、增益、參考電壓，并且可以在電路工作期間進行修改，因此，F(xiàn)PAA有助于快速和可靠地實現(xiàn)醫(yī)療電子系統(tǒng)的模擬前端的原型設(shè)計。

 

 

大規(guī)?，F(xiàn)場可編程模擬陣列(FPAA)在模擬領(lǐng)域具有很大的發(fā)展?jié)摿?。業(yè)內(nèi)專家表示，F(xiàn)PAA帶來的好處在于：1. 模擬預(yù)處理可以減輕A/D轉(zhuǎn)換器存在的瓶頸問題，并減輕后級的DSP運算的負擔；2. FPAA有巨大的潛力來縮短小型模擬電路設(shè)計的原型建立時間，能夠滿足大規(guī)模陣列的要求，可以為大多數(shù)模擬應(yīng)用甚至綜合儀器提供足夠的性能；3. 與DSP方案相比，F(xiàn)PAA的主要優(yōu)勢是整個FPAA的功耗比單獨一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊還要低；4.與全定制ASIC相比的主要優(yōu)勢是靈活性，以及更快的設(shè)計、開發(fā)和部署周期。

 

然而，在這種FPAA技術(shù)也存在需要繼續(xù)解決的許多問題。例如，因走線和開關(guān)增加而帶來的噪聲會限制模擬電路的性能，并降低信噪比。然而，業(yè)內(nèi)專家認為，F(xiàn)PAA技術(shù)將隨著時間的推移變得越來越成熟，從而有望帶來一場模擬設(shè)計革命。目前，Anadigm和Lattice等公司均提供可編程模擬陣列。

 

此外，TI和凌力爾特等公司提供基于電子表格的濾波器設(shè)計程序。目前，可用的在線模擬濾波器設(shè)計程序有美國國家半導體公司的有源濾波器設(shè)計工具(Active Filter Designer)，借助該工具可以方便地針對貝塞爾、巴特沃、切比雪夫或高斯濾波器特性來選擇高通或低通濾波器的參數(shù)，這些可編程模擬設(shè)計工具的應(yīng)用，也將為醫(yī)療電子系統(tǒng)模擬前端的設(shè)計提供更大的靈活性。

 

 

1. 可編程模擬器件在小信號測量系統(tǒng)中的應(yīng)用，電子產(chǎn)品世界，http://www.eepw.com.cn/article/85904.htm

 

2. http://www.anadigm.com/

 

3. 可編程系統(tǒng)芯片的設(shè)計構(gòu)架, EDN電子設(shè)計技術(shù)，article.ednchina.com/EDA/20061203110239.htm

 

4. FPAA芯片AN10E40及其應(yīng)用, 無憂電子開發(fā)網(wǎng)，www.51kaifa.com/html/jswz/200512/read-4138.htm