基于SOPC嵌入式技术的表面肌电信号检测系统的研究

　　引言

　　表面肌电信号(SEMG)是一种由肢体运动在皮肤表面产生的生物电信号，作为一种无创检测方法，其信号的检测分析在临床诊断、人机仿生系统等领域中具有重要的意义。表面肌电信号的特点是信号微弱，因此极易受到心电信号和工频噪声的干扰。本文提出了一种基于SOPC嵌入式技术，将模拟滤波器和数字滤波器结合起来的方法用于处理采集到的信号。经过测试，系统可以有效地提取10～500Hz 范围内的表面肌电信号，并对干扰较大的50Hz工频噪声起到了很好的抑制作用。

　　1 肌电信号的产生

　　肌电信号起源于神经元。神经元的轴突伸展到肌纤维处，在终板区与肌纤维耦合。一般一个神经元与多条肌纤维相联，在中枢神经的控制下,神经元发放电脉冲延轴突传导到肌纤维，在相关的肌纤维上产生脉冲序列从终板区沿肌纤维相向传播。一系列的电脉冲引起肌纤维抽缩而产生肌张力^[2]。

　　表面肌电信号是伴随肌肉运动产生的生物电信号在皮肤上的募集。表面肌电信号的频率范围为10Hz~500Hz, 由于50Hz工频噪声干扰处于表面肌电信号能量集中的频段，且幅值较大，如果不做处理，肌电信号将被工频噪声所淹没^[3]。

　　2 系统工作原理

　　表面肌电信号被表面电极拾取，经过放大和模拟滤波处理后转换成数字信号，并在SOPC片上系统上完成数字滤波后由NIOS Ⅱ嵌入式软核CPU处理后并输出到液晶显示器上。系统的外围设备和NIOS Ⅱ嵌入式软核之间由VHDL编写的控制器通过AVALON总线实现高速数据交互。系统工作原理如图 1 所示。

　　3 系统硬件设计

　　3.1 前级放大电路设计

　　由于表面肌电信号的幅度较低(2 μ V~5mV)，同时普通的电子元件的噪声相当于数微伏无规则电压，未经放大处理的表面肌电信号极易被元器件产生的噪声所淹没，因此在信号处理前引入前级放大电路。系统采用了JFET型仪表放大器AD8220作为前级放大器，该放大器具有低失调电压、低漂移和高输入阻抗等特点，可大大减小表面肌电信号源内阻(表面电极与皮肤接触面阻抗以及人体组织阻抗)对差分输入的影响并有效地抑制表面肌电信号中的直流成分，提高了信噪比。肌电信号通过表面电极1和表面电极2拾取，表面电极1和2之间插入参考电极3，用于引入地参考以增加抗共模干扰能力降低噪声^[2]。前级放大电路中R1、R2、C1、C2和C3构成低通滤波电路^[4]。

　　两组二极管嵌位电路，防止输入信号过大而导致后级损坏。AD8220 通过 RG 取值来设置放大增益，其中RG=R5//(R3+R4)，放大器的增益表达式为G=49.4/RG +1。为了防止出现饱和失真，前级增益G1一般设置为 20 倍。前级放大电路原理如图 2所示。