基于STM32F103的自...制功能性电刺激的研究与设计_陈鑫政.pdf

第 46 卷 第 1 期2023 年 2 月电 子 器 件Chinese Journal of Electron DevicesVol.46No.1Feb 2023项目来源:国家自然科学基金项目(61874024);江苏省研究生科研与实践创新计划项项目收稿日期:20220812修改日期:20220908esearch and Design of Functional Electrical Stimulation forAutonomous Myoelectric Control Based on STM32F103*CHEN Xinzheng，LI Wenyuan*，WANG Zhigong*(School of Information Science and Engineering，Southeast University，Nanjing Jiangsu 210096，China)Abstract:An autonomous EMG-controlled functional electrical stimulation(FES)is designed to address the adaptability of different pa-tients to the FES intensity and the control of limb angle STM32F103 is used as the development platform for the acquisition of EMGsignals and stimulation output control The hardware circuit contains an operational amplifier，a full-wave rectifier，an active filter，and acurrent mirror The software fultils the detection of the EMG signal and the control of the stimulation output intensity through the DMA，ADC and DAC of STM32F103 Tests show that the system can achieve EMG signal detection and the control of the dynamic output ofstimulation signal using the peak EMG signalKey words:autonomous electromyographic control;functional electrical stimulation;STM32F103;Full-wave rectifier circuit;peak elec-tromyographyEEACC:2220doi:103969/jissn10059490202301008基于 STM32F103 的自主肌电控制功能性电刺激的研究与设计*陈鑫政，李文渊*，王志功*(东南大学信息科学与工程学院，江苏 南京 210096)摘要:为解决不同患者对于功能性电刺激强度的适应能力和肢体角度的控制，设计了一款自主肌电控制功能性电刺激。该系统以 STM32F103 为开发平台，对肌电信号进行采集和刺激输出控制。硬件电路包含运算放大电路、全波整流电路、有源滤波电路和电流镜电路等。软件实现通过 STM32F103 的直接寄存器访问技术、数模转换模块和模数转换模块进行肌电信号峰值探测和刺激信号输出强度控制。测试表明:该系统能够实现肌电峰值探测，并使用肌电信号峰值控制刺激信号动态输出。关键词:自主肌电控制;功能性电刺激;STM32F103;全波整流电路;肌电峰值中图分类号:TN43;Q64文献标识码:A文章编号:10059490(2023)01004606瘫痪病人肢体运动功能的康复和重建是康复医学研究领域的重要组成部分。将采集到的肌电信号经过处理后生成功能性电刺激(Functional ElectricalStimulation，FES)脉冲信号，通过电流刺激外周神经、运动点或穴位诱发肌肉收缩，促进肢体功能恢复。肌电图(Electro-Myo-Graphy，EMG)是指通过特定仪器所记录的人体中枢神经系统管控的肌肉群收缩时产生的生物电信号。其采集与处理是影响功能性电刺激效果的重要因素。而肌电信号的采集与处理的关键因素涉及肌电探测前端的设计和探测位点的选取1。目前，国内外已有较多的 FES 产品，例如巴拉圭亚松森大学在 2019 年研制的 H-GAIT System，可以实现下肢不同康复场景中的各种肌肉激活模式;中国讯丰通公司在 2016 年研制出 XFT2001D 助行仪，可以跟踪患者步行时小腿摆动的位置角度和速度控制电刺激时机和持续时间。以上产品均缺少探测肌电信号峰值，并动态地调整刺激信号输出的功能，利用肌电信号控制功能性刺激信号输出的产品较少。本文在实验室研究成果的基础上，对现有的肌电探测电路和功能性电刺激电路进行改进和开发，设计一款基于 STM32F103 的自主肌电控制 FES 模块，实现了肌电信号峰值探测与动态控制刺激信号输出，在瘫痪肢体运动功能重建等方面具有良好的发展前景。1系统总体方案设计自主肌电控制功能性电刺激系统主要分为探测电路、控制电路和刺激输出电路三个模块。系统整体的结构框图如图 1 所示。第 1 期陈鑫政，李文渊等:基于 STM32F103 的自主肌电控制功能性电刺激的研究与设计图 1系统总体设计方案整个系统的工作原理是:MCU 控制电路控制肌电信号探测电路，完成肌电信号探测与关闭。根据MCU 控制电路发出的控制信号，肌电信号探测电路将处理后的肌电信号传给 MCU 控制电路。MCU 控制电路根据肌电信号，发出相应的控制指令给肌电信号探测电路与功能性刺激电路，并产生随肌电信号变化的 DAC 输出信号，经过功能性刺激电路，最终生成刺激输出信号2。2下肢肌电信号采集本文肌电探测电路参考课题组的肌电探测电路，并对探测电路进行修改与设计。主要由共模抑制电路、快速恢复电路、有源放大电路、全波整流电路和有源带通滤波器组成。21共模抑制电路肌电信号采集模拟前端电路的主要功能是放大微弱的肌电信号，降低影响其性能的带外噪声。在实际的使用中，由于 50 Hz 工频干扰的影响，会在模拟前端电路中引入共模干扰，当生物电极阻抗有电阻失配的问题时还会引起差模干扰。由于工频干扰在肌电信号范围内，并容易造成信号饱和的现象，因此需要消除工频干扰2。本文使用右腿驱动电路消除共模信号，可以在不影响肌电信号的采集状态下，实时动态地消除共模干扰。右腿驱动电路原理图如图 2 所示。图 2右腿驱动电路原理图本研究采用 U1 和 U4(OPA4177，Texas InstrumentsInc，USA)构成跟随器以提高输入阻抗。差分放大器采用共模抑制比较高的精密仪表放大器 INA128。INA128 中增益控制的 4、5电阻连接处引出的人体共模电压，经由 U2、2、3、U3 构成的右腿驱动电路返回到皮肤，为皮肤稳定基准电压(参考探测地为0 V)，并进一步提高共模抑制比。共模抑制电路对差模信号进行放大，减少共模信号。通过查询 INA128 的芯片手册和计算可得，流经 INA128 的肌电信号增益为:G1=1+504+5(1)选取 4、5的阻值为475 k，因此共模抑制电路肌电信号增益为 16 dB。22基线快速恢复由于肌电信号探测前端有刺激伪迹以及 M 波等信号的干扰。因此在采集肌电信号时，需要去除干扰信号对肌电信号采集的影响。如图3 所示，基线快速恢复电路通过 6、U6、C1构成的积分电路，将信号反馈至 INA128 的参考端，组成一个高通滤波器，减少低频噪声对肌电信号的影响 2。图 3基线快速恢复电路图 4基线快速恢复电路频响图通过查询芯片资料与计算，可以得到 6、U6、C1和 INA128 构成高通滤波器的截止频率为:f=12C16(2)使用 PSpice 软件仿真，可以得到基线快速恢复电路的频响图。如图4 所示，其截止频率为 75 Hz，与式74电子器件第 46 卷(2)计算结果吻合。该滤波器可以消除 075 Hz 低频干扰信号。23运算放大电路由于系统初始采集到的自主肌电信号的电压非常微小，幅值在毫伏和微伏之间。而探测电路多级放大的结果，为输出到信号处理电路的信号，幅值必须处于033 V 之间，因此，肌电信号的总电压增益应该为 60 dB 以上。由于共模抑制电路已经提供了16 dB 的电压增益，因此后级放大电路必须提供44 dB 以上的电压增益才能满足设计需求4。本设计采用的反相放大器为 TI 公司生产的OPA4188 零漂移运算放大器，具有偏移电压小于25 V，共模抑制比为 146 dB 的特性，属于精密运算放大器。放大电路的增益通过相应的电阻进行调节，得到放大电路的增益为:G2=87(3)可以得到去伪迹信号探测电路总体增益为G=G1G2=6287(4)在本电路中，我们使用的电阻 7为 500，电阻8为80 k，可以测得运算放大电路增益为44 dB，计算可以得到电路经过两次放大电路的总电压增益为61 dB，符合去伪迹信号探测电路的设计需求。24有源全波整流电路由于控制电路需要采集肌电信号、判断信号峰值，并完成功能性电刺激输出。因此，将肌电信号全波整流后，会增加肌电信号峰值出现次数，从而增强功能性电刺激输出强度。整流电路是模拟电子技术中出现最早，也是非常重要的电路之一，其作用是将交流电转换成单向脉动直流电，包括单相半波整流电路、单相全波整流电路和单相桥式整流电路三种。传统的全波整流电路分为有源全波整流电路和无源全波整流电路。考虑到无源全波整流电路使用到变压器，并且电源变压器需要抽头，成本较高。有源全波整流电路方便集成，并且相比于无源全波整流电路，有源全波整流电路可以较方便地调节电路参数与性能45。通过 PSpice 仿真，最终选择一款尽可能减少二极管对输出电压影响和高性能的电路，全波整流电路原理图如图 5 所示。通过 PSpice 仿真，可以得到当输入为 60 Hz，幅度为 37 V 电压的正弦波时，输出的波形如图 6所示。图 5全波整流电路原理图图 6输入和输出信号波形图通过对比可以得到，本文的全波整流电路可以较好地实现将交流电转换成单向脉动直流电，且幅度完全相同，减少了二极管对有源全波整流电路的影响。经过电路实际测试后，达到预期效果。25带通有源滤波器电路滤波器是一种对不同频率输入信号，实施不同的增益和相移，以形成不同输出的器件。滤波器可以分为有源滤波器和无源滤波器。有源滤波器可以引入负反馈和放大环节，因此可以实现极为复杂的滤波功能，且能轻松应对小信号。并且可以轻松实现多级滤波器的级联，而无源滤波器各级之间的互相影响是极为复杂的，因此，本文采用有源滤波器进行滤波器组的设计。由于人体肌电信号的频谱范围为 20 Hz 500 Hz，其主要能量集中在 50 Hz200 Hz 之间。由于肌电信号的采集易受到工频干扰和其他电信号的干扰。因此本文使用有源滤波电路来抑制上述干扰信号。为了获得较好的抑制效果以及获得较高的信84第 1 期陈鑫政，李文渊等:基于 STM32F103 的自主肌电控制功能性电刺激的研究与设计号保真度，应当尽量提高幅频特性中上升沿陡峭程度，故采用 8 阶切比雪夫高通滤波器，该滤波器是基于 4 个 Sallen-Key 高通滤波器级联实现6。本文采用了两个 4 阶的高通滤波器和两个四阶的低通滤波器组成带通滤波电路，通频带为 60 Hz180 Hz，以达到抑制噪声、基线漂移、运动伪迹的目的。每个滤波器都采用两个 4 阶巴特沃兹滤波器进行设计，并以 Sallen-Key 结构为拓扑结构。本文绘制的带通滤波电路原理图如图 7(a)、图 7(b)所示6。图 7Sallen-Key 低通和高通滤波器