EMG肌电信号数字采集电路及系統

摘要

本发明公开了一种EMG肌电信号数字采集电路及系統，该EMG肌电信号数字采集电路包括：信号采集端；信号放大电路，其输入端与信号采集端连接，用于对信号采集端采集到的肌电信号进行差分放大；滤波抬升电路，其输入端与信号放大电路的输出端连接，用于将经过差分放大后的肌电信号进行滤波和电压抬升，得到待处理肌电信号；控制芯片，控制芯片的采集端与滤波抬升电路的输出端连接，用于对待处理肌电信号进行运算，得到时域肌电信号和频域肌电信号。本发明通过各电路的配合设计，能够对微弱的肌电信号进行放大、信号过滤和积分转换，得到经过放大且干扰少的时域肌电信号和频域肌电信号。

说明书

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，尤其涉及一种EMG肌电信号数字采集电路及系統。

背景技术

肌电信号(EMG)是通过表面电极从肌肉表面引导和记录肌肉活动时神经肌肉系统生物电变化的一维时间序列电信号。肌电信号反映了神经与肌肉的功能状态，可应用于医学研究、人机工程、神经肌肉疾病诊断等方面。但是，人体的肌电信号很微弱，且通过电极获取的信号又夹杂了很多干扰信号，如电极接触噪声、工频干扰、外部电磁场干扰等。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种EMG肌电信号数字采集电路及系統，旨在解决肌电信号微弱且夹杂了干扰信号的技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种EMG肌电信号数字采集电路，所述EMG肌电信号数字采集电路包括：

信号采集端；

信号放大电路，所述信号放大电路的输入端与所述信号采集端连接，用于对所述信号采集端采集到的肌电信号进行差分放大；

滤波抬升电路，所述滤波抬升电路的输入端与所述信号放大电路的输出端连接，用于将经过差分放大后的所述肌电信号进行滤波和电压抬升，得到待处理肌电信号；

控制芯片，所述控制芯片的采集端与所述滤波抬升电路的输出端连接，用于对所述待处理肌电信号进行运算，得到时域肌电信号和频域肌电信号。

可选地，所述信号放大电路包括仪表放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电容、第二电容、第一瞬态二极管以及第二瞬态二极管；

所述仪表放大器的同相输入端经所述第一电阻与所述信号采集端的正向采集端连接，所述仪表放大器的反向输入端经所述第二电阻与所述信号采集端的反向采集端连接；所述仪表放大器的第一增益接入端与所述第三电阻的一端连接，所述仪表放大器的第二增益接入端与所述第三电阻的另一端连接；所述仪表放大器的输出端为所述信号放大电路的输出端；所述仪表放大器的第一电源输入端与第一电源连接，所述仪表放大器的第二电源输入端与第二电源连接；所述第一电容的一端接地，所述第一电容的另一端与所述第一电阻的一端和所述仪表放大器的同相输入端连接，所述第一电阻的另一端经所述第一瞬态二极管接地；所述第二电容的一端接地，所述第二电容的另一端与所述第二电阻的一端和所述仪表放大器的反向输入端连接，所述第二电阻的另一端经所述第二瞬态二极管接地。

可选地，所述滤波抬升电路包括高通滤波电路、低通滤波电路、电平抬升电路以及工频陷波电路；所述高通滤波电路的输入端为所述滤波抬升电路的输入端，所述高通滤波电路的输出端与所述低通滤波电路的输入端连接，所述低通滤波电路的输出端与所述电平抬升电路的输入端连接，所述电平抬升电路的输出端与所述工频陷波电路的输入端连接，所述工频陷波电路的输出端为所述滤波抬升电路的输出端。

可选地，所述高通滤波电路包括第三电容、第四电容、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻以及第一运算放大器；所述第一运算放大器的同相输入端依次经过第三电容和第四电容与所述信号放大电路的输出端连接，所述第一运算放大器的反向输入端经过第四电阻接地，所述运算放大器的反向输入端还经过第五电阻与所述第一运算放大器的输出端连接，所述第三电容和第四电容连接的结点还通过所述第六电阻与所述第一运算放大器的输出端连接，所述第一运算放大器的正向输入端还经所述第七电阻接地。

可选地，所述低通滤波电路包括第五电容、第六电容、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻和第二运算放大器；所述第二运算放大器的同相输入端依次经过所述第八电阻和第九电阻与所述高通滤波电路的输出端连接，所述第二运算放大器的同相输入端还通过第五电容接地；所述第二运算放大器的反向输入端经过所述第十电阻接地，所述第二运算放大器的反向输入端还经过所述第十一电阻与所述第二运算放大器的输出端连接；所述第六电容的一端与所述第二运算放大器的输出端连接，所述第六电容的另一端与所述第八电阻和所述第九电阻连接的结点连接；所述第二运算放大器的输出端为所述低通滤波电路的输出端。

可选地，所述电平抬升电路包括第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻和第三运算放大器；所述第三运算放大器的第一电源接入端与第三电源连接，所述第三运算放大器的第二电源接入端与第四电源连接；所述第三运算放大器的反向输入端接地；所述第三运算放大器的同相输入端经过所述第十二电阻与所述低通滤波电路的输出端连接，所述第三运算放大器的同相输入端经所述第十三电阻与所述第三运算放大器的输出端连接，所述第三运算放大器的同相输入端还经所述第十四电阻与所述第三运算放大器的所述第二电源输入端连接；所述第三运算放大器的输出端为所述电平抬升电路的输出端。

可选地，所述工频陷波电路包括第十五电阻、第十六电阻、第十七电阻、第十八电阻、第十九电阻、第七电容、第八电容、第九电容、第四运算放大器和第五运算放大器；所述第四运算放大器的同相输入端依次经过所述第七电容和第八电容与所述电平抬升电路的输出端连接，所述第四运算放大器的同相输入端还依次经过所述第十五电阻和所述第十六电阻与所述电平抬升电路的输出端连接；所述第四运算放大器的反相输入端通过所述第十七电阻和所述第五运算放大器的同相输入端连接，所述第四运算放大器的输出端为所述工频陷波电路的输出端；所述第五运算放大器的同相输入端还通过所述第十八电阻接地，所述第五运算放大器的反相输入端与所述第五运算放大器的输出端连接，所述第五运算放大器的输出端还与所述第九电容的一端和所述第十九电阻的一端连接，所述第九电容的另一端与所述第十五电阻和所述第十六电阻连接的结点连接，所述第十九电阻的另一端与所述第七电容和第八电容连接的结点连接。

可选地，还包括屏蔽壳体，所述信号放大电路、所述滤波抬升电路以及所述控制芯片均设置于所述屏蔽壳体内。

可选地，所述EMG肌电信号数字采集电路还包括电源隔离电路以及与所述控制芯片连接的通讯隔离电路。

此外，为实现上述目的，本发明还提供一种EMG肌电信号数字采集系統，所述EMG肌电信号数字采集系統包括EMG肌电信号数字采集电路，所述EMG肌电信号数字采集电路被配置为如上所述的EMG肌电信号数字采集电路。

本发明通过在EMG肌电信号数字采集电路中设置信号采集端；信号放大电路，所述信号放大电路的输入端与所述信号采集端连接，用于对所述信号采集端采集到的肌电信号进行差分放大；滤波抬升电路，所述滤波抬升电路的输入端与所述信号放大电路的输出端连接，用于将经过差分放大后的所述肌电信号进行滤波和电压抬升，得到待处理肌电信号；控制芯片，所述控制芯片的采集端与所述滤波抬升电路的输出端连接，用于对所述待处理肌电信号进行运算，得到时域肌电信号和频域肌电信号。其中，通过各电路模块的配合设计，将从信号采集端采集到的微弱的肌电信号经过放大和滤波，得到具有识别度、信号干扰少的肌电信号，此外还通过控制芯片对肌电信号进行运算，得到频域肌电信号和时域肌电信号，方便通过对肌电信号进行数据挖掘，实现更为深层次的生物特征研究。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明EMG肌电信号数字采集电路一实施例的模块示意图；

图2为图1实施例中信号放大电路可选的电路结构示意图；

图3为图1实施例中高通滤波电路可选的电路结构示意图；

图4为图1实施例中低通滤波电路可选的电路结构示意图；

图5为图1实施例中电平抬升电路可选的电路结构示意图；

图6为图1实施例中工频陷波电路可选的电路结构示意图；

图7为图1实施例中通讯隔离电路可选的电路结构示意图；

图8为图1实施例中电源隔离电路可选的电路结构示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

附图标号说明：

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提供一种EMG肌电信号数字采集电路，参照图1，在一实施例中，该EMG肌电信号数字采集电路包括：

信号采集端10；

信号放大电路20，信号放大电路20的输入端与信号采集端10连接，用于对信号采集端10采集到的肌电信号进行差分放大；

滤波抬升电路30，滤波抬升电路30的输入端与信号放大电路20的输出端连接，用于将经过差分放大后的肌电信号进行滤波和电压抬升，得到待处理肌电信号；

控制芯片40，控制芯片40的采集端与滤波抬升电路30的输出端连接，用于对待处理肌电信号进行运算，得到时域肌电信号和频域肌电信号。

上述EMG肌电信号数字采集电路可以用于EMG肌电信号数字采集系統，该系统可以应用于监护设备或者康复理疗设备中。其中，信号采集端10可以是表面电极，该表面电极可以使用银/氯化银材料作为感应元件。该表面电极以电极片的形式贴附于人体表面皮肤，可以是贴附在手臂或者脑部。

表面电极采用一次性心电电极引导表面肌电信号，通过屏蔽导线连接到前置信号放大电路20，屏蔽导线的使用能够减少外界干扰。电极片的数量可以有三片，其中有一片接地GND，另外两个电极片将从人体采集到的肌电信号输入至信号放大电路20进行差分放大，使微弱的肌电信号的信号幅度得到提升。经过差分放大的肌电信号还通过滤波抬升，信号干扰被滤除，电压信号幅度被进一步抬升，具有可识别性。进一步地，还通过控制芯片40对待处理肌电信号进行运算，最后得到时域和频域上分别对应的肌电信号数据，能够方便通过对肌电信号进行数据挖掘，实现更为深层次的生物特征研究。

进一步地，请一并参看图1和图2，上述信号放大电路20包括仪表放大器U1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电容C1、第二电容C2、第一瞬态二极管TVS1以及第二瞬态二极管TVS2；

仪表放大器U1的同相输入端经第一电阻R1与信号采集端10的正向采集端连接，仪表放大器U1的反向输入端经第二电阻R2与信号采集端10的反向采集端连接；仪表放大器U1的第一增益接入端与第三电阻R3的一端连接，仪表放大器U1的第二增益接入端与第三电阻R3的另一端连接；仪表放大器U1的输出端为信号放大电路20的输出端；仪表放大器U1的第一电源V1输入端与第一电源V1连接，仪表放大器U1的第二电源V2输入端与第二电源V2连接；第一电容C1的一端接地GND，第一电容C1的另一端与第一电阻R1的一端和仪表放大器U1的同相输入端连接，第一电阻R1的另一端经第一瞬态二极管接地GND；第二电容C2的一端接地GND，第二电容C2的另一端与第二电阻R2的一端和仪表放大器U1的反向输入端连接，第二电阻R2的另一端经第二瞬态二极管接地GND。

其中仪表放大器U1可以采用美国ADI公司的AD8221芯片，该AD8221芯片采用节省空间的MSOP封装，具有增益可编程、低偏置电流和高共模抑制比性能。在本实施例中，信号采集端10中的第一电极片作为差分正信号输入端通过第一电阻R1接入仪表放大器U1的同相输入端，第二电极片接地GND，第三电极片作为差分负信号输入端通过第二电阻R2接入仪表放大器U1的反向输入端。该第一电阻R1和第二电阻R2作为分压电阻，能够隔离人体，防止强电伤害人体。第一电阻R1和第一电容C1以及第二电阻R2和第二电容C2分别组成无源RC高频滤波器，用于滤除周围环境存在的各种各样的高频脉冲。第一瞬态二极管和第二瞬态二极管可对应防止第一电极片和第三电极片因输入端电压过高损坏仪表放大器U1。

其中第一电源V1和第二电源V2可以对应为+5V和-5V，第一电源V1和第二电源V2均可以通过两个并联的电容接地GND，实现滤波，提高供电质量。

上述第三电阻R3的取值设计能够调整信号放大倍数，当其采用AD8221芯片时，增益为G＝1+(49.4kΩ/R3)，例如若将信号放大倍数控制在20倍时，R3可以取值为2.6kΩ。通过信号放大电路20的设计，能够对微弱的肌电信号进行差分放大，方便后续电路的进一步处理以及信号的可读性。

请继续参看图1，上述滤波抬升电路30包括高通滤波电路31、低通滤波电路32、电平抬升电路33以及工频陷波电路34；高通滤波电路31的输入端为滤波抬升电路30的输入端，高通滤波电路31的输出端与低通滤波电路32的输入端连接，低通滤波电路32的输出端与电平抬升电路33的输入端连接，电平抬升电路33的输出端与工频陷波电路34的输入端连接，工频陷波电路34的输出端为滤波抬升电路30的输出端。

其中，上述高通滤波电路31、低通滤波电路32、电平抬升电路33以及工频陷波电路34的结构可以根据实际需要进行设置。在本实施例中，参看图1至图,3，上述高通滤波电路31可以包括第三电容C3、第四电容C4、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7以及第一运算放大器U2；第一运算放大器U2的同相输入端依次经过第三电容C3和第四电容C4与信号放大电路20的输出端连接，第一运算放大器U2的反向输入端经过第四电阻R4接地GND，运算放大器的反向输入端还经过第五电阻R5与第一运算放大器U2的输出端连接，第三电容C3和第四电容C4连接的结点还通过第六电阻R6与第一运算放大器U2的输出端连接，所述第一运算放大器U2的正向输入端还经所述第七电阻R7接地GND。

上述第一运算放大器U2可以采用美国ADI公司的AD8672芯片，该AD8672芯片具有高精密低噪声的特性，结合第三电容C3、第四电容C4、第六电阻R6和第七电阻R7组成二阶高通压控滤波，经过差分放大的肌电信号接入高通滤波电路31后，能够滤除叠加在肌电信号上的低频信号和直流成分。例如可以将电路的截止频率设计为10Hz，即滤除10Hz以下的低频信号，对应第六电阻R6和第七电阻R7的阻值可以设置为16kΩ，第三电容C3和第四电容C4的电容值设置为1uF。当增益设置为1.5倍时，第四电阻R4和第五电阻R5的阻值可以对应设置为20kΩ和10kΩ，即增益K＝1+10kΩ/20kΩ＝1.5倍。通过高通滤波电路31的设计，能够滤除叠加在肌电信号上的低频信号和直流成分，减少干扰。

参看图1至图4，上述低通滤波电路32可以包括第五电容C5、第六电容C6、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11和第二运算放大器U3；所述第二运算放大器U3的同相输入端依次经过所述第八电阻R8和第九电阻R9与所述高通滤波电路31的输出端连接，所述第二运算放大器U3的同相输入端还通过第五电容C5接地GND；所述第二运算放大器U3的反向输入端经过所述第十电阻R10接地GND，所述第二运算放大器U3的反向输入端还经过所述第十一电阻R11与所述第二运算放大器U3的输出端连接；所述第六电容C6的一端与所述第二运算放大器U3的输出端连接，所述第六电容C6的另一端与所述第八电阻R8和所述第九电阻R9连接的结点连接；所述第二运算放大器U3的输出端为所述低通滤波电路32的输出端。

上述第二运算放大器U3可以采用美国ADI公司的AD8672芯片，该AD8672芯片具有高精密低噪声的特性，结合第五电容C5、第六电容C6、第八电阻R8、第九电阻R9组成二阶低通压控滤波，依次经过差分放大和高通滤波的肌电信号输入至低通滤波电路32的输入端后，可以滤除叠加在肌电信号上的高频脉冲杂波，该高频脉冲杂波可以由衣物放电、电源或者外部空间干扰带来。例如可以将低通滤波电路32的截止频率设置为513Hz，增益设置为1.5倍，即第八电阻R8和第九电阻R9的阻值可以设置为3.1kΩ，第五电容C5、第六电容C6的电容值为100nF。通过低通滤波电路32的设计，能够滤除叠加在肌电信号上的高频杂波信号，减少干扰。

参看图1至图5，上述电平抬升电路33包括第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14和第三运算放大器U4；所述第三运算放大器U4的第一电源V1接入端与第三电源V3连接，所述第三运算放大器U4的第二电源V2接入端与第四电源V4连接；所述第三运算放大器U4的反向输入端接地GND；所述第三运算放大器U4的同相输入端经过所述第十二电阻R12与所述低通滤波电路32的输出端连接，所述第三运算放大器U4的同相输入端经所述第十三电阻R13与所述第三运算放大器U4的输出端连接，所述第三运算放大器U4的同相输入端还经所述第十四电阻R14与所述第三运算放大器U4的所述第二电源V2输入端连接；所述第三运算放大器U4的输出端为所述电平抬升电路33的输出端。

其中，上述第三运算放大器U4可以为美国ADI公司的AD8672芯片，该芯片具有高精密低噪声的特性。上述第三电源V3和第一电源V1可以为一个供电电源，即电压值为+5V，第四电源V4和第二电源V2可以为一个供电电源，其电压值可以为-5V。上述第十三电阻R13用于进行电平平移，其与第十四电阻R14共同决定电平抬升电路33的放大倍数。可以理解的是，在通过表面电极进行信号差分采集时，采集到的肌电信号既有正电压，又有负电压，可以由第三运算放大器U4组成同相加法器，对经过信号放大、高低通滤波后的肌电信号进行电平抬升，使电压幅度整体得到提高，方便后续主控芯片进行采集。

请一并参看图1至图6，上述工频陷波电路34包括第十五电阻R15、第十六电阻R16、第十七电阻R17、第十八电阻R18、第十九电阻R19、第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9、第四运算放大器U5和第五运算放大器U6；所述第四运算放大器U5的同相输入端依次经过所述第七电容C7和第八电容C8与所述电平抬升电路33的输出端连接，所述第四运算放大器U5的同相输入端还依次经过所述第十五电阻R15和所述第十六电阻R16与所述电平抬升电路33的输出端连接；所述第四运算放大器U5的反相输入端通过所述第十七电阻R17和所述第五运算放大器U6的同相输入端连接，所述第四运算放大器U5的输出端为所述工频陷波电路34的输出端；所述第五运算放大器U6的同相输入端还通过所述第十八电阻R18接地GND，所述第五运算放大器U6的反相输入端与所述第五运算放大器U6的输出端连接，所述第五运算放大器U6的输出端还与所述第九电容C9的一端和所述第十九电阻R19的一端连接，所述第九电容C9的另一端与所述第十五电阻R15和所述第十六电阻R16连接的结点连接，所述第十九电阻R19的另一端与所述第七电容C7和第八电容C8连接的结点连接。

上述第四运算放大器U5和第五运算放大器U6可以为美国ADI公司的AD8672芯片，该芯片具有高精密低噪声的特性，其作为主要运行电子元件构成了双T型有源陷波器，经过电平抬升的肌电信号接入工频陷波电路34的输入端，叠加在肌电信号上的50Hz工频干扰将被滤除，增强了EMG肌电信号数字采集电路的抗干扰性。

最终，控制芯片40的A/D(模拟信号转数字信号)采集端作为控制芯片40的采集端采集到了等待进行运算的待处理肌电信号。本方案可以采用意法半导体的32位单片机STM32F373，芯片主频率可以为72MHz，带16位A/D转换起，可以将待处理肌电信号从模拟信号转换为数字信号，此时得到的数字信号即是时域肌电信号，进而将数字信号表示的肌电信号通过算法程序进行整流积分运算，得到频域肌电信号。

上述方案通过集成芯片进行运算放大器和仪表放大器U1配置，集成度较高，能够帮助EMG肌电信号数字采集电路实现小型化，方便研究和推广使用。

进一步地，请一并参看图1、图7和图8，上述EMG肌电信号数字采集电路还可以包括屏蔽壳体，除信号采集端10以外的信号放大电路20、滤波抬升电路30以及控制芯片40等电路模块可以设置在屏蔽壳体内。该屏蔽壳体可以使用全金属可拆卸结构，在整体抗外部干扰的同时方便后期的维护保养。

屏蔽壳体上还可以保留设置通信接口和电源输入接口，其中通信接口可以为RS232通信接口。还可以设置通讯隔离电路50，该通信接口与通讯隔离电路50的一端连接，通讯隔离电路50的另一端与控制芯片40连接。能够使控制芯片40串口通过通讯隔离电路50与外部相互通讯，向外发送经过运算处理的时域肌电信号和频域肌电信号。上述通讯隔离电路50可以是美国芯科公司的数字隔离器芯片SI8642BD组成，隔离电压高达5kV。

外部电源可以通过电源输入接口和电源隔离电路60接入EMG肌电信号数字采集电路，为内部电路进行供电。以上述电源的工作电压为+5V或者-5V为例，参见图8，电源隔离电路60可以为金升阳公司的隔离稳压正负双路输出模块电源IE0505KS组成，IE0505KS模块电源采用小型SMD贴片封装，隔离电压高达3kVDC。通过电源隔离电路60可以对直流输入电压进行隔离处理，增强抗干扰能力。此外，在电源隔离电路60的输入输出端与地GND之间均连接有电容，用于滤波，减少干扰。

本发明还提供一种EMG肌电信号数字采集系統，该EMG肌电信号数字采集系統包括EMG肌电信号数字采集电路，该EMG肌电信号数字采集电路的结构可参照上述实施例，在此不再赘述。理所应当地，由于本实施例的EMG肌电信号数字采集系統采用了上述EMG肌电信号数字采集电路的技术方案，因此该EMG肌电信号数字采集系統具有上述EMG肌电信号数字采集电路所有的有益效果。

以上仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。