利用Anadigm FPGA實(shí)現(xiàn)EMG信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

一、引言

在生物信號(hào)采集的過(guò)程中，信號(hào)的幅度因被測(cè)對(duì)象、不同種類(lèi)的生物電勢(shì)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(cè)對(duì)象調(diào)節(jié)模擬前端的放大器放大倍數(shù)以及帶寬。實(shí)現(xiàn)這類(lèi)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(guò)采用可編程模擬陣列實(shí)現(xiàn)一個(gè)RMS-DC轉(zhuǎn)換器或把經(jīng)放大的EMG（肌電）信號(hào)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(gè)可編程組件中實(shí)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(hào)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(hào)的幅度范圍從10 μV至1 mV，這些信號(hào)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(jí)也采用模擬電路實(shí)現(xiàn)，當(dāng)帶外頻率需要進(jìn)一步的衰減時(shí)，通常采用二階或四階低通和高通濾波器。

本文介紹利用Anadigm FPGA對(duì)EMG信號(hào)進(jìn)行采集和模擬處理的電路實(shí)現(xiàn)方案，這個(gè)模擬信號(hào)處理方案的目的就是為了從EMG信號(hào)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。

二、FPAA的特性

正如可編程門(mén)陣列（FPGA）已經(jīng)變革了數(shù)字電路設(shè)計(jì)一樣，F(xiàn)PAA給模擬電路設(shè)計(jì)引入了方便的原型設(shè)計(jì)方法并縮短了設(shè)計(jì)時(shí)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(hào)并把路由網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)。FPAA是一種可以被編程和再次編程的集成電路，可以對(duì)模擬電路功能執(zhí)行路由端的調(diào)整。電路配置文件由個(gè)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(shí)間均可變，對(duì)于已經(jīng)完成的功能配置可以通過(guò)新的下載進(jìn)行改變或?qū)崟r(shí)升級(jí)進(jìn)行重新配置。

基于開(kāi)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(duì)生物學(xué)信號(hào)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(hào)以及60Hz電源線(xiàn)干擾最小化。

1 電路描述

電路的實(shí)現(xiàn)利用AnadigmDesigner 2軟件實(shí)現(xiàn)，其中，包括電路仿真器以及一個(gè)可編程器件，利用在AN220D04評(píng)估板上的串行接口實(shí)現(xiàn)工作測(cè)試。由電池供電的評(píng)估板利用光學(xué)接口被連接至一臺(tái)計(jì)算機(jī)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(hào)采集和處理的系統(tǒng)的方框圖

2 對(duì)EMG信號(hào)的采集

通過(guò)表面電極采集的EMG信號(hào)的幅度在10 μV至1 mV范圍內(nèi)，然而，共模信號(hào)（干擾）可能高達(dá)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(duì)生物電勢(shì)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(hào)，這些信號(hào)不會(huì)因放大器的偏置而改變。對(duì)于肌電信號(hào)來(lái)說(shuō)，在10Hz以下它具有可以忽略不計(jì)的成分，但是，正是由FPAA提供的模擬前端選項(xiàng)提供較好的采集結(jié)果。

把干擾源最小化是通過(guò)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(zhǔn)備好被測(cè)皮膚以及采用自粘貼的Ag-AgCl電極來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這些措施使得對(duì)信號(hào)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(hào)處理。

3 模擬信號(hào)濾波

EMG信號(hào)的帶寬被定義為從50 Hz至350 Hz。作為一個(gè)設(shè)計(jì)選項(xiàng)，可以采用低階濾波器配置，從而以足夠的信噪比來(lái)捕獲EMG信號(hào)。這是利用一個(gè)二階切比雪夫帶通濾波器以及一個(gè)雙線(xiàn)性濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此，對(duì)低頻的衰減為每十倍頻程20dB，對(duì)高于帶寬的頻率的衰減是每十倍頻程40dB。

輸入級(jí)利用被配置為具有64倍增益的斷續(xù)放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)。第一個(gè)濾波器級(jí)是中心頻率為200Hz、5倍增益、帶寬300Hz的帶通濾波器；第二級(jí)是一個(gè)截止頻率為500Hz、增益為20的低通濾波器。信號(hào)調(diào)理電路的總增益為6400（76dB）。所有的參數(shù)可以在任何時(shí)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(jí)、雙二次帶通濾波器以及低通雙線(xiàn)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(hào)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(jiàn)，理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果類(lèi)似，兩者之差源于實(shí)驗(yàn)誤差或FPAA電路的容差。仿真也證明FPAA開(kāi)發(fā)工具是可靠的。

圖2 頻率響應(yīng)圖：實(shí)線(xiàn)為Matlab仿真結(jié)果；（□）線(xiàn)為AnadigmDesigner 2仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 RMS數(shù)值的確定

RMS數(shù)值的確定是利用經(jīng)典拓?fù)渫瓿傻摹３朔ê推椒礁崛∈抢肍PAA中的CAB實(shí)現(xiàn)的。外部的一個(gè)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(gè)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?fù)?/p>

利用從志愿者的二頭肌采集的EMG信號(hào)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(hào)，與此同時(shí)，確保電路的響應(yīng)時(shí)間，如圖4所示。RC在實(shí)驗(yàn)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(hào)（Channel 1： 1 V/div）

模擬信號(hào)處理的最后一級(jí)由產(chǎn)生觸發(fā)脈沖的比較器電路或由—當(dāng)EMG RMS電平超過(guò)已調(diào)節(jié)設(shè)置點(diǎn)門(mén)限時(shí)—要控制外部設(shè)備的開(kāi)關(guān)控制電路組成。FPAA電路具有一個(gè)可變的參考比較器來(lái)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(duì)應(yīng)于經(jīng)放大和濾波的EMG信號(hào)的平方，而右下角的輸出7和8對(duì)應(yīng)于模擬信號(hào)處理之后的EMG信號(hào)的RMS。

圖5 用于采集EMG信號(hào)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(duì)極小幅度的生物電勢(shì)（10 μV至500 μV）進(jìn)行采集成為可能。接下來(lái)，通過(guò)采用干擾最小化技術(shù)產(chǎn)生低噪聲的信號(hào)，該信號(hào)可以足夠的質(zhì)量被用作假肢或電刺激器的控制信號(hào)。

通過(guò)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(jìn)行修改，因此，F(xiàn)PAA有助于快速和可靠地實(shí)現(xiàn)醫(yī)療電子系統(tǒng)的模擬前端的原型設(shè)計(jì)。

三、可編程模擬器件的發(fā)展趨勢(shì)

大規(guī)模現(xiàn)場(chǎng)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(zhuān)家表示，F(xiàn)PAA帶來(lái)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(wèn)題，并減輕后級(jí)的DSP運(yùn)算的負(fù)擔(dān)；2. FPAA有巨大的潛力來(lái)縮短小型模擬電路設(shè)計(jì)的原型建立時(shí)間，能夠滿(mǎn)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(shì)是整個(gè)FPAA的功耗比單獨(dú)一個(gè)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(shì)是靈活性，以及更快的設(shè)計(jì)、開(kāi)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(wèn)題。例如，因走線(xiàn)和開(kāi)關(guān)增加而帶來(lái)的噪聲會(huì)限制模擬電路的性能，并降低信噪比。然而，業(yè)內(nèi)專(zhuān)家認(rèn)為，F(xiàn)PAA技術(shù)將隨著時(shí)間的推移變得越來(lái)越成熟，從而有望帶來(lái)一場(chǎng)模擬設(shè)計(jì)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(jì)程序。目前，可用的在線(xiàn)模擬濾波器設(shè)計(jì)程序有美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的有源濾波器設(shè)計(jì)工具（Active Filter Designer），借助該工具可以方便地針對(duì)貝塞爾、巴特沃、切比雪夫或高斯濾波器特性來(lái)選擇高通或低通濾波器的參數(shù)，這些可編程模擬設(shè)計(jì)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(jì)提供更大的靈活性。

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