一種表面肌電儀校準裝置的設計

王耀弘，王藝穎 ，張雯，周中木，龔偉

（1.重慶市計量質量檢測研究院,重慶，400121；2.國家熱工流量儀表質量監督檢驗中心（重慶），重慶，400121；3.重慶電子工程職業學院，重慶，401331）

0 引言

人體運動神經興奮時會產生生物電信號，肌電儀能夠記錄肌肉靜止或收縮時的電活動曲線。表面肌電儀因其無痛、便捷的優點區別于傳統針電極插入式肌電儀給病人痛苦而廣泛應用于臨床診斷、康復治療、運動評估、工傷評價等領域。為保障表面肌電儀量值溯源準確，文章設計了一種具有微弱電生理信號模擬功能的表面肌電儀校準裝置。該裝置具有寬頻率、高準確度等特征，能夠滿足檢測要求[1-10]。

1 工作原理

直接頻率合成是利用相位累加器存儲信號的相位信息，其相位累加情況由頻率控制字節K控制，通過查詢表使相位信息轉化為離散的數字量幅度信息，并經過數模轉換成模擬正弦量，濾波后輸出所需頻率，其優點是具有高精度的頻率和相位分辨力。

直接數字頻率合成周期信號產生算法為：

式中：?為任意周期信號，lout為周期信號頻率，0α為角速度。

直接數字頻率合成器輸出頻率0λ關系式：

直接數字頻率合成器相當于一個數字分頻器。隨著n的變大，累加器的長度也變大，從而能夠得所需頻率。

2 系統組成與關鍵硬部件選型

研制的表面肌電儀校準裝置由單片機、按鍵電路、液晶顯示電路、數字合成電路、調理電路等組成人機交互系統，具體見圖1。

單片機是信號源硬件的核心，裝置采用16位的SPCE061A單片機為控制中心，該單片機具有兩個外部時鐘源輸入和7路10位電壓模數轉換器，32位通用可編程I/O端口。由于參考時鐘等因素的影響，高端雜散噪聲干擾較大，為實現較好的頻譜純度信號，結合設計采用的逼近原則，采用橢圓函數低通濾波器進行濾波，依據陡度系數計算出反射系數50%，進而確定采用七階橢圓濾波器。考慮濾波過程中存在信號特殊頻段衰減問題，設計補償電路，實現高頻時增大幅值，從而達到補償效果。

圖1 系統組成框圖

AD9953是AD公司采用先進直接數字頻率合成技術生產的具有高集成度DDS電路。內部包含分辨率14位的高速、高性能D/A轉換器及高速比較器，工作頻率高達400MHz，具有靈活使用頻率合成功能，最高功耗僅為200mW。同時內置32KRAM，通過此功能可以實現可編程的模擬調制和數字調制，其內置寄存器可存放頻率、相位、幅度數據。AD9953芯片頻率控制字長K為32位，其中相位控制字長為14位，計算可得理論輸出相位精度達到1.9×10-4。

標準肌電信號可以認為是周期信號，相位連續，數據點為2的整數次冪，采用適當算法可以調整到所需長度，通過DDS算法可以實現連續可變信號發生，信號發生方法見圖2所示。

圖2 頻率連續可變示意圖

人機交互電路模塊主要有單片機控制。裝置選用YM12864C圖形點陣液晶顯示器，其采用動態驅動原理由行驅動器、列驅動器兩部分組成了全點陣液晶顯示，能夠實現清晰顯示。

3 實驗與分析

研制的表面肌電儀校準裝置完成后，使用Ocilloscope示波器和數字多用表進行檢測。依據JJF 1470-2014多參數生理模擬儀校準規范，對方波信號、三角波信號、正弦波信號幅度和頻率進行測量，具體數據見表1至表4。

表1 方波信號幅度準確度

表2 方波信號頻率準確度

表3 三角波信號頻率幅度準確度

表4 正弦波信號頻率幅度準確度

試驗數據表明研制的表面肌電儀計量校準裝置幅度誤差≤±2%，頻率誤差≤±1%，滿足JJF 1470-2014 多參數生理模擬儀校準規范要求。

4 結論

采用直接頻率合成技術研制的表面肌電儀校準裝置具有攜帶方便、結構合理、操作簡單等特點，同時頻率、幅度示值誤差等各項技術指標優良，經過計量檢定后能夠滿足表面肌電儀計量檢定需要。