2022年电子__沈显风_开题分析方案.docx

精品学习资源HEFEIUNIVERSITY毕 业 设 计<论文） 开题报告题目 基于 LabVIEW的多通道 sEMG 信号检测系统设计系别电子信息与电气工程系专业电子信息工程班级10 级电子信息工程 1 班姓名沈显风指导老师纪 平完成时间2021 年 3 月 20 日欢迎下载精品学习资源合肥学院电子信息与电气工程系毕业设计 <论文）开题报告同学： 沈显风班级： 10 电子<1）班基于 LabVIEW的多通道 sEMG信号检欢迎下载精品学习资源论文题目可行性方案分析参考文献测系统设计导师姓名纪平可行性方案分析见附页1 余学飞 . 医学电子仪器原理与设计 M.广州: 华南理工高校出版社,2000.2 崔华. 小波分析及其在信号处理中的应用D.西安:西安电子科技高校 ,20051>:56-60.3 SongRong,TongKaiyu,HuXiaoling,etal.Assi stivecontrolsystemusingcontinuousmyoelectricsignalinrobotaidedarmtrainingforpatientsafterstrokeJ.IEEETransactiononNeuralSystemsandRehabili tationEngineering,2021,164>:371-379.4 FRIGOC, CREEA P.MultichannelSEMG inclinicalgaitanalysis:Areviewandstate-of-the-artJ.ClinicalBiomechanics,2021,24:236-245.5 胡巍,赵章,路知远等 .无线多通道表面肌电信号采集系统设计J.电子测量与仪器学报 ,2021,2311>:30-35.6 加玉涛 , 罗志增 .肌电信号特点提取方法综述J.电子器件,2007,301>:326-330.欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源开题小组及教研室意见年 月 日开题小组签名：欢迎下载精品学习资源附页：一、讨论背景肌电信号是人体自主运动时从骨骼及表面通过电极记录下来的神经肌肉活动发放的生物电信号，它反映了神经、肌肉的功能状态，是最早被人类发觉的生物电现象；由于截肢后，大脑仍旧发送支配肢体运动的信号给残肢，这种信号是患者直觉上的一种响应方式；骨骼肌依据大脑指令产生收缩，在收缩力和外力的共同作用下使人体产生特定的静止姿势或运动状态，从而实现了在时间和空间上具有肯定特点的运动动作；而肌电EMG>是相应肌肉中的电行为，这种行为与肌肉的收缩成正比，同时具有提取便利，信号强度大，简洁识别的特点；所以，肌电信号可以作为上肢残端训练的参考标准；特别是表面肌电信号 SEMG>以其采集便利，无创伤的优点使它成为上肢残端情形的抱负参考信号；表面肌电 sEMGsurface Electromyography>信号是在皮肤表面记录的神经肌肉系统的生物电活动，反映肌肉的活动状态，由于其无创性和简洁性在临床康复及人机交互方 面有广泛的应用前景；多通道sEMG信号检测是一种新的记录方法，它能同时获得肌肉活动时的大量空间和时间分布信息，在肌肉活动分析中具有重要价值；近年来，国内外在多通道sEMG信号检测系统设计方面已做了相关工作；G.Vijaya Krishna PrasadI等讨论了一种基于 DSP的5通道sEMG信号实时采集系统；胡巍等利用单片机设计了一种无线多通道 sEMG信号实时采集系统；随着电子技术的不断进展，特别是低成本高性能的运算机资源得到普及应用，虚拟仪器VIVirtualInstruments>应运而生，它是利用运算机强大的运算资源和丰富的软硬件资源来组成的仪器系统，实现从传统仪器向运算机系统的过渡，以便最大限度地降低系统成本，并增强系统的功能和敏捷性；LabVIEW是一种易于编程和调试的图形化工具平台，是标准的数据采集和仪器掌握软件，具有强大的数据处理及分析才能；二、主要内容sEMG信号是一种柔弱的、非平稳的随机电信号，其振幅约为10 5000uV，频率分布在20500Hz，信号柔弱，简洁受 50Hz工频干扰的影响；因此，用电极采集过来的表面肌电信号必需经过放大滤波，才能有效的识别；本文要求设计前置调理电路，并结合NI 公司开发的 DAQ数据接口卡和 LabVIEW开发了一种试验用 sEMG信号检测分析系统，完成4通道欢迎下载精品学习资源sEMG信号的实时采集显示和时频域的特点分析；三、系统总体设计1. 设计思路针对多通道信号检测系统在表面肌电信号sEMGsurface electromyography>信号检测分析中的应用，设计了一种基于LabVIEW的多通道 sEMG信号检测系统；利用该系统采集 并分析健康受试者完成指力跟踪动作时前臂指总伸肌上4通道sEMG信号时频域的特点值；因此本文设计了如图 l 所示的前置调理电路，主要包括前置放大、带通滤波、50 Hz 陷波、功率放大等部分；系统总体框图如图 2所示，整个系统主要由表面电极、SEM信G 号前置调理电路、 DAQ板卡以及 LabVIEW框架下的运算机系统组成；本文的工作主要集中在肌电信号调理电路设计、DAQ数据采集系统的软硬件配置以及LABVIEW程序设计；前置放大高通滤波低通滤波50Hz 陷波功率放大图 1 前置调理电路框图内存LabVIEW框架下运算机系统欢迎下载精品学习资源电极提取sEMG信号前置调理电路DAQ数据卡驱动LabVIEW硬件程序程序欢迎下载精品学习资源显示图 2 系统总体框图2. 各部分功能概述为实现系统的功能，完成设计要求，采纳模块化设计，对由电极采集到的sEMG信号，先通过前置放大部分，将柔弱的sEMG信号高保真放大，并通过高通滤波、低通滤波及50Hz陷波滤除干扰，进而可以进行功率放大；欢迎下载精品学习资源<1）电极提取 sEMG信号：通过导联线将电极板上获得的sEMG信号送到放大器的输入端；为了完整描述肌肉的活动状况，采纳多电极导联方式测量表面肌电信号；<2）前置放大：前置放大模块在整机中处于特别重要的位置，其性能打算了整机的主要技术指标；前置放大模块须满意高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移的要求；提高放大器的第一级增益有利于降低输出噪声，但考虑到极化电势的影响，放大电路增益不应太大；<3）高通和低通滤波电路：由于sEMG信号易受噪声干扰，且主要能量成分集中在20Hz 100Hz 频带内，采纳滤波的方法对扰，从而得到较为平滑的波形；sEMG信号作进一步的降噪处理，抑制外界干<4）50Hz 陷波电路：虽然前端已经有很高的共模抑制比，但由于它不能排除干扰以及后级电路再次引入 50Hz 工频干扰，在电路的最终部分仍需加入50Hz 陷波器；<5）数据采集 Data Acquisition DAQ>卡是基于 PXI总线的内置功能插卡，可以充分利用运算机的资源增加测试系统的敏捷性和扩展性二利用DAQ板卡，可快速便利地组建信号采集系统；基于DAQ的数据采集系统不但有用而且具有很高的性价比，且传输速率高，数据吞吐量大，因此本系统采纳NI公司生产的 NI USB6008采集接口卡与 SEMG信号前置调理电路连接；<6）LabVIEW软件编程实现 SEMG信号的实时采集显示准时频域的分析处理；四、系统模块方案1. 前置放大部分<1） LM324与 NE5534等LM324与 NE5534等是具有低噪声、肯定精度的一般运算放大器；要构建放大电路, 除了从体表采集到的肌电信号之外 , 仍包含呼吸、人体的心脏产生的电信号以及50Hz 工频信号等带来的干扰；其中 , 工频干扰收起的共模信号可能远大于心电信号, 从而影响系统对心电信号的分析采样；因此 , 共模抑制比是衡量肌电波形性能的重要标准之一；上述两种运算放大器单个运放构成的电路难以达到较高的共模抑制比；<2） INA128采纳外表放大器 INA128, 其具有良好的共模输入抑制才能，共模抑制比大于120dB， 而且只需外接一个电阻就可调剂增益； INA128 对直流电源的要求低，甚至只需2.25V 的直流电源电压就要表现杰出的功能特性 , 静态电流只有700A，功耗低，但 INA128 的价欢迎下载精品学习资源格昂贵；<3） AD620sEMG信号为一差动式信号并且小于5mV,通常信号会先经过第一级的适当放大后, 再经过高低通滤波器 , 可进行分级放大；采纳分级放大的缘由是为了防止直流偏压经过放大后, 造成后级的电饱和 , 而使放大后的信号产生失真；因此为了防止放大器饱和, 在这一级的放大增益应当小于30；一般说来作为前级放大单元必需具有高输入阻抗、高共模抑制比等基本特性 , 假如采纳低功耗，高精度的外表放大AD620,具有低输入偏置电流、低噪声、低功耗、高精度等特性，共模抑制比可达130dB,特别适合作为医疗仪器前置放大器使用；其增益可调 <范畴约 11000 倍）；为防止前置放大器工作于饱和或截止区，其增益不能过大；试验说明， 10 倍左右成效较好；2. 高通和低通滤波电路<1）一阶滤波其结构相对简洁，且采纳了集成运算放大器，它具有高输入阻抗和低输出阻抗，同时由于具有缓冲作用成效比无源滤波器好，幅频特性曲线可达到-20dB/10倍频，但要想实现更明显的滤波成效，不简洁实现；<2）二阶滤波采有类似的结构，但幅频特性曲线能达到-40dB/10 倍频程，滤波成效比一阶明显；<3）四阶滤波四阶滤波是由两个一阶和二阶滤波器组成的，放大器的温漂、皮肤电阻的变化、呼 吸和人体运动，都会造成 sEMG信号的变化，而采纳四阶滤波，成效比上述两种滤波好；3. 陷波电路<1）自适应相关模板法利用工频干扰的相关特性，从原始输入信号中得到工频干扰的模板，进而原始输入信号中减去工频干扰的模板，达到滤波干扰的目的；这种方法虽然简洁但程序设计比较复杂；<2）双 T 陷波对于 W=W0的其他频率信号 , 通过双 T 网络具有较强的负反馈 , 由于双 T 网络具有良好的滤波特性，在外表的电源噪声滤波电路中获得了较为广泛的应用，并且双 T 网络具有欢迎下载精品学习资源比 RC串、并联网络更好的选频特性；综上所述，挑选了用 AD620 放大器、四阶滤波电路及双T 陷波电路来完成前置调理电路设计；五、技术路线1. 前置调理电路<1）前置放大为有效放大差模信号并抑制共模信号以获得较高信噪比，本文采纳运放外表放大器 A D620最小共模抑制比为 100 dB ，输入阻抗为 10 G|2 pF> 作为前置放大，如图 3 所示，可通过外接电阻 R1 转变电路的增益；设计时选用 R1 为 10 k 的可调电阻，设置 R1=185，前级放大倍数为：1><2）高通、低通滤波电路滤波电路是为了提取出有效频段的sEMG信号，去除直流以及高频、低频信号成分， 本文设计了一个通带范畴为 20 500Hz的带通滤波电路，详细如图3所示；高通滤波由一欢迎下载精品学习资源个二阶有源滤波电路组成，试验选用 R2=R3=150k，C1=C2=100n，F截止频率为：欢迎下载精品学习资源2>欢迎下载精品学习资源对于低通滤波电路，本文选用 8阶开关电容滤波器 MAX29，6其中 C3=152nF，对应的截止频率为：欢迎下载精品学习资源3><3） 50Hz陷波电路50Hz工频是 sEMG信号有效频段内最主要的干扰，本文采纳传统双T有源滤波器来滤除欢迎下载精品学习资源50Hz工频干扰，详细电路如图 3所示；其中 R4=R5=68k ， C4=C5=47n，F频率为：4><4）功率放大运算得陷波中心欢迎下载精品学习资源本系统采纳 NI USB6008采集接口卡，其输入范畴为一10V +10V，因此设计了功率放大电路；功率放大电路采纳低噪声、非斩波稳零的双极性运算放大器OP07实现，如图 3所示，其中 R8=R10=1k ，R9为100k 的电位器，设置 R9=20k，功率放大电路的增益为：5>图 3 前置调理电路2. 信号采集与分析本讨论需利用数据接口卡将前置调理电路拾取的sEMG信号上传到 PC机上，并结合 LabVIEW软件编程实现 sEMG信号的实时采集显示准时频域的分析处理；整个部分包括数据采集和数据分析两个模块；<1）信号采集信号采集模块是通过数据接口卡完成对4通道 sEMG信号的实时采集与显示，由参数设置、滤波掌握、数据储存三个部分组成并实现数据滤波、数据储存以及数据掌握；参数设置是用来对数据采集卡进行设置的，通过DAQ助手 vI 实现试验中设置 4通道模拟输人，采样频率2000Hz，采样数为 l000 以及连续采样的方式，同时为了提高精度，输入范畴设为 -3V+3 V；滤波是由 Filter VI 实现的，试验中将该 Filter配置为 3阶Butter'worth带通滤波器，其频率范畴为 20 500 Hz；以进一步提取 20500Hz频段内的 sEMG信号；数据储存是将滤波后的信号进行数字到字符串的变换，并写入文本文件.txt>以便回放显示，它是通过 Write To Spreadsheet File.VI实现的；<2）信号分析信号分析模块是完成采集信号的特点分析，包括时域中的均方根运算和频域中的功率谱峰值运算；欢迎下载精品学习资源1>均方根均方根 Root Mean Square> 是sEMG信号时域分析中的一种典型特点值可以用来衡量肌电信号的大小；并且 sEMG信号的均方根值随力气水平的增加而增大；运算公式为：<6）其中， st> 为肌电信号； Xi 为st> 的采样值； T为观测时间长度；to 为观测起始时间； N为观测点数；2>功率谱峰值讨论说明 , 当肌肉收缩力变化不大时， sEMG信号的功率谱峰值比较稳固，并且sEMG信号的功率谱峰值会随着力气的增加而增加；功率谱峰值运算可分两步实现：先运算滤波后信号的功率谱，公式为：7>其中为输出信号序列的功率谱； Xf> 为肌电信号 Xt> 的傅里叶变换； N为信号序列的点数；然后运算信号功率谱最大值；六、关键问题<1）系统硬件电路设计、 DAQ数据采集系统的软硬件配置以及 LABVIEW程序设计；<2）肌电信号的采集与分析问题；<3）考虑抗干扰措施；<4）信号接收端可接驳 PC，PC端至少可以显示肌电波形图；七、时间支配<1）第 5 周查阅文献、资料，确定总体方案；<2）第 67 周利用 proteus或其它仿真软件设计电路；<3）第 89 周 搭建详细电路；<4）第 10 12 周系统调试，进行试验测试分析；<5）第 13 14 周整理论文，预备答辩；欢迎下载精品学习资源欢迎下载