嵌入式技術應用表面肌電信號采集儀設計

　　這里涉及到的便攜式肌電采集儀小巧方便，結構簡單，性能穩定，可以隨身攜帶，可由電池供電，一般用于運動員的訓練中。本文主要介紹表面肌電信號采集儀的軟硬件設計與實現。

　　1 硬件系統總體設計

　　該系統的控制核心選擇Atmel公司的AT91SAM7SE512處理器。AT91SAM7SE512是一款32位嵌入式微處理器，可針對交互式終端類和工業控制類等多種嵌入式應用。AT91SAM7SE512提供了豐富的外圍設備接口，包括USB，UART，SPI，TWI(I2C)和系統高速并行BUS等總線接口，從而減小了添加、配置附加外圍接口的困難與開銷，為用戶開發簡化了硬件和軟件設計，節省了系統成本。系統的整體結構如圖1所示。

　　基于AT91SAM7SE512核心板的底板上配備了8 MB的SDRAM，l GB的NANFLASH等存儲芯片，對外提供SPI，UART，TWI(I2C)，USB及高速并行BUS等通信接口，并對其余外部模塊(表面肌電信號采集模塊、人機接口模塊、Xbee無線通信模塊等)進行統一調度。

　　整個系統的工作流程如下：兩個通道的表面肌電信號被表面電極拾取，首先通過硬件放大和模擬濾波后送入多通道16 b ADC中進行2 500 Hz采樣與A／D轉換；轉換好的雙通道數據通過SPI總線接口送入AT91SAM7SE512中進行處理。處理分兩種情況：在沒有連接使用PC端時，本地進行實時濾波、簡單分析、顯示、存儲；在連接使用PC端時，通過USB接口或者Xbee無線通信模塊將數據實時傳輸給PC端處理。另外，在已有存儲數據的情況下，可以進行表面肌電波形的回放。以上所有人機交換操作是通過采用帶觸摸功能的液晶顯示屏(320×240彩色分辨率)實現的。

　　2 軟件系統總體設計

　　隨著嵌入式系統的廣泛應用，傳統的前／后臺程序開發機制已經不能滿足日益復雜的需求，因而現在常采用嵌入式實時操作系統RTOS開發實時多任務系統。

　　嵌入式實時操作系統一般可以提供多任務的任務調度、時間管理、任務間通信和同步以及內存管理等重要服務，使得嵌入式應用程序易于設計和擴展。采用RTOS可以使嵌入式產品更可靠，開發周期更短。μC／OS-Ⅱ以其本身所具有的源碼開放，代碼規模極小，運行穩定，執行效率高，實時性好等優點在諸多RT0S中擁有自己的一席之地。代碼采用ANSIC編寫，具有很強的可移植性和較好的可裁剪性，在移植過程中只需對與處理器相關的一些代碼進行修改。

　　同時為了進一步增強軟件的可操作性，該系統在μC／OS-Ⅱ的基礎上移植了μC／GUI，用作用戶圖形界面設計。μC／GUI是由Micrium公司專門針對嵌入式系統開發的一款圖形開發系統。它用于為任何使用LCD圖形顯示的應用提供高效的獨立于處理器及LCD控制器的圖形用戶接口，適用于單任務或者多任務系統環境，并適用于任意LCD控制器和CPU下任何尺寸的真實顯示或虛擬顯示。

　　另外，為了方便對于用戶資料和肌電數據的存儲與操作，在SD卡存儲機制上，移植了FATFS文件系統。FATFS是一種完全免費開源的FAT文件系統模塊，是專門為小型嵌入式系統而設計的。它完全用標準C語言編寫，所以具有良好的硬件平臺獨立性，可以移植到多種平臺而只需做簡單的修改。需要使用者編寫移植代碼的是FATFS提供的底層接口，包括存儲介質讀／寫接口DiskIO和供給文件創建修改時間的實時時鐘。

　　2．1 系統軟件架構

　　軟件系統的整體架構圍繞表面肌電采集儀的幾個基本功能來設計，結構如圖2所示。主要分成下面幾個部分：

　　(1)肌電采集顯示，用于控制對肌電信號的實時采集、分析處理、顯示和存儲；

　　(2)本地肌電回放，用于對已存儲在SD卡中的肌電數據進行回放顯示，并支持對無用肌電數據文件的刪除操作；

　　(3)肌電采集傳輸，選擇傳輸模式向PC端實時發送采集的肌電數據；

　　(4)用戶設置，用于設置用戶ID及實時時鐘初始值等參數。以上各功能均在μC／GUI用戶圖形界面上實現人機交互。

　　如圖2所示，依據表面肌電采集儀的功能要求，在μC／OS-Ⅱ下設計了肌電采集任務；液晶屏顯示任務；觸摸屏輸入任務；肌電回放任務。其他所需功能均做成模塊，集成在上述某一任務中。