利用Anadigm FPGA实现EMG信号采集系统的设计

一、引言

在生物信号采集的过程中，信号的幅度因被测对象、不同种类的生物电势的频谱、不同的肌肉群以及皮肤电极耦合等因素而异，所以，通常需要根据不同的被测对象调节模拟前端的放大器放大倍数以及带宽。实现这类调节的一种可能选择就是采用可编程模拟阵列（FPAA），通过采用可编程模拟阵列实现一个RMS-DC转换器或把经放大的EMG（肌电）信号数字化并在微处理器中处理RMS数值。FPAA让需要的全部模拟电路在一个可编程组件中实现，它确保更大的系统灵活性以及可靠性，并缩小电路的尺寸和降低成本。

在EMG信号的处理中，前端利用模拟电路完成的好处在于，被采集的EMG信号的幅度范围从10 μV至1 mV，这些信号需要放大至60-100dB，因此，利用具有高共模抑制比（CMRR）的集成仪表放大器可以最小化共模干扰的影响。滤波器一级也采用模拟电路实现，当带外频率需要进一步的衰减时，通常采用二阶或四阶低通和高通滤波器。

本文介绍利用Anadigm FPGA对EMG信号进行采集和模拟处理的电路实现方案，这个模拟信号处理方案的目的就是为了从EMG信号获得足够的生物特征，以控制诸如假肢或电刺激器这样的外部设备。

二、FPAA的特性

正如可编程门阵列（FPGA）已经变革了数字电路设计一样，FPAA给模拟电路设计引入了方便的原型设计方法并缩短了设计时间。在FPAA中最重要的单元是可配置模拟模块（CAB），由它巧妙地处理各种信号并把路由网络连接起来。FPAA是一种可以被编程和再次编程的集成电路，可以对模拟电路功能执行路由端的调整。电路配置文件由个人电脑、系统控制器或附带的EEPROM下载至FPAA之中，从而产生功能完整的电路。该电路配置在任何时间均可变，对于已经完成的功能配置可以通过新的下载进行改变或实时升级进行重新配置。

基于开关电容技术的Anadigm AN221E04 FPAA具有可配置特性的若干CAB，并能够被编程为执行不同的功能，如滤波器、放大器、乘法器、比较器以及其它功能。这些功能可以被用于对生物学信号的采集和处理。此外，FPAA断续放大器具有102dB的CMRR，从而把共模干扰信号以及60Hz电源线干扰最小化。

1 电路描述

电路的实现利用AnadigmDesigner 2软件实现，其中，包括电路仿真器以及一个可编程器件，利用在AN220D04评估板上的串行接口实现工作测试。由电池供电的评估板利用光学接口被连接至一台计算机以确保病人的安全性。

上述系统的方框图如图1所示。

图1 用于EMG信号采集和处理的系统的方框图

2 对EMG信号的采集

通过表面电极采集的EMG信号的幅度在10 μV至1 mV范围内，然而，共模信号（干扰）可能高达几伏。研究人员以前推荐采用几种技术把FPAA与其它模拟电路接口，但是，它们均不适合于对生物电势的采集，因此，研究人员提出了一种新的配置，其中，参考电极被连接至FPAA的参考引脚（VMRR），而有源电极被直接连接至断续输入。

断续放大器被用于放大具有直流成分的、非常小和非常低频的信号，这些信号不会因放大器的偏置而改变。对于肌电信号来说，在10Hz以下它具有可以忽略不计的成分，但是，正是由FPAA提供的模拟前端选项提供较好的采集结果。

把干扰源最小化是通过采用屏蔽技术、利用更短的电缆、防止出现地环路、在电极区准备好被测皮肤以及采用自粘贴的Ag-AgCl电极来实现的。这些措施使得对信号的采集具有足够的信噪比，以便于在模拟域实现连续的信号处理。

3 模拟信号滤波

EMG信号的带宽被定义为从50 Hz至350 Hz。作为一个设计选项，可以采用低阶滤波器配置，从而以足够的信噪比来捕获EMG信号。这是利用一个二阶切比雪夫带通滤波器以及一个双线性滤波器来实现的，因此，对低频的衰减为每十倍频程20dB，对高于带宽的频率的衰减是每十倍频程40dB。

输入级利用被配置为具有64倍增益的断续放大器来实现。第一个滤波器级是中心频率为200Hz、5倍增益、带宽300Hz的带通滤波器；第二级是一个截止频率为500Hz、增益为20的低通滤波器。信号调理电路的总增益为6400（76dB）。所有的参数可以在任何时间被重新配置。

采集电路的传输函数如方程1和2所示，它们分别代表了断续输入级、双二次带通滤波器以及低通双线性滤波器的转移函数。

其中，GChopper是断续放大器的增益；GBP是带通滤波器的增益；GLP是低通滤波器的增益；fBP是带通滤波器的中心频率；fLP是低通滤波器的截止频率；Q是带通滤波器的品质因子。

如图2所示为方程1的频率响应，绘图是利用信号发生器（HP 33120A）获得，而在AnadigmDesigner 2软件中的仿真由Matlab绘出。从图中可见，理论和实验结果类似，两者之差源于实验误差或FPAA电路的容差。仿真也证明FPAA开发工具是可靠的。

图2 频率响应图：实线为Matlab仿真结果；（□）线为AnadigmDesigner 2仿真和实验结果

4 RMS数值的确定

RMS数值的确定是利用经典拓扑完成的。乘法和平方根提取是利用FPAA中的CAB实现的。外部的一个RC被用作一阶滤波器，被直接连接至FPAA差分输出并再次注入同一个FPAA之上，如图3所示。

图3 利用模拟电路产生RMS数值的经典拓扑

利用从志愿者的二头肌采集的EMG信号以及采用自粘贴的Ag-AgCl电极，以便于获得具有低纹波的RMS信号，与此同时，确保电路的响应时间，如图4所示。RC在实验中可以被调节，最终的数值是R = 220 k且C = 470 nF，定义的截止频率为1.5Hz。

图4 RMS数值（Channel 2： 500 mV/div）和二头肌信号（Channel 1： 1 V/div）

模拟信号处理的最后一级由产生触发脉冲的比较器电路或由—当EMG RMS电平超过已调节设置点门限时—要控制外部设备的开关控制电路组成。FPAA电路具有一个可变的参考比较器来执行这一功能，而参考电压作为灵敏度阀值。

完整的电路如图5所示。在图5右上角的输出3和4对应于经放大和滤波的EMG信号的平方，而右下角的输出7和8对应于模拟信号处理之后的EMG信号的RMS。

图5 用于采集EMG信号的完整的FPAA电路

FPAA电路（AN221E04）的高共模抑制比使得以高共模噪声抑制能力对极小幅度的生物电势（10 μV至500 μV）进行采集成为可能。接下来，通过采用干扰最小化技术产生低噪声的信号，该信号可以足够的质量被用作假肢或电刺激器的控制信号。

通过上述例子证明，可编程模拟阵列具有灵活性，它能够修改模拟电路的特性，如利用软件修改滤波器的截止频率、增益、参考电压，并且可以在电路工作期间进行修改，因此，FPAA有助于快速和可靠地实现医疗电子系统的模拟前端的原型设计。

三、可编程模拟器件的发展趋势

大规模现场可编程模拟阵列（FPAA）在模拟领域具有很大的发展潜力。业内专家表示，FPAA带来的好处在于：1. 模拟预处理可以减轻A/D转换器存在的瓶颈问题，并减轻后级的DSP运算的负担；2. FPAA有巨大的潜力来缩短小型模拟电路设计的原型建立时间，能够满足大规模阵列的要求，可以为大多数模拟应用甚至综合仪器提供足够的性能；3. 与DSP方案相比，FPAA的主要优势是整个FPAA的功耗比单独一个模数转换器模块还要低；4.与全定制ASIC相比的主要优势是灵活性，以及更快的设计、开发和部署周期。

然而，在这种FPAA技术也存在需要继续解决的许多问题。例如，因走线和开关增加而带来的噪声会限制模拟电路的性能，并降低信噪比。然而，业内专家认为，FPAA技术将随着时间的推移变得越来越成熟，从而有望带来一场模拟设计革命。目前，Anadigm和Lattice等公司均提供可编程模拟阵列。

此外，TI和凌力尔特等公司提供基于电子表格的滤波器设计程序。目前，可用的在线模拟滤波器设计程序有美国国家半导体公司的有源滤波器设计工具（Active Filter Designer），借助该工具可以方便地针对贝塞尔、巴特沃、切比雪夫或高斯滤波器特性来选择高通或低通滤波器的参数，这些可编程模拟设计工具的应用，也将为医疗电子系统模拟前端的设计提供更大的灵活性。

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