肌电信号采集电路及可穿戴式设备的制作方法

本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种肌电信号采集电路及及可穿戴式设备。

背景技术：

可穿戴式设备，尤其是基于肌肉电信号原理的可穿戴式设备，已逐渐被大众关注和接受。肌肉电信号在被应用于控制领域以来，经历了近百年的发展，一直被研究应用于医学诊断和生物机械领域。随着生物医学技术、人工智能技术的发展，使用肌电信号进行手势识别的方法被提出并不断探索，对肌电信号采集的研究也变得极其重要。

一般来说，肌电生物信号为交流电压信号，信号强度一般为毫伏级更甚为纳伏级，但由于人体本身就是一个良导体，外界的工频干扰及体外的电场、磁场感应都会在人体内形成测量噪声干扰和影响肌电信息的检测。请参见图1，图1为现有技术的肌电信号采集与处理系统的电路结构示意图。该肌电信号采集与处理系统10包括肌电传感器11、低噪声前置放大器12、高通滤波器13、后置放大电路14、低通滤波电路15、有效值电路16及AD转换电路17。

由于低噪声前置放大器12很易引入噪声，且高通滤波器13也会引入噪声，另外，肌电传感器11与低噪声前置放大器12通常采用导线连接，会很容易受到外界干扰而导致信号传输过程中带来噪声。

技术实现要素：

因此，为解决肌电信号采集电路对肌电信号进行采集时容易引入噪声而导致肌电采集精度下降的问题，本发明提出一种肌电信号采集电路及可穿戴式设备。

具体地，本发明实施例提出的一种肌电信号采集电路(20)，包括信号放大电路(21)、整流电路(22)、滤波电路(23)及可变增益放大电路(24)；其中，

所述信号放大电路(21)、所述整流电路(22)、所述滤波电路(23)及所述可变增益放大电路(24)依次电连接；所述信号放大电路(21)还电连接位于所述肌电信号采集电路(20)前端的肌电传感器(30)，所述可变增益放大电路(24)还电连接位于所述肌电信号采集电路(20)后端的肌电信号处理电路(40)。

在本发明的一个实施例中，所述信号放大电路(21)为AD8211芯片。

在本发明的一个实施例中，所述整流电路(22)包括第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、第一电容(C1)、第一比较器(COMP1)、第二比较器(COMP2)、第一开关管(D1)及第二开关管(D2)；其中，

所述第一电容(C1)、所述第一电阻(R1)、所述第二电阻(R2)、所述第三电阻(R3)及所述第四电阻(R4)串接于所述信号放大电路(21)与所述滤波电路(23)之间；所述第一开关管(D1)、所述第二开关管(D2)及所述第五电阻(R5)串接后电连接至所述第二电阻(R2)的两端；

所述第一比较器(COMP1)的第一输入端电连接至接地端(GND)，第二输入端电连接至所述第一电阻(R1)和所述第二电阻(R2)串接形成的节点处且其输出端电连接至所述第一开关管(D1)和所述第二开关管(D2) 串接形成的节点处；

所述第二比较器(COMP2)的第一输入端电连接至所述所述第二开关管(D2)和所述第五电阻(R5)串接形成的节点处，第二输入端电连接至所述第三电阻(R3)和所述第四电阻(R4)串接形成的节点处且其输出端电连接至所述所述滤波电路(23)。

在本发明的一个实施例中，所述滤波电路(23)包括第六电阻(R6)、第七电阻(R7)、第二电容(C2)及第三比较器(COMP3)；其中，所述第六电阻(R6)和所述第七电阻(R7)串接于所述整流电路(22)和所述可变增益放大电路(24)之间；所述第二电容(C2)电连接至所述第七电阻(R7)的两端；所述第三比较器(COMP3)的第一输入端电连接接地端(GND)，第二输入端电连接至所述第六电阻(R6)和所述第七电阻(R7)串接形成的节点处且其输出端电连接至所述可变增益放大电路(24)。

在本发明的一个实施例中，所述可变增益放大电路(24)包括第八电阻(R8)、第九滑动电阻(R9)及第四比较器(COMP4)；所述第八电阻(R8)和所述第九滑动电阻(R9)串接于所述所述滤波电路(23)和所述有效值电路(26)之间；所述第四比较器(COMP4)的第一输入端电连接接地端(GND)，第二输入端电连接至所述第八电阻(R8)和所述第九滑动电阻(R9)串接形成的节点处且其输出端电连接至所述肌电信号处理电路(40)。

本发明另一实施例提出的一种可穿戴式设备，佩戴于人体特定部位处，包括多个肌电信号采集单元(a)和柔性连接材料(b)，所述柔性连接材料(b)用于连接所述肌电信号采集单元(a)以形成环状结构；其中，所述肌电信号采集单元(a)包括肌电传感器(30)、肌电信号处理电路(40)及上述实施例所述的肌电信号采集电路(20)。

在本发明的一个实施例中，所述肌电传感器(30)采用1Cr12材料作为电极片。

在本发明的一个实施例中，所述肌电传感器(30)焊接在承载所述肌电信号采集电路(20)的电路板(25)上且通过电路板微孔与所述信号放大电路(21)电连接。

在本发明的一个实施例中，所述肌电传感器(30)包括两个第一电极(31)和一个第二电极(32)，所述第二电极位于两个所述第一电极之间且所述第二电极的尺寸小于所述第一电极的尺寸。

在本发明的一个实施例中，所述肌电信号处理电路(40)包括有效值电路(41)和AD转换电路(42)；所述有效值电路(41)分别电连接所述AD转换电路(42)和所述所述可变增益放大电路(24)。

本发明的实施例，相对于现有技术，具备如下优势：

1、去掉前置滤波器，减少了前置滤波器引入的噪声；

2、使用新型信号采集方式和AD8221电路解决了减少噪声对信号引起的干扰；

3、使用整流电路对肌电信号进行整流提高信号利用率；

4、使用可变增益放大电路，提高了系统的适用范围；

5、体积减小，易小型化，集成化；

6、解决了AgCl电极片为耗材，使用价格昂贵且不能二次回收的缺点；

7、通过电路板微孔技术取代传输线，减少外界对信号造成干扰。

通过以下参考附图的详细说明，本发明的其它方面和特征变得明显。但是应当知道，该附图仅仅为解释的目的设计，而不是作为本发明的范围的限定。还应当知道，除非另外指出，不必要依比例绘制附图，它们仅仅力图概念地说明此处描述的结构和流程。

附图说明

下面将结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细的说明。

图1为现有技术的肌电信号采集与处理系统的电路结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种肌电信号采集电路的电路结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种可穿戴式设备的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种整流电路的电路结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种滤波电路的电路结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种可变增益放大电路的电路结构示意图；以及

图7为本发明实施例提供的一种肌电采集传感器的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

请一并参见图2及图3，图2为本发明实施例提供的一种肌电信号采集电路的电路结构示意图；图为本发明实施例提供的一种可穿戴式设备的结构示意图。该电路可以应用于采用肌电信号采集的方式进行人机交互的可穿戴式设备，该设备可以佩戴于人体特定部位处，如手臂或者腿部肌肉群比较集中的部位；该可穿戴式设备包括多个肌电信号采集单元(a)和柔性连接材料(b)，所述柔性连接材料(b)用于连接所述肌电信号采集单元(a)以形成环状结构；其中，所述肌电信号采集单元(a)包括肌电传感器(30)、肌电信号处理电路(40)及肌电信号采集电路(20)。

具体地，该肌电信号采集电路(20)包括信号放大电路(21)、整流电路(22)、滤波电路(23)及可变增益放大电路(24)；其中，所述信号放大电路(21)、所述整流电路(22)、所述滤波电路(23)及所述可变增益放大电路(24)依次电连接；所述信号放大电路(21)还电连接位于所述肌电信号采集电路(20)前端的肌电传感器(30)，所述可变增益放大电路(24)还电连接位于所述肌电信号采集电路(20)后端的肌电信号处理电路(40)。

本实施例，通过去除前置滤波器，设置信号放大电路和整流电路实现肌电信号采集电路噪声干扰的降低，为基于肌电信号设别的可穿戴式设备应用提供了广阔的前景。

实施例二

请一并参见图4-图6，图4为本发明实施例提供的一种整流电路的电路结构示意图；图5为本发明实施例提供的一种滤波电路的电路结构示意图；图6为本发明实施例提供的一种可变增益放大电路的电路结构示意图。本实施例在上述实施例的基础上，将对本发明的肌电信号采集电路进行详细描述。

具体地，所述信号放大电路(21)为AD8211芯片。通过AD8221芯片实现了原始肌电信号的采集和初级放大，有效的解决了传输线和前置滤波器引入的噪声影响。

具体地，所述整流电路(22)包括第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、第一电容(C1)、第一比较器(COMP1)、第二比较器(COMP2)、第一开关管(D1)及第二开关管(D2)；其中，所述第一电容(C1)、所述第一电阻(R1)、所述第二电阻(R2)、所述第三电阻(R3)及所述第四电阻(R4)串接于所述信号放大电路(21)与所述滤波电路(23)之间；所述第一开关管(D1)、所述第二开关管(D2)及所述第五电阻(R5)串接后电连接至所述第二电阻(R2)的两端；所述第一比较器(COMP1)的第一输入端电连接至接地端(GND)，第二输入端电连接至所述第一电阻(R1)和所述第二电阻(R2)串接形成的节点处且其输出端电连接至所述第一开关管(D1)和所述第二开关管(D2) 串接形成的节点处；所述第二比较器(COMP2)的第一输入端电连接至所述所述第二开关管(D2)和所述第五电阻(R5)串接形成的节点处，第二输入端电连接至所述第三电阻(R3)和所述第四电阻(R4)串接形成的节点处且其输出端电连接至所述所述滤波电路(23)。采用该整流电路(22)对放大后的肌电信号进行整流，提高信号利用率。

具体地，所述滤波电路(23)包括第六电阻(R6)、第七电阻(R7)、第二电容(C2)及第三比较器(COMP3)；其中，所述第六电阻(R6)和所述第七电阻(R7)串接于所述整流电路(22)和所述可变增益放大电路(24)之间；所述第二电容(C2)电连接至所述第七电阻(R7)的两端；所述第三比较器(COMP3)的第一输入端电连接接地端(GND)，第二输入端电连接至所述第六电阻(R6)和所述第七电阻(R7)串接形成的节点处且其输出端电连接至所述可变增益放大电路(24)。采用该滤波电路(23)可以将整流后的信号进行信号滤波，去除信号中的噪声影响。

具体地，所述可变增益放大电路(24)包括第八电阻(R8)、第九滑动电阻(R9)及第四比较器(COMP4)；所述第八电阻(R8)和所述第九滑动电阻(R9)串接于所述所述滤波电路(23)和所述有效值电路(26)之间；所述第四比较器(COMP4)的第一输入端电连接接地端(GND)，第二输入端电连接至所述第八电阻(R8)和所述第九滑动电阻(R9)串接形成的节点处且其输出端电连接至所述肌电信号处理电路(40)。由于人的个体性差异，肌肉特性等诸多原因使得肌电信号的幅值特性存在不同，为了更好地放大提取出肌电信号，采用该可变增益放大电路结构，根据实际需要针对个体的差异性设计放大倍数。

实施例三

请参见图7，图7为本发明实施例提供的一种肌电采集传感器的结构示意图。该所述肌电传感器(30)包括两个第一电极(31)和一个第二电极(32)，均焊接于承载所述肌电信号采集电路(20)的电路板(25)上且均通过电路板微孔与所述信号放大电路(21)电连接。其中，所述第二电极位于两个所述第一电极之间且所述第二电极的尺寸小于所述第一电极的尺寸。

对于该电极材料的选材，现有技术通常采用AgCl材料，而AgCl电极片为耗材，使用价格昂贵且不能二次回收，因此，本发明采用1Cr12材料作为电极片。由于1Cr12材料由碳、锰 、铬、镍 等化学物质组成，通常是一种为汽轮机叶片及高应力部件的不锈耐热钢，抗拉强度大，且已回收再利用的优势。另外，通过对比医用心电电极单片、医用心电电极、A、B电极等材料的对比，1Cr12材料同等条件下数据采集效果最好。

本实施例，采用电路板盲孔和填孔技术取代导线完成肌电传感器与肌电信号采集电路的连接，大大减少外界对信号造成干扰。另外，电极采用1Cr12新型纳米材料，可以有效降低肌电传感器的价格并可重复使用。

综上所述，本发明实施例提出的肌电信号采集电路及可穿戴式设备可以达成以下一个或多个有益效果：1)去掉前置滤波器，减少了前置滤波器引入的噪声；2)使用新型信号采集方式和AD8221电路解决了减少噪声对信号引起的干扰；3)使用整流电路对肌电信号进行整流提高信号利用率；4)使用可变增益放大电路，提高了系统的适用范围；5)体积减小，易小型化，集成化；6)解决了AgCl电极片为耗材，使用价格昂贵且不能二次回收的缺点；7)通过电路板微孔技术取代传输线，减少外界对信号造成干扰。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。