一种用于采集人体运动信号的传感器电路的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种用于采集人体运动信号的传感器电路，包括微控制器、运动捕捉电路、肌电信号电路、肌动信号模块和蓝牙模块。本实用新型通过使用基于MEMS技术的加速度计、陀螺仪及磁力计，以获取人体在运动过程中的加速度、角速度等物理量，通过数据融合算法把这些信息进行处理得到人体运动姿态参数，使用三个表面肌电电极对肌肉电信进行采集，通过电路设计将信号进行放大、多级增益可调及硬件滤波，改善信噪比，通过使用MEMS技术的数字麦克风贴在人体皮肤表面，以采集肌肉在主动收缩时的横向振动力学信息。
【专利说明】
一种用于采集人体运动信号的传感器电路
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种传感器电路，尤其涉及一种用于采集人体运动信号的传感器电路。
【背景技术】
[0002]在物联网技术迅猛发展的大环境下，对人体行为或状态进行数字化，特别是人体运动学和力学方面的研究，提出了新的技术要求。要能更好地理解及分析人体运动状态，对其建立正确的数学模型，掌握运动参数和力学参数之间的关系，互为转换、补偿及验证，则首先需要有设备可以量化人体的关节运动以及肌肉腱力状态。
[0003]当前针对运动学或力学分析的仪器，如基于摄像头技术的运动捕捉系统，或基于电极采集的肌电传感器，其本身都只能单一地检测到姿态信息或肌肉电信息。我国科研工作者在医疗领域开展了一些关于肌电和肌动信号结合以实现多自由度假肢控制的研究，这些研究建立了一些基础的肌肉信号检测模型，以实现人体力学方面参数的评估，但由于缺乏运动捕捉功能，不能与运动学研究进行统一，并且研究成果没有进一步形成产业。国外已有将运动捕捉及肌肉信号分析等技术应用到产业中，但产品多为功能单一的运动分析或力学分析系统，缺少两者相融合的功能，需要同时购买两种以上设备才能提供人体运动学和力学所需的检测数据以支持建立数学模型。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种用于采集人体运动信号的传感器电路。
[0005]本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的:
[0006]本实用新型包括微控制器、运动捕捉电路、肌电信号电路、肌动信号模块和蓝牙模块，所述运动捕捉电路、所述肌电信号电路和所述肌动信号模块的信号输出端均与所述微控制器的信号输入端连接，所述微控制器的信号输出端与所述蓝牙模块的信号输入端连接。
[0007]本实用新型优选的，所述运动捕捉电路包括惯性测量单元和磁性传感器，所述惯性测量单元的SDA端和所述磁性传感器的SDA/SD0端连接后与所述微控制器的PB3端连接，所述惯性测量单元的SCL端和所述磁性传感器的SCL/SPC端连接后与所述微控制器的PBlO端连接，所述惯性测量单元的INTl端与所述微控制器的PAl端连接，所述惯性测量单元的INT2端与所述微控制器的PAO端连接。
[0008]本实用新型优选的，所述肌电信号电路包括第一放大器、第二放大器和滤波器，所述第一放大器的VIN-端串联第三十电容器后与第一探头连接，所述第一放大器的VIN+端串联第三十五电容器后与第二探头连接，所述第一放大器的VOUT端分别与所述第一放大器的REF端、所述第二放大器的IND+端和所述第二放大器的OUTC端连接，所述第二放大器的INB-端分别与所述第二放大器的INA-端、所述第二放大器的OUTA端、所述第二放大器的OUTB端和第三探头连接，所述第二放大器的INB+端分别与所述第二放大器的INC+端、所述第二放大器的INC-端、所述第二放大器的OUTD端、所述微处理器的PB12端和所述滤波器的IN端连接，所述滤波器的CLK端与所述微处理器的PC14端连接，所述滤波器的SHDN端与所述微处理器的PCl 3端连接，所述滤波器的OUT端与所述微处理器的PCl 5端连接。
[0009]本实用新型优选的，所述肌动信号模块包括第一数字麦克风和第二数字麦克风，所述第一数字麦克风的LCK端分别与所述第二数字麦克风的LCK端和所述微处理器的PB13端连接，所述第一数字麦克风的DOUT端分别与所述第二数字麦克风的DOUT端和所述微处理器的PBl 5连接。
[0010]本实用新型优选的，所述蓝牙模块包括蓝牙芯片，所述蓝牙芯片的RESET端与所述微处理器的PA8端连接，所述蓝牙芯片的TXD端与所述微处理器的PAlO端连接，所述蓝牙芯片的RXD端与所述微处理器的PA9端连接，所述蓝牙芯片的RTS端与所述微处理器的PAll端连接，所述蓝牙芯片的CTS端与所述微处理器的PA12端连接，所述蓝牙芯片的LPO端与所述微处理器的PA14端连接。
[0011]本实用新型优选的，所述微处理器上连接有复位电路，其之间通过接插件连接，所述微控制器的PA13端分别与所述接插件的第三端和第四双相二极管的第一端连接，所述第四双相二极管的第二端分别与所述接插件的第五端、第五双相二极管的第一端和第三双相二极管的第一端连接后接地，所述接插件的第一端分别与直流电源和所述第三双相二极管的第二端连接，所述微控制器的PA14端分别与所述第五双相二极管的第二端和所述接插件的第三端连接。
[0012]本实用新型优选的，所述复位电路包括第一复位芯片、第二复位芯片和复位开关，所述第一复位芯片的IN端分别与第一复位芯片的GND端、所述第二复位芯片的VCC端、复位开关的第一端和所述接插件的第一端连接，所述复位开关的第二端与所述第二复位芯片的IN端连接，所述第一复位芯片的EN端串联第二二极管后与所述第二复位芯片的OUT端连接，所述第一复位芯片的OUT端与直流电源连接。
[0013]本实用新型的有益效果在于:
[0014]本实用新型通过使用基于MEMS技术的加速度计、陀螺仪及磁力计，以获取人体在运动过程中的加速度、角速度等物理量，通过数据融合算法把这些信息进行处理得到人体运动姿态参数，使用三个表面肌电电极对肌肉电信进行采集，通过电路设计将信号进行放大、多级增益可调及硬件滤波，改善信噪比，通过使用MEMS技术的数字麦克风贴在人体皮肤表面，以采集肌肉在主动收缩时的横向振动力学信息。
【附图说明】
[0015]图1是本实用新型所述肌动信号模块的电路图；
[0016]图2是本实用新型所述肌电信号电路的电路图；
[0017]图3是本实用新型所述运动捕捉电路的电路图；
[0018]图4是本实用新型所述微控制器的电路图；
[0019]图5是本实用新型所述蓝牙模块的电路图；
[0020]图6是本实用新型所述滤波电路的电路图；
[0021]图7是本实用新型所述复位电路的电路图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图对本实用新型作进一步说明:
[0023]本实用新型包括微控制器、运动捕捉电路、肌电信号电路、肌动信号模块和蓝牙模块，运动捕捉电路、肌电信号电路和肌动信号模块的信号输出端均与微控制器的信号输入端连接，微控制器的信号输出端与蓝牙模块的信号输入端连接。
[0024]如图3和图4所示，运动捕捉电路包括惯性测量单元U14和磁性传感器U13，惯性测量单元U14的SDA端和磁性传感器U13的SDA/SD0端连接后与微控制器U18的PB3端连接，惯性测量单元U14的SCL端和磁性传感器U13的SCL/SPC端连接后与微控制器U18的I3BlO端连接，惯性测量单元U14的INTl端与微控制器U18的PAl端连接，惯性测量单元U14的INT2端与微控制器U18的PAO端连接。
[0025]如图2、图4和图6所示，肌电信号电路包括第一放大器U8、第二放大器U12和滤波器U20，第一放大器U8的VIN-端串联第三十电容器C30后与第一探头E4连接，第一放大器U8的VIN+端串联第三十五电容器C35后与第二探头E5连接，第一放大器U8的VOUT端分别与第一放大器U8的REF端、第二放大器U12的IND+端和第二放大器U12的OUTC端连接，第二放大器U12的INB-端分别与第二放大器U12的INA-端、第二放大器U12的OUTA端、第二放大器U12的OUTB端和第三探头E6连接，第二放大器U12的INB+端分别与第二放大器U12的INC+端、第二放大器U12的INC-端、第二放大器U12的OUTD端、微处理器U18的TO12端和滤波器U20的IN端连接，滤波器U20的CLK端与微处理器U18的PC14端连接，滤波器U20的SHDN端与微处理器U18的PC13端连接，滤波器U20的OUT端与微处理器U18的PC15端连接。
[0026]如图1和图4所示，肌动信号模块包括第一数字麦克风Ull和第二数字麦克风U15，第一数字麦克风Ull的LCK端分别与第二数字麦克风U15的LCK端和微处理器U18的PB13端连接，第一数字麦克风Ul I的DOUT端分别与第二数字麦克风U15的DOUT端和微处理器U18的PB 15连接。
[0027]如图4和图5所示，蓝牙模块包括蓝牙芯片U21，蓝牙芯片U21的RESET端与微处理器U18的PA8端连接，蓝牙芯片U21的TXD端与微处理器U18的PAlO端连接，蓝牙芯片U21的RXD端与微处理器U18的PA9端连接，蓝牙芯片U21的RTS端与微处理器U18的PAll端连接，蓝牙芯片U21的CTS端与微处理器U18的PA12端连接，蓝牙芯片U21的LPO端与微处理器U18的PA14端连接。
[0028]如图4和图7所示，微处理器U18上连接有复位电路，其之间通过接插件CNl连接，微控制器U18的PA13端分别与接插件CNl的第三端和第四双相二极管D4的第一端连接，第四双相二极管D4的第二端分别与接插件CNl的第五端、第五双相二极管D5的第一端和第三双相二极管D5的第一端连接后接地GND，接插件CNl的第一端分别与直流电源和第三双相二极管D3的第二端连接，微控制器U18的PA14端分别与第五双相二极管D5的第二端和接插件CNl的第三端连接。
[0029]如图7所示，复位电路包括第一复位芯片U9、第二复位芯片UlO和复位开关SWl，第一复位芯片U9的IN端分别与第一复位芯片U9的GND端、第二复位芯片UlO的VCC端、复位开关SWl的第一端和接插件CNl的第一端连接，复位开关SWl的第二端与第二复位芯片UlO的IN端连接，第一复位芯片U9的EN端串联第二二极管D2后与第二复位芯片UlO的OUT端连接，第一复位芯片U9的OUT端与直流电源连接。
[0030]本实用新型的工作原理如下:
[0031]如图1-图7所示，本实用新型的工作原理如下:
[0032]本实用新型主要包括了运动捕捉电路、肌电信号电路、肌动信号模块、微控制器以及蓝牙模块五大硬件部分，运动捕捉电路中惯性测量单元U14主要集成了加速度计和陀螺仪，磁性传感器U13集成了磁力计，通过适当的算法把数据融合，以获得运动学参数;肌电信号电路主要通过对人体肌肉微弱的生物电信号进行放大和滤波，以获取在运动过程中肌肉被激励的状态;肌动信号模块主要通过使用数字麦克风贴在肌肉皮肤表面，以获得运动过程中肌肉横向振动的力学参数;微控制器主要对各模块传输来的数据进行标定、校正、融合，然后通过蓝牙模块把处理完的数据发送到上位主控机进行实时显示、分析及保存。
[0033]在上述过程中，惯性测量单元U14和磁性传感器U13分别采集到加速度，角速度和地磁方向，通过Iic接口传输到微控制器U18;数字麦克风UlI和U15采集到的肌动信号传输到微控制器U18，第一放大器放大器U8和第二放大器U12采集到的肌电信号通过滤波器U20滤波后传输到微控制器U18，微控制器U18把采集到的数据进行数据融合，最后把处理后的数据通过蓝牙模块U21传输给上位机。
[0034]通过选用基于MEMS技术的三轴加速度计，三轴陀螺仪及三轴磁力计并使用32位Cortex-A4高速微控制器对数据进行算法融合以实现人体运动捕捉及分析功能，选用基于MEMS技术的信号放大电路以及滤波电路进行表面肌电信号采集，实现噪音抑制和信号放大倍数可调的功能，选用基于MEMS技术的数字麦克风采集肌动信号，比传统单一的加速度计方式具有更高的分辨率和灵敏度，传感器比传统设备体积要小重量要轻，可方便穿戴于人体肢体上在室内或室外进行检测使用。
[0035]综上所述，本实用新型通过使用基于MEMS技术的加速度计、陀螺仪及磁力计，以获取人体在运动过程中的加速度、角速度等物理量，通过数据融合算法把这些信息进行处理得到人体运动姿态参数，使用三个表面肌电电极对肌肉电信进行采集，通过电路设计将信号进行放大、多级增益可调及硬件滤波，改善信噪比，通过使用MEMS技术的数字麦克风贴在人体皮肤表面，以采集肌肉在主动收缩时的横向振动力学信息。
[0036]本领域技术人员不脱离本实用新型的实质和精神，可以有多种变形方案实现本实用新型，以上所述仅为本实用新型较佳可行的实施例而已，并非因此局限本实用新型的权利范围，凡运用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变化，均包含于本实用新型的权利范围之内。
【主权项】
1.一种用于采集人体运动信号的传感器电路，其特征在于:包括微控制器、运动捕捉电路、肌电信号电路、肌动信号模块和蓝牙模块，所述运动捕捉电路、所述肌电信号电路和所述肌动信号模块的信号输出端均与所述微控制器的信号输入端连接，所述微控制器的信号输出端与所述蓝牙模块的信号输入端连接。2.根据权利要求1所述的一种用于采集人体运动信号的传感器电路，其特征在于:所述运动捕捉电路包括惯性测量单元和磁性传感器，所述惯性测量单元的SDA端和所述磁性传感器的SDA/SDO端连接后与所述微控制器的PB3端连接，所述惯性测量单元的SCL端和所述磁性传感器的SCL/SPC端连接后与所述微控制器的I3BlO端连接，所述惯性测量单元的INTl端与所述微控制器的PAl端连接，所述惯性测量单元的INT2端与所述微控制器的PAO端连接。3.根据权利要求1所述的一种用于采集人体运动信号的传感器电路，其特征在于:所述肌电信号电路包括第一放大器、第二放大器和滤波器，所述第一放大器的VIN-端串联第三十电容器后与第一探头连接，所述第一放大器的VIN+端串联第三十五电容器后与第二探头连接，所述第一放大器的VOUT端分别与所述第一放大器的REF端、所述第二放大器的IND+端和所述第二放大器的OUTC端连接，所述第二放大器的INB-端分别与所述第二放大器的INA-端、所述第二放大器的OUTA端、所述第二放大器的OUTB端和第三探头连接，所述第二放大器的INB+端分别与所述第二放大器的INC+端、所述第二放大器的INC-端、所述第二放大器的OUTD端、所述微处理器的PB12端和所述滤波器的IN端连接，所述滤波器的CLK端与所述微处理器的PC14端连接，所述滤波器的SHDN端与所述微处理器的PC13端连接，所述滤波器的OUT端与所述微处理器的PC15端连接。4.根据权利要求1所述的一种用于采集人体运动信号的传感器电路，其特征在于:所述肌动信号模块包括第一数字麦克风和第二数字麦克风，所述第一数字麦克风的LCK端分别与所述第二数字麦克风的LCK端和所述微处理器的PB13端连接，所述第一数字麦克风的DOUT端分别与所述第二数字麦克风的DOUT端和所述微处理器的PB15连接。5.根据权利要求1所述的一种用于采集人体运动信号的传感器电路，其特征在于:所述蓝牙模块包括蓝牙芯片，所述蓝牙芯片的RESET端与所述微处理器的PA8端连接，所述蓝牙芯片的TXD端与所述微处理器的PAlO端连接，所述蓝牙芯片的RXD端与所述微处理器的PA9端连接，所述蓝牙芯片的RTS端与所述微处理器的PAll端连接，所述蓝牙芯片的CTS端与所述微处理器的PA12端连接，所述蓝牙芯片的LPO端与所述微处理器的PA14端连接。6.根据权利要求1所述的一种用于采集人体运动信号的传感器电路，其特征在于:所述微处理器上连接有复位电路，其之间通过接插件连接，所述微控制器的PA13端分别与所述接插件的第三端和第四双相二极管的第一端连接，所述第四双相二极管的第二端分别与所述接插件的第五端、第五双相二极管的第一端和第三双相二极管的第一端连接后接地，所述接插件的第一端分别与直流电源和所述第三双相二极管的第二端连接，所述微控制器的PA14端分别与所述第五双相二极管的第二端和所述接插件的第三端连接。7.根据权利要求6所述的一种用于采集人体运动信号的传感器电路，其特征在于:所述复位电路包括第一复位芯片、第二复位芯片和复位开关，所述第一复位芯片的IN端分别与第一复位芯片的GND端、所述第二复位芯片的VCC端、复位开关的第一端和所述接插件的第一端连接，所述复位开关的第二端与所述第二复位芯片的IN端连接，所述第一复位芯片的EN端串联第二二极管后与所述第二复位芯片的OUT端连接，所述第一复位芯片的OUT端与直流电源连接。
【文档编号】A61B5/11GK205568954SQ201520873823
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2015年11月2日
【发明人】林焯华
【申请人】广州阿路比电子科技有限公司