便携式多通道肌电信号采集系统及可穿戴设备

本发明涉信号采集，具体地说是便携式多通道肌电信号采集系统及可穿戴设备。

背景技术：

1、肌电信号采集系统即对肌电信号进行采集和处理，通常需要利用电极将人体内的离子流转化为可被电路检测的电子流，因此片上系统的输入端需连接至与人体相接触的电极上。肌电信号采集片上系统的最前端通常是一个模拟前端，其通常采用仪表放大器来实现，模拟前端的作用是把从电极获取的肌电信号进行放大和滤波；经过放大的信号在模数转换器的作用下，由模拟信号转换为数字信号，以方便后续处理和传输；片上系统中通常还会有电源管理模块，给设备提供合适稳定的电源。

2、生理电信号在医疗保健和医疗领域的应用已有100多年的历史，而肌电信号作为生物信号中的重要一部分，引起了社会广泛的研究和关注。如今，肌电信号是全球工程界越来越受欢迎的研究课题，而采集和分析肌电信号成为研究生物科学的关键技术之一。

3、表面肌电信号是一种记录和测量肌肉电活动的生物电信号，这种信号通过电极贴附在皮肤表面来捕捉肌肉中的电活动。肌电信号在生物医学工程和康复医学、运动科学和运动训练、人机界面和控制系统以及人体工程学和人体运动建模等各个方面有着的广泛研究和应用。例如，许多人因事故而失去了四肢、有些人天生就没有四肢，这些人无法进行日常工作，握住或移动物体，进食等都非常当困难，这些截肢者的一种解决方案是基于肌电图的假肢或假肢装置，基于肌电图的假肢装置使用肌电信号在电机的帮助下控制假肢的动作。另一方面，肌电信号采集也被广泛应用于游戏娱乐、健康教育等交叉新兴产业。例如：虚拟现实与emg采集等技术的结合，促进了沉浸式娱乐产业的发展；与外骨骼机器等技术的结合，减轻了人类负重，提升了人类体能极限，甚至使得科幻电影中的超级人类成为可能。

4、目前，市场上常见的肌电信号数据采集系统普遍价格昂贵、数据采集方式单一、通道数少，体积大，携带不方便，分立元件设计，集成度偏低功耗待优化，易受工频干扰、信号噪声大干扰大。

5、如何实现便捷多通道肌电信号采集，是需要解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的技术任务是针对以上不足，提供便携式多通道肌电信号采集系统及可穿戴设备，来解决如何实现便捷多通道肌电信号采集的技术问题。

2、第一方面，本发明一种便携式多通道肌电信号采集系统，包括主控模块、前端采集模块、传输模块以及电源模块，所述前端采集模块共多个，每个前端采集模块与主控模块电连接，主控模块通过传输模块与上位机进行数据交互，其中传输模块用于提供无线传输和有线传输两种传输方式，且有线传输方式包括usb传输；

3、每个前端采集模块均包括前端主板以及配置于前端主板上的金属干电极片和滤波放大单元，所述金属干电极片用于贴附于人体上、采集人体的离子流并将离子流转换为电子流形成肌电信号，所述滤波放大单元与所述金属干电极片电连接，用于对肌电信号进行放大和滤波操作、输出模拟信号形式的肌电信号；

4、所述主控模块包括mcu芯片，所述mcu芯片用于基于定时器驱动的dma采集机制定时从每个前端采集模块获取模拟信号形式的肌电信号并存储至本地内存缓冲区，将模拟信号形式的肌电信号转换为数字信号形式的肌电信号，并通过数字滤波算法对数字信号形式的肌电信号进行数字滤波，得到最终的肌电信号，并通过传输模块将肌电信号上传至上位机；

5、所述电源模块分别于主控模块、传输模块以及各前端采集模块电连接，用于为主控模块、传输模块以及各前端采集模块供电。

6、作为优选，所述滤波放大单元包括基于肌电芯片的模拟集成放大器以及与模拟集成放大器电连接的外围电路，所述模拟集成放大器用于对采集的肌电信号进行滤波和放大；

7、其中，肌电芯片包括ks1081芯片。

8、作为优选，所述主控模块用于通过巴特沃斯数字带通滤波器算法、陷波滤波算法结合的方式对数字信号形式的肌电信号进行数字滤波，输出最终的肌电信号。

9、作为优选，主控模块中模拟有带宽为20hz-150hz的巴特沃斯带通iir滤波器和50hz无限脉冲响应陷波滤波器。

10、作为优选，所述传输模块包括无线通信单元和有线通信单元，无线通信单元包括蓝牙通信模组以及与其电连接的蓝牙外围电路，用于通过蓝牙通信方式与上位机进行无线通信，其中，蓝牙通信模组包括低功耗蓝牙模组hc-05；

11、有线通信单元包括usb串口电路，所述usb串口电路用于通过usb传输方式与上位机进行有线通信。

12、作为优选，

13、所述电源模块包括usb接口、锂电池充电芯片、稳压器以及锂电池；

14、所述usb接口用于外接电源，并与稳压器电连接，所述稳压器用于将外部电源转换为适配电压为主控模块、传输模块以及各前端采集模块供电；

15、所述usb接口、锂电池充电芯片、锂电池以及稳压器依次电连接，usb接口与锂电池充电芯片配合用于通过外部电源为锂电池充电，稳压器用于将锂电池释放的电转换为适配电压为主控模块、传输模块以及各前端采集模块供电。

16、作为优选，所述usb串口电路包括usb转串口芯片，mcu芯片、usb转串口芯片以及usb接口依次连接，并通过usb接口与上位机进行有线通信。

17、作为优选，所述usb接口为用usbtype-c连接器，所述usb转串口芯片为ch340e芯片，所述锂电池充电芯片为线性锂电池充电芯片tp4056，所述稳压器为ams1117-3.3。

18、作为优选，所述mcu芯片为低功耗芯片stm32f103。

19、第二方面，本发明一种可穿戴设备，包括穿戴设备本体以及配置于穿戴设备本体上的肌电信号采集系统，所述肌电信号采集系统为如第一方面任一项所述的一种便携式多通道肌电信号采集系统，各前端采集模块配置于穿戴设备本体上；

20、所述穿戴设备本体的穿戴形式包括可穿戴臂环、手环以及脚环。

21、本发明的便携式多通道肌电信号采集系统及可穿戴设备具有以下优点：

22、1、前端采集模块包括前端主板以及配置于前端主板上的金属干电极片和滤波放大单元，形成了前端肌电信号采集一体化设计，减少了连接线的干扰，保障了采集信号的质量，并减少了体积，便于携带及穿戴；

23、2、前端采集模块有多个，鉴于多通道的采样速率和精度问题对干扰的抑制有关联，主控模块内模拟有定时器，主控模块基基于定时器驱动的dma采集机制定时从每个前端采集模块获取模拟信号形式的肌电信号，提高了多通道肌电信号采集的速率和精度，便于后续多通道实时信号处理；

24、3、前端采集模块中滤波放大单元对采集的肌电信号进行放大滤波，通过主控模块将模拟信号形式的肌电信号转换为数字信号后，通过数字滤波放大对数字信号形式的肌电信号进行数字滤波，即对采集的肌电信号进行了采用了硬件滤波和数字滤波算法相结合的信号处理机制，避免了干扰抑制，提高了信号准确度；

25、4、通信模块采集蓝牙模模块，提高了系统的便携性和灵活性，wifi传输质量易受干扰和障碍物影响；需要独立的路由器和接入点设置；安全性和隐私保护存在潜在风险，而蓝牙传输具有有功耗低，适合长时间使用等优点，同时，该通信模块中usb口，保证了数据的传输和控制；

26、5、滤波放大单元包括基于肌电芯片的模拟集成放大器以及与模拟集成放大器电连接的外围电路，且肌电芯片为ks1081芯片，ks1081芯片为国产芯片，且在穿戴应用场景，该芯片支持适用金属电极采集和织物导电布类采集心电；

27、6、电源模块包括usb接口、锂电池充电芯片、稳压器以及锂电池，通过usb口用于外部电源、并与稳压器电连接，通过稳压器将外部电源转换为适配电源为该系统供电，同时，usb接口、锂电池充电芯片、锂电池以及稳压器依次电连接，通过锂电池充电芯片将usb接口获取的外部电源为锂电池充电，并通过稳压器将锂电池释放的电转换为适配电压为该系统供电，从而实现了双供电模式；

28、7、在usb接口上还连接有usb转串口芯片，usb转串口芯片与mcu芯片连接，从而可通过usb接口读取外部数据、并通过usb转串口芯片将读取的外部数据写入mcu芯片，从而实现了数据写入。