基于usb总线的神经网络重建仪研制

研究论著一 基于USB总线的神经网络重建仪研制 熊 亮- 胡云冰t何 芳z (1．重庆通信学院重庆市400035；2．重庆钢铁公司职工总医院重庆市400081) 摘要研制了一种采用USB总线供电和数据传输的神经网络重建仪．以改进目前已有产品数据传输速度慢和电池供 电耗费大的缺点。设计了系统的USB接口、电源、EMG信号放大滤波、单片机、电极接口和刺激等各部分电路，以及单 片机和PC处理软件，实现了系统的供电、数据传输以及信号的处理、显示和存储。实践 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，系统设计有效。 关键词 USB；USB总线电源；单片机；神经网络重建 中图分类号：R454．1：R74文献标识码：A 文章编号：1003—8868(2007)07—0015一02 DeveIopment0fneuronluscuIarrehab¨itationinstrumentbasedonUSB XIONGLian91，HUYun—bin91，HEFan92 (1．ChongqlngCommunicationCo¨ege，Chongqing400035，China；2．StaffGeneraIHospitaI，Chongqinglron& SteelCompany，Chongqing400081，China) AbstractAneummuscularrehabilitationinstⅢment，witllUSBbustosupplypowerandtransIIlitdata，isdevelopedto improvetheexistingproductwhichhaslowdatatransmissionrateandisatt|lehighcostofbattery．Itscircuits，includingthe circuitsforsinglechipinterface，power，EMGamplifiersandfilters，MCU，electmdeinte血ceandstimulation，aredesigned． ThesoflwareofsindechipandPcarealsodescribed．Thesystempowering，datatmnsmission，displayandstora吗eofEMG arerealized．ExDerimentsshowthatitisreliable． KeywordsUSB；USBBusPowerSupply；sin譬lechip；neuronnlscularrehabilitation 1 引言 神经网络重建是功能性电刺激的一种类型，也称为肌电触发电刺激 正Mo啊ggere(1．_Stim或EMG_Contr0Hed-NMEs)。其原理主要是利用生 物反馈和电刺激相结合的技术引导患者能认知重新再学习．将瘫痪患者 残留的自发肌电信号与神经肌肉电刺激结合起来．通过反复治疗帮助患 者重新建立新的大脑指挥功能．促进患者增强肌肉力量，提高其生活质 量．是现代神经与康复医学主动治疗模式的典范。其具有比普通神经肌肉 电刺激疗法更好的疗效m。神经网络重建仪作为神经网络重建疗法的康复 仪器．能自动检测患者瘫痪肌肉发出的肌电信号，动态设定刺激阈值，控 制电刺激输出以刺激肌体。采用先进的电子和计算机技术，开发功能先 进、体积小巧、使用方便的神经网络重建仪一直是其研制方向之一。但不 少已有的产品因采用电池供电、RS232通信或红外通信，使其在使用中数 据传输速度慢。特别是电池耗费量大，增加了应用成本。为此，我们采用 UsB技术．实现了基于USB总线供电和数据传输的设计。 2系统基本结构及原理 2．1 系统整体框图 本系统构成框图如图1所示。其基本工作原理为：当患者努力尝试 做一动作时．发出的肌电(EMG)信号经以AD620和0P27为主的程控多 级放大和带通滤波、两级50Hz陷波及12位A／D转换后，再经光电隔离 被单片机P89C52X2采集。并在128Ⅺ64点阵LCD上显示其波形。当 EMG信号达到或超过阈值时．单片机控制刺激电路产生O~60mA的可调 恒流刺激电流脉冲，通过电极接口电路和电极给予肌肉刺激，并能自动提 Pc机j ▲ ’ 鱼补 片机 I髋卜 图1 系统整体框图 作者简介：熊亮，硕士，主要从事生物医学工程和自动化仪器及嵌入式系 统方面的研究及教学工作。 高阈值。通过USB接口电路F1245BM与PC连接，可将采集的EMG数 据上传到PC．实现对EMG波形的实时显示、分析和存储。也可在PC软 件中设定系统工作参数。USB总线电源V。。经电源电路变换后得到多组 电源给系统供电。其中，因为电极与人体直接接触，为了安全，EMG模拟 信号通道电路、控制电路和刺激电路均采用隔离电源供电。另外，为了能 让系统独立工作．也设计了键盘和电池接口。 为方便系统应用．设计了三电极和五电极2种电极模式．以及3种 工作模式：自动模式、人工模式和循环模式。以下对主要的部分加以介绍。 2．2单片机和USB接口电路 系统采用P89C52池微控制器。其供电电压为(5±05)V，具有51个 内核．32个的引脚．片内256BRAM和8KBFA璐H程序存储器。可从 12时钟编程为6时钟操作，降低EMI。 USB接口电路采用丌DI公司的USBl．1接口芯片兀245BM。该芯 片采用8位并口与单片机连接。丌DI公司为其提供免费的虚拟串行口 VCP(VirtualComPor【．VCP)驱动程序。该虚拟串口可以像一个 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的物 理串口那样被访问．免去了USB驱动程序的开发．同时简化了应用程序 的编程。 2．3电源电路 系统主要由PC的USB总线电源V。。供电。它能为系统提供最多 500mA的电流。当系统独立应用时，也可采用6．oV电池供电。虽然V。。 的电压标称值为+5V．但其电压值可能偏高或偏低．在实际中由于电缆和 其它损失．在USB设备端得到的电压还会低一些日．该电压范围是“。 525V。因此需要对V。。进行变换，以满足各电路对供电电压的要求。 电源电路目主要包括：(1)电源电路：以MAXl790构成的+5V电源电 路，它将V。。变换为单片机、LCD和USB接口等电路所需的+5V电源。 (2)隔离电源电路：2个45圆V宽输入电压隔离电源模块WRB0505和 WRA0512将V。。或电池电源电压变换为隔离电压为1000VDc的+5V 和±12V电源．为EMG采集和控制电路供电。隔离+5V电源同时也给后 述+170V高压电源电路供电。(3)+170V高压电源电路：为了实现电极之 间人体皮肤阻抗高达”kQ时O巧OrnA的恒流脉冲刺激．需要为刺激电 路提供一个高压直流电源。电路如图2所示．采用了冈Ⅲ型升压 医疗卫生装备·2007年第28卷第7期1仄 C№e∞MedicaIE叫pmentJouma卜2007voI．28No．7 Iu 万方数据 一研究论著 MAX668控制芯片．以400kHz的频率控制一个初级，次级为1丹的自耦 变压器T1．将隔离《V电压升高到+170V。 图2+170V高压电源电路 模拟开关和 继电器构成． 实现EMG检 测和刺激输 出的切换．以 及EMG检测 的三电极和 五电极模式 的切换。刺激 输出的切换 采用负电平 逻辑驱动．以 图4非对称陷波电路 2．4曼燃萼黧‰⋯⋯一眦⋯捌捧妞诗黧篙黼就预撤臌蝴籽腆脯撤。Ⅷ搿瑟黑嬲髫兰戮罂羰萼擞登孳‘口盂淼孙蜥，删糊‰蚍愀c进行蛩譬鳘查篓燃l祭巍要量娶妻娶芝裴黧黧怂嫠 实时羔蒜罴’菇高端、0≤姑淼淼茹懋蠛慧多s珏放大电路构成。高通和程控低通滤波电路 黼墨写斋釜黧湍蕊。蒜磊荔淼溉登 构成登篓31鎏紫曼面七昔粤诗士由啵～斗出直蛤。咐持衅 票磊季禚荔，茗罴著菱兰笈赫藉溅茹磊蟊蒜猫 一芝焉恕譬号的要求成置放大电路须设计成高输入阻抗、低 ；磊暮量弱菇一～一们刚侣川一删n侣”⋯”。”“～噪声、高CMMR电路。 ”⋯4—1“o” 图3前置放大电路 虽然50Hz干扰经高CMMR的前置放大电路得到了一定抑制．但其 影响仍然不小。而且在实际使用中，其50比频率往往有偏差。干扰强度 也随使用环境不同而变化．双T型陷波电路的理论计算和设计都比较成 熟，但其对称性要求高，元器件精度要求直接影响到其陷波频率和Q值。 而且一旦设计好，其陷波频率和O值均不可调。非对称陷波电路克服了 双T型陷波电路的缺点．可用电位器RVl在40巧2m之间调整陷波频 率，RV2调整O值自。电路如图4所示。为此，本设计将二者结合起来组成 两级50fIz陷波电路．第一级为双T陷波，第二级为非对称陷波，较好地 消除了50Hz干扰。 2．5刺激和电极接口电路 皮肤电刺激的最适宜波形为方波．简单的单向波形长期使用会引起皮 肤的极化现象．使EMG信号检测困难。为了消除这种影响。可采用双向脉 冲．其由幅度、脉宽均相等的正负两段脉冲双组成。刺激电路为一个压控恒 流源，在极性控制电路的控制下，将电压转变为正向或负向方波电流脉冲， 以实现单极性、双极性或交替刺激脉冲波形的输出。电极接口电路主要由 1公医疗卫生装备·2007年第28卷第7期 lVChine8eMed．啪JEquipmentJoum叫·2∞7Vol28No．7 图5系统上位机操作界面 3结果与讨论 本设计最大特点是在充分利用了USB总线电源供电和数据传输的 基础上．设计了本系统的软硬件。系统正常工作时耗电电流在400mA左 右，能满足USB总线电源的要求。实践表明，本系统工作可靠，操作简单、 直观，适合于各级医院和家庭使用。但也存在一些可以改进的地方，如可 以采用功能更强的超低功耗16位单片机MSP430．进一步降低系统功耗． 以及对EMG信号做软件滤波和50Hz陷波以降低系统硬件的复杂性。 参考文献 f11窦祖林，陶勤丰，胡营权，等．肌电触发的神经肌肉电刺激改善偏 瘫上肢功能的临床观察叨．中华物理医学与康复杂志，1999，21 (4)：17—19． f21王成儒，王英伟．USB2．O原理与工程开发[MI．北京：国防工业出 版社．2004：44-45． 【3】熊亮，马英杰．神经网络重建仪的USB总线供电电源设计阴．医 疗卫生装备，2006，27(9)：5—6． 【4]钱晓进，郑如冰，王传林．高性能前置放大器的设计叨．现代科学 仪器。2003(3)：50一52． [5】姜宗义，龚卫宁，储德宝．一种新型有源陷渡器设计[刀．中国生物 医学工程学报，1997，16(4)：324—326． (2007一03—29收稿2007—06—30修回) 万方数据 基于USB总线的神经网络重建仪研制 作者： 熊亮， 胡云冰， 何芳， XIONG Liang， HU Yun-bing， HE Fang 作者单位： 熊亮,胡云冰,XIONG Liang,HU Yun-bing(重庆通信学院,重庆市,400035)， 何芳,HE Fang(重庆钢铁公司职工总医院,重庆市,400081) 刊名： 医疗卫生装备 英文刊名： CHINESE MEDICAL EQUIPMENT JOURNAL 年，卷(期)： 2007，28(7) 引用次数： 0次 参考文献(5条) 1.窦祖林.陶勤丰.胡营权 肌电触发的神经肌肉电刺激改善偏瘫上肢功能的临床观察 1999(4) 2.王成儒.王英伟 USB 2.0原理与工程开发 2004 3.熊亮.马英杰 神经网络重建仪的USB总线供电电源设计[期刊 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 ]-医疗卫生装备 2006(9) 4.钱晓进.郑如冰.王传林 高性能肌电检测前置放大器的设计[期刊论文]-现代科学仪器 2003(3) 5.姜宗义.龚卫宁.储德宝 一种新型有源陷波器设计 1997(4) 相似文献(7条) 1.期刊论文 熊亮.马英杰.XIONG Liang.MA Ying-jie 神经网络重建仪的USB总线供电电源设计 -医疗卫生装备 2006,27(9) 分析了USB总线电源的特点,针对神经网络重建仪各电路的供电要求,设计出了对USB总线电源的各电源电压变换电路,实现了神经网络重建仪的USB总 线电源供电. 2.期刊论文 柳义筠.Liu Yijun USB总线电源管理的研究及驱动程序设计 -电脑学习2006(5) 介绍了USB总线系统结构,以USB电源管理为例,分析了其特点,给出了驱动程序实例. 3.期刊论文 王晓飞.封吉平.王向东 基于USB总线电源控制卡的设计 -仪表技术2009(11) 根据USB总线的特点,设计制作电源控制卡.采用CY7C68013A作为USB控制器,在Windows XP系统平台上开发相应的WDM驱动程序,完成软、硬件的设计. 4.期刊论文 杨春燕 双路USB功率分配开关MIC2536及其应用电路 -国外电子元器件2002(1) MIC2536是MICREL公司生产的一种性能价格比很高的双路USB功率分配开关.它具有两个独立的控制通道.可广泛应用于带有UAB板的总线电源集线器、 USB总线电源对接系统、笔记本型PC机和个人数字助理(PDAs)、通用型电源适配器、PC板的热插拔以及浪涌电流的限制等应用场合.文中介绍了MIC2536的 主要特点、引脚功能和工作原理,给出了由它组成的一个二端口总线电源集线器的应用电路. 5.期刊论文 赛普拉斯推出业界最低功耗的新型高速USB控制器系列 -电子与电脑2005(5) USB市场领先者赛普拉斯半导体公司(Cypress Semiconductor)于今天宣布推出两款业界最低功耗的低成本、高速USB控制器系列.这些新型控制器采 用了赛普拉斯公司的先进工艺技术,与领先的竞争对手相比,动态和静态功耗降低了近50%.由于动态功耗较低,因此,采用这些新型器件的外设能够以USB总 线电源为工作电压.低待机电流使便携式USB应用的电池寿命大幅度地得到延长.这些面向专用存储器和存储应用的新款产品系列能够以低成本来提供完整 的功能. 6.期刊论文 农天使.吴剑.叶大田.NONG Tianshi.WU Jian.YE Datian 嵌入式便携中医脉象信息采集电路的研制 - 北京生物医学工程2008,27(2) 脉诊是中医四诊的重要组成部分.为了研制嵌入式便携的三通道中医脉象采集电路,本文:①采用USB总线电源,无需单独的供电系统,减小体积,增加系 统通用性;②采用脉象传感器、仪表放大器、A/D转换器、ARM嵌入式微处理器等体积小、功耗低的高性能电路元器件;③从嵌入式的内涵出发,软硬件紧密 耦合,对系统的功能、体积、功耗等方面精心设计,结果:高性能的元器件、合理的设计、良好的通讯方式,使真实、原始脉象信息的实时采集得到保证.经 测试,本电路的性能达到要求,可用于便携式脉象信息的采集与研究. 7.学位论文 王庆召 基于加速度传感器的电子笔系统的设计 2009 作为新兴的人机交互工具，电子笔具有广泛的应用空间。伴随着微机电系统(MEMS，MicroElectro-MechanicalSystem)技术的不断成熟，单芯片三轴 向加速度传感器的上市，加速度型电子笔以其低廉的价格，更加人性化的设计必将带来更多的创新性。 本文着眼于以上的问题，对加速度型电子 笔进行了分析和研究。加速度型电子笔应用运动学原理，通过对加速度的运算可以获得笔尖的运动轨迹，结合运动学原理即可将笔迹复现出来，硬件结 构简单，易于实现。 MMA7260QT是Freescale公司设计开发的基于微机电系统(MEMS)的三轴向低重力加速计，是专门为便携式消费类的电子产品而 设计的，它能在XYZ三个轴向上以极高的灵敏度读取低重力水平的震动、坠落、移动、倾斜、放置和摇摆，它是业界中的第一个单芯片三轴向加速度传感 器。本文基于MMA7260QT对电子笔的主要组成模块进行了硬件和软件的设计。其中电源模块采用USB总线供电，USB总线电源最大给设备提供5V电压 ，500mA电流，基本可以满足系统正常工作时所需要的电源供应。 USB数据采集就是通过USB总线上传数据。USB通信芯片采用PHILIPS公司的USB接 口芯片PDIUSBD12，该芯片通常用于基于微控制器的系统并与微控制器通过高速通用并行接口进行通信，也支持本地DMA。利用LabVIEW编制的基于加速度 传感器的电子笔系统的数据采集应用程序，把USB总线和LabVIEW语言紧密结合起来的数据采集系统集成了两者的优点。USB总线可以实现对外部数据高速 的、实时的采集，把采集的数据传送到主机后再通过LabVIEW的功能模块顺利实现数据的保存。 加速度到位移理论上要经过两次积分变换，积分变 换在时域里实现采用的是梯形求积的数值积分法或其他直接积分方法。本文通过MATLAB采用积分在频域里实现，基本原理是首先将采集到的信号作傅里 叶变换，然后将变换的结果在频域里进行积分变换，最后经傅里叶逆变换得到积分后的时域信号。 文章的最后还对三维空间投影进行了分析，要 想将我们在三维空间里的位移曲线在二维空间里显示出来，就必须要降低其维度。 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_ylwszb200707006.aspx 下载时间：2010年1月11日