基于微电子肌电桥的EMG信号无线接收模块设计

论文总字数：26491字

摘 要

人口老龄化是现如今我国，乃至整个世界所要面对的最重要的问题之一。二十一世纪以来，人口老龄化的趋势在我国也愈发明显，伴随而来的是各种中老年人特有疾病发病率的飞涨，脑卒中就是其中一种。同时，由于城市化进程的加快和私家车的持有量增加，由车祸造成的脊髓损伤的发病率也在增加。这两种疾病的共同结果就是会造成人运动功能的丧失，为社会和家庭到来沉重的负担。同时由于个人区域网络和低功耗电路的发展，人们越来越倾向于利用电子设备来辅助临床医疗从而达到更好的治疗效果。

本课题组基于课题组之前提出的微电子肌电桥的概念和东南大学自主研发的超再生无线收发模块，旨与设计出一种低功耗、可穿戴并且拥有自主知识产权，帮助瘫痪患者重建肢体运动功能的无线传感系统。本设计是此系统设计课题的子课题，目的是设计一款用于微电子肌电桥系统的接收模块。此接收模块选择了结构简单、功耗较低的超再生接收机用做无线接收机，选择了超低功耗的、工作稳定的MSP430F169单片机作为注主控模块。在整个设计过程中完成了无线通讯协议的设计、编码规则的确定、解码程序和集成硬件模块的设计等。

最终联合肌电信号的采集模块，发射模块和功能性电刺激模块构建出了无线微电子肌电桥新一代样机。相对于第一代有线传输设备，本设备功耗更低、使用更方便。经过多次实验，本系统能够高效的实现健康肢体对瘫痪肢体的控制。

关键词: 微电子肌电桥，超再生接收机，人体区域网，MSP430单片机,低功耗

Abstract

Aging of population is one of the most significant issues which people have to face in China and the world this day and age. Since the 21th century, aged tendency of population have become more and more nonnegligible in China, which is accompanied by the boost of morbidity of ages diseases, especially stroke. Meanwhile, urbanization have enhanced private car numbers what is a main cause of car accidents and will further lead to the incidence of spinal cord injury ascendency. With the development of body area networks and low power cost circuits, people tend to use electronic device for adjuvant therapy in order to gain better therapeutic effect .

Our group aimed to design a low power cost, portable wireless system to help disable patients re-gain their action capabilities with independent intellectual property rights based 'microelectronics electromyography bridge' and super-regeneration module which are designed by our lab. This thesis is a sub-project of the above project with the purpose of design a receiving module for the system. I chose super regeneration module for wireless receiver due to its simple structure and low power cost characteristics and chose MSP430F169 microcontroller for its steady operation and low power cost characteristics. In this design, I designed communication protocol and coding-decoding method, wrote the decoding code and integrated microcontroller with super-regeneration module etc.

Finally, I connected signal gathering module, emission module and functional electrical stimulation module, then formed a new 'microelectronics electromyography bridge' system. Compared with the first generation system, our system costs less power and easier to be used. After times of tests, the system realized a real time control between healthy arms and disabled arms.

KEY WORDS: microelectronics electromyography bridge, super-regeneration receiver, boy area network (BAN), MSP430 microcontroller, low power cost

目录

摘要 3

Abstract 4

第一章 引 言 7

1.1 研究背景 7

1.2 微电子肌电桥 8

1.3 肌电图信号 9

1.4 功能性电刺激 10

1.5 应用于医疗保健的无线接收机 12

1.5.1 接收机种类与设计要求 12

1.5.2 接收机的功耗要求 13

1.5.3 超再生无线接收机 13

1.6 课题研究目的与内容 13

第二章 系统设计 15

2.1 系统结构介绍 15

2.1 系统通信协议的设计 15

2.1.1 通信协议设计方法 15

2.1.2 本系统采用的通信协议 16

2.3编解码方式介绍 16

2.3.1 常见的编解码方式 16

2.3.2 本系统采用的编解码方式 19

2.4 接收模块集成 19

第三章 单片机控制模块 21

3.1 MSP430单片机概述 21

3.2 MSP430系列单片机的特点 21

3.2.1 超低功耗 21

3.2.2 处理能力强大 21

3.2.3 丰富的拓展模块 21

3.2.4 稳定的系统和高效的开发环境 21

3.3 MSP430F169单片机 21

3.4 MSP430F160单片机中的ADC与DAC模块 22

3.4.1 ADC12 22

3.4.2 DAC12 23

3.5 解码程序设计思路 23

第四章 系统测试与总结 26

4.1 系统功能测试 26

4.2 总结与分析 29

4.3 展望 29

附录1: 解码程序和说明 31

致 谢 35

参考文献 36

第一章 引 言

1.1 研究背景

根据联合国人口司在2002年发表的“World Population Ageing: 1950-2050”，全世界范围内的人口老龄化是空前的、普遍的和持续的^[1]。在21世纪内，世界范围内老年人的比例将快速且持续的增长。在1950年，世界老年人口的比为8%，而在50年后的2000年就达到了10%，预计在2050年，世界老年人口的比例将达到21%。老龄化现象不仅在是世界范围内十分显著，在我国也非常严重。早在1996年，我国老年人的人口总数已经达到了八千万，而到了2008年就已经远超过一亿人^[2]。

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