易昌中

(宜春學(xué)院 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，江西 宜春 336000)

手是人類重要的工具，一旦失去講給生活帶來極大地不便，于是各種高功能的假手出現(xiàn)了。肌電假手就是其中的一種。利用殘存肌肉的肌電信號控制假手動作稱為肌電假手。［1］高功能肌電假手在動作方式、精確程度、穩(wěn)定性等方面得到了極大地提高。［2］但是，肌電假手的這些發(fā)展和進(jìn)步主要發(fā)生在歐美和日本這些科技發(fā)達(dá)的國家，我國假肢行業(yè)發(fā)展比較滯后，當(dāng)前面臨著假肢產(chǎn)品數(shù)量不足、質(zhì)量價(jià)差、缺乏社會化生產(chǎn)方式等特點(diǎn)。因此國內(nèi)很多因?yàn)槭鹿识ナ值幕颊叩貌坏叫阅軆?yōu)良價(jià)格合理的肌電假手產(chǎn)品，這也需要國內(nèi)的科學(xué)界加大對肌電假手的研究力度，來滿足國內(nèi)那些對肌電假手強(qiáng)烈需求的患者。［3］

1 肌電假手的基本控制原理

人體的各個(gè)動作是靠大腦和神經(jīng)來控制的，而神經(jīng)的本質(zhì)是電信號，患者雖然失去了雙手，但是殘存在肌肉里的肌電信號仍然存在，這是肌電假手設(shè)計(jì)的先決條件。利用傳感器將殘存肌肉里的肌電信號采集出來，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器得到離散的肌電信號，再通過控制器對肌電信號進(jìn)行處理，輸出控制信號控制假手實(shí)現(xiàn)各種功能。［4］肌電假手控制原理如圖1。

研究采有現(xiàn)成的肌電傳感器，所做的工作重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)對采集的肌電信號進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換，為了提高假手的功能，需要對肌電信號的跟蹤速度快、精度高，為此本文著力于實(shí)現(xiàn)以上兩點(diǎn)，為控制器提供實(shí)時(shí)的、高精度的肌電信號。

2 A/D 轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)

由于傳感器從殘肢獲取的肌電信號屬于模擬信號，而控制器所能夠處理的信號為數(shù)字信號，所以有必要對所得到的模擬信號進(jìn)行處理。

2.1 A/D 轉(zhuǎn)換基本原理

將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的設(shè)備叫做模數(shù)轉(zhuǎn)換器。AD 轉(zhuǎn)換器的分辨率用輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示，位數(shù)越多，誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越高。對于肌電假手所需的信號，必須確保一定的分辨率，才能有利于控制器對信號的識別。AD 轉(zhuǎn)換器的相對精度是指實(shí)際的各個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)偏離理想特性的誤差。AD 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度是指完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間是指從接到轉(zhuǎn)換控制信號開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字輸出信號所經(jīng)過的這段時(shí)間。由于得到的信號是采樣開關(guān)和保持器環(huán)節(jié)輸出地，所以要保證轉(zhuǎn)換時(shí)間和采樣周期的一致性。AD 轉(zhuǎn)換的流程如圖2:

圖2 AD 轉(zhuǎn)換程序流程圖

2.2 當(dāng)前AD 轉(zhuǎn)換器現(xiàn)狀

當(dāng)前市面上常見的AD 轉(zhuǎn)換器主要有并聯(lián)比較型、逐次逼近型、雙積分型等類型的轉(zhuǎn)換器。［5］其中雙積分型的轉(zhuǎn)換效率較低，轉(zhuǎn)換一次至少需要2n+1Tc 時(shí)間，其中Tc 為一個(gè)時(shí)鐘脈沖。無法達(dá)到高速轉(zhuǎn)換這一要求。而并聯(lián)比較型和逐次逼近型轉(zhuǎn)換效率較高，下面重點(diǎn)討論這兩種AD 轉(zhuǎn)換器。

3 位并聯(lián)比較型的AD 轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)如圖3:

圖3 3 位并聯(lián)比較型ADC

由圖3 可知，3 位并聯(lián)比較型ADC 轉(zhuǎn)換器由電壓比較器、寄存器、編碼器等構(gòu)成，各電壓比較器由基本的電阻和集成運(yùn)算放大器構(gòu)成。對于n 位的并聯(lián)比較型AD 轉(zhuǎn)換器，其分壓電阻為2n 個(gè)，放大器為2n－1 個(gè)。由于并聯(lián)比較性AD 轉(zhuǎn)換器采用各量級同時(shí)比較，各位輸出碼也是同時(shí)并行的，所以它的轉(zhuǎn)換速度是非?？斓?，僅需要一個(gè)脈沖就可以輸出二進(jìn)制結(jié)果。當(dāng)前市面上集成的TDC1007J 型8 位并聯(lián)比較型AD 轉(zhuǎn)換器最高轉(zhuǎn)換速率可達(dá)30MHz。這一轉(zhuǎn)換速度是其它類型的轉(zhuǎn)換器比擬的。［6，7］

3 位逐次逼近型AD 轉(zhuǎn)換器的的結(jié)構(gòu)如圖4:

圖4 3 位逐次逼近型ADC

由圖4 可知，3 位逐次逼近型AD 轉(zhuǎn)換器同并聯(lián)比較型AD 轉(zhuǎn)換器一樣，也是通過比較來實(shí)現(xiàn)AD 轉(zhuǎn)換的，不同的是此轉(zhuǎn)換器是通過逐次比較來實(shí)現(xiàn)的，對于一個(gè)n 位的逐次逼近型AD 轉(zhuǎn)換器，僅用n 個(gè)JK 觸發(fā)器和一個(gè)n 位DA 轉(zhuǎn)換器就可以實(shí)現(xiàn)其AD 轉(zhuǎn)換功能。通過對n 位并聯(lián)比較型ADC和n 位主次逼近型ADC 的比較可得:

表1 兩種ADC 的性能比較

由表1 可知，并聯(lián)比較型用了較多的器件實(shí)現(xiàn)了高效率的轉(zhuǎn)換，而逐次逼近型用了較少的器件卻付出了轉(zhuǎn)換周期長的代價(jià)。

2.3 高功能AD 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)

為了對采集的肌電信號實(shí)時(shí)處理，所設(shè)計(jì)的ADC 必須保持高效的轉(zhuǎn)換效率;由于轉(zhuǎn)換器要作為肌電假手的一部分，質(zhì)量不宜過大，所以必須減少所用的元器件的個(gè)數(shù)?？傊俣?、質(zhì)量、精度是重點(diǎn)考慮的三個(gè)方面。

用單一的并聯(lián)比較型ADC 來實(shí)現(xiàn)16 位的AD轉(zhuǎn)換，需要216 個(gè)電阻和216 個(gè)放大器，雖然可以保證高效的轉(zhuǎn)換效率(即:一個(gè)時(shí)鐘脈沖內(nèi)完成轉(zhuǎn)換)，但是器件的個(gè)數(shù)卻十分巨大。用單一的逐次逼近型ADC 來實(shí)現(xiàn)AD 轉(zhuǎn)換，雖然僅僅需要16個(gè)DAC 和16 個(gè)JK 觸發(fā)器，但是完成一次轉(zhuǎn)換卻需要16 個(gè)時(shí)鐘脈沖，這樣的速率是無法保證實(shí)時(shí)跟蹤肌電信號的，所以我們要對以上兩種ADC 進(jìn)行綜合，進(jìn)而設(shè)計(jì)出高效率、高精度、輕質(zhì)量的ADC。

利用兩個(gè)四位的并聯(lián)型ADC，通過兩次逼近進(jìn)而實(shí)現(xiàn)8 位精度的AD 轉(zhuǎn)變換，其原理如圖5。

圖5 高功能ADC 原理圖

圖5 中的ADC_ 1 和ADC_ 2 均為四位并聯(lián)比較型AD 轉(zhuǎn)換器，DAC_ 1 為四位的DA 轉(zhuǎn)換器，其工作原理為:首先通過ADC_ 1 對模擬信號A1進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字信號值D 1，其誤差為1/24，然后將D 1 轉(zhuǎn)換成模擬信號A2，再通過對A1－A2 求差，得到四位轉(zhuǎn)換時(shí)的誤差，然后對再次進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換，此時(shí)的精度為(1/24)2 也就是1/28，然后用設(shè)計(jì)好的8 位AD 轉(zhuǎn)換器再次通過相同的原理進(jìn)行組合，進(jìn)而設(shè)計(jì)出16 位的AD 轉(zhuǎn)換器。

一個(gè)8 位的ADC，所用電阻器件為4 位ADC的兩倍，即:24* 2 個(gè)，而完成一次轉(zhuǎn)換時(shí)間為4位的兩倍，即2* TC。同理，16 位時(shí)所用器件和時(shí)間分別為24* 2* 2 和2* 2* TC，下面將傳統(tǒng)的16 位并聯(lián)比較型ADC、逐次逼近型ADC 和本文所設(shè)計(jì)的16 位ADC 進(jìn)行比較，如表2。

表2 三種16 位ADC 性能比較

通過表2 可知，三種16 位的AD 轉(zhuǎn)換器的精度基本相同，都約為1/216，而從器件和轉(zhuǎn)換效率的角度考慮，本文所設(shè)計(jì)的ADC 比并聯(lián)比較型的器件少用1024 倍，而轉(zhuǎn)換效率僅僅滿了4 倍，比同等精度的逐次逼近型ADC 的轉(zhuǎn)換速度要快4 倍，可以滿足對肌電信號的實(shí)時(shí)處理。

3 結(jié)束語

本文在研究肌電假手的課題中，參與AD 轉(zhuǎn)換這一環(huán)節(jié)，基本滿足了控制器所需要的肌電信號的處理。利用現(xiàn)有的器件進(jìn)行重新的組合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量的器件的功能，對于開發(fā)其它系統(tǒng)，也有一定的借鑒意義。

［1］章華濤. 帶觸覺的肌電假手握力模糊控制方法［J］. 儀器儀表學(xué)報(bào)，2013，34(7):1559－1565.

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［4］李晶. 基于抓握可靠性的肌電控制假手優(yōu)化和動態(tài)性能研究［J］. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2014，33(7):965－970.

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