Основные биотехнические принципы биотелеметрической системы персонального мониторинга электрокардиосигнала

K_Д =1+   (3)

 Для точного установления дифференциального коэффициента требуется прецизионный резистор. Поскольку возможный коэффициент усиление невелик, зададим  коэффициент усиления равным 2, таким образом не потребуется прецизионный резистор, с помощью резисторов (R3 +R4)=Rу (рисунок 20). Выберем значения резисторов равными: R3= R4=25 кОм.

Эти резисторы также  образуют делитель, с которого снимается  синфазный сигнал, рисунок 13 (синфазная помеха, амплитудой 1В, частотой 50 Гц).

Рисунок 13-Синфазная составляющая на входе инструментального усилителя INA 118.

Из-за конечного значения КОСС ослабления синфазного сигнала  для данного типа усилителей составляет порядка 86дБ. Таким образом, значение амплитуды синфазной помехи на выходе инструментального усилителя составит порядка 86 мкВ, что недопустимо поскольку лежит в диапазоне регистрируемого сигнала рисунок 14.

  

Рисунок 14 – Значение синфазной составляющей сигнала на выходе инструментального усилителя INA 118.

 

Сигнал синфазной помехи, снятый с делителя, поступает на драйвер нейтрального электрода – DA2.2, рисунок 20.  Драйвер нейтрального электрода представляет собой инвертирующий усилитель, собранный на базе ОУ ОРА363, напряжение питания, которого монополярно и равно 3В.

 Коэффициент усиления  синфазной помехи на выходе ОУ DA2.2 равен 100 (C1 =0,33мкф на частоте 50Гц =9651 Ом и R5=965 Ом). Он подает на правую ногу пациента напряжение, компенсирующее синфазную составляющую сигнала с целью устранить влияние синфазного сигнал, рисунок 15.

Рисунок 15- Значение синфазной помехи после драйвера нейтрального электрода.

Проиллюстрируем действие драйвера нейтрального электрода. Тело пациента представим в виде последовательного  соединения сопротивлений, R6, R7, R8. Электроды представим сопротивлениями R10, R11, R12. Модель данного эксперимента представлена на рисунке 16.

Рисунок 16- Модель представления  действия драйвера нейтрального электрода

Сигнал с выхода инструментального  усилителя, обусловлен неидеальностью вычитания, рисунок 17.

Рисунок 17- Сигнал синфазной помехи с выхода инструментального усилителя, в схеме с применением драйвера нейтрального электрода

 

Такое значение синфазной  помехи нас вполне устраивает, поскольку  оно меньше нижней границы диапазона регистрируемого сигнала.

 Поскольку ЭКС биполярный, а АЦП МК воспринимает только положительные значения сигнала. Введем постоянную составляющую сигнала равную половине напряжения питания, для преобразование ЭКС в монополярный. Постоянная составляющая вводится с помощью делителя R1 R2, и повторителя напряжения DA 2.1, сконструированного на ОУ ОРА363, напряжение питания, которого монополярно и составляет 3В, рисунок 20. Расчет вводимой постоянной составляющей производится по формуле (4):

,            (4)

где U1- вводимая постоянная составляющая

Uп- положительное напряжение питания

Выберем значения резисторов равными: R2= R1= 1 кОм. Выбор номиналов резисторов обусловлен, наличием входного тока утечки усилителя. Чем выше значение резисторов тем больше падение напряжения, вызванное протеканием входных токов утечки усилителя, через эти сопротивления.

Инструментальный усилитель имеет КОСС порядка 86 дБ. С выхода ИУ ЭКС поступает на усилитель переменного напряжения собранный на операционных усилителях DA2.3, DA2.4. Сигнал с выхода усилителей снимается относительно виртуальной земли, рисунок 20. Равной постоянной составляющей снимаемой с повторителя напряжения DA 2.1.

 Для устранения постоянной составляющей вызванной сопротивлением перехода электрод-кожа, также называемой напряжением поляризации, и усиления ЭКС будем использовать усилитель переменного напряжения с полосой пропускания 0.05-100 Гц по уровню -6 дБ. Усилитель переменного усиления должен быть сконструирован на ОУ, у которых максимальное выходное напряжение равно напряжению питания.  Коэффициент усиления усилителя переменного напряжения должен быть равен 300, поскольку напряжение питания АЦП однополярно и равно 3 В. Рассчитаем значение элементов R6, C2, которые образуют ФВЧ с частотой среза 0,03 Гц. Значение элементов определяется из формулы (5).

(5)

Для частоты среза  ФВЧ равной 0,03 Гц постоянная времени составляет порядка 3.2 секунды, а ряд керамических конденсаторов ограничен величиной С2=2.2 мкФ, тогда надо брать резистор R6=1.45 Мом. Ток утечки усилителя составляет 10 пА, протекая через сопротивление на входе усилителя, вызовет напряжение смещение Uсм=14.5 мкВ, которое будет также усиливаться ОУ DA2.2. Поэтому УПН разбивают на два каскада с одинаковой полосой пропускания ЭКС. В первом выбирают максимальный коэффициент усиления, в нашем случае выберем 100, который рассчитывается по формуле (6).

Ку=1+                        (6)

Выберем значения резисторов равными: R8= 100 кОм и R7=1 кОм, рисунок 20. Второй каскад, собранный на ОУ DA4.2, не пропускает усиленную помеху смешения первого каскада, и усиливает ЭКС в 3 раза (R11=2 кОм, R10=1 кОм). В итоге общий коэффициент усиления ЭКС усилителем биопотенциалов равен 600, а усиление напряжения смещения, вызванное током утечки ОУ, определяется коэффициентом усиления второго каскада УПН, в нашем случае равный трем. ФВЧ второго порядка, образован двумя последовательно включенными ФВЧ первого порядка собранные на дискретных элементах C2 R6, C4 R9.

Также на усилителе переменного  напряжения собран ФНЧ. Рассчитаем значение элементов R7, C3, которые образуют ФНЧ с частотой среза 100 Гц, по уровню -3 дБ. Значение элементов определяется из формулы (7).

  (7)

 

Расчетные значения элементов (R7= 1 кОм, С3= 1.6 мкФ).  ФНЧ второго порядка образован двумя последовательно включенными ФНЧ первого порядка собранные на дискретных элементах C3 R7, C5 R10, рисунок 20.

Промоделируем ФНЧ и  ФВЧ в программном пакете Orcad 10.5, диапазон регистрируемого сигнал 0,03-100 Гц, так как смоделировать ЭКС представляется весьма затруднительным, то для иллюстрации действия УПН условно считаем полезный сигнал - синусоидальный сигнал частотой 50 Гц, амплитудой 10мВ. Постоянная составляющая равна 600 мВ, напряжение помехи 10мВ, частота 500Гц.

На входе УПН действует  смесь сигналов состоящая из полезного  сигнала, постоянная составляющая, напряжение помехи, что и показано на рисунке 18.

Рисунок 18- Смесь полезного сигнала с помехами на входе УПН.

 

На выходе УПН получаем полезный сигнал, очищенный от помех, рисунок 19.

Рисунок 19- Сигнал на выходе УПН.

 

Операционные усилители DA4.1, DA4.2, DA3, DA2.1имеют одинаковое однополярное напряжение питания 3В. Операционные усилители целесообразно использовать в виде одной микросхемы OPA 4363, включающей в себя четыре усилителя ОРА 363. Ток потребления этой микросхемы составляет 350 мкА. Преимущества применения одной микросхемы вместо четырех очевидны: уменьшаются массогабаритные характеристики изделия, уменьшается площадь, занимаемая усилителями на печатной плате, сокращаются монтажные работы.

При увеличении уровня входного сигнала, чтобы ОУ не входили в насыщение, к входу ОУ подключены диодные ограничители, VD1, VD2;VD3, VD4. С выхода SX3 усилителя переменного напряжения сигнал, поступает на вход АЦП, для преобразования его в двоичный код и дальнейшей передачей по радиоканалу.

Принципиальная схема УБП представлена на рисунке 20.

Рисунок 20- Принципиальная схема УБП

2. Расчет цифровой части носимого блока.

 

Как уже указывалось  выше применение для оцифровки ЭКС  аналого-цифрового преобразователя, встроенного в МК, позволяет сократить  число элементов в схеме, уменьшить габариты печатной платы, повысить надежность, увеличить скорость обмена данными с АЦП (за счет использования внутренних шин процессора), уменьшить потребляемую прибором мощность, сделать его более дешевым и доступным.

Выбор микроконтроллера является центральной задачей для обеспечения таких задач как оцифровка сигнала, последующей передачи цифрового кода на вход передатчика и передачи сигнала. Микроконтроллер со встроенным передатчиком, позволяет сократить число элементов на схеме, уменьшить габариты печатной платы, уменьшить номенклатуру применяемых элементов.

Рассмотрим микроконтроллер rfPIC12F675F компании  Microchip со встроенным микромощным УКВ передатчиком и 10-разрядным АЦП. Выбирая элементную базу для построения радиоканала передачи данных, необходимо учитывать реальные требования к системе и понимать, что реализация протоколов Bluetooth и 801.2 требует наличия достаточно сложной управляющей программы и, соответственно, вычислительных ресурсов. Обладая возможностью двусторонней передачи данных при относительно большей скорости, модули Bluetooth и Wi-Fi требуют наличия отдельного микропроцессора. Соответственно, стоимость готового изделия возрастает на 30-70%, с чем в условиях серийного производства нельзя не считаться. Кроме того, устройства Bluetooth, даже миниатюрные, обладают на порядок большим энергопотреблением, чем устройства на основе rfPIC12F675F.  Это связанно с увеличенной излучаемой мощностью модулей Bluetooth и Wi-Fi из-за большей несущей частоты передачи.

Микроконтроллер rfPIC12F675F представляет собой комбинированный электронные приборы, состоящие из экономичного 8-разрядного CMOS-контроллера на основе архитектуры RISC и встроенного миниатюрного микромощного УКВ передатчика. Данный вид микроконтроллера поддерживает два вида модуляции: амплитудную манипуляции  или частотную манипуляцию.

Контроллер и передатчик не имеют внутренних электрических соединений, имеют раздельные кварцевые генераторы и могут работать независимо друг от друга.

Применение RISC-архитектуры (Гарвардской архитектуры) процессора позволило использовать всего 35 однословных 12-битных инструкции ассемблера. Особенностью RISC-архитектуры является разделение памяти программ и памяти данных. При этом разрядность слова команд и слова данных может быть разной. Все инструкции, кроме переходов, выполняются за один цикл. Переходы выполняются за два цикла. Используется конвейерная выборка, когда одновременной с выполнением текущей команды в буфер команд загружается код следующей команды.

Система команд высокосимметричная, то есть позволяет выполнять любую операцию над любым регистром с применением любого способа адресации. Поддерживается аппаратный стек глубиной в 8 уровней, внешние прерывания, прямая, косвенная и относительная адресация памяти данных и команд. Параметры встроенной памяти следующие:

FLASH-память команд - 1024 слов разрядностью 14 бит;

EEPROM- 128 байт;

SRAM (Special RAM, специальные регистры и ячейки ОЗУ для                      пользовательских переменных) - 64 байта;

      Количество циклов перезаписи FLASH - не менее 100000;

Количество  циклов перезаписи EEPROM - не менее 1000000.

  Время хранения данных EEPROM, FLASH - более 40 лет.

Микроконтроллер имеет 6 линий  ввода-вывода, для каждой из которых направление передачи настраивается индивидуально.

Структурная схема микроконтроллера rfPIC12F675F приведена на рисунке 21.

 

Рисунок 21- Внутренняя структура микроконтроллера rfPIC12F675

 

Питание процессорной части и передающей части выбираем равным 3В. Для стабильного тактирования процессорной части выбираем тактирование от кварцевого резонатора. Для корректной работы АЦП при напряжении питания 3В минимальное значение кварцевого резонатора 4МГц. При напряжении питания 3 В и частоте кварцевого резонатора 4 МГц, длительность выполнения одной команды составляет 1мкс, команды переходов выполняются за 2 мкс. 

Подключение блокировочных конденсаторов  к шинам питания обусловлено  необходимостью фильтрации импульсных помех, номиналы конденсаторов равны 10 нФ. Для более стабильного запуска  выводы кварцевого резонатора соединены с общим проводом через конденсаторы С1, С2 емкостью 30 пФ.   

Как указывалось выше, сигнал с выхода УБП поступает  на вход АЦП микроконтроллера rfPIC12F675. Исходя из предыдущих выводов, частота дискретизации АЦП должна составлять 200 Гц (период дискретизации равен 5 мс). Преобразование аналогового значения в цифровое осуществляется под воздействием импульсов дискретизации T . Для полного цикла преобразования требуется 11 T . Для корректной работы АЦП необходимо, чтобы период T составлял не менее 1,6 мкс. Выбирая в качестве источников импульсов дискретизации кварцевый резонатор, частотою F /8, период T составляет 2мкс.  В качестве опорного напряжения выбираем напряжение питании МК. Результат сохранения преобразования выбираем сдвинутым вправо, рисунок 22.

Рисунок 22-Формат сохранения  результатов.

Для корректной работы АЦП, после включения модуля АЦП необходимо выдержать паузу, равной 22 мкс, для зарядки внутреннего конденсатора до напряжения равного входному.  После осуществления преобразования результат преобразования сохраняем во временных регистрах и отключаем модуль АЦП для уменьшения энергопотребления. Далее результат преобразования подается на вывод передатчика для последующей передачи данных.

Для передачи данных будем  использовать частотную манипуляцию. Помехи накладываются на амплитуду  передаваемого сигнала. Например, при  АМ идет посылка “0”. Если на нее наложится достаточно сильная импульсная помеха, то в приемнике она будет восприняться как “1”. При частотной манипуляции эта помеха срежется в приемнике ограничителе. Следовательно,  у частотной манипуляции выше помехоустойчивость по сравнению с амплитудной манипуляцией.