Основные биотехнические принципы биотелеметрической системы персонального мониторинга электрокардиосигнала

Структурная схема передатчика  приведена на рисунке 23.

Рисунок 23- Структурная схема передатчика

Передатчик состоит из кварцевого генератора, петли фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), выходного усилителя мощности с дифференциальным выходом по схеме с открытым коллектором и схемы управления режимом передачи. Количество внешних компонентов сведено к минимуму. В число внешних компонентов входят: кварцевый резонатор, разделительный конденсатор.  В случае частотной манипуляции при помощи внутреннего ключа к кварцевому генератору периодически, в соответствии с модулирующей последовательностью, подключается дополнительный нагрузочный конденсатор, сдвигающий частоту. Передатчик и процессорная часть электрически полностью развязаны. Это обеспечивает максимальную конструктивную гибкость. Напряжение на радиочастотную часть микросхемы подается отдельно от процессорной части, через выводы V_DDRF (питание) и V_SSRF (общий провод). Передатчик микросхемы rfPIC12F675 имеет встроенную схему контроля питающего напряжения. Если напряжение источника питания падает до уровня 1,85 В, то усилитель мощности отключается для предотвращения неуправляемого излучения.

Кварцевый генератор  передатчика выполнен по схеме емкостной трехточки (генератор Колпитта) и является источником опорной частоты для системы ФАПЧ. Выходная частота передатчика является постоянной и вычисляется на основе параллельной резонансной частоты кварца, по формуле (8).

 f = f x 32,        (8)

где f -несущая частота передатчика

f - частота кварцевого резонатора передатчика

Кварцевый генератор  микроконтроллера rfPIC12F675 может быть сконфигурирован для работы в режиме частотной манипуляции, как показано на рисунке 24.

 

Рисунок 24- Схема включения  опорного кварца в режиме ЧМ

Частотная манипуляция  достигается комбинированием подключения конденсаторов С1 и С2. Если на входе DATAfsk присутствует высокий логический уровень (DATAfsk = 1), то выход FSKOUT переходит в высокоимпедансное состояние, к схеме кварцевого генератора подключен только конденсатор С1 и передатчик излучает на частоте f_max. В случае DATAfsk = 0 к схеме опорного генератора подключается конденсатор С2, опорная частота смещается и передатчик излучает на частоте f _min . Путем подбора номинала конденсаторов С1 и С2 устанавливают центральную частоту и девиацию частоты. Конденсатор С1 определяет частоту f_max, а параллельно включенные конденсаторы С1 и С2 - частоту f _min. Схематически это изображено на рисунке 25.

 

 

Рисунок 25-Изменение частоты излучения

 

Центральная частота  рассчитывается, как среднее арифметическое между f_min и f_max, формула (9):

 f_ц =       (9)

Девиация частоты рассчитывается, по формуле (10):

f = (10)

Эта величина показывает, на сколько сильно излучаемые частоты смещены от центральной частоты.

Выбирая значения С1=39пФ и С2=1000пФ, получаем центральную частоту  равную f_ц =433,598 МГц, частоту девиации f=20 кГц, для частоты кварца fxtal = 13,55 МГц.

Выходной каскад усилителя  мощности построен по дифференциальной схеме с открытым коллектором, поэтому питание на него должно поступать отдельно, через цепь нагрузки. Импеданс нагрузки, приведенной к выходу усилителя должен составлять 1 кОм. Рассогласование импедансов приводит к резкому увеличению уровня гармоник в излучаемом сигнале и снижению энергии излучаемого сигнала. Выходная мощность передатчика может регулироваться в диапазоне от +2 дБм до -12 дБм путем изменения внешнего напряжения V_PS на выводе PS/DATAask. На рисунке 26 показан пример типовой схемы регулировки мощности при частотной манипуляции.

 

 

 

 

 

 

 

             R1

 

 

 

 

 

Рисунок 26- Пример регулировки выходной мощности передатчика.

 

При частотной манипуляции  вывод PS/DATA_ASK используется только для регулировки выходной мощности. Внутри микросхемы расположен источник стабильного тока 20 мкА. Часть этого тока протекает через внешний резистор R1, а другая часть - через внутреннюю схему управления мощностью. Чем меньше сопротивление внешнего резистора, тем большая часть тока от источника протекает через него и тем меньше напряжение V_PS. Поскольку источник тока стабильный, то увеличение доли тока, протекающего через резистор R1, приводит к уменьшению напряжения на выходе источника. Для максимальной выходной мощности равной 2 дБм, выберем значение R1=200 кОм.

Передатчик может находиться в режиме ожидания, когда его энергопотребление минимально. Для перехода в режим ожидания нужно подать низкий уровень на вывод RFEN_IN. В этом режиме отсутствует выходное высокочастотное излучение и колебания на выходе CLKOUT. Кварцевый генератор работает, но ФАПЧ отключена. После подачи на вывод RFEN_IN высокого логического уровня требуется 100 мкс для стабилизации частоты излучаемого сигнала. По этой причине вывод RFEN_IN нельзя использовать для модуляции. Вывод управления режимом имеет внутренний подтягивающий резистор.

Как уже указывалось  выше, сигнал после оцифровки сохраняется  во временных регистрах, после чего для уменьшения энергопотребления  модуль АЦП отключается. Передатчик включается подачей высокого логического  уровня на вывод RFEN_IN . После чего необходимо выдержать паузу 100 мкс для стабилизации несущей частоты. При использовании ЧМ передачу “1”, будем осуществлять на частоте 433,618 МГц. Для передачи “0”, частоту 433,578 МГц. Максимальная скорость передач при ЧМ для rfPIC12F675, составляет 20 кбит/с. Следовательно, время для передачи одного бита должно быть больше 50 мкс. Выберем длительность одного бита равной 60 мкс. Началу передачи предшествует стартовый бит равный “1” и длительностью 120 мкс. Для передачи “1” и “0” выставляем соответственно высокий и низкий уровень на выводе DATAfsk . После окончания передачи сохраненного значения преобразования АЦП во временных регистрах, для снижения энергопотребления передатчик выключается, путем выставления на ножке RFEN_IN низкого логического уровня. Общее время, затраченное на перевод аналоговой величины в цифровую и последующей ее передачи, составляет 900 мкс. Следовательно формируем время задержки равное 4.1 мс, до начала следующего цикла преобразования АЦП и передачи аналогового сигнала.

Производитель данного вида микроконтроллера в качестве антенны, рекомендуют рамочную антенну [14]. Большим достоинством рамочной антенны является ее простота. Выполним ее в виде петли из печатного проводника, настроенной в резонанс на рабочей частоте. Импеданс антенны зависит от многих факторов, в первую очередь от геометрических размеров рамки. Но при разработке носимого блока мы ограничены некими предельными габаритами платы и не можем произвольно варьировать размеры антенны. Выберем размер антенны длина l = 175 мм, ширина h = 4 мм.

Для согласования импеданса  антенны разработчики рекомендуют  использовать схему отвода от индуктивности. Изначально малые рамочные антенны имеют высокую добротность, которая должна быть снижена для упрощения требований к производству. Дело в том, что излишне высокая добротность может привести к самовозбуждению на гармонических частотах, чрезмерной зависимости от влияния окружающих предметов и очень «острой» настройке в резонанс, что в свою очередь требует экранирования схемы и применения дорогих высококачественных навесных элементов.

При добротности меньше 20 становится возможным применение обычных серийных элементов и  упрощается процесс подстройки при  массовом производстве. Для снижения добротности параллельно антенне подключают дополнительный резистор. Включение антенны показано на рисунке 27, номиналы элементов: R1 = 4.7 кОм, L1 = 120 нГн, С1 = 100 пФ,  С2 = 12 пФ, С3 = 15 пФ.

Рисунок 27- Подключение рамочной антенны.

Для снижения массогабаритных  характеристик носимого блока, в качестве питающего элемента будем использовать аккумуляторную батарейку типа R6, номинал 1.2 В, емкостью 2000мАч. Для получения напряжения 3 В будем применять повышающий преобразователь напряжения МАХ 1678 производства фирмы MAXIM. Выходной ток преобразователя 300 мА, КПД 90 %, защита от реверсивного подключения батареи. Применение носимого блока “Кардио” ограничено емкостью аккумулятора. При расчете времени разряда аккумулятора учитывалось токопотребление таких элементов как: инструментальный усилитель INA118, операционные усилители OPA4363, МК rfPIC12F675, светодиод L-53L KingBright, преобразователь напряжения MAX1678. В итоге непрерывное время работы носимого блока, ограниченное емкостью аккумулятора, составляет 211,2595 часов. С учетом того, что пациент применяет носимый блок, не круглые сутки, аккумулятора хватит на несколько недель, без подзарядки. Значимость такого параметра как время непрерывной работы очень важно, так как, если аккумулятор будет быстро разряжаться, можно пропустить важные диагностические показатели деятельности миокарда, во время замены батареи питания. При разряде аккумулятора светодиод на передней панели гаснет, с ПК идет сигнал тревоги, предупреждающей о неисправности носимого блока.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Расчет цифровой части стационарного блока.

 

В качестве приемника выбираем  микросхему rfRXD0420, которая представляет собой миниатюрный одночастотный радиоприемник, построенный по супергетеродинной схеме с однократным преобразованием частоты и требующий минимального количества внешних деталей для построения законченного радиоприемного устройства. Рабочий диапазоном частот rfRXD0420 - 300...450 МГц.

При включении приемника  для уверенного приема, требуется  задержка 100 мкс, обусловленная вхождением петли ФАПЧ в режим захвата. Для  включения приемника требуется подать высокий логический уровень на вывод ENRX.

 Блокировочные конденсаторы, включаемые между выводами питания V_dd и общим проводом, предотвращают самовозбуждение устройства, уменьшают уровень нежелательных высокочастотных излучений и повышают устойчивость к помехам, проникающим по цепям питания. Конденсаторы должны быть безиндуктивными и располагаться на плате устройства как можно ближе к выводам питания 8, 14, 17, 27 и 32. Применение блокировочных конденсаторов никак не связано с применением фильтрующих конденсаторов в сетевом источнике питания, если он используется.

 Кварцевый генератор построен по схеме емкостной трехточки (схема Колпитта) и вырабатывает опорный сигнал для синтезатора частоты. Кварцевый резонатор включается между выводом XTAL (26) и общим проводом.

Для дальнейшего обоснования  принимаемых решений по поводу выбора подключаемых элементов к приемнику, определим его основные параметры. Такие как: значение принимаемой и промежуточной частоты, частота кварцевого резонатора, частота гетеродина, частота зеркального канала.

Значение принимаемой  частоты f = 433,618 МГц. Значение промежуточной частоты выбираем  f = 10,7 МГц. Рассчитаем по формуле (11),частоту кварцевого резонатора для преобразования вниз.

    (11)

Таким образом, f = 26,45  МГц.

Частота гетеродина для  преобразования вниз f = 422,918 МГц. По формуле (12), рассчитаем частоту зеркального канала для преобразования вниз.

(12)

Произведя вычисления, получаем f = 412,218 МГц.

В качестве входной антенны  выберем антенну AN-433-01, имеющую входное сопротивление 50 Ом.

Качество приема очень  сильно зависит от входного фильтра, предназначенного для подавления нежелательных сигналов и шумов на входе приемника. Основным источником мешающего сигнала является зеркальный канал приема, f = 412,218 МГц. С формальной точки зрения, для супергетеродина нет различия между основным и зеркальным каналами, поэтому при отсутствии входной фильтрации сигналы основного и зеркального канала будут смешиваться в канале ПЧ, что значительно ухудшит соотношение сигнал/шум вплоть до полного подавления полезного сигнала.

Преселектор может быть реализован как в виде простого LC-фильтра, так и на основе ПАВ-фильтра (фильтра на поверхностных акустических волнах). Простой LC-фильтр имеет низкую стоимость, но малую эффективность подавления зеркального канала.

Для ответственных применений рекомендуется использовать ПАВ-фильтры, обеспечивающие подавление зеркального канала как минимум на 40 дБ. Кроме того, ПАВ-фильтр эффективно подавляет широкополосные шумы, увеличивая, таким образом, отношение сигнал/шум. В качестве преселектора выберем полосовой фильтр на ПАВ ФП3П7-509-403, его АЧХ приведена на рисунке 28.

 

Рисунок 28-АЧХ преселектора

 

Входное сопротивление  этого фильтра 50 Ом, поэтому не требуется  согласований с входным сопротивлением антенны. Выходное сопротивление ФП3П7-509-403 составляет 50 Ом, входное сопротивление приемника 26 Ом.

Для согласования сопротивлений  будем использовать Г образный LC контур, рассчитаем значение элементов контура, по формулам (13) и (14).