Основные биотехнические принципы биотелеметрической системы персонального мониторинга электрокардиосигнала

 L =  ,     (13)

С = ,      (14)

где R1 – входное сопротивление приемника,

R2- выходное сопротивление ПАВ фильтра,

f - принимаемая частота.

Подставляя соответствующие  значения, получаем L = 66,8 нГн, С = 2 пФ.

Выход малошумящего усилителя LNAout (3) выполнен по схеме с открытым коллектором. Питание на выходной каскад подается через внешний резонансный контур L1C1 (рисунок 29).

 

 

Рисунок 29- Согласующая схема выходного каскада МШУ

 

Сигнал с выхода МШУ (3) на вход предусилителя ПЧ (4) подается через разделительный конденсатор. Для гарантии стабильной работы малошумящего усилителя необходимо, чтобы вывод (1) микросхемы соединялся с общим проводом предельно коротким и широким проводником.

Внешний резонансный  контур L1C1 и конденсатор С2 вместе образуют полосовой фильтр, настроенный на частоту приема, а также согласуют выходное сопротивление МШУ со входным сопротивлением предусилителя ПЧ. Значения элементов согласования следующие: L1 = 15 нГн, C1 = 3 пФ, C2 = 6 пФ.

Внешний фильтр петли  ФАПЧ подключается к выводу LF (29). Фильтр определяет динамическое поведение ФАПЧ, в первую очередь время захвата и «перенос» опорной частоты в спектр полезного сигнала.

На практике время  захвата ФАПЧ составляет небольшую  часть от общего времени запуска приемника. Наибольшее время запуска требуется для кварцевого генератора. Поэтому в большинстве практических разработок используется ФВЧ первого порядка, дающий широкую полосу захвата для снижения уровня шума. На рисунке 30 показан фильтр для широкого диапазона рабочих частот, применимого в подавляющем большинстве устройств, R1 = 10кОм, C1 = 1000 пФ.

Рисунок 30 – Внешний фильтр петли ФАПЧ

 

Выводы балансного смесителя 11F+ (6) и 11F- (7) предназначены для подключения внешних резисторов коллекторной цепи. Каждый вывод представляет собой выход с открытым коллектором и подключается к цепи питания через отдельный резистор, как показано на рисунке 31, значение резисторов R1 = R2 = 470 Ом.

 

Рисунок 31- Подключение выводов балансного смесителя.

 

Фильтр ПЧ определяет общую избирательность приемника, т.е. его способность «отсекать» посторонние сигналы на смежных  частотах. Как мы уже упоминали, промежуточная частота составляет 10,7 МГц.

Необходимая избирательность  фильтра ПЧ зависит от того, какой тип модуляции применяется и какова ширина полосы частот сигнала. На реальную избирательность фильтра влияют также разброс параметров компонентов схемы и их температурная нестабильность.

Полоса частот, занимаемая двоичным сигналом с частотной манипуляцией, рассчитывается как сумма удвоенной пиковой частотной девиации и удвоенной полосы частот сигнала. Передаваемый сигнал представляет собой двоичный код, передаваемый со скоростью 16,667 кбит в секунду и девиация частоты составляет 40 кГц, минимальная полоса пропускания фильтра ПЧ определяется по формуле (15):

ПП = (2 х 16667) + (2 х 40000) (15)

И должна составлять: 113334 Гц. В качестве фильтра ПЧ будем применять керамический фильтр F1 ФП161.6, на частоту 10,7 МГц, полоса пропускания 230 кГц.

Входное и выходное сопротивление керамического фильтра на рабочей частоте составляет 330 Ом. Вывод 1IFout (9) имеет сопротивление приблизительно 330 Ом и может соединяться с фильтром без дополнительных цепей согласования. Внутренне сопротивление входа 2IF_IN (11) составляет приблизительно 2,2 кОм. Для согласования этого входа с выходом керамического фильтра к выводам 2IF_IN (11) и FBC2 (13) подключают внешний резистор сопротивлением 390 Ом. На рисунке 32 показан пример такой схемы. На этом рисунке также показаны конденсаторы внешней цепи обратной связи усилителя-ограничителя ПЧ, подключенные к выводам FBC1 (12) и FBC2 (13). Значения конденсаторов, следующие:

С1 = С3 = 1нФ , С2 = 33 нФ.

 

Рисунок 32 - Пример подключения керамического фильтра ПЧ.

 

Усилитель-ограничитель ПЧ используется на последнем этапе приемного тракта для того, чтобы поддерживать уровень сигнала на демодуляторе постоянным. Для этой цели может быть использован усилитель-ограничитель или усилитель с автоматической регулировкой усиления (АРУ). В нашем случае используется усилитель-ограничитель, поскольку он имеет более широкий динамический диапазон, простую схему и меньшее энергопотребление по сравнению со схемой АРУ.

Узел демодулятора DEMOD состоит из фазового детектора MIXER2 и усилителя, образующих квадратурный детектор. В этом узле происходит демодуляция сигнала ПЧ применительно к ЧМ. Синфазная составляющая поступает напрямую с выхода усилителя-ограничителя ПЧ на вход детектора

MIXER2. Квадратурная составляющая создается при помощи внешней схемы из сигнала, поступающего с выхода усилителя-ограничителя 2 IF_OUT (15), связанного по переменному току со входом MIXER2 DEM_IN (16). Соответствующая внешняя часть схемы называется дискриминатором. В качестве дискриминатора будем применять ненастраиваемую схему на основе керамического резонатора. Такой дискриминатор работает как схема с параллельным резонансом на частоте ПЧ. Подключенный параллельно конденсатор СЗ (рисунок 33) подстраивает частоту резонанса.

Рисунок 33- Дискриминатор

 

Для того, чтобы приемник устойчиво принимал сигнал с большой  девиацией, необходимо расширить полосу рабочих частот детектора. Физические параметры резонатора изменить нельзя, но можно уменьшить добротность резонансной цепочки, при увеличении емкости конденсатора С1, что увеличивает нагрузку детектора. При уменьшении добротности резонансной цепочки уменьшится и выходное напряжение детектора.

Значения элементов  дискриминатора, следующие: C1 = 1 пФ,               С2 = 680 пФ, С3 = 10 пФ, F1 = 10,7 МГц. ПП дискриминатора равна частоте девиации 40 кГц.

Фильтрация сигнала, поступающего с выхода демодулятора, осуществляется при помощи внешних конденсаторов. Следует соблюдать осторожность при подборе этих конденсаторов, чтобы не возникало искажение формы принимаемого сигнала. Номиналы этих конденсаторов избираются одинаковыми и равны 10 пФ. Сигнал с выходов демодулятора DEM_OUT+  и DEM_OUT-   поступает на входы встроенного операционного усилителя ОРА + и ОРА-, соответственно. С выхода встроенного операционного усилителя сигнал поступает на вывод МК, который по шине USB передает полученные данные на ПК. Питание приемника равно 5 В и осуществляется от ПК по шине USB.

Выбор МК производим исходя из встроенного интерфейса передачи USB. Для микроконтроллера РIC16C745 фирма Microchip для поддержки пользователей разработала библиотеки программы для работы с USB, на программном уровне, без необходимости обработки сложного USB протокола. Данные с приемника передаются на вывод RB7 МК РIC16C745.

Кратко опишем последовательность действий работы  МК РIC16C745.

Микроконтроллер РIC16C745 находится в режиме ожидания, до тех пор, пока на выводе RB7 не появится  высокий цифровой уровень. После появления единичного уровня, производится проверка на наличие помехи. Если по прошествии 4 мкс, на выводе RB7 по-прежнему высокий уровень, то запускаем программу приема данных, если нет, значит, была помеха. Данные принимаются побитно и сохраняются в регистрах DATA0, DATA1. Наличие двух регистров результата обусловлено 10 разрядными передаваемыми данными.

 Для исключения  вероятности ошибочного приема. Решение об уровне принимаемого  бита, производится в середине  длительности импульса.

После окончания цикла  приема сохраненные значения в регистрах DATA0, DATA1, побайтно передаются в буфер обмена с  интерфейсом USB.

После окончания цикла  передачи в ПК, МК снова переходит  в режим ожидания до появления  высокого уровня на выводе RB7.

Передача в ПК по интерфейсу USB происходит по физической линии связи D+, D-. Питание МК осуществляется от шины USB и составляет 5 В.

Для индикации работы приемника, при получении сигнала  на передней панели загорается светодиод. Так как сигнал приходит с частотой 200Гц, то зрительно воспринимается, что светодиод горит непрерывно.

Между выводом питания  МК и линией  D-, необходимо установить подтягивающий резистор 1,5 кОм, для обозначения устройства с низкой скоростью передачи данных согласно стандарту USB. К выводу Vusb, необходимо подключить конденсатор 10 нФ для лучшей стабилизации.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Алгоритм работы биотелеметрической системы персонального мониторинга электрокардиосигнала.

 

Задача проектируемой  биотелеметрической системы персонального  мониторинга электрокардиосигнала, заключается в регистрации и  последующей передачи ЭКС, по радиоканалу  на блок приемника. Регистрация и последующая передача ЭКС осуществляется при помощи носимого блока. Работа, которого начинается при включении питания. Алгоритмом работы носимого блока фактически является алгоритм работы МК rfPIC12F675F.

Блок приемника предназначен для приема ЭКС, переданного по радиоканалу, и последующей передачи ЭКС в ПК по шине USB. Алгоритмом работы носимого блока фактически является алгоритм работы

МК РIC16С745.

Алгоритм работы МК rfPIC12F675F, представлен на рисунке 37.Опишем основные элементы алгоритма. Инициализация МК заключается в  указании директивы определяющей тип используемого МК, адреса временных регистров, присвоении имен стандартным процедурам, для упрощения написания текста программы. Также в процессе инициализации указываются адреса векторов сброса. Подпрограмма инициализации АЦП предназначена для настроек модуля АЦП таких как: выбор частоты преобразования, выбор опорного напряжения, выбор формата сохранения результата. Подпрограмма инициализации передатчика заключается в выборе типа модуляции передаваемого сообщения, записи калибровочной константы из внутренней памяти в регистр калибровки. Далее происходит включение модуля АЦП. Для корректной работы преобразователя необходимо выдержать паузу 22 мкс, необходимую для зарядки внутреннего конденсатора АЦП. После окончания преобразования результат преобразования сохраняем в регистрах MLB и SB и выключаем модуль АЦП для экономии заряда батареи. Последующее преобразование АЦП осуществится через 5мс, это время обусловлено частотой дискретизации аналогового сигнала. После включения модуля передатчика, необходимо выдержать паузу 100 мкс для стабилизации несущей частоты. После окончания времени установления несущей частоты, идет передача стартового бита, который представляет собой импульс единичного уровня и длительностью равной удвоенной длительности бита данных, т.е. длительность стартового бита равна 120 мкс. Передача данных осуществляется путем последовательного установления битов, сохраненных в регистрах  MLB и SB,  на вывод DATAfsk. Поскольку максимально возможная скорость передачи, ограничена скоростью 20 кбит/сек. Выберем длительность установления бита данных, равной 60 мкс. После окончания передачи данных, сохраненных в регистрах MLB и SB, передатчик отключается для экономии заряда батареи. Цикл программы определяется как бесконечно замкнутый, т.е. программа работы МК будет выполняться бесконечно. До тех пор пока не произойдет отключение питания МК.

Рисунок 37- Алгоритм работы МК rfPIC12F675F

Текст подпрограммы осуществляющей работу передатчика представлен в приложении А – текст подпрограммы работы МК rfPIC12F675F .

Алгоритм работы МК PIC16C745 представлен на рисунке 38. Опишем основные элементы алгоритма. Инициализация МК заключается в указании директивы определяющей тип используемого МК, адреса временных регистров, присвоении имен стандартным процедурам, для упрощения написания текста программы. Микроконтроллер находится в ожидании до тех пор, пока на выводе RB7 соединенного с выходом приемника rfRXD0420.

Единичный уровень сигнализирует о приходе стартового импульса. После установления единичного уровня на  выводе RB7, происходит проверка на помеху, которая заключается в следующем. Если после истечении 12 мкс сигнал на выводе RB7 остается единичного уровня, значит, происходит прием стартового бита. В противном случае на выводе RB7 присутствовала помеха, и МК снова переходит в режим ожидания прихода стартового бита. 

Прием байтов данных осуществляется побитно путем сравнения логического  уровня на выводе RB7. Индификация логического уровня на выводе RB7, осуществляется по середине длительности импульса. Запись принятых битов происходит в регистры MLB и SB. Эти регистры совместно используются для хранения и передачи в ПК 10 разрядных данных, полученных с вывода приемника rfRXD0420. В регистре MLB сохраняются первые 8 младших бит, в регистре SB сохраняются 2 старших бита. Выравнивание сохраненного результата в регистрах MLB и SB происходит вправо. Далее данные из регистров передаются в регистр буфера USB. И из регистра буфера USB данные передаются в ПК.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 38- Алгоритм работы МК PIC16С745

Текст программы работы МК PIC16С745, приведен в приложении Б-

текст программы МК PIC16С745.

 

 

3  Разработка конструкции  биотелеметрической системы персонального  мониторинга электрокардиосигнала.

3.1 Конструкторско-технологический расчет. Расчет надежности.

Для расчета надежности надо знать такие параметры, как: выделяемая мощность на элементах, напряжения и токи, действующее на элементы. Для вычисления этих параметров промоделируем работу схемы с помощью САПР Orcad Family Release 10.5. Поскольку данная программа позволяет модулировать процессы, происходящие только в аналоговых элементах, промоделируем только УБП, питание носимого блока. А расчет надежности МК  rfPIC12F675F, рассчитаем исходя из технической документации предоставляемой разработчиком. Для моделирования тело пациента представим последовательным соединением сопротивлений. Источник полезного сигнала представим в виде синусоидального источника частотой 60 Гц и амплитудой 5мВ. Синфазную помеху также действующую на теле пациента представим в виде синусоидального источника частотой 50 Гц и амплитудой 2В. Промоделируем процесс регистрации  ЭКС усилителем биопотенциалов с помощью САПР Orcad Family Release 10.5, рисунок 34.