Карманный кардиограф на sd-карте

На элементах DA1, DA2, DA3 собран усилитель кардиосигнала. Это обычный УНЧ с дифференциальным входом и высоким входным сопротивлением. К входам усилителя E+ и E- подключается пара электродов, закрепленных на теле в области сердца для съема исходного кардиосигнала. Элементы DA1.1 и DA1.2 работают как повторители, обеспечивающие высокое входное сопротивление. Инструментальный усилитель DA3 усиливает сигнал примерно в 6 раз (коэффициент задается резистором  R4) перед подачей на АЦП микроконтроллера DD1. 

Помимо полезного сигнала биологического происхождения на электродах E+ и E- присутствуют синфазные помехи (прежде всего 50 Гц от осветительной сети), амплитуда которых в тысячи раз превышает полезный сигнал. Для их подавления используется «активная земля»: на теле закрепляется третий электрод E0, на который с выхода DA2.1 в противофазе подаётся синфазная составляющая входного сигнала. Её выделение выполняет сумматор на R1 и R2, а DA2.1 – усиление и инверсию. Благодаря такой своеобразной отрицательной обратной связи величина синфазных помех резко снижается, и далее они эффективно подавляются DA3.  Для формирования опорного напряжения (средней точки) для ОУ DA2.1 и DA3 используются элементы R6, R7, С1, С2, DA2.2.

Для измерения температуры  и положения тела к микроконтроллеру DD1 по двухпроводному интерфейсу I2C подключены интегральные датчики температуры ВК1 и ускорения ВК2. Спецификация шины I2C реализуется программно. Резисторы R8 и R10 служат нагрузками линий интерфейса. Резисторы R9, R11, также как R5, R12, R14, R15 защищают выводы микроконтроллера и периферии от перегрузок при сбоях МК (в отлаженное устройство их можно не устанавливать).

Питание акселерометра BK2 осуществляется через диод VD1, который  снижает напряжение питания BK2 на 0.7 в, чтобы напряжение "свежезаряженного" Ni-MH аккумулятора GB1 (4.2 в) не превышало паспортного значения для BK2  MMA7455LT (3.6 в). Положение тела определяется по проекции силы тяжести на оси чувствительности BK2, что например позволяет четко различить следующие положения тела: стоя, лежа на спине, на животе, на левом или на  правом боку. По изменению ускорения фиксируется двигательная активность.

Функционирование устройства как единого целого осуществляется под управлением микроконтроллера DD1. Сразу после подачи питания  устройство работает в режиме записи: DD1 выполняет периодический опрос датчиков BK1 и BK2, измерение частоты на входе CCP1 и оцифровку кардиосигнала. Объединенный информационный поток записывается в файл на карту памяти micro SD (разъем X1),  а также выдаётся в ПК по интерфейсу RS-232 (разъем X2) для контроля и визуализации. Командой с компьютера можно остановить запись и перевести устройство в режим скачивания сохраненных файлов.

Сохранение  информации осуществляется на карте памяти micro SD, которая подключается через разъем X1. В процессе работы карта может потреблять до 100 мА (в импульсе), создавая мощные помехи по питанию, поэтому она запитана от источника GB1 напрямую, а остальная схема через RC - фильтр R16 C5.

От использования стандартной  файловой системы FAT на карте SD пришлось отказаться: она не устойчива к внезапному исчезновению питания, а памяти МК не достаточно для буферизации поступающих в реальном времени данных. Разработан альтернативный формат хранения информации.  Запись на карту осуществляется последовательно, сектор за сектором. Четырехбайтный номер первого свободного сектора EmptyPos, в который должна осуществляться запись новых данных, хранится в EEPROM микроконтроллера. После записи очередного сектора номер EmptyPos инкрементируется.

В каждом секторе SD-карты (размером 512 байт) наряду с полезными данными сохраняется сигнатура и 4-байтный номер первого сектора файла. Таким образом, хотя данные на карту пишутся строго последовательно, они структурированы в виде файлов, рисунок 1.3. Логика получения списка всех файлов реализуется программой на персональном компьютере; при этом предпринимаются дополнительные меры по контролю и коррекции ошибок.

 

Рисунок 1.3 - Механизм последовательной записи файлов на SD-карту

Вместо привычных операций форматирования (при установке новой SD-карты) и удаления файлов (при исчерпании объема карты) пользователем выполняется операция установки EmptyPos на начальный сектор с номером 65536. Первые 65536 секторов карты не используются ради сохранения существующей на карте «настоящей» файловой системы. 

Устройство соединяется  с компьютером по интерфейсу RS-232 через разъем X2. Резистор R13 ограничивает ток через вывод RX МК в условиях, когда напряжение входного сигнала  выше напряжения питания МК. Сигналы  на разъёме X2 имеют уровни TTL, поэтому непосредственно подключать компьютер к разъему X2 нельзя! Следует использовать готовый переходник USB-COM от сотового телефона (обычно такие переходники имеют уровни TTL) или изготовить такой переходник самостоятельно на базе микросхемы FT232R по типовой схеме. Через разъем X2 (контакты 5 и 8) может также осуществляться зарядка аккумулятора GB1.

Скорость обмена устройства с компьютером фиксированная: 57600 бод. Только для ускорения переписывания  файлов с SD - карты в ПК скорость может  быть повышена до 460800, 806400 или 921600 бод (если компьютер их поддерживает). Выдача данных при этом осуществляется МК программно на вывод RC0 (а выход TX отключается).

Для работы с устройством  разработана специальная программа  для ПК, которая позволяет визуализировать кардиограмму и показания датчиков во время записи, считывать с SD-карты список файлов и копировать нужные на компьютер, сохранять кардиосигнал в стандартном формате WAVE PCM, обрабатывать записи с целью выделения R-зубцов и расчета частоты пульса, визуализировать и сохранять в унифицированном формате полученные временные зависимости.

МК DD1 измеряется частоту  сигнала на выводе 13, что можно  использовать для подключения к  устройству дополнительных датчиков. Частота сигнала не должна превышать 8 КГц (относительная погрешность измерения не хуже 10-6, период измерения ~ 0.25 сек).

 

4.  Проектирование ПУ

Анализ ТЗ проводится в целях выявления схемотехнических, конструктивных, эксплуатационных и технологических требований и ограничений на ПУ.

В результате подробного анализа ТЗ должны быть найдены основополагающие конструктивно-технологические решения и сформирована схема электрическая принципиальная ПУ, состоящая только из тех ЭРЭ, которые следует разместить на печатной плате.

 

1.4.1 Схемотехнические требования на ПУ

Схемотехнические требования вырабатываются на основе анализа электрической схемы и электрических режимов работы ЭРЭ. Такой анализ позволяет обнаружить компоненты, ФУ и электрические цепи, определяющие особенности компоновки ЭРЭ на ПП и размещения топологического рисунка.

Анализ электрической  принципиальной схемы РКФ ДП. 941311.001 Э3, не выявил нагруженных частей схемы, что позволяет отказаться от установки охлаждающих элементов (радиаторов, модулей Пельтье). В результате удастся значительно уменьшить габариты устройства.

В проектируемом устройстве отсутствуют элементы, усложняющие  процесс проектирования и понижающие надежность устройства: 

- ЭРЭ, сопрягаемые  с конструкцией корпуса устройства;

- ЭРЭ, подбираемые  при настройке;

- органы оперативного  управления;

- устройства индикации;

Точки, необходимые для  проведения внутрисхемного контроля не предусмотрены ТЗ, поэтому введение в топологию проводящего рисунка ПП контрольных контактных площадок не требуется.

 

2. Конструктивные ограничения на ПУ

Габариты и конфигурация ПП по условию ТЗ выбираются разработчиком. Предварительный расчет монтажной зоны с учетом  зоны краевого поля, предусматриваемого для вспомогательных целей (размещения разъемов, крепежных отверстий, зон для направляющих элементов и т.п.) показал возможность размещения ЭРЭ, определенных перечнем элементов, на площади ПП 40х40 мм.

На ПП необходимо предусмотреть четыре крепежных отверстия диаметром 3,2 мм.

 

1.4.3 Эксплуатационные ограничения на ПУ

Предварительный анализ соответствия элементов ПУ требованиям условий эксплуатации изделия показал, что обеспечение дополнительных мер по повышению стойкости и прочности ПУ к внешним механическим и климатическим воздействиям не требуется.

Особенности схемотехнической настройки печатного узла (необходимость покаскадной, последовательной настройки, организации технологических разрывов в электрических цепях и т.д.) не предусмотрены.

 

  1.4.4 Выбор типа ПП

Тип ПП определяется сложностью исходной электрической схемы, частотным диапазоном, назначением РЭС, необходимостью экранирования конкретных цепей. Разработчик должен стремиться к минимизации стоимости ПП, а это напрямую зависит от числа слоев.

  В соответствии с ТЗ ПУ  должен быть выполнен на жесткой ОПП.

Преимуществами  ОПП являются простота и низкая стоимость  изготовления, а недостатками – низкая трассировочная способность вследствие низкой разрешающей способности рисунка схемы, одностороннего расположения широких проводников и большого расстояния между ними. Поэтому установка ЭРИ высокой функциональной сложности крайне ограничена.

Конструкция ОПП  представлена на рисунке 3.13.

Рисунок 1.4 – Конструкция ОПП:

1 – диэлектрическое  основание; 2 – контактная площадка;

3 – печатный проводник; 4 – отверстие; 5 – ЭРИ;

 

  1.4.5 Технологические ограничения на ПУ

На ПУ установлены  требования в виде класса точности проводящего рисунка, он должен быть выполнен по третьему классу точности. В ТЗ указано, что общая трудоёмкость изготовления должна быть минимальной. В изделие должны быть максимально применены унифицированные составные части.

 

Список используемых источников

 

2.1  Ламберг И. Г. ЭКГ при различных заболеваниях. Расшифровываем быстро и точно. Феникс, 2013 г. – 288 стр.

2.2   Струтынский А. В. Электрокардиограмма. Анализ и интерпретация. МЕДпресс-информ, 2012. – 224 с.

2.3 Заец Н. И.  Радиолюбительские конструкции на PIC-микроконтроллерах. Книга 1 (+ CD-ROM). Корона-Век, МК-Пресс, 2009 г. – 304 стр.

2.4 Сид Катцен. PIC-микроконтроллеры. Все, что вам необходимо знать. Додэка XXI 2008 г. – 656 стр.

2.5 Опадчий Ю. Ф., Глудкин О. П., Гуров А. И. Аналоговая и цифровая электроника. М.: Горячая линия – Телком, 2005. – 768 с.: ил.