Аналоговый блок интеллектуального кардиоанализа аритмии

 

 

Компараторы в этой серии различаются по типу опорного напряжения и виду выходных каскадов. Для нашей цели необходим  одиночный компаратор, с внешним  опорным напряжением. Выбираем компаратор MAX9061. Внешний вид MAX9061 показан на рисунке 2.4.11

Рисунок 2.4.11 Корпус  MAX9061, вид сверху

 

Компаратор  выполнен в корпусе UCSP размером 1×1 мм, имеет инвертирующий вход, выходные каскады имеют открытый сток. Схема применения компаратора показана на рисунке 2.4.12

Рисунок 2.4.12 Схема применения компаратора MAX9061

 

Опорное напряжение можно задавать с помощью  резисторного делителя, в этом случае увеличится энергопотребление прибора, т.к. токи, протекающие через резисторы, будут достаточно велики.

Для лучшего  результата необходимо применить цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), который, например, входит в состав микроконтроллера. Достоинство этого метода в том, что можно программно менять порог  срабатывания компаратора и снизить  общее энергопотребление. Приведем обобщенную схему функционирования детектора обрыва на рисунке 2.4.5

 

 

 

Рисунок 2.4.13

 

Rп – резисторы «подтяжки»,

 Rвн – сопротивление проводов, ограничивающих резисторов и тела человека.

 

 

 

 

 

 

2.4.4 Выбор и расчет параметров интерфейса связи между блоками устройства

После выбора основных блоков устройства, требуется произвести выбор  и расчет параметров интерфейса связи  между отдельными частями схемы.

В первую очередь необходимо определить параметры АЦП. Строение аналоговой части микросхемы ADuC7061 показано на рисунке 2.4.14 [13].

Аналоговая часть состоит  из сигма-дельта модулятора, программируемого усилителя, программируемого фильтра, цифро-аналогового преобразователя встроенного источника опорного напряжения, температурного сенсора, источников тока и вспомогательных устройств: мультиплексоров, компараторов и различных регистров.

 

Рисунок 2.4.14 Схема аналоговой части ADuC7061

В МК ADuC7061 параметры аналоговой периферии задаются с помощью значений, хранящихся в регистрах. Исходя из технического задания и рассчитанных ранее значений, определим параметры, необходимые для работы АЦП:

- частота  дискретизации не менее 500 Гц

- выделение  диапазона 0,05 – 100 Гц

- усиление  до требуемого уровня

- формирование  управляющего сигнала ЦАП

В качестве опорного напряжения будем использовать встроенный источник с напряжением 1,2 В. Т.к. это избавляет нас от необходимости использовать схемы  внешних источников, тем самым  экономится пространство платы и  потребляемая мощность. Для получения  наилучшего результата преобразования сигнала в цифровую форму, он должен иметь амплитуду, близкую к 1,2 В. После  предварительного усиления инструментальным усилителем с коэффициентом усиления он имеет амплитуду:

                              (2.4.1);

Где Авх_max – максимальная амплитуда входного сигнала, равная 5мВ.

 

Таким образом, коэффициент усиления встроенного  программируемого усилителя должен составлять:

                                         (2.4.2);

 Примерное  значение К = 107.

Коэффициент усиления может задаваться программно и имеет следующие  значения кратные  степени двойки, ближайшее значение составляет 64. Тем самым максимальное напряжение на входе АЦП составляет:

                                (2.4.3);

 

Аацп = 715,2 (мВ)

Микросхема  ADuC7061 имеет несколько каналов АЦП: два первичных и восемь вспомогательных, для нашей задачи требуется один первичный канал. Выберем для удобства канал ADC0. АЦП содержит в себе SINC3 фильтр, с помощью которого можно настроить частоту «выреза» и ослабление в заданном диапазоне. Фильтр настраивается с помощью двух параметров AF и SF. Так же в АЦП имеется возможность корректировки смещения постоянной составляющей вследствие воздействия шумов АЦП, так называемое «chopping». АЦП может работать в двух режимах: полного питания или пониженного энергопотребления. В первом случае частота модуляции составляет 512 кГц, во втором 131,072 кГц. Частота дискретизации при использовании фильтра и в режиме пониженного энергопотребления определяется по формуле:

                             (2.4.4);

а время  установления составляет:

                                           (2.4.5);

Наиболее  подходящие параметры фильтра: AF = 0 SF= 3. В этом случае частота «выреза» составляет 512 (Гц), (Гц), t_уст = 7,81 (мс). Воспользовавшись приложением к документации на ADuC7061 [19], изобразим АЧХ фильтра на рисунке 2.4.15:

Рисунок 2.4.15

Ослабление  на границе диапазона 100 (Гц) составляет -3 (дБ).

Результат преобразования АЦП хранится в 24х  разрядном регистре, в нашем случае он будет представлен в дополнительном коде.  После дополнительных программных  преобразований с целью добавления  в каждый отсчет дополнительной служебной  информации, он будет занимать 5 байт памяти.

Определим необходимую пропускную способность  канала связи между микроконтроллером  и приемопередатчиком. Она определяется по формуле:

                                 (2.4.6);

где 5 –  число байт, занимаемое одним отсчетом.

Таким образом, канал должен обладать пропускной способностью не менее 2560 б/с, или 20 480 бит/с.

Скорость  в 20 480 бит/с сравнительно большая и для передачи информации между микроконвертером и модулем BT следует использовать интерфейсы, способные организовать устойчивую связь на высоких скоростях. Из распространенных интерфейсов I2C, UART и SPI, подходят SPI и UART. 

 

2.5 Расчет погрешностей

 

Погрешность разрабатываемого устройства будет  определяться суммой погрешностей вносимых отдельными узлами схемы.

Основными узлами, вносящими погрешность в  измерения, являются усилители и  АЦП, интегрированный в МК.

Уровень напряжения смещения усилителей не превышает 20 мкВ, что составляет 0,4% от входного сигнала 5 мВ. Погрешность коэффициента усиления зависит от характеристик  используемого резистора. Так как  для установки коэффициента усиления используются высокоточные резисторы  с низким ТКР, то погрешность установки будет практически равна нулю и не будет вносить заметных искажений в преобразование сигнала.

Погрешность АЦП будет складываться из погрешности  установки опорного напряжения и  погрешности квантования. АЦП имеет 24 разряда преобразования, для входного сигнала напряжением 2,4В (±1,2) один квант (е.м.р.) будет составлять:

 

                (2.5.1)

 

Примем  это значение за абсолютную погрешность  квантования. Относительно ЭКС с  размахом 5 мВ погрешность (относительная) будет составлять:

                    (2.5.2)

Динамическую  погрешность АЦП определим из максимальной скорости сигнала и  времени преобразования АЦП. Время  преобразования АЦП составляет не более 1 мкс [13]. При максимальной скорости изменения сигнала 0,25мВ/мс (т.е. в  худшем случае) за 1мкс входной сигнал изменится на 0,25×1=0,25 мкВ, что от входного сигнала будет составлять:

 

 

 

 

 

             (2.5.3)

 

Погрешность установки опорного напряжения определяется характеристиками выбранной микросхемы микроконтроллера.

Для ADuC7060 максимальная погрешность установки опорного напряжения составляет 0,06% [3].

Просуммировав рассчитанные погрешности, можно утверждать, что погрешность измерения ЭКС  разработанного беспроводного датчика не превышает 1%.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

 

1. Бодин О.Н. и др. Способ диагностики состояния сердечно-сосудистой системы // Патент РФ №2257838 от 09.03.2004.

2. Бодин О.Н. и др. Устройство для регистрации электрокардиосигналов // Патент РФ №2256400 от 20.07.2005.

3. Агапов Е.Г., Бодин О.Н. Об одном решении прямой задачи электрокардиологии / Сб. трудов Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах», Пенза, Изд-во Пенз. Гос. Ун-та, 2004.

4.http://amt.fronex.ru/catalog/functional_diagnosis/electrocardiographic_equipment/alton_1203.html

5. http://focus.ti.com/docs/toolsw/folders/print/ smartrftm-studio.html

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение А