Вимірювач тиску був спеціально створений як приклад пристрою, який здатний до швидкої і гнучкої адаптації для вирішення додаткових завдань і підвищення функціональності. Створена на базі мікроконтролерів сімейства Flexis QE128, дана розробка може використовуватися як з 8-бітовим MC9S08QE128, так і з продуктивною 32-бітовим MCF51QE128, забезпечуючи розробнику весь спектр вибору продуктивності, необхідної і достатньої для реального приладу.
Властивості схеми:
- Вимірювання артеріального тиску за допомогою методів вимірювання підвищення або зниження тиску в манжеті;
- Підтримка декількох мов в навігаційному меню управління, можливість голосового відображення результатів вимірювань;
- Бездротовий RF-інтерфейс для передачі даних на інший пристрій, наприклад, маршрутизатор або накопичувач інформації;
- Інтерфейс USB для передачі даних вимірювань в персональний комп'ютер для подальшого зберігання, обробки і аналізу;
- Сенсорна клавіатура для навігації по меню управління;
- Графічний OLED-дисплей;
- Тривала робота від батареї завдяки вбудованій технології енергозбереження.
Інженери-розробники часто стикаються з необхідністю створення і підтримки широкої лінійки продукції, починаючи від найпростіших виробів, і закінчуючи складними і дорогими. Тому в разі поновлення продуктової лінійки виробів розробникам доводиться переробляти кілька плат, виконаних, до того ж, на різних апаратних платформах. Та ж ситуація і з програмним забезпеченням - підтримка і розвиток його для всієї продуктової лінійки, побудованої на різних апаратних платформах, стає непростим і дорогою завданням. Тут - то і стане в нагоді сімейство мікроконтролерів Flexis QE128 від компанії Freescale, що дає максимальну сумісність простих і складних, недорогих і продуктивних мікроконтролерів. Це дає інженеру-розробнику можливість розробляти і підтримувати лише одну загальну апаратну і програмну платформу, додаючи або видаляючи програмні і апаратні модулі для всіх виробів, що випускається лінійки продукції.
Апаратна архітектура приладу
На рис. 1 показана блок-схема демонстраційного багатофункціонального вимірювача артеріального тиску.
Мал. 1. Блок-схема монітора артеріального тиску
(Сірим кольором виділені модулі, побудовані на компонентах Freescale Semiconductor)
При створенні і складного, і простого варіантів виробів можна використовувати одну і ту ж плату, не встановлюючи на ній не використовуються функціональні блоки для даного конкретного випадку вироби. Наприклад, прості варіанти можуть не мати модуля передачі даних, відповідно з специфікації видаляються всі компоненти цього функціонального блоку, зменшуючи вартість виробу.
Хотілося б звернути увагу на деякі додаткові компоненти компанії Freescale Semiconductor, які використані в даному проекті.
Зрозуміло, це використання датчика тиску MPXV5050GP в якості вимірювального елемента. У портфелі компанії є широка номенклатура інтегральних датчиків тиску для застосування не тільки в медичній апаратурі (системи життєзабезпечення, вентиляції легенів тощо,) але і промисловості, літаючих апаратах, системах моніторингу тиску в автомобільних шинах, лічильниках газу та ін.
Також цікава реалізація інтерфейсу USB. Freescale випускає широку лінійку мікроконтролерів з вбудованим модулем USB. Більш того, зовсім недавно сімейство Flexis було розширено микроконтроллерами JM60 з вбудованою підтримкою USB2.0, причому з додатковою можливістю роботи в режимах Host і OTG для 32-бітного варіанту MCF51JM128.
Сенсорна клавіатура реалізована на базі мікросхем MC34940 або MPR083, MPR084. Це може бути цікаво як для медичних приладів, де потрібна можливість обробки зовнішніх панелей дезінфікуючими рідинами, так і для промислових і вандалостійких виробів.
Як накопичувач інформації застосована мікросхема енергонезалежної пам'яті MR2A16A, виготовлена за технологією MRAM і фактично не має обмежень по кількості циклів перезапису даних і володіє дуже високою швидкістю обміну даними. Дана технологія розроблена компанією Freescale і за всіма параметрами значно перевершує інші широко поширені технології, такі як FLASH, EEPROM і FRAM.
Як інтерфейсної мікросхеми використовується MC13202, на базі якої реалізовано радіоканал. З її допомогою нескладно організувати обмін даними за технологією ZigBee.
Архітектура побудови програми
Програмне забезпечення для всієї платформи створюється єдиним, виконаним у вигляді набору підпрограм, що з одного боку дозволяє домогтися модульности проекту, а з іншого - не вимагає використання операційної системи реального часу. Кожен модуль працює як незалежний автомат станів, з можливістю безпосередньої роботи або запуску по перериваннях. При додаванні нового модуля в програму необхідно додати код ініціалізації і викликати нову підпрограму-модуль з функції main (). Код програми написаний на мові C під управлінням універсальної інтегрованої середовища CodeWarrior версії 6.xx. Таке рішення дозволяє використовувати практично однаковий вихідний код на мові C для роботи як з 8-ми, так і 32-бітовим ядрами сімейства Flexis. Для перемикання режимів роботи достатньо лише вибрати тип мікроконтролера, все інше середу зробить автоматично.
Побудова вимірювача артеріального тиску
Два демонстраційних варіанта приладу наочно демонструють гнучкість, яку отримують розробники при використанні мікроконтролерів сімейства Flexis. Пристрої побудовані на однакових програмних і апаратних платформах.
Моніторинг серцевого ритму
На руку пацієнта надягають еластичну манжету, в яку компресор приладу накачує повітря. Потім компресор вимикається, і через спеціальний клапан повітря випускається з манжети, через що тиск в ній плавно зменшується. Принцип вимірювання наступний: при стисненні руки пацієнта манжетою можна спостерігати невеликі пульсації тиску (шум) в манжеті (рис. 2).
Мал. 2. Тиск в манжеті в часі
Це відбувається через зміни тиску при циркуляції крові в організмі пацієнта. Сигнал фільтрується за допомогою ФВЧ, спроектований на частоту 1 Гц і посилюється. Отримуємо сигнал биття серця. Він показує зміни в сигналі тиску і є графічним відображенням серцевого ритму пацієнта (рис. 3)
Мал. 3. Серцевий ритм
Вимірювання систолічного і діастолічного тиску з використанням восьмібітного HCS08
Виділений таким чином сигнал серцевого ритму може бути використаний для визначення систолічного (SBP) і діастолічного (DBP) тиску за допомогою простого осцилометричного способу. При зниженні тиску в манжеті, амплітуда сигналу серцевих скорочень зростає, як тільки тиск в манжеті опуститься до значення систолічного тиску пацієнта. При подальшому зниженні тиску в манжеті амплітуда пульсацій збільшується, поки не досягає максимального значення в точці так званого середнього артеріального тиску (MAP), а потім швидко знижується, поки не досягне точки діастолічного тиску (рис. 4).
Мал. 4. Криві серцевого ритму і тиску в манжеті
Залишається лише зберегти в пам'яті ці точки, а потім, після закінчення циклу вимірювання, вивести на дисплей.
Вимірювання систолічного і діастолічного тиску з використанням 32-бітного ColdFire V1
При використанні простого осцилометричного методу тиск в манжеті на руці пацієнта спочатку підвищується до значення, що перевищує систолічний тиск пацієнта, який від початку невідомо. Тому доводиться збільшувати тиск в манжеті до досить високого значення, щоб бути впевненим в достовірному вимірі SBP будь-якого пацієнта. Крім збільшення часу вимірювання тиску, це досить неприємно і навіть болісно для пацієнта, особливо для людини зі зниженим тиском. У цьому випадку пропонується використовувати більш досконалий метод вимірювання, а саме - повільне збільшення тиску в манжеті, а не зменшення, як в попередньому випадку. Основна проблема полягає в фільтрації перешкод, які генерує двигуном компресора манжети, тому що процеси вимірювання і накачування повітря в манжету в цьому випадку проходять одночасно. Використовуючи потужний 32-бітове ядро мікроконтролера ColdFire V1, що має однакове з восьмібітних ядром розташування висновків і периферію, можна легко реалізувати цифровий фільтр і відокремити шум від корисного сигналу. У цьому випадку цикл вимірювання і накачування повітря в манжету припиниться практично відразу після досягнення систолічного тиску конкретного пацієнта, не викликаючи у нього дискомфорту.
Нове сімейство Flexis дозволяє розробникам створити єдину апаратну платформу для кількох проектів, розбивши специфікацію комплектуючих на підрозділи. Під час розведення друкованої плати кожен функціональний блок також рекомендується розводити індивідуально і, по можливості, окремо від інших. В результаті вийде набір закінчених функціональних модулів, які можна при необхідності включати в проект або, навпаки, виключати під час розробки нового пристрою. Це відкриває нові перспективи при створенні недорогих багатофункціональних приладів в промисловості, побутових пристроїв, охоронно-пожежних систем, перетворювачів рівнів інтерфейсів, в автомобільній електроніці. Гранично низьке споживання і висока стійкість до промислових і електромагнітних завад дозволяють створювати на їх базі прилади на батарейках - датчики, системи збору і обробки інформації, кодери / декодери, системи доступу та шифрування, системи автоматичного і промислового управління.
Детальну документацію на вимірювач артеріального тиску, включаючи принципову схему і програмне забезпечення, можна знайти на сайті www.freescale.com .
Відповідальний за напрям в Компел - Валерій Куликов
Отримання технічної інформації, замовлення зразків, поставка -
e-mail: [email protected]
Про компанію
...Читати далі