Аннотация
Плахин С.В., Краснокутский В.А., к. т. н. - Портативный кардиограф на базе микроконтроллера ADUC 841 В данной работе рассмотрена возможность реализации портативного кардиографи на базе аналогового контроллера ADuC841. Представлена структурная схема утсройства.
Общая постановка проблемы
Сердечно-сосудистые заболевания занимают одно из первых мест среди недугов человек. Одной из важнейших задач является выявление на ранней стадии и профилактика сердечных заболеваний. Электрокардиография (ЭКГ) является одним из ведущих методов инструментального исследования сердечнососудистой системы, которая остается наиболее распространенным и доступным для широкого круга людей. В основе этой методики лежит регистрация биопотенциалов возникающих в сердце. На сегодняшний день есть достаточно много методик для регистрации биоэлектрической активности сердца, которые позволяют оценить состояние как сердечнососудистой системы (ССС), так и всего организма в целом. Однако большинство существующих приборов весьма габаритные и дорогостоящие. В настоящее время появляется большой спрос на портативные и недорогие устройства для получения ЭКГ в домашних условиях. Данные кардиографы могут быть построены на простых микроконтроллерах.
Основная сложность построение кардиограммы заключается в том, что сигнал биопотенциала имеет малую величину по сравнению с шумом и перекрывание спектров сигнала и шума [1]. Кроме того, на сигнал воздействуют, так называемые, артефакты или загрязнения сигналов. Артефакты могут возникать из - за внешних источников, например электросети или другого электронного оборудования, так и от внутренних факторов (движения головы, тела, дыхания и т.д.). Это снижает достоверность сигнала и усложняет его обработку.
Предлагаемое решение
В работе предлагается простой кардиограф на базе аналогового контроллера ADuC841. Структурная схема кардиографа показана на рис.1. Кардиограф подключается к персональному компьютеру, в котором осуществляется основная обработка сигнала, формирование и отображение кардиограммы. Существует возможность передачи сигнала в систему моделирования MATLAB. Использование системы моделирования MATLAB позволяет разрабатывать и отлаживать алгоритмы цифровой обработки сигнала кардиограммы. Рассматриваемый кардиограф можно и спользовать для разработки новых алгоритмов цифровой обработки биопотенциалов.
Электрокардиосигнал (ЭКС) имеет довольно сложную форму. Его амплитуда находится в пределах 0,5 мВ – 5 мВ, в сочетании с постоянной составляющей ± 300 мВ. Постоянная составляющая возникает при контакте электрода с кожей. Также присутствует синфазная составляющая величиной до 1,5 В между электродами и общим проводом. Полоса полезных частот составляет от 0,5 до 50 Гц.
Для получения файла цифровых данных слабых биопотенциалов, которые возникают на поверхности тела, необходимо произвести первичную обработку кардиосигнала. Первичная обработка сигнала осуществляется с помощью аналогового микроконтроллера ADuC841. Первичная обработка заключается в усилении и цифровой фильтрации сигнала. Известно, что максимальная амплитудаэлектрокардиосигнала составляет 1...5 мВ, а, согласно международному стандарту передачи цифровых электрокардиограмм 5СР – ЕС6, значение младшего значащего разряда цифрового сигнала должно составлять не менее 5 мкВ. Следовательно, с учетом дрейфа изолинии ЭКС, для перевода его в цифровую форму посредством обычного аналого – цифрового преобразователя(АЦП), имеющего диапазон входного сигнала порядка нескольких вольт, сигнал необходимо усиливать в 100 – 500 раз. При этом не должны вноситься существенные шумы, и желательно, чтобы производилась низкочастотная и высокочастотная фильтрация, а также подавление синфазной помехи
Цифровая фильтрация сигнала, может существенно упростить аналоговую часть устройства, уменьшить стоимость необходимого оборудования, увеличить надежность и точность регистрационного оборудования [2].
Рисунок 1. Структурная схема кардиографа
Выбор микроконтроллера для устройства обусловлен наличием встроенного аналого - цифрового преобразователя и двух цифро-аналоговых преобразователей высокого разрешения. Фирма AnalogDevises разработала линейку специализированных устройств ADuC8xx для сбора и обработки аналоговых сигналов на базе ядра с архитектурой MCS 8052. Отличительной особенностью этих устройств является наличие аналого - цифровых (АЦП) и цифро-аналоговых (ЦАП) преобразователей с высокими характеристиками. Кроме этого устройства имеют расширенную память программ и данных на кристалле, встроенные последовательные интерфейсы UART, SPI, I2C. Напряжение питания микросхем может быть как 5В, так и 3В.
Выводы
Микроконтроллеры ADuC841 отличаются высоким быстродействием, объемом внутренней памяти программ и данных, характеристиками АЦП и ЦАП, набором периферийных устройств. Увеличение резидентной памяти программ до 62 Кбайт, резидентной памяти данных (Data RAM)до 2304 Кбайти внутренней памяти EEPROM до 4 Кбайт снимает проблему экономии адресного пространства при размещении программ обработки результатов измерения [3].
Одним из недостатков микропроцессорного ядра с архитектурой MCS 52, которые используются в рассматриваемых микроконтроллерах, является низкое быстродействие, обусловленное тем, что машинный цикл осуществляется за 12 машинных тактов. В новой серии аналоговых микроконтроллеров ADuC841 этот недостаток в значительной мере преодолен. За счет использование конвейерного принципа 80% команд микроконтроллера выполняется за один машинный такт, т.е. быстродействие увеличилось почти в 12 раз по сравнению с рассмотренными выше сериями. Быстродействие микроконтроллера ADuC841 равно 20 MIPS.Это наибольшее быстродействие среди микроконтроллеров ADuC8хх.
Список использованной литературы
1. Айфичер Э, Джервис Б. Цифровая обработка сигналов: практический подход, 2-е издание.: Пер. с англ.– М.: Издательский дом «Вильямс». 2008. – 992 с.: ил.
2. ECG Front-End Design is Simplified with MicroConverter [Электронныйресурс]. – Режимдоступа:http://www.analog.com/library/analogDialogue/archives/37-11/ecg.pdf.
3. AduC841/ AduC842/ AduC843 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ADUC841_842_843.pdf.