По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) ежегодно от болезней сердца умирают около 17 миллионов человек, что составляет примерно 29 % всех случаев смерти. Сердечно-сосудистые заболевания с большим отрывом лидируют по сравнению со смертями, связанными с автокатастрофами, раковыми заболеваниями, туберкулезом и СПИДом.

По подсчетам ВОЗ, к 2030 году от сердечно-сосудистых заболеваний ежегодно будут умирать около 23,6 миллионов человек, то есть единственной основной причиной смертности по-прежнему будут болезни сердца. кардиограф электрокардиограмма портативный микропроцессор

Электрокардиографы помогают выявить проблемы с сердцем, но их тяжело приобрести, так как они являются очень дорогими устройствами. Поэтому есть необходимость в дополнительной разработке электрокардиографа, что приведет к увеличению общего количества разработок на данную тему, а значит к увеличению массовости подобных устройств.

В данном проекте проводится попытка разработать недорогой портативный кардиограф. Небольшие размеры и масса позволят носить устройство на человеке и вести непрерывную запись ЭКГ от нескольких часов до одних суток и более. Информативность такого мониторинга весьма высока, что приводит к точной постановке диагноза и дальнейшему лечению пациента.

Главными задачами устройства являются: обработка сигнала с электродов, прикрепленных к человеку, и подача на выход аналогового сигнала электрокардиограммы, который можно будет обработать микроконтроллером и записать на карту памяти.

Для выполнения дипломной работы необходимо:

1. Проанализировать предметную область

2. Рассчитать и выбрать компоненты

3. Собрать устройство

4. Разработать программное обеспечение

5. Протестировать

1. ОБЗОР ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАФОВ. КАРДИОГРАММЫ

Электрокардиография - методика регистрации и исследования электрических полей, образующихся при работе сердца. Электрокардиография представляет собой относительно недорогой, но ценный метод электрофизиологической инструментальной диагностики в кардиологии.

Прямым результатом электрокардиографии является получение электрокардиограммы (ЭКГ) -- графического представления разности потенциалов, возникающих в результате работы сердца и проводящихся на поверхность тела. На ЭКГ отражается усреднение всех векторов потенциалов действия, возникающих в определённый момент работы сердца.

Нормальная ЭКГ имеет вид в соответствии с рисунком 1.1.

Рисунок 1.1 - Нормальная электрокардиограмма

Обычно на ЭКГ можно выделить 5 зубцов: P, Q, R, S, T. Иногда можно увидеть малозаметную волну U. Зубец P отображает процесс деполяризации миокарда предсердий, комплекс QRS -- деполяризации желудочков, сегмент ST и зубец T отражают процессы реполяризации миокарда желудочков.

Процесс реполяризации - фаза, во время которой восстанавливается исходный потенциал покоя мембраны клетки после прохождения через неё потенциала действия. Во время прохождения импульса происходит временное изменение молекулярной структуры мембраны, в результате которого ионы могут свободно проходить через неё.

Продолжительность зубцов и интервалов (сегментов) ЭКГ. Возбуждение миокарда начинается с предсердий, и на ЭКГ появляется предсердный зубец Р, в норме он имеет продолжительность 0,08--0,1 сек. Расстояние от начала зубца Р до зубца Q (интервал Р--Q) соответствует времени распространения возбуждения от предсердий к желудочкам и равно 0,12--0,2 сек. Во время возбуждения желудочков записывается комплекс QRS, причем величина его зубцов в разных отведениях выражена различно: продолжительность комплекса QRS -- 0,06-- 0,1 сек. Расстояние от зубца S до начала зубца Т -- сегмент S--T, в норме располагается на одном уровне с интервалом Р-- Q. При угасании возбуждения в желудочках записывается зубец Т. Интервал от начала зубца Q до конца зубца Т отражает процесс возбуждения желудочков (электрическую систолу). Его продолжительность зависит от частоты сердечного ритма: при учащении ритма он укорачивается, при замедлении -- удлиняется (в среднем он равен 0,24--0,55 сек.). Интервал Т--Р соответствует диастоле сердца, аппарат в это время записывает прямую (так называемую изоэлектрическую) линию. Иногда после зубца Т регистрируется зубец U, происхождение которого не вполне ясно. [1]

Каждая из измеряемых разностей потенциалов в электрокардиографии называется отведением. Отведения I, II и III накладываются на конечности:

I - правая рука (-) - левая рука (+);

II - правая рука (-) - левая нога (+);

III- левая рука (+) - левая нога (+);

С электрода на правой ноге показания не регистрируются, его потенциал близок к условному нулю, и он используется только для заземления пациента.

Регистрируют также усиленные отведения от конечностей: aVR, aVL, aVF -- однополюсные отведения, они измеряются относительно усреднённого потенциала всех трёх электродов (система Вильсона) или относительно усредненного потенциала двух других электродов (система Гольдбергера, дает амплитуду примерно на 50 % больше). Следует заметить, что среди шести сигналов I, II, III, aVR, aVL, aVF только два являются линейно независимыми, то есть, зная сигналы только в каких-либо двух отведениях, можно, путём сложения/вычитания, найти сигналы в остальных четырех отведениях. Расположение грудных электродов имеет вид в соответствии с рисунком 1.2.

Рисунок 1.2 - Расположение грудных электродов

В своей работе я использую метод снятия ЭКГ по стандартным двухполюсным отведениям, предложенным в 1913 г. Эйнтховеном.

Основная схема снятия - для записи отведений электроды накладывают на правую руку (красная маркировка), левую руку (жёлтая маркировка) и левую ногу (зелёная маркировка). Пример наложения электродов при снятии трех стандартных отведений приведен в соответствии с рисунком 1.3.

Рисунок 1.3 - Наложение электродов при стандартных отведениях

Первые электрокардиографы вели запись на фотоплёнке, затем появились чернильные самописцы, теперь, как правило, электрокардиограмма записывается на термобумаге. Полностью электронные приборы позволяют сохранять ЭКГ в компьютере. Скорость движения бумаги составляет обычно 50 мм/с. В некоторых случаях скорость движения бумаги устанавливают на 12,5 мм/с, 25 мм/с или 100 мм/с. В начале каждой записи регистрируется контрольный милливольт. Обычно его амплитуда составляет 10 или, реже, 20 мм/мВ. Медицинские приборы имеют определённые метрологические характеристики, обеспечивающие воспроизводимость и сопоставимость измерений электрической активности сердца. [2]

Так же существуют другие методы снятия электрокардиограммы.

Внутрипищеводная электрокардиография.

Активный электрод вводится в просвет пищевода. Метод позволяет детально оценивать электрическую активность предсердий и атриовентрикулярного соединения. Важен при диагностике некоторых видов блокад сердца.

Векторкардиография.

Регистрируется изменение электрического вектора работы сердца в виде проекции объемной фигуры на плоскости отведений.

Прекардиальное картирование.

На грудную клетку пациента закрепляются электроды (обычно матрица 6х6), сигналы от которых обрабатываются компьютером. Используется в частности, как один из методов определения объёма повреждения миокарда при остром инфаркте миокарда. К текущему моменту расценивается как устаревший.

Пробы с нагрузкой.

Велоэргометрия используется для диагностики ишемической болезни сердца.

Суточное мониторирование ЭКГ по Холтеру.

К одним из наиболее современных, точных и эффективных методов диагностирования заболеваний сердечно-сосудистой системы относится система холтеровского мониторирования ЭКГ или, как ещё называют данный метод, - мониторирование по методу Холтера.

Методика названа по имени своего создателя, изобретателя Нормана Дж. Холтера, применившего её впервые ещё в 1961 году. Суть исследования заключается в отслеживании деятельности сердца на протяжении суток (иногда исследование может производиться и дольше).

Важнейшим моментом является то, что холтеровское мониторирование ЭКГ позволяет оценивать реакции сердца на различные факторы, например, на физические нагрузки, приём тех или иных лекарственных препаратов и т.д. Пациенту, которому выполняется суточное холтеровское мониторирование ЭКГ, следует вести дневник, в котором он отмечает по времени, чем именно занимался в этот момент, как себя при этом чувствовал, принимал ли медикаменты, спал он или бодрствовал, испытывал ли какие-либо сильные эмоции или, напротив, находился в состоянии уравновешенности. Прибор, при помощи которого проводится диагностика холтер, также по времени фиксирует особенности работы сердца, и это позволяет проанализировать реакцию организма пациента на самые разные раздражители и процессы.

Данное обследование проводится при помощи аппарата для холтеровского мониторирования, внешне напоминающего пейджер или небольшой мобильный телефон, так как устройство обладает совсем небольшими габаритами, оно весьма компактно.

Диагностика проводится при наличии (или подозрении) ряда состояний и заболеваний. К ним относятся:

* артериальная гипертония;

* необходимость индивидуальной коррекции кардиостимулятора;

* гипертрофия желудочков сердца;

* сердечная недостаточность и кардиомиопатия;

* эндокринные заболевания (сахарный диабет, ожирение и т.д.);

* хроническая конституциональная гипотензия;

* перенесённый инфаркт миокарда в анамнезе, особенно при подозрении на развитие осложнений в виде нарушений сердечного ритма (аритмии) и сердечной недостаточности;

* после перенесённого инфаркта миокарда или ИБС (ишемической болезни сердца) для уточнения дальнейшего плана терапевтических мероприятий;

* подозрение на вариантные стенокардии типа Принцметала;

* синдром удлиненного QT (такой синдром показывает ЭКГ).

Кроме того, показаниями для проведения суточного холтеровского мониторирования ЭКГ могут являться такие симптомы, как:

* головокружение и обмороки (потеря сознания);

* одышка, возникающая после обычной физической нагрузки;

* периодические (эпизодические) боли в области сердца, возникающие без видимых причин или же после физических нагрузок;

* бурная реакция сердца на эмоциональное состояние.

Обзор уже существующих холтеровских систем:

Рекордер Cardioline clickholter (Италия)

Портативный рекордер, предназначенный для холтер-мониторинга ЭКГ, имеет вид в соответствии с рисунком 1.4. Анализирует характеристики ЭКГ-сигнала пациентов, позволяет программировать с учетом личных особенностей пациентов, кроме этого определяет продолжительность записи. Использует программное обеспечение CubeHolter.

Рекордер подключается к компьютеру и передает полученные данные с помощью USB-интерфейса. Для обеспечения контроля работы на передней панели прибора расположены световые индикаторы для отслеживания качества сигнала по каждому каналу, а также уровня заряда батарей.

Особенности:

* Возможность запуска исследования и контроля качества сигнала без подключения рекордера к компьютеру

* Подключение к компьютеру для программирования и передачи данных с помощью USB-интерфейса

* Рекордер может быть одновременно подключен к пациенту и к компьютеру для просмотра ЭКГ на мониторе

* Встроенная память

* Подходит для исследования детей весом до 10 кг (неонатальные исследования)

* Возможность подключения 5-ти жильного (стандартная комплектация) или 7-ми жильного (опционально) кабеля пациента

Технические характеристики:

* Количество регистрируемых каналов: 3;

* Продолжительность регистрации: 24/48 часов;

* Подключение к ПК: проводное USB-соединение;

* Память: встроенная, 64 Мб;

* Отображение ЭКГ: в реальном времени на мониторе ПК;

* Управление: одна влагозащищенная клавиша для маркировки событий;

* Питание: 2 батарейки АА / аккумуляторы NiMH;

* Размер: 110*83*17 мм

* Вес: 160 гр. (включая батарею).

Стоимость такого аппарата - 105 тыс. рублей; в комплекте с ПО Cubeholter - 285 тыс. рублей. [3]

Рисунок 1.4 - Рекордер Cardioline clickholter

Комплекс мониторирования ВАЛЕНТА МН-02-8 (Россия)

Комплекс позволяет вести постоянный контроль процессов сердечной деятельности и контролировать ход лечения заболеваний сердца. Комплекс имеет вид в соответствии с рисунком 1.5. Прибор МН-02-8 имеет цветной дисплей с высоким разрешением, малые габариты и массу, кабель покрыт специальным материалом для защиты от агрессивных сред.

Особенности:

* Постоянная круглосуточная запись ЭКГ по трём отведениям

* Карта памяти легко заменяется запасной (вторая карта прилагается)

* Беспроводное соединение с компьютером

* Самостоятельное тестирование регистратора с индикацией состояния на экране

* Оперативный анализ 24-часовой записи ЭКГ

* Анализ графиков ЧСС, ST, RR и QT

* Автоматическая отметка цветом различных видов циклов

* Автоматическое обнаружение отклонений в сердечном ритме

* Автоматическое составление заключения с заранее выбранным шаблоном

* Возможность ведения базы данных с архивом и статистикой.

Технические характеристики:

* Количество отведений: 3;

* Время непрерывной записи: 72 часа;

* Связь с ПК: беспроводная- Bluetooth;

* Разгрузка: съёмная карта памяти;

* Питание: 1 батарейка ААА;

* Размер: 67*62*19 мм;

* Вес: 75 гр.;

Стоимость комплекса - 122 тыс. рублей (в комплекте с ПО). [3]

Рисунок 1.5 - Комплекс ВАЛЕНТА МН-02-8

Ознакомившись с уже существующими системами мониторинга по Холтеру можно прийти к выводу, что главным их минусом является цена. Такие устройства себе могут позволить только клиники и медицинские центры, где можно получить кардиограф на сутки по назначению врача.

2. РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАФА

2.1 Разработка структурной схемы

Для реализации работы с файловой системой SD-карты необходим микропроцессор с памятью 32 кбайта. SD-карта и микросхема AD8232 питаются от 3,3 В.

Выбранный микроконтроллер, исходя из документации, при питании от 3,3 В будет работать на частоте 8 МГц, что вполне достаточно для решения поставленной задачи.

Микросхема AD8232

- самая низко потребляющая и малогабаритная схема для широкого диапазона изделий мониторинга здоровья. Является разработкой Analog Devises.

AD8232 на 50 процентов меньше и использует на 20 процентов меньше энергии, чем конкурирующие решения. Предлагаемые уровни энергопотребления, занимаемого места и интеграции предоставляют разработчикам возможность создания мониторов сердечного ритма и кардиомониторов, предназначенных для использования за пределами территории интенсивной терапии.

Микросхема включает в себя 2-х полюсный фильтр высоких частот, который выполнен в общей архитектуре инструментального усиления ИС, и нейтральный операционный усилитель, который позволяет разработчику применить многополюсную, низкочастотную технику фильтрации для устранения шумов сигнальной цепи и других помех. Предоставляя аналоговый выход, AD8232 может быть соединена с дискретным АЦП или с микроконтроллером со встроенным АЦП, что даёт разработчикам конечного решения гибкость для получения нового уровня компактности и технических характеристик в устройствах фитнесса и контроля здоровья. [4]

Основные особенности аналоговой входной схемы мониторирования сердечного ритма AD8232:

* Коэффициент усиления: 400

* Ток потребления: 180 µA

* 20-выводный корпус LFCSP, размерами 4 мм x 4 мм

* Настраиваемый 2-полюсный фильтр высоких частот

* Настраиваемый 3-х полюсный фильтр нижних частот и усилитель напряжения

* Детектор отключения, работающий в режимах постоянного/переменного токов и режим быстрого восстановления

* Шум: 20 мкВ (амплитуда, 0.5 Гц...40 Гц)

* Коэффициент ослабления синфазного сигнала: 80 дБ (0...60 Гц)

* Диапазон питающего напряжения от 2.0 В до 3.5В

Расположение пинов и функциональная блок-диаграмма приведены в соответствии с рисунком 2.1 и рисунком 2.2 соответственно.

Рисунок 2.1 - Пин-конфигурация AD8232

Рисунок 2.2 - Функциональная блок-диаграмма AD8232

AD8232 выполняет извлечение, усиление и фильтрацию слабых биопотенциальных сигналов на фоне шумов, позволяя аналого-цифровому преобразователю (АЦП) с крайне низким энергопотреблением достоверно оцифровать полученный выходной сигнал.

Интегрированный двухполюсный фильтр верхних частот с частотой среза 0,3 Гц для устранения эффектов, вызванных движением и потенциалом электрода, тесно связан с инструментальным усилителем. Их комбинация обеспечивает высокий коэффициент усиления и фильтрацию в одном каскаде.

Универсальный операционный усилитель (ОУ) может быть использован для реализации трехполюсного фильтра нижних частот с частотой среза 37 Гц, устраняющего дополнительный шум.

Общий коэффициент усиления сигнала в полосе пропускания составляет 400.

Для улучшенного ослабления синфазного сигнала микросхема содержит дополнительный усилительный каскад для напряжения, которое выдается в подключаемый к правой ноге пациента электрод.

AD8232 работает от одного напряжения питания в диапазоне от 2,0 В до 3,5 В, потребляя ток 170 мкА в рабочем режиме и 40 нА в неактивном состоянии.

Микросхема, размещённая на специальной плате в данной работе имеет название модуль.

Общий вид модуля AD8232 в соответствии с рисунком 2.3.

Схема модуля приведена в Приложении А.

Рисунок 2.3 - Микросхема AD8232 на плате

Микропроцессор ATmega 328P-AU

Маломощный микроконтроллер семейства AVR, как и все остальные имеет 8-битный процессор и позволяет выполнять большинство команд за один такт.

Память:

* 32 кбайт флэш-памяти (память программ, имеющая возможность самопрограммирования)

* 2 кбайт ОЗУ

* 1 кбайт EEPROM (постоянная память данных)

Периферийные устройства:

* Два 8-битных таймера/счетчика с модулем сравнения и делителями частоты

* 16-битный таймер/счетчик с модулем сравнения и делителем частоты, а также с режимом записи

* Счетчик реального времени с отдельным генератором

* Шесть каналов PWM (аналог ЦАП)

* 6-канальный ЦАП со встроенным датчиком температуры

* Программируемый последовательный порт USART

* Последовательный интерфейс SPI

* Программируемый сторожевой таймер с отдельным внутренним генератором

* Внутренняя схема сравнения напряжений

* Блок обработки прерываний и пробуждения при изменении напряжений на выводах микроконтроллера

Напряжения питания и скорость процессора:

* 1.8 - 5.5 В при частоте до 4 МГц

* 2.7 - 5.5 В при частоте до 10 МГц

* 4.5 - 5.5 В при частоте до 20 МГц [5]

Расположение пинов в соответствии с рисунком 2.4.

Рисунок 2.4 - Пин-конфигурация ATmega 328P-AU

АЦП микроконтроллера.

АЦП прежде всего предназначен для преобразования аналогового сигнала в цифровой.

Характеристики модуля АЦП микроконтроллера:

* 10-бит разрешение преобразования

* Абсолютная погрешность - 2

* Интегральная нелинейность - 0.5

* Скорость преобразования 13 - 260 микросекунд

* Входное напряжение - от 0 до Vпитания

* Возможность подключить внутренний ИОН

* Независимость от ЦП

* Режим подавления шумов

В работе будет измеряться сигнал от 0 до 3.3В (опорное). В микроконтроллере ATmega328P 10-битный АЦП, это значит, что диапазон 3.3 В будет разделен на 1024 значений. 3.3В/1024=0,0032В -- с таким шагом возможно измерять напряжение. Но нужно учитывать то, что микроконтроллер будет считать, величину 0.0032, 0.0033, 0.0034… одинаковыми. Тем не менее шаг в 0,003 достаточен для наших измерений.

В качестве источника опорного напряжения можно использовать внутренний источник и внешний. Напряжение внутреннего источника не рекомендуется использовать по причине низкой стабильности. Внешний источник подключается к ножке AVCC. В данной работе опорное напряжение равно напряжению питания микроконтроллера 3.3В.

Для уменьшения габаритов устройства необходим корпус для поверхностного монтажа. Корпус микроконтроллера типа TQFP32 доступен только для Atmega328P, и его нет для Atmega328. Это связано с тем, что толщина кристалла Atmega328 больше и он не помещается в корпус TQFP32.

Суффиксы -PU, -AU, -MU - эти суффиксы обозначают тип корпуса микроконтроллера. PU соответствуют пластиковому DIP (PDIP), AU пластиковому TQFP, MU пластиковому QFN.

MicroСD-карта

SD карты могут работать в двух режимах - SD и SPI. Назначение выводов карт и схема подключения зависит от используемого режима. У 8-и разрядных микроконтроллеров AVR нет аппаратной поддержки SD режима, поэтому карты с ними обычно используются в режиме SPI. В 32-х разрядных микроконтроллерах на ядре ARM, интерфейс для работы с картами в SD режиме есть, поэтому там можно использовать любой режим работы.

Назначение контактов microSD карты в SPI режиме в соответствии с таблицей

Таблица 2.1 - Распиновка microSD

Где I-вход, О- выход, S- питание.

ЭКГ - электроды

Кардиографические электроды - это проводники специальной формы, выполняющие роль контакта между кардиографом и телом пациента.

Они должны быстро фиксироваться и сниматься, не оказывать на пациента вредного и раздражающего воздействия, не должны быть источниками помех. Покрываются хлоридом серебра.

Как правило, электроды крепятся на поверхности тела человека, однако, при необходимости, в исключительных случаях, внутри: в желудке, костях.

Электроды с малой поверхностью контакта более помехоустойчивые, но имеют повышенное сопротивление участка « тело-электрод».

Электроды с большой поверхностью контакта обладают слабой помехоустойчивостью, но небольшим сопротивлением участка «тело- электрод».

Для стандартных отведений от конечностей электроды плоские, прямоугольные, для грудных отведений круглые. На конечностях 4 электрода закрепляются с помощью резиновых бинтов или пластиковых зажимов. На груди один или несколько электродов фиксируются с помощью груши-присоски.

Особое внимание уделяется достижению хорошего контакта электродов с телом, так как ненадежный контакт приводит к искажению ЭКГ. Уменьшение сопротивления на участке «тело-электрод» дают электропроводящие контактные пасты. С гигиенической точки зрения токопроводящие пасты имеют хорошую смачивающую способность по отношению к коже и материалу электродов, безвредны, легко удаляются с поверхности.

Для длительного мониторинга целесообразно использовать одноразовые электроды, так как они обладают минимальными размерами, специальной клейкой поверхностью для качественного соединения и на них заранее нанесён гидрогель с отличной адгезивностью и проводящей способностью.

Адаптер FTDI232

Адаптер порта для последовательной универсальной шины (USB to UART) представляет собой высокоскоростное USB-устройство, предназначенное для подключения периферийных устройств. Адаптер выполнен на основе контроллера Future Technology FT232R и предназначен для использования в системах, оснащенных шиной USB.

При подключении к компьютеру преобразователь USB-UART определяется как виртуальный COM-порт. Благодаря преобразователю USB-UART можно очень просто подключить и запрограммировать Arduino или подключить своё самодельное UART устройство к ПК по интерфейсу USB. Преобразователь USB-UART также можно использовать как программатор микроконтроллеров.

В среде операционных систем Windows работа адаптера FT232 обеспечивается драйверами устройства.

Протокол UART (Universal asynchronous receiver/transmitter) или УАПП (универсальный асинхронный приемопередатчик) -- самый распространенный на сегодняшний день физический протокол передачи данных. Наиболее известен из семейства UART протокол RS-232.

Основные рабочие линии - RXD и TXD, или просто RX и TX. Передающая линия - TXD (Transmitted Data), а порт RXD (Received Data) - принимающая.

Схема устройства в соответствии с рисунком 2.5.

Рисунок 2.5 - Схема FTDI232

2.2.2 Описание схемы

Схема электрическая принципиальная указана в документе ФМРМ.ХХХХХХ.001 Э3.

Резистор R1 - перемычка, нужна для отключения внешнего опорного напряжения и использования внутреннего ИОН (источника опорного напряжения), используется для отладки программного кода.

Резистор R2 подтягивает вывод сброса контроллера к плюсу питания, для того, чтобы контроллер самопроизвольно не сбросился от наводок.

Резисторы R3 и R4 образуют делитель напряжения для контроля заряда батареи, коэффициент делителя = 2. Максимальное входное напряжение взято за 6 вольт, 6/2 = 3 вольта. Т.к. опорное напряжение равно напряжению питания контроллера = 3.3 вольта, то этого достаточно для измерения уровня напряжения батареи до 6 вольт.

Резисторы R5 и R6 - ограничивающие резисторы для питания светодиодов.

IC2 - линейный стабилизатор напряжения на 3.3 В. Причина, по которой было выбрано питание 3.3 В, описана выше.

Диод DL4148 установлен для защиты от неправильной подачи полярности питания.

С1 и L1 - фильтр питания для опорного напряжения АЦП микроконтроллера.

С2 и С3 - взято из документации на микроконтроллер.

С4 - фильтр в цепи питания микроконтроллера.

С5 и С6 - сглаживающие конденсаторы в цепи питания.

С7 - фильтр в цепи питания SD-карты.

Все компоненты взяты в корпусе для поверхностного монтажа, это необходимо для уменьшения габаритов устройства.

Программируется микроконтроллер посредством загрузчика UART (bootloader), который был предварительно записан в микроконтроллер. Переходник USB-UART подключается к разъему JP4 соответственно схеме.

2.3 Разработка конструкции

2.3.1 Печатная плата

Для разработки печатной платы используется программа DipTrace.

DipTrace - это многофункциональная САПР по разработке электронных печатных плат и схемотехнической документации для проектов любой сложности, от идеи до готового устройства.

САПР включает в себя схемотехнику и редактор плат.

DipTrace Schematic - это современный программный инструмент по разработке сложных многоуровневых иерархических принципиальных схем со множеством функций по созданию визуальных и логических связей между выводами компонентов.

Все функции и инструменты просты и понятны. Выводы можно соединять визуально с помощью соединений и шин, или же логически, без соединений, используя сетевые и порты шин, либо просто по имени.

DipTrace позволяет обмениваться схемами и чертежами с другими САПР-системами (DXF, P-CAD, PADS, OrCAD, Eagle). В том числе в виде списков соединений в форматах - Accel, Allegro, Mentor, Protel и Tango.

Стандартный пакет библиотек DipTrace включает более 130 тыс. компонентов, около 15200 корпусов и поставляется вместе с программой. Редакторы корпусов и компонентов позволяют создавать недостающие компоненты в считанные минуты. [6]

Интерфейс схемотехники в соответствии с рисунком 2.6.

Рисунок 2.6 - Схемотехника DipTrace

DipTrace PCB Layout - редактор плат. Это современный инструмент по разработке электронных печатных плат с мощным автотрассировщиком и автоматическим позиционированием компонентов, возможностью копирования трассировки между иерархическими блоками и всеми необходимыми функциями для быстрой и продуктивной работы.

Интерфейс DipTrace редактора плат в соответствии с рисунком 2.7.

Рисунок 2.7 - Редактор плат DipTrace

Корпуса на плате можно расположить вручную, в том числе с помощью инструмента "Позиционирование по списку", либо автоматически, в соответствии с настройками и оптимальной длинной будущих дорожек.

Дорожки можно проводить вручную со стандартными углами, в свободном режиме или в режиме "Дуги/Кривые". Все основные параметры трассировки - режим, форму текущего сегмента, ширину, слой и прочее меняются "на ходу" настраиваемыми горячими клавишами.

Проверка трассировки DRC в реальном времени сканирует плату и сообщает о нарушениях в зазорах объектов, исходя из текущих настроек по типам, слоям, классам сетей и межклассовым параметрам.

3D-модель печатной платы в соответствии с рисунком 2.8.

Рисунок 2.8 - 3D-модель печатной платы

Далее следует изготовление печатной платы. Весь процесс можно условно разделить на пять основных этапов:

* предварительная подготовка заготовки (очистка поверхности, обезжиривание);

* нанесение защитного покрытия;

* удаление лишней меди с поверхности платы (травление);

* очистка заготовки от защитного покрытия;

* сверловка отверстий, покрытие платы флюсом, лужение.

В работе использовалась наиболее распространенная «классическая» технология, при которой лишние участки меди с поверхности платы удаляются путем химического травления. Помимо этого возможно, например, удаление меди путем фрезерования или с использованием электроискровой установки. [7] Однако эти способы не получили широкого распространения ни в радиолюбительской среде, ни в промышленности.

Предварительная подготовка платы заключается в подготовке поверхности будущей печатной платы к нанесению на нее защитного покрытия. Весь процесс сводится к удалению окислов и загрязнений с поверхности платы с использованием различных абразивных средств и последующему обезжириванию. Для обезжиривания используется мягкая ткань, не оставляющая волокон, смоченная спиртом. После обезжиривания плату следует промыть в проточной холодной воде.

Для нанесения защитного покрытия использовалась технология «лазерного принтера и утюга». Основу технологии составляет перенос тонера (порошка, используемого при печати в лазерных принтерах) с подложки на печатную плату. Первый этап заключается в печати зеркального изображения печатной платы на подложке. Вторым этапом является прикладывание подложки с тонером к предварительно очищенной плате с последующим нагревом до температуры, немного превышающей температуру плавления тонера. Последним этапом является отделение подложки с помощью размачивания в горячей воде. [7]

Для травления был использован раствор хлорного железа (FeCL3), который является самым известным и популярным реактивом. По окончании травления плату необходимо промыть большим количеством воды для нейтрализации остатков кислоты.

После завершения травления и промывки платы необходимо очистить ее поверхность от защитного покрытия. Сделано это при помощи органического растворителя - ацетона.

Далее необходимо просверлить отверстия. После сверловки обработать отверстия: удалить все заусенцы и зазубрины наждачной бумагой.

Завершающим этапом является покрытие платы флюсом с последующим лужением.

2.3.2 Внешнее оформление

После изготовления печатной платы к ней были припаяны все необходимые элементы, выбранные в корпусах для поверхностного монтажа.

Внешний вид готовой платы в соответствии с рисунками 2.9 и 2.10.

Рисунок 2.9 - Плата электрокардиографа, вид сверху

Рисунок 2.10 - Плата электрокардиографа, вид снизу

Затем плату и батарейный блок необходимо поместить в корпус с отверстиями для светодиодов, microSD-карты, электродов и выключателя.

Вид кардиографа внутри корпуса и готовый кардиограф приведены в соответствии с рисунками 2.11 и 2.12 соответственно.

Рисунок 2.11 - Кардиограф внутри корпуса

Рисунок 2.12- Готовый кардиограф

2.4 Разработка программного обеспечения

2.4.1 Среда разработки

В качестве среды разработки программного кода была использована программная оболочка Arduino IDE.

Arduino - торговая марка аппаратно-программных средств для построения систем автоматики и робототехники. Программная часть состоит из бесплатной программной оболочки для написания программ, их компиляции и программирования аппаратуры.

В программной оболочке имеется текстовый редактор, менеджер проектов, препроцессор, компилятор и инструменты для загрузки программы в микроконтроллер.

Язык программирования Arduino является стандартным C++ (используется компилятор AVR-GCC) с некоторыми особенностями, облегчающими написание программы.

Программы, написанные в Arduino, называются наброски (или иногда скетчи - варваризм от англ. sketch) и сохраняются в файлах с расширением ino. Эти файлы перед компиляцией обрабатываются препроцессором Arduino. Также существует возможность создавать и подключать к проекту стандартные файлы C++.

Обязательную в C++ функцию main() препроцессор создает сам, вставляя туда необходимые «черновые» действия. [8]

Для работы необходимо написать две обязательные функции: setup() и loop(). Первая вызывается однократно при старте, вторая выполняется в бесконечном цикле.

В текст программы не обязательно вставлять заголовочные файлы используемых стандартных библиотек. Эти заголовочные файлы добавит препроцессор Arduino в соответствии с конфигурацией проекта. Однако пользовательские библиотеки нужно указывать.

Arduino IDE не предлагает никаких настроек компилятора и минимизирует другие настройки, что упрощает работу и уменьшает риск возникновения проблем.

Загрузка программы в используемый микроконтроллер ATmega328P-AU происходит через предварительно записанный в него загрузчик UART(bootloader).

Для построения графиков используется программа Gnuplot.

Gnuplot - свободная программа для создания двух- и трёхмерных графиков.

Имеет собственную систему команд, может работать интерактивно (в режиме командной строки) и выполнять скрипты, читаемые из файлов. Также используется в качестве системы вывода изображений в различных математических пакетах: GNU Octave, Maxima, Reduce и других.

Gnuplot выводит графики как непосредственно на экран (интерактивный режим), так и в файлы различных графических форматов (командный режим работы), таких как PNG, EPS, SVG, JPEG. [8]

При запуске программы появляется приглашение:

gnuplot>

Далее необходимо ввести команду с клавиатуры, например:

gnuplot>plot “xyz.txt” u 1:2 with lines 2

Эта строка вызовет создание окна с графиком зависимости, данные для которой берутся из 1 колонки файла xyz.txt для x-оси и 2 колонки для y-оси.

Параметр with lines (можно просто w l) указывает, что график нужно строить в виде линии. Наиболее используемые стили графиков:

w l (with lines) - линия;

w d (with dots) - точки минимального размера;

w p (with points) - точки-символы разной формы;

w i (with impulses) - колонки-столбцы гистограммы.

Так же можно управлять цветом графика.

Пример команды и её выполнения в интерактивном режиме в соответствии с рисунком 2.13.

Рисунок 2.13 - Пример работы программы Gnuplot

Для дополнительной обработки электрокардиограммы была написана программа на языке С++ в среде Dev-C++.

Dev-C++ - это интегрированная среда для программирования на языках С и C++, работающая под управлением операционной системы Windows. Среда Dev-C++ распространяется свободно с исходными кодами (на Delphi).

IDE бесплатна и с открытым исходным кодом. Поставляется в виде установщика или портабельной версии, позволяющей легко транспортировать среду программирования вместе с проектами. [8]

Главное окно программы представлено тремя панелями: слева - менеджер проектов и браузер классов, по центру - редактор, и снизу - информационная панель.

Окно программы в соответствии с рисунком 2.14.

Рисунок 2.14 - Окно программы Dev-C++

Программа, написанная на языке С++, состоит из операторов. Каждый оператор вызывает выполнение некоторых действий на соответствующем шаге выполнения программы.

При написании операторов применяются латинские прописные и строчные буквы, цифры и специальные знаки. В персональном компьютере символы хранятся в виде кодов. Соответствие между каждым символом и его кодом задается специальной кодовой таблицей. На нее разработан стандарт ASCII, поэтому коды символов называют ASCII-кодами.

Программы оперируют с различными данными, которые могут быть простыми и структурированными. Простые данные - это целые и вещественные числа, символы и указатели (адреса объектов в памяти). Целые числа не имеют, а вещественные имеют дробную часть. Структурированные данные - это массивы и структуры.

В языке С++ различают понятия "тип данных" и "модификатор типа". Тип данных - это, например, целый, а модификатор - со знаком или без знака.

Можно выделить пять базовых типов, которые задаются следующими ключевыми словами:

char - символьный;

int - целый;

float - вещественный;

double - вещественный двойной точности;

void - не имеющий значения.

Объект некоторого базового типа может быть модифицирован. С этой целью используются специальные ключевые слова, называемые модификаторами. В стандарте ANSI языка Си имеются следующие модификаторы типа:

unsigned

signed

short

long

Модификаторы записываются перед спецификаторами типа, например: unsigned char.

Все переменные до их использования должны быть определены (объявлены). При этом задается тип, а затем идет список из одной или более переменных этого типа, разделенных запятыми. Например:

int a, b, c;

char x, y;

В языке возможны глобальные и локальные объекты. Первые определяются вне функций и, следовательно, доступны для любой из них. Локальные объекты по отношению к функциям являются внутренними. Они начинают существовать, при входе в функцию и уничтожаются после выхода из нее.

Выполнение программы всегда начинается с вызова функции main( ), которая содержит тело программы. Тело программы, как и тело любой другой функции, помещается между открывающей и закрывающей фигурными скобками.

Операторы цикла. Циклы организуются, чтобы выполнить некоторый оператор или группу операторов определенное число раз. В языке Си три оператора цикла: for, while и do - while.

Оператор for записывается в следующем виде:

for (выражение_1; выражение_2; выражение_3) тело_цикла

Выражение_1 присваивает начальное значение управляющей переменной, выражение_З изменяет его на каждом шаге, а выражение_2 проверяет, не достигло ли оно граничного значения, устанавливающего необходимость выхода из цикла.

Оператор while формально записывается в таком виде:

while. (выражение) тело_цикла

Выражение в скобках может принимать ненулевое (истинное) или нулевое (ложное) значение. Если оно истинно, то выполняется тело цикла и выражение вычисляется снова. Если выражение ложно, то цикл while заканчивается.

Оператор do-while записывается следующим образом:

do {тело_цикла} while (выражение);

Основным отличием между циклами while и do - while является то, что тело в цикле do - while выполняется по крайней мере один раз. Тело цикла будет выполняться до тех пор, пока выражение в скобках не примет ложное значение. Если оно ложно при входе в цикл, то его тело выполняется ровно один раз. [9]

2.4.2 Разработка блок-схемы алгоритмов

Работа электрокардиографа описана в блок-схеме в соответствии с рисунком 2.15.

Рисунок 2.15 - Блок-схема программы

2.4.3 Разработка программы. Описание

Код программы указан в Приложении Б.

Главной задачей микроконтроллера ATmega 328P-AU является считывание данных с АЦП каждые 10 мс и запись полученных данных на microSD-карту в документ ECG.txt.

Первым шагом в написании программы является включение сторонних библиотек. Это выполняется при помощи директивы #include. В моей работе необходимы две библиотеки, одна для подключения microSD-карты, другая для непосредственной работы с ней.

В операторе setup( ) необходимо сконфигурировать для работы на вход или выход все используемые порты, а именно: весь интерфейс SPI (порты выводов MOSI, MISO, SCK, SS), аналоговый вход для работы с AD8232 и аналоговые выходы для светодиодов.

Для считывания сигнала создан массив (буфер). С каждым машинным циклом считывается значение с аналогового входа (АЦП), помещается во второй столбец массива и значение буфера увеличивается на 1. В первый столбец массива записывается время, которое с каждым машинным циклом увеличивается на 10. Два столбца необходимы для дальнейшего построения графика: x - время, y - уровень напряжения. Когда значение буфера достигает максимального (128), происходит запись на microSD-карту и сброс значения буфера в 0. Данный цикл является бесконечным и повторяется каждые 10 мс при помощи задержки delay( ).

Зеленый светодиод сигнализирует о том, что происходит корректное чтение с датчиков. Для этого создано условие: если значение с датчиков больше или равно 900мВ - светодиод загорается.

Красный светодиод сообщает о заряде батареи. Полный заряд трёх батареек АА равен 4,5 В. Устройство питается от 3,3 В. Напряжение контролируется через аналоговый вход. Работа реализована на основе счётчика времени. Красный светодиод зажигается и задаётся время до следующего мигания, которое зависит от ёмкости. Чем меньше ёмкость батареи, тем меньше время до следующего зажигания. Соответственно, когда батарея будет почти разряжена, светодиод будет очень часто моргать, что сигнализирует о необходимости замены батареек.

Для дополнительной обработки сигнала была написана программа в Dev- C++. Код программы указан в Приложении В.

Работа программы заключается в обработке полученного массива время-напряжение в файле ecg.txt. Если значение напряжения больше предыдущего и следующего, то оно и соответствующее ему время записывается в итоговый файл ecg2.txt. Таким образом программа отбрасывает значения шума.

2.5 Экспериментальное исследование