Obţinerea unor măsurători precise în proiectarea de aparatură medicală

7 DECEMBRIE 2010

O decizie esenţială şi un factor de succes în orice aplicaţie pentru măsurări medicale este alegerea modulului de conversie analog-digitală (ADC). Toate aparatele de măsură şi monitoarele transformă semnalele din lumea reală (care sunt analogice prin definiţie) în domeniul electronicii digitale, pentru procesare, stocare, afişare şi transmitere. Cele mai obişnuite mărimii citite de un microcontroler (MCU) şi convertite de modulul ADC sunt tensiunea şi curentul, întrucât toţi senzorii fac conversia în acest domeniu electric.

Selectarea unui MCU corect, cu cel mai potrivit modul ADC, pentru o aplicaţie a unui proiectant de sistem nu se face printr-o simplă căutare a granularităţii semnalului. Rezo­luţia are rolul ei, însă viteza, liniaritatea, zgomotul şi alţi factori care contribuie la erorile de măsurare trebuie să fie de asemenea analizate, iar implicaţiile lor, înţelese, pentru a alege produsul MCU corect, pentru a cunoaşte modulul ADC, a minimiza efectele nedorite şi chiar a utiliza aceşti factori în avantajul sistemului.

Microcontrolerele Flexis de 8 biţi şi 32 de biţi de la Freescale sunt realizate pentru a satisface cerinţele de robusteţe în măsurare necesare dispozitivelor medicale portabile. Motorul de măsurare Freescale integrat pe cip reprezintă funcţionalitatea analogică a familiei.

ADC SAR de 16 biţi
În centrul motorului de măsurare se află convertorul analog-digital prin aproximări succesive pe 16 biţi. Acest ADC asigură precizia cerută, viteza şi robusteţea necesare în aplicaţiile de măsurări medi­cale. Un ADC de 16 biţi este o cerinţă obişnuită şi el va furniza <= 13,5 din numărul efectiv de biţi (ENOB), ceea ce reprezintă nivelul său real de precizie. Reţineţi că acest număr are la bază 4 intrări diferenţiale împerecheate, la o frecvenţă de 100KHz sau mai mare. ADC-ul poate fi calibrat integral. Se recomandă să fie calibrat după o resetare a tensiunii de alimentare, pentru a se asigura întotdeauna cele mai precise măsurători. Viteza de conversie a unui ADC este, de asemenea, o componentă critică în aplicaţiile medicale. Timpul de conversie este legat direct de numărul de canale pe care se face eşantionarea, însă dacă semnalul de tact al magistralei şi cel al ADC-ului sunt de 8MHz, un timp de conversie tipic ar fi de 4,5μs. La fel ca şi modulul ADC, motorul de măsurare include, de asemenea, şi alte module esenţiale. Blocul de întârziere programabil (PDB)
Cele mai comune forme de măsurare sunt cele în tensiune şi curent. Aplicaţiile vor măsura deseori ambele mărimi şi de obicei se observă un decalaj între tensiunea şi curentul de intrare. Blocul de întârziere programabil vă permite să sincronizaţi procesarea semnalelor de intrare pentru a minimiza întreruperile către procesorul central. PDB poate contribui la îmbunătăţirea performanţelor de ansamblu ale aplicaţiei şi a preciziei aplicaţiei prin utilizarea unor timpi de eşantionare predefiniţi, de mare precizie.

Comparator analogic programabil (AMCP)
Acest comparator analogic are un modul referinţă de tensiune programabilă integral pentru a îmbunătăţi flexibilitatea comparatorului.

Comparator digital-analogic de 12biţi (DAC)
Integrând DAC-ul pe cip, puteţi să luaţi semnalul de ieşire digital de la ADC şi să-l trimiteţi la comparatorul analogic pentru o monitorizare simplă şi funcţii de comparare şi management cu precizie mărită.

Amplificatoare cu funcţionare de operaţionale şi transimpedanţă (Op Amps)
Op amps integrate permit detectarea precisă a semnalelor de intrare în etaje cu câştiguri diferite. Integrarea lor pe cip economiseşte componente externe şi spaţiu pentru cablajul imprimat, rezultând un produs mai mic şi mai ieftin.

Soluţii compatibile de 8/32 biţi, consum energetic redus pentru aplicaţii portabile
Pe lângă motorul de măsurare analogic, Flexis MM de 8 şi 32de biţi oferă o gamă de caracteristici care le face adecvate pentru aplicaţiile medicale portabile. Aceste dispozitive asigură o funcţionare cu consum energetic foarte redus şi conectivitate USB.

Conectarea la afişoare
Opţional, proiectanţii au posibilitatea să adauge afişoare când utilizează gama Flexis MM. Nota de aplicaţie AN3142 explică în ce mod se comandă LCD-urile cu segmente prin pinii GPIO. În plus, Freescale demonstrează, prin intermediul platformei hardware TWR-LCD, cum se comandă afi­ş­oarele grafice TFT mici, de 3,5”, cu ecran tactil, prin intermediul SPI, sau, pentru un plus de func­ţiona­lităţi, printr-o interfaţă paralelă precum magistrala externă disponibilă MCF51MM de 32 de biţi.
Freescale furnizează toată documentaţia pentru hardware şi software, pentru a sprijini dezvoltarea cu afişoare LCD fie cu segmente, fie cu grafice.

Compatibilitate cu 8 şi 32 de biţi
Toate funcţiile menţionate sunt disponibile atât la MC9S08MM de 8 biţi, cât şi la MCF51M de 32 de biţi. Din seria Flexis de microcontrolere de la Freescale, gama MM oferă compatibilitate totală de la 8 la 32 de biţi, care include compatibilitea la pini, compatibilitatea perifericelor şi un set comun de instrumente de dezvoltare.
Familia Flexis MM permite proiectanţilor de sisteme să selecteze cea mai potrivită arhitectură: fie opţiunea ieftină, de 8 biţi, fie cea cu performanţe mai bune, de 32de biţi, pentru a crea soluţii mai dedicate la cost optim pentru piaţa lor ţintă din spaţiul aparaturii medicale portabile.

Ofertă complexă, completă, preintegrată şi testată
Dispozitivele MM256/128, ca şi alte microcontro­lere USB din gama de controlere de la Freescale, sunt însoţite de un set complet de software complementar şi componente hardware.

Freescale MQX este un RTOS robust, cu toate funcţionalităţile care includ o stivă USB care poate fi utilizată cu opţiunea de 32 de biţi MCF51MM. Această stivă USB suplimentară asigură suport pentru mai multe clase, printre care MSD, HID, CDC şi clasa de aparatură personală pentru monitorizarea stării de sănătate (PHDC), în timp ce Biblioteca medicală conectabilă permite comunicarea între dispozitive (conform IEEE 11073). Stiva USB Stack este disponibilă, de asemenea, într-o formă metalică simplă, fără RTOS MQX, şi poate fi utilizată atât cu dispozitive S08MM de 8 biţi, cât şi cu dispozitive MCF51MM de 32 de biţi.
În sprijinul soluţiilor de afişare grafică, Freescale a lansat recent soluţia software Freescale eGUI (enhanced Graphical User Interface). Este o interfaţă GUI completă, care include funcţii predefinite şi grafică comune multor interfeţe HMI, oferind o platformă pentru evaluarea rapidă şi simplă a produselor şi pentru dezvoltarea de aplicaţii. eGUI de la Freescale se poate utiliza gratis, iar codul sursă este oferit spre editare dezvoltatorilor.

Exemplu de aplicaţie
În exemplul următor, examinăm un glucometru medical portabil pentru utilizare la domiciliu cu capabilităţi MMS. Toate produsele medical portabile pentru utilizare la domiciliu necesită baterii cu durată de viaţă lungă, timp de răspuns rapid, procesare robustă a datelor şi interfeţe de comunicare cu şi fără fir. Senzorii de presiune şi acceleraţie caracteristici sistemelor microelectromecanice (MEMS) pot fi utilizaţi şi pentru detectarea parametrilor fizici care asigură o conversie precisă a semnalelor naturale continue în tensiuni sau curenţi, pe care microcontrolerele le pot procesa prin intermediul modulului ADC. Diabeticii trebuie să-şi monitori­zeze glucoza din sânge şi să şi-o menţină sub control de-a lungul zilei. Ca urmare, piaţa de aparatură medicală pentru utilizare la domiciliu a dezvoltat produse pentru această piaţă secundară, pentru a le simplifica sarcina suferinzilor şi a le îmbunătăţi astfel modul de viaţă. Aceste dispozitive sunt alimentate de la baterii cu interfeţe cu utilizatorul relativ simple. Toate glucometrele au acum ceas cu dată şi oră şi memorie, iar multe aparate de măsură au posibilitatea de a transfera datele la un computer sau chiar la cabinetul medicului, prin intermediul reţelelor de telefonie mobilă. Unele glucometre au motoare de c.c. care împing o lanţetă în piele pentru a preleva sânge. O reacţie chimică cu proba de sânge creează un curent. Mărimea curentului corespunde nivelului de glucoză din sânge. Aceste niveluri de glucoză sunt de ordinul miligramelor pe decilitru. Până la atingerea nivelurilor maxime ale valorilor glucozei se poate aştepta câteva secunde, fiind necesară o referinţă de tensiune constantă. Precizia glucometrelor pentru utilizare la domiciliu este o preocupare firească, deoarece ele trebuie să res­pecte standardul de precizie impus de Organizaţia Internaţională pentru Standardizare (ISO) 15197, care impune ca rezultatele obţinute să se încadreze într-o toleranţă de 20% faţă de standardul de laborator în 95% din cazuri pentru concentraţii de peste 75mg/dl sau să aibă nivelurile corecte pentru concentraţii mai mici.
Printre factorii care afectează precizia acestor aparate de măsură se numără calibrarea la tempe­ratura mediului, cantitatea şi calitatea sângelui pre­levat, niveluri ridicate de alte substanţe în sânge, hematocritul, murdăria de pe aparat, umiditatea şi îmbătrânirea lamelelor de testare. Regulamentele se referă la întregul sistem. Când cerinţa pentru precizie se distribuie la toate componentele electronice active ale sistemului, cerinţele pentru specificaţiile ADC sunt, de obicei, o rezoluţie de 16 biţi cu ENOB > 13,5 biţi şi minimum patru intrări diferenţiale împerecheate (două perechi diferenţiale) şi viteze de conversie de peste 100KHz. Fiecare producător de glucoză are propria metodă de a distribui precizia, pe baza componentelor utilizate sau a algoritmilor proprii, dar parametrii de mai sus sunt citaţi consecvent ca fiind o cerinţă a pieţei de aparatură medicală pentru utilizare la domiciliu.

Flexis MM de 8 şi 32 de biţi
• Compatibile la pini integral, în capsule 80LQFP şi 81MAPBGA;
• Compatibilitate pentru perifericele din alte familii pentru maximum de reutilizare a codului;
• Instrumente de dezvoltare hardware şi software comune.

Notă: La MM de 32 de biţi se adaugă funcţionalitatea USB OTG. Plus, opţional, eterna interfaţă cu magistrala este disponibilă numai în carcase mari, 100LQFP şi 104MAPBGA.
www.farnell.com/ro

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre