سنسورهای بایو مدیکال
سنسورهای بایو مدیکال، دستگاه های الکترونیکی خاصی هستند که می توانند سیگنال های زیست پزشکی را به سیگنال های الکتریکی قابل اندازه گیری تبدیل کنند. امروزه سنسورهای بایو مدیکال عنصر کلیدی در ابزارها و تجهیزات تشخیصی پزشکی هستند.
سنسورهای بایو مدیکال به طور گسترده در تجزیه و تحلیل و تشخیص تصاویر پزشکی، دستگاه‌های تشخیصی قابل حمل و بالینی و کاربردهای تحلیلی آزمایشگاهی استفاده میشوند.
این سنسورها معمولاً بر اساس کمیتی که اندازه‌گیری میکنند طبقه‌بندی میشوند و بسته به کاربردهای خاصشان معمولاً به‌عنوان فیزیکی، الکتریکی یا شیمیایی دسته بندی میشوند.
سنسورهای ECG
الکتروکاردیوگرام (Electro Cardio Gram ) دستگاهی است که سیگنال های الکتریکی قلب را ثبت می کند. استفاده از الکتروکاردیوگرام یک نوع آزمایش رایج و بدون درد است که برای تشخیص سریع مشکلات قلبی و نظارت بر سلامت قلب استفاده می شود.
الکتروکاردیوگرام که به اختصار ECG یا EKG نیز نامیده می شود، اغلب در مطب ارائه دهنده مراقبت های بهداشتی، کلینیک‌ها و یا بیمارستان‌ها استفاده می شود. دستگاه های نوار قلب تجهیزات استانداردی برای استفاده در اتاق های عمل و آمبولانس ها هستند. برخی از دستگاه های شخصی، مانند ساعت های هوشمند نیز دارای قابلیت مانیتورینگ ECGهستند.
مروری بر سنسور MAX30003
MAX30003 یک سنسورآنالوگ Front_end تک کاناله‌ی تشخیص R_to_R و شکل موج ECG و ضربان قلب، با توان مصرفی فوق‌العاده کم میباشد که در پکیج 28 پین TQFN قرار دارد و در محدوده‌ی دمایی 0 °C تا +70 °C کار می کند.
کانال بایو پتانسیل این سنسور دارای محافظ ESD، فیلتر EMI، بایاسینگ داخلی لید، تشخیص DC جدا شدن لیدها، تشخیص اتصال لیدها با انرژی بسیار کم در حالت standby ، نویز کم، بهره قابل تنظیم، CMRR بالا، مبدل آنالوگ به دیجیتال با وضوح بالا و دامنه‌ی ولتاژهای کالیبراسیون گسترده برای تست داخلی میباشد.
FIFO این سنسور با سایز 32word ، این امکان را برای کاربران فراهم آورده است که بتوانند هر 256 میلی ثانیه ، دیتای کامل ECG را با میکروکنترلر بخوانند.
مشخصات فنی
کاربردها
- Number Of Channels: 2
- Output type: Digital – SPI
- ADC Resolution: 24 Bit
- Data rate: 125SPSP to 8kSPS
For more specifications, please refer to datasheet
- Medical instrumentation (ECG) including:
– Patient monitoring: Holter, event, stress, and vital signs including ECG, AED, and telemedicine
– Personal care and fitness monitors
(heart rate, respiration, and ECG)
- High-precision, simultaneous, multichannel data acquisition
ویژگی‌های ماژول GebraBit MAX30003
- User Selectable I/O logic level voltage between 1V8 and 3V3
- 768Khz crystal oscillator clock source
- 1V8 Voltage Regulator
- 1V8 Output Voltage
- Can use 3-lead ECG cable with 3.5mm phone male jack
- ON/OFF LED indicator
- Access to important I/O of MAX30003
- SPI interface for reading data and configuring the sensor
- Pin Compatible with GEBRABUS
- It can be used as a daughter board of GEBRABIT MCU Modules
- Featuring Castellated pad (Assembled as SMD Part)
- Separatable screw parts to reduce the size of the board
- Package: GebraBit small (36.29mm x 32.72mm)
ماژول GebraBit MAX30003
GebraBit MAX30003، یک ماژول بیوپتانسیل تشخیص شکل موج ECG و ضربان قلب تک کاناله با دو الکترود میباشد که با تغذیه 3.3 ولتی ناشی از رگولاتور 1.8 ولتی کار می‌کند. همچنین این ماژول یک جامپر سلکتور برای انتخاب سطح منطقی ولتاژ پایه‌های ورودی/خروجی (I/O) ماژول بین “1V8” یا “3V3” دارد؛ که این ویژگی موجب شده تا بتوان از طیف وسیعی از میکروکنترلرها برای ارتباط با این ماژول استفاده کرد.
ماژول GebraBit MAX30003 برای تشخیص شکل موج ECG و ضربان قلب، از تک کانال بیوپتانسیلی آی سی سنسور MAX30003 استفاده می‌کند.
برای خواندن دیتا و کانفیگ سنسور، رابط سریال SPI نیاز است.
با توجه به پکیج TQFN سنسور MAX30003 ، برای توسعه سخت افزاری و البته توسعه نرم افزاری سنسور، کاربر نیاز به یک مدار راه انداز و درایور دارد.GebraBit برای راحتی کاربران، این امر را با پیاده سازی مدار سنسور MAX30003 و ارایه دسترسی به پین های سیگنال های ارتباطی و تغذیه ، محق ساخته است.
کافیست ماژول GebraBit MAX30003 را در BreadBoard قرار داده سپس با اعمال ولتاژ مورد نیاز، ماژول GebraBit MAX30003 را با هریک از برد های اردوینو، رزبری پای ، دیسکاوری و مخصوصا ماژول GebraBit STM32F303 یا GebraBit ATMEGA32 که پیشنهاد ما استفاده از ماژول های توسعه میکروکنترلری GebraBit هست،راه اندازی و دیتا را دریافت کنید.
دلیل پیشنهاد ما در راه اندازی ماژول GebraBit MAX30003 با ماژول های توسعه میکروکنترلری GebraBit مانند GebraBit STM32F303 یا GebraBit ATMEGA32 ،وجود رگولاتور داخلی 3V3 در آنها و سازگاری ترتیب پین های همه ماژول های GebraBit با هم بوده(استاندارد GEBRABUS) که فقط کافیست ماژول GebraBit MAX30003 را مانند تصویر بالا در سوکت مربوطه قرار داده و بدون نیاز به سیم کشی ،ماژول سنسور مورد نظر را توسعه دهید.
معرفی بخش های ماژول
سنسور MAX30003
ای سی اصلی این ماژول بوده که در مرکز ماژول قرار گرفته که وظیفه تشخیص شکل موج ECG و مانیتورینگ ضربان قلب را برعهده دارد.
جک هدفون 3.5mm
این جک هدفون به منظور اتصال لیدهای ECG به ماژول بوده و برای دریافت سیگنال های ضربان قلب استفاده میشود.
برای اتصال دستگاه به بدن ، هر کابل ECG با جک هدفون نری 3.5 میلی‌متری 3 لید، می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد.
لازم به ذکر است که در این ماژول فقط از 2 لید کابل ECG استفاده میشود!
در کابل‌های ECG سه لید، لیدها به سه رنگ قرمز ، سبز و زرد هستند که لید قرمز به دست راست، لید زرد به دست چپ و لید سبز به پای راست شخص وصل میشود.
با اتصال جک هدفون نری کابل ECG به سوکت مربوطه روی ماژول و چسباندن صحیح لیدها ، ماژول فعال شده و مانیتورینگ ضربان قلب انجام میشود.
سیگنال خروجی از نظر شکل، تمیزی و سطح ولتاژ مشابه سیگنال نمونه در تصویر زیر است.
جامپر سلکتور ولتاژ تغذیه
با توجه به وضعیت مقاومت 0R این جامپر ، ولتاژ تغذیه سنسور از بین 1V8 و3V3 انتخاب میشود.
رگولاتور1.8V XC620P182MG
ماژول GebraBit MAX30003 با تغذیه 3.3 ولتی ناشی از رگولاتور 1.8 ولتی کار می‌کند. خروجی این رگولاتور توسط پین “1V8” قابل دسترس است. همچنین به سبب وجود این رگولاتور این ماژول یک جامپر سلکتور برای انتخاب سطح منطقی ولتاژ پایه‌های ورودی/خروجی (I/O) ماژول بین “1V8” یا “3V3” دارد؛ که این ویژگی موجب قابل استفاده شدن طیف وسیعی از میکروکنترلرها برای ارتباط با این ماژول شده است.
کریستال اسیلاتور32.768KHz
کریستال اسیلاتور 32.768 کیلوهرتزی به عنوان کلاک خارجی در این ماژول به کار رفته و به منظور کنترل سمپلینگ مبدل‌های سیگما_دلتای داخلی و دسیماتور به پایهFCLK آی سی متصل شده است
تغذیهLED
با اعمال ولتاژ به ماژول توسط پین مربوطه، LED ماژول روشن می شود.
پین های ماژول
پین های تغذیه
- 1V8و3V3 : این پین‌ها می توانند با توجه به وضعیت Jumper Selector ولتاژ تعبیه شده روی برد، تغذیه اصلی سنسور را تامین کنند.
- GND : این پین زمین مشترک برای تغذیه ماژول است.
پین های SPI
- SDI(MOSI) : از این پین، برای ارسال دیتا از میکروکنترلر(پردازنده) به ماژول(سنسور) استفاده میشود.نام اختصاری این پین برگرفته از عبارت لاتین Serial Data In / Microcontroller Out Sensor In می باشد.
- SDO(MISO) : از این پین، برای ارسال دیتا از ماژول(سنسور) به میکروکنترلر(پردازنده) استفاده میشود.نام اختصاری این پین برگرفته از عبارت لاتین Serial Data Out / Microcontroller In Sensor Out می باشد.
- SCK : این پین، پین کلاک برای ارتباط SPI بوده که از نوع ورودی (Input) برای سنسور محسوب و به پین کلاک متناظر در میکروکنترلر(پردازنده) ، متصل می شود.
- CS : این پین، پین Chip Select برای ارتباط SPI با ماژول(سنسور) می باشد، که با اعمال ولتاژ LOW (0V) ،ماژول(سنسور) برای ارتباط SPI انتخاب می شود.این پین از نوع ورودی (Input) برای سنسور محسوب می شود.
در صورتی که می خواهید از چندین ماژول GebraBit MAX30003 به صورت همزمان استفاده کنید، کافیست پین های SDO , SDI , SCK همه ماژول ها و میکرکنترلر(پردازنده) را به هم متصل کرده و به CS هر کدام، یک پین منحصر به فرد اختصاص دهید.
دیگر پین ها
- INT : پین Interrupt (وقفه) سنسورMAX30003 بوده که با توجه به دیتاشیت سنسور، کاربر می تواند شرایط وقوع وقفه،حالات و روش های وقوع وقفه و … را تنظیم کند.
- IN2 : این پین، پین دوم خروجی وقفه است و یک خروجی active-low میباشد که میتوان از آن برای قطع کردن یک دستگاه خارجی استفاده کرد.
اتصال به پردازنده
اتصال SPI با GebraBit STM32F303
برای اتصال SPI ماژول GebraBit MAX30003به ماژول میکروکنترلرGebraBit STM32F303 بعد از تعریف کردن SDI و SDO و SCK و CS رو پین های PB5 و PB4 و PB3 و PC13 (برای راحتی کار در STMCUBEMX) ماژول GebraBit MAX30003 را به صورت Pin to Pin به راحتی بر روی ماژول GebraBit STM32F303 قرار دهید:
اتصال SPI با GebraBit ATMEGA32A
با توجه به اینکه پین های SPI میکروکنترلر ATMEGA32A بر اساس استاندارد GEBRABUS متناظر با پین های SPI دیگر ماژول های GEBRABIT می باشد، ماژول GebraBit MAX30003 را به صورت Pin to Pin به راحتی بر روی ماژول GebraBit ATMEGA32A قرار داده و با ماژول GebraBit MAX30003 از طریق SPI ارتباط برقرار کنید:
توجه: در صورت استفاده از ماژول‌های میکروکنترلری GebraBit توجه داشته باشید که جامپر سلکتور ولتاژ تغذیه ماژول GebraBit MAX30003 روی 3V3 باشد تا بتوانید با گرفتن ولتاژ3V3 از ماژول میکروکنترلری راحت تر ماژول MAX30003 را فعال کنید.
اتصال SPI با ARDUINO UNO
برای اتصال SPI ماژول GebraBit MAX30003به ARDUINO UNO مراحل زیر را دنبال کنید:
- پین 3V3 ماژول MAX30003 را به پین 3V3 خروجی برد ARDUINO UNO متصل کنید.(سیم قرمز)
- پین GND ماژول MAX30003 را به پین GND برد ARDUINO UNO متصل کنید.(سیم سیاه)
- پین SDI ماژول MAX30003 را به پین D11 برد ARDUINO UNOمتصل کنید.(سیم زرد)
- پین SDO ماژول MAX30003 را به پین D12 برد ARDUINO UNOمتصل کنید.(سیم بنفش)
- پین SCK ماژول MAX30003 را به پین D13 برد ARDUINO UNOمتصل کنید.(سیم نارنجی)
- پین CS ماژول MAX30003 را به پین D10 برد ARDUINO UNOمتصل کنید.(سیم آبی)
نحوه اتصال موارد ذکر شده در بالا،در این تصویر مشاهده می شود: