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 ADS1194
ADS1194 یک سنسور 16بیتی هشت کاناله، با توانایی نمونه برداری همزمان میباشد که در پکیج 64 پین TQFPودر سایز 8×8mm قرار دارد و با نرخ داده تا 8kSPS و در محدوده‌ی دمایی 0 °C تا +70 °C کار می کند.
در ساخت این قطعه از یک مبدل آنالوگ به دیجیتال دلتا_سیگما (ΔΣ)، یک منبع داخلی، یک گین امپلی فایر قابل تنظیم و یک اسیلاتور بهره گرفته شده است.
یکی دیگر از ویژگی‌های قابل توجه سنسور ADS1194 ، آن است که این سنسور دارای یک مالتی پلکسر ورودی انعطاف پذیر در هر کانال است که می تواند به طور مستقل به سیگنال های تولید شده داخلی برای تست، اندازه گیری دما و جدا شدن هر یک از لیدها، متصل شود
مشخصات فنی
کاربردها
- Number Of Channels: 4
- Output type: Digital – SPI
- ADC Resolution: 16 Bit
- Data rate: 125SPS to 8kSPS
For more specifications, please refer to datasheet
- Medical Instrumentation (ECG) including:
– Patient monitoring; Holter, event, stress, and vital signs including ECG, AED, Telemedicine
– Evoked audio potential (EAP), Sleep study monitor
- High-Precision, Simultaneous, Multichannel Signal Acquisition
ویژگی‌های ماژول GebraBit ADS1194
- User selectable analog and digital supply voltage
- User selectable ADS1194 clock source (Internal or external )
- 048 Mhz crystal oscillator
- Benefits from all 4 channels of ADS1194
- Custom-built TYPE-C 5 lead ECG cable
- ON/OFF LED indicator
- Access to important I/O of ADS1194
- 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 large (36.29mm x 61.23mm)
ماژول GebraBit ADS1194
ماژول GebraBit ADS1194، یک ماژول 16 بیتی سنسور ECG پنج لید با 4 کانال نمونه‌برداری میباشد و به دو ولتاژ برای تغذیه‌ی آنالوگ و دیجیتال ADS1194 نیاز دارد.
ماژول GebraBit ADS1194 ، به دلیل وجود سوکت مادگی تایپ Cروی آن، از همه‌ی چهار کانال سنسور ADS1194 استفاده می‌کند که به این منظور، GebraBit باتوجه به کانکتور تایپC روی ماژول ، یک کابل 5 لید ECG اختصاصی تهیه کرده است که کاربران میتوانند با مراجعه به بخش فروشگاه شاپ ردرونیک به این آدرس آن را تهیه کنند.
همچنین از طریق دو پین اضافی تعبیه شده در بالای هرکدام از پین‌های سمت راست و چپ ماژول امکان دسترسی به همه‌ی ورودی و خروجی‌های مهم ADS1194 را برای کاربر فراهم می‌آورد.
کاربر برای توسعه سخت افزاری و البته توسعه نرم افزاری سنسور ADS1194،نیاز به یک مدار راه انداز و درایور دارد.GebraBit برای راحتی کاربران این امر را با پیاده سازی مدار سنسور ADS1194 و ارایه دسترسی به پین های سیگنال های ارتباطی و تغذیه ، محق ساخته است.
کافیست ماژول GebraBit ADS1194 را در BreadBoard قرار داده سپس با اعمال ولتاژ مورد نیاز ، ماژول GebraBit ADS1194 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 ADS1194 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 ADS1194 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 ADS1194
ای سی اصلی این ماژول بوده که در مرکز ماژول قرار گرفته و مدار ان طراحی شده است.
type-C کانکتور
کانکتور type-C به منظور اتصال لیدهای ECG به ماژول بوده و برای دریافت سیگنال های ضربان قلب استفاده میشود.
این دستگاه را میتوان به وسیله‌ی یک کابل ECG پنج لید با کانکتور type-c به بدن متصل کرد که پیشنهاد ما استفاده از کابل اختصاصی طراحی شده توسط GebraBit میباشد، چرا که این کابل باتوجه به ویژگی‌های ماژول و کانکتور تایپ C به کار رفته درآن، ساخته شده است.
هر لید این کابل، دارای رنگ مخصوصی است که با توجه به آن، محل اتصال لید با بدن شخص میشود.
برای اتصال دستگاه به بدن و مانیتورینگ ضربان قلب کافیست کانکتور type-c کابل ECG را به سوکت مربوطه روی ماژول وصل کرده و لید قرمز را به شانه‌ی راست،لید زرد را به شانه‌ی چپ، لید مشکی را به پای راست و لید سبز را به پای چپ فرد و لید سفید را به وسط قفسه سینه بچسبانید.
در تصویر زیر شکل سیگنال خروجی یکی از کانال‌ها به عنوان نمونه آورده شده است.
جامپر سلکتور منبع کلاک داخلی/ خارجی
درصورتیکه مقاومت 0R به سمت چپ باشد، منبع کلاک داخلی انتخاب شده است و در صورتیکه مقاومت 0R به سمت راست باشد، منبع کلاک خارجی انتخاب میشود.
نکته: اگر جامپر سلکتور تعیین منبع کلاک داخلی/ خارجی سنسور بر روی داخلی قرار گرفته شود و جامپر سلکتور منبع کلاک خارجی روی سمت چپ باشد، کلاک داخلی سنسور بر روی پین CLK در دسترس قرار خواهد گرفت.
جامپرسلکتور منبع کلاک خارجی
درصورتیکه مقاومت 0R سمت راست باشد کریستال اسیلاتور 2.048MHz تعبیه شده بر روی برد به عنوان منبع خارجی فعال خواهد شد و در صورتیکه مقاومت 0R سمت چپ باشد، منبع کلاک خارجی از پین CLK دریافت میشود.
کریستال اسیلاتور 2.048MHz
با توجه به وضعیت جامپر سلکتور منبع کلاک خارجی، با قرار گیری مقاومت 0R در سمت چپ و اعمال ولتاژ به ماژول توسط پین مربوطه، کریستال اسیلاتور ماژول، به عنوان منبع کلاک خارجی، فعال می شود.
جامپر سلکتور ولتاژ تغذیه‌ی آنالوگ (AVDD)
با توجه به وضعیت مقاومت 0R این جامپر ، ولتاژ تغذیه آنالوگ سنسور از بین 3V3 و 5V انتخاب میشود.
جامپر سلکتور ولتاژ تغذیه‌ی دیجیتال (DVDD)
با توجه به وضعیت مقاومت 0R این جامپر ، ولتاژ تغذیه دیجیتال سنسور از بین 1V8 و 3V3 انتخاب میشود.
LED نمایشگر وضعیت روشن/خاموش سنسور
با توجه به وضعیت جامپرهای AVDD و DVDD با اعمال ولتاژ به ماژول توسط پین مربوطه، LED ماژول روشن می شود.
پین های ماژول
پین های تغذیه
- 5V و 3V3 و1V8: این پین‌ها می توانند با توجه به وضعیت Jumper Selector های AVDD وDVDD ،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 ADS1194 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.
پین های ورودی/خروجی
- GP1 : این پین، پین GPIO1 ماژول است که میتوان از آن به عنوان پین ورودی / خروجی همه منظوره استفاده کرد.
- GP2 : این پین، پین GPIO2 ماژول است که میتوان از آن به عنوان پین ورودی / خروجی همه منظوره استفاده کرد.
- GP3 : این پین، پین GPIO3 ماژول است که میتوان از آن به عنوان پین ورودی / خروجی همه منظوره استفاده کرد.
- PC1 : این پین، پین ورودی آنالوگ / خروجی بافر میباشد که بر اساس تنظیمات رجیستر، میتواند برای تست سیگنال داخلی یا خروجی بافر single-ended مورد استفاده قرار گیرد.
- PC2 : این پین، پین ورودی و خروجی آنالوگ است که بر اساس تنظیمات رجیستر، میتواند برای تست سیگنال داخلی یا خروجی بافر single-ended مورد استفاده قرار گیرد.
- PWD :این پین، پین ورودی دیجیتال است که درصورت نیاز به Power-down شدن سنسور، این پین را درحالت active-low قرار دهید
- DSY : این پین، پین ورودی دیجیتال است که به عنوان ورودی Daisy-chain مورد استفاده قرار میگیرد.
دیگر پین ها
- RST : این پین یک پین active-low بوده که میتوان از آن برای راه اندازی مجدد (ریست کردن ) دستگاه استفاده کرد.
- RDY : این پین، پین خروجی دیجیتال ماژول است که وقتی دیتا آماده میشود در حالت active-low قرار میگیرد.
- STA : این پین، پین استارت ماژول است و از آن برای روشن کردن ماژول استفاده میشود.
اتصال به پردازنده
اتصال SPI با GebraBit STM32F303
برای اتصال SPI ماژول GebraBit ADS1194به 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 ADS1194را به صورت Pin to Pin به راحتی بر روی ماژول GebraBit STM32F303 قرار دهید.
در اینجا برای درک بهتر، اتصال جداگانه ماژول ها نشان داده شده است.
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 ADS1194 را به صورت Pin to Pin به راحتی بر روی ماژول GebraBit ATMEGA32A قرار داده و با ماژول GebraBit ADS1194 از طریق SPI ارتباط برقرار کنید.
در اینجا برای درک بهتر، اتصال جداگانه ماژول ها نشان داده شده است.
توجه: در صورت استفاده از ماژول‌های میکروکنترلری GebraBit توجه داشته باشید که جامپر سلکتورهای VDD ماژول GebraBit ADS1194 روی 3V3 باشد تا راحت تر بتوانید ولتاژ3V3 را از ماژول میکروکنترلری بگیرید.
در این ماژول ، به دلیل هم سایز بودن ماژول با ماژول ATMEGA32A GebraBit و GebraBit STM32F303، ماژول‌های ATMEGA32A و STM32F303 در برد بورد قابل رویت نمیباشند.
برای درک بهتر از چگونگی روی هم قرارگرفتن این ماژول‌ها، تصویر سه بعدی قرار گرفتن ماژول ADS11194 بر روی GebraBit ATMEGA32A در زیر آورده شده است.
اتصال SPI با ARDUINO UNO
برای اتصال SPI ماژول GebraBit ADS1194به ARDUINO UNO مراحل زیر را دنبال کنید:
- پین 3V3 ماژول ADS1194 را به پین 3V3 خروجی برد ARDUINO UNO متصل کنید.(سیم قرمز)
- پین GND ماژول ADS1194 را به پین GND برد ARDUINO UNO متصل کنید.(سیم سیاه)
- پین SDI ماژول ADS1194 را به پین D11 برد ARDUINO UNO( (SDIمتصل کنید.(سیم زرد)
- پین SDO ماژول ADS1194 را به پین D12 برد ARDUINO UNO( (SDOمتصل کنید.(سیم بنفش)
- پین SCK ماژول ADS1194 را به پین D13 برد ARDUINO UNO( (SCKمتصل کنید.(سیم نارنجی)
- پین CS ماژول ADS1194 را به پین D10 برد ARDUINO UNO( (CSمتصل کنید.(سیم آبی)
نحوه اتصال موارد ذکر شده در بالا،در این تصویر مشاهده می شود: