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.
سنسورهای تنفس(respiration)
سنسور تنفس یک سنسور بسیار حساس به کشش بوده و با استفاده از یک نوار الاستیک بادوام که طول آن قابل تنظیم است ، دور شکم یا قفسه سینه شخص بسته میشود و با تشخیص انبساط/انقباض قفسه سینه یا شکم ، شکل موج تنفس را در اختیار قرار میدهد.
روش کار آن به این صورت است که با بسته شدن سنسور به بدن، دستگاه میتواند میزان نسبی انبساطی که در طول تنفس رخ می دهد را اندازه گیری کند. در هنگام دم، قفسه سینه منبسط شده و باعث ایجاد کشش در نوار میشود و در هنگام بازدم، کشش آرام آرام از بین رفته و سنسور به حالت خنثی خود باز می گردد و بدین طریق شکل موج حاصل از این انقباض و انبساط، روی صفحه نمایش داده می شود.
برای نظارت بر تنفس قفسه سینه ، نوار، دور قفسه سینه و برای اندازه گیری تنفس دیافراگمی ، دور شکم بسته میشود.
مروری بر سنسور ADS1191
ADS1191 یک سنسور آنالوگ Front_end 16بیتی سه (3_Lead) دو کاناله مانیتورینگ ضربان قلب و تنفس ، با توانایی نمونه برداری همزمان و تشخیص جدا شدن لید میباشد که در پکیج 32 پین TQFPسایز small (5×5mm) قرار دارد و با نرخ داده تا 8kSPS و در محدوده‌ی دمایی -40 °C تا +85 °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 ADS1191 ، 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 تشخیص جدا شدن هر یک از لید ها ، متصل شود.
مشخصات فنی
کاربردها
- Number Of Channels: 2
- Output type: Digital – SPI
- ADC Resolution: 16 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, telemedicine
- Sports and fitness (heart rate, respiration, and ECG)
ویژگی‌های ماژول GebraBit ADS1191
- User selectable analog and digital supply voltage
- User selectable ADS1191 clock source (Internal or external )
- 2.048 Mhz crystal oscillator
- Benefits from 1 channel of ADS1191
- Can use 3-lead ECG cable with 3.5mm phone male jack
- ON/OFF LED indicator
- Access to important I/O of ADS1191
- 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 medium (36.29mm x 46.18mm)
ماژول GebraBit ADS1191
ماژول GebraBit ADS1191، یک ماژول 16 بیتی سنسور ECG سه لید با یک کانال نمونه‌برداری میباشد. که به دو ولتاژ برای تغذیه آنالوگ و دیجیتال ADS1191 نیاز دارد.
GebraBit ADS1191 دارای انتخاب برای منبع کلاک ADS1191 میباشد که یکی از آنها اسیلاتور داخلی ADS1191 و دیگری کریستال اسیلاتور خارجی 2.048MHz است.
همچنین ماژول GebraBit ADS1191، به دلیل در نظر گرفتن سوکت مادگی جک 3.5 میلی‌متری، از یکی از چنل‌های سنسور ADS1191 استفاده می‌کند بدین معنا که در این محصول هر کابل ECG 3لید با جک 3.5 میلی متری میتواند نیازهای کاربر را برآورده کند. در این ماژول برای خواندن داده‌ها و برقراری ارتباط با سنسور، یک رابط SPI مورد نیاز است.
با توجه به پکیج TQFP سنسور ADS1191 ،کاربر برای توسعه سخت افزاری و البته توسعه نرم افزاری سنسور،نیاز به یک مدار راه انداز و درایور دارد.GebraBit برای راحتی کاربران، این امر را با پیاده سازی مدار سنسور ADS1191 و ارایه دسترسی به پین های سیگنال های ارتباطی و تغذیه ، محق ساخته است.
کافیست ماژول GebraBit ADS1191 را در BreadBoard قرار داده سپس با اعمال ولتاژ مورد نیاز، ماژول GebraBit ADS1191 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 ADS1191 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 ADS1191 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 ADS1191
ای سی اصلی این ماژول بوده که در مرکز ماژول قرار گرفته و وظیفه ی مانیتورینگ ضربان قلب را برعهده دارد.
جک هدفون 3.5mm
برای اتصال دستگاه به بدن از یک کابل ECG سه لید با جک هدفون نری استفاده میشود . در اغلب 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 تعیین منبع کلاک داخلی/ خارجی سنسور
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 داخلی از پین CLK دریافت میشود.
کریستال اسیلاتور 2.048MHz
با توجه به وضعیت جامپر سلکتور کلاک سورس خارجی 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 3V3 و 5V 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 : 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 ADS1191 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.
دیگر پین ها
- RST : از این پین برای راه اندازی مجدد (ریست کردن ) سنسور استفاده میشود.
- 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 سنسور استفاده میشود.
اتصال به پردازنده
اتصال SPI با GebraBit STM32F303
برای اتصال SPI ماژول GebraBit ADS1191به 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 ADS1191را به صورت Pin to Pin به راحتی بر روی ماژول GebraBit STM32F303 قرار دهید.
در اینجا برای درک بهتر اتصال جداگانه این دو ماژول 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 ADS1191 را به صورت Pin to Pin به راحتی بر روی ماژول GebraBit ATMEGA32A قرار داده و با ماژول GebraBit ADS1191 از طریق SPI ارتباط برقرار کنید.
در اینجا برای درک بهتر اتصال جداگانه این دو ماژول نشان داده شده است.
توجه: در صورت استفاده از ماژول‌های میکروکنترلری GebraBit توجه داشته باشید که جامپر سلکتورهای VDD ماژول GebraBit ADS1191 روی 3V3 باشد تا راحت تر بتوانید ولتاژ3V3 را از ماژول میکروکنترلری بگیرید.
اتصال SPI با ARDUINO UNO
برای اتصال SPI ماژول GebraBit ADS1191به ARDUINO UNO مراحل زیر را دنبال کنید:
- پین 3V3 ماژول ADS1191 را به پین 3V3 خروجی برد ARDUINO UNO متصل کنید.(سیم قرمز)
- پین GND ماژول ADS1191 را به پین GND برد ARDUINO UNO متصل کنید.(سیم سیاه)
- پین SDI ماژول ADS1191 را به پین D11 برد ARDUINO UNOمتصل کنید.(سیم زرد)
- پین SDO ماژول ADS1191 را به پین D12 برد ARDUINO UNOمتصل کنید.(سیم بنفش)
- پین SCK ماژول ADS1191 را به پین D13 برد ARDUINO UNOمتصل کنید.(سیم نارنجی)
- پین CS ماژول ADS1191 را به پین D10 برد ARDUINO UNOمتصل کنید.(سیم آبی)
نحوه اتصال موارد ذکر شده در بالا،در این تصویر مشاهده می شود: