izvedba brezŽiČnega elektrokardiografa s … · del predstavlja mikrokrmilnik dspic33, krmiljenje...

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO,

RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO

Mihael Meklav

IZVEDBA BREZŽIČNEGA ELEKTROKARDIOGRAFA S SENZORJEM

EPIC Diplomsko delo

Maribor, avgust 2014

Izvedba brezžičnega elektrokardiografa s senzorjem EPIC

ii


iii

IZVEDBA BREZŽIČNEGA ELEKTROKARDIOGRAFA S SENZORJEM

EPIC Diplomsko delo

Študent(ka): Mihael Meklav

Študijski program: Univerzitetni študijski program 1. stopnje

Računalništvo in informacijske tehnologije

Mentor(ica): Doc. Dr. Boris Cigale


iv


v

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju doc. dr. Borisu Cigaletu za sprejeto mentorstvo in strokovno pomoč pri izdelavi diplomskega dela. Posebna zahvala gre tudi staršema, ki sta mi omogočila in stala ob strani v času študija. Zahvala gre tudi Amadeji Gorjup, ki me je podpirala in bila potrpežljiva med časom študija.


vi

Izvedba brezžičnega elektrokardiografa s

senzorjem EPIC

Ključne besede: elektrokardiograf, brezžično, mikrokrmilnik, mobilna aplikacija, bluetooth

UDK: 004.414.23:616.12-089(043.2)

Povzetek:

V diplomskem delu, smo se ukvarjali z implementacijo brezžičnega

elektrokardiografa s senzorji EPIC. Sama naprava je sestavljena iz treh ločenih delov. Prvi

del predstavlja mikrokrmilnik dsPIC33, krmiljenje za baterijo in bluetooth modul. Drugi del

predstavlja vezje za filtriranje EKG signala, ki na vhod mikrokrmilnika da signal za

analogno-digitalno (AD) obdelavo. Vsebuje pa razne filtre, ojačevalnike in druge čipe

potrebne za merjenje. Tretji del so kapacitivni senzorji EPIC s katerimi merimo. Vsi deli se

na koncu združijo v celoto in predstavljajo EKG merilnik.

Filtrirane meritve se pošljejo preko bluetooth povezave na mobilno napravo z

nameščenim Android operacijskim sistemom. Preko nameščene aplikacije se nam

izmerjene vrednosti izrisujejo v obliki grafa. Vse skupaj pa si lahko tudi shranimo na

napravo in si kasneje ponovno ogledamo.

Našo EKG napravo smo testirali na različnih prostovoljcih, pri različnih aktivnostih

(mirovanje, hoja in tek). Z opisano rešitvijo nam je uspešno uspelo izmeriti EKG signal.

Prav tako pa smo lahko uspešno določili faze utripa pri mirovanju in hoji.


vii

Implementation of wireless electrocardiograph

with EPIC sensor

Key words: electrocardiograph, wireless, microcontroller, mobile application, bluetooth

UDC: 004.414.23:616.12-089(043.2)

Abstract:

In the thesis, we have dealt with the implementation of a wireless

electrocardiograph with EPIC sensors. The device itself consists of three separate parts.

The first part represents the dsPIC33 microcontroller, the control of the battery and

Bluetooth module. The second part presents a circuit for filtering of the ECG signal, which,

to the input of a microcontroller, sends the signal for the analog-to-digital (AD) processing.

It contains various filters, amplifiers and other chips needed for the measurement. The

third part is the EPIC capacitive sensor, used for measuring. All parts are finally combined

into a whole and represent the EKG meter.

Filtered measurements are transmitted via Bluetooth to a mobile device with a

running Android operating system.

The application shows the measurements in form of a graph-chart. We can also

save the data on the device and then later re-visit.

Our ECG device was tested on a variety of volunteers in various activities (resting,

walking and running). We have successfully managed to measure the ECG signal with

the described solution. Also, we can successfully determine the pulse rate at resting and

walking.


viii

KAZALO

1 Uvod .............................................................................................................................. 1

2 Pregled področja ......................................................................................................... 2 2.1 Zgodovina elektrokardiografov .................................................................................................................. 2 2.2 Naprave danes .................................................................................................................................................... 3 2.2.1 Elektrode .................................................................................................................................................. 3 2.2.2 Ojačevalec ................................................................................................................................................ 4 2.2.3 Naprava za izpis .................................................................................................................................... 4

3 Načrtovanje in izvedba elektronskega vezja ............................................................. 6 3.1 Prototip vezja in testiranje senzorjev ....................................................................................................... 6 3.2 Komponente porabljene na vezju ............................................................................................................... 7 3.2.1 Senzor EPIC ............................................................................................................................................ 7 3.2.2 Instrumentacijski ojačevalec INA122 .......................................................................................... 9 3.2.3 Nizko prepustni filter 5. reda LTC 1062 .................................................................................. 10 3.2.4 Operacijski ojačevalec ..................................................................................................................... 11 3.2.5 Napetostni pretvornik LMC7660 ............................................................................................... 13 3.2.6 Bluetooth modul HC-‐06 .................................................................................................................. 15 3.2.7 Mikrokrmilnik dsPIC33EP512MU814 ..................................................................................... 16

3.3 Načrtovanje vezja ............................................................................................................................................ 18 3.3.1 Digitalni del .......................................................................................................................................... 18 3.3.2 Del za filtriranje EKG signala ........................................................................................................ 20 3.3.3 EKG senzorji ........................................................................................................................................ 22

3.4 Izdelava vezja .................................................................................................................................................... 23

4 Program za mikrokrmilnik ........................................................................................ 25 4.1 Programsko orodje MPLAB X IDE ............................................................................................................ 25 4.2 Delovanje programa ...................................................................................................................................... 25 4.2.1 Nastavljanje časovnikov in UART vmesnika ......................................................................... 25 4.2.2 Filtriranje na mikrokrmilniku ..................................................................................................... 27 4.2.3 Oblikovanje paketa za pošiljanje ................................................................................................ 28 4.2.4 Izbira podatkovnega tipa na mikrokrmilniku ....................................................................... 28 4.2.5 Shematski potek programa ........................................................................................................... 30

5 Mobilna aplikacija ...................................................................................................... 31


ix

5.1 Android operacijski sistem .......................................................................................................................... 31 5.2 Eclipse razvojno okolje .................................................................................................................................. 32 5.3 Android SDK ....................................................................................................................................................... 32 5.4 Izdelava aplikacije .......................................................................................................................................... 32

6 Meritve ........................................................................................................................ 37 6.1 Mirovanje ............................................................................................................................................................ 37 6.2 Hoja ........................................................................................................................................................................ 38 6.3 Tek .......................................................................................................................................................................... 39

7 Sklep ........................................................................................................................... 40

8 Viri, literatura .............................................................................................................. 41

KAZALO SLIK

Slika 2.1: Willem Einthoven in njegova verzija EKG ............................................................ 2 Slika 2.2: Faze pri utripu srca .............................................................................................. 3 Slika 2.3: Samolepilne elektrode ......................................................................................... 4 Slika 2.4: Primer EKG izpisa ............................................................................................... 4 Slika 2.5: Prenosna EKG naprava ....................................................................................... 5 Slika 3.1: Prikaz EKG signala na osciloskopu ..................................................................... 6 Slika 3.2: EKG merilnik na prototipni plošči ......................................................................... 7 Slika 3.3: Senzor EPIC PS25255 [12] ................................................................................. 8 Slika 3.4: Instrumentacijski ojačevalec INA122 ................................................................... 9 Slika 3.5: Shema instrumentacijskega ojačevalca INA122 .................................................. 9 Slika 3.6: LTC 1062 ........................................................................................................... 10 Slika 3.7: Vezava zareznega filtra v našem vezju ............................................................. 11 Slika 3.8: Operacijski ojačevalec LM358 ........................................................................... 12 Slika 3.9: Vezava ojačevalca ............................................................................................. 12 Slika 3.10: Operacijski ojačevalec MCP602 ...................................................................... 13 Slika 3.11: Vezava sledilnika napetosti ............................................................................. 13 Slika 3.12: Napetostni pretvornik LMC7660 ...................................................................... 14 Slika 3.13: Vezava napetostnega pretvornika ................................................................... 14 Slika 3.14: Graf padca napetosti pod obremenitvijo .......................................................... 15


x

Slika 3.15: Bluetooth modul HC-06 ................................................................................... 15 Slika 3.16: Mikrokrmilnik dsPIC33EP512MU814 ............................................................... 17 Slika 3.17: Digitalni del ...................................................................................................... 18 Slika 3.18: Shema digitalnega dela ................................................................................... 19 Slika 3.19: Končna verzija filtrirnega dela .......................................................................... 20 Slika 3.20: Shema filtrirnega dela ...................................................................................... 21 Slika 3.21: Povezave za tiskano vezje .............................................................................. 21 Slika 3.22: Shema senzorskega dela ................................................................................ 22 Slika 3.23: Povezave za tiskano vezje senzorjev .............................................................. 22 Slika 3.24: Sestavljeni merilec EKG .................................................................................. 23 Slika 3.25: Pripravljena tiskana vezja ................................................................................ 24 Slika 4.1: Frekvenčni odzib našega filtra ........................................................................... 27 Slika 4.2: Shematski potek programa ................................................................................ 30 Slika 5.1: Ikona mobilne aplikacije ..................................................................................... 33 Slika 5.2: Grafični urejevalnik ............................................................................................ 33 Slika 5.3: Okno - "v živo" ................................................................................................... 34 Slika 5.4: Okno - "zgodovina" ............................................................................................ 34 Slika 5.5: Izbira bluetooth naprave .................................................................................... 35 Slika 5.6: Izbira posnetka .................................................................................................. 35 Slika 6.1 Izmerjen utrip ...................................................................................................... 37 Slika 6.2: Primerjava EKG signala pri mirovanju (X os predstavlja zaporedno številko

vzorca, Y pa vrednost AD pretovrbe) ......................................................................... 37 Slika 6.3: Primerjava EKG signala pri hoji (X os predstavlja zaporedno številko vzorca, Y

pa vrednost AD pretovrbe) ......................................................................................... 38 Slika 6.4: Primerjava EKG signala pri teku (X os predstavlja zaporedno številko vzorca, Y

pa vrednost AD pretovrbe) ......................................................................................... 39

KAZALO TABEL

Tabela 3.1: Ukazi za komuniciranje z modulom ................................................................ 16 Tabela 5.1: Verzije Android operacijskega sistema ........................................................... 31


xi

UPORABLJENE KRATICE

EKG – elektrokardiograf

EPIC – integrirano vezje z električnim potencialom (ang. Electric Potential Integrated

Circuit)

UART – univerzalni asinhroni sprejemnik/oddajnik (ang. Universal asynchronous

receiver/transmitter)

USB – univerzalno serijsko vodilo (ang. Universal Serial Bus)

ADC – analogno / digitalni pretvornik

IDE – integrirano razvijalno okolje (ang. Integrated Development Evironment)

ICD – razhroščevalnik za vezja (ang. In-Circuit Debugger)

ICS – verzija Android operacijskega sistema (ang. Ice Cream Sandwich)

SDK – komplet programskih orodij za razvijanje programske opreme (ang. Software

Development Kit)

UV – ultravijolično valovanje

PIN – osebna identifikacijska številka (ang. Personal Identification Number)

SPI – serijsko vodilo (ang. Serial Peripheral Interface Bus)

1-Wire – vodilo za komunikacijo

I2C – serijsko vodilo (ang. Inter-Integrated Circuit)

UPORABLJENI SIMBOLI

V – volt (enota za električno napetost)

A – amper (enota za električni tok)

Hz – herc (enota za frekvenco)

Ω – ohm (enota za upornost)

F – farad (enota za kapacitivnost)


1

1 Uvod Elektrokardiografija je ena izmed najstarejših kliničnih metod za preučevanje delovanja

srca. Kljub novejšim metodam velja EKG še vedno kot dobro sprejet standard pri

odkrivanju različnih srčnih obolenj in je zato danes še vedno ena izmed najpogostejših

naprav v kardiologiji. [6]

Namen diplomskega dela je izvedba brezžičnega elektrokardiografa s senzorji EPIC, ki jih

izdeluje podjetje »Plessey semiconductors ltd« . Senzorji spadajo v družino kapacitivnih.

Omogočali bi naj nizko porabo energije, imajo veliko upornost in lahko imajo t.i. suh

kontakt s kožo. V okviru diplome bomo izdelali elektronsko vezje z mikrokrmilnikom, na

katerega bomo priključili senzorje. Izmerjene podatke bomo preko bluetooth povezave

pošiljali na mobilno napravo, kjer bomo lahko v živo spremljali bitje srca. Podatke se bo

dalo na napravi tudi shraniti in si jih kasneje ogledati.

V drugem poglavju diplomskega dela smo raziskali in opisali zgodovino

elektrokardiografov. Spoznali smo različne tipe naprav ter opisali različne pristope za

merjenje in določanja srčnega utripa.

V tretjem poglavju smo se lotili izdelave elektronskega vezja. Najprej smo izdelali

elektronsko shemo s programom Eagle, nato pa smo na podlagi le-te izdelali tiskano

vezje z vsemi elektronskimi elementi, ki smo jih tudi podrobneje predstavili.

Izdelavi programa, ki teče na mikrokrmilniku, smo namenili četrto poglavje. Programsko

kodo na njem smo napisali v programskem jeziku C. Za brezžično povezavo na mobilno

napravo pa smo uporabili že izdelan bluetooth modul. Po povezavi se pošiljajo podatki v

surovi (raw) obliki. Poleg načina filtriranja signala pa smo opisali, kako se nastavljajo razni

registri za pravilno delovanje mikrokrmilnika.

V petem poglavju smo opisali, kako smo se lotili izdelave mobilne aplikacije, ki je

namenjena za Android operacijski sistem. Naša aplikacija se preko bluetooth povezave

poveže na napravo in nam vizualizira srčni utrip na zaslonu.

Na koncu smo napravo še testirali na različnih prostovoljcih. Rezultate smo nato

predstavili v obliki grafa v šestem poglavju.


2

2 Pregled področja Na začetku tega poglavja si bomo pogledali, kaj elektrokardiograf sploh je, kakšne tipe

poznamo in katere tehnologije lahko uporabimo za izdelavo le-tega.

2.1 Zgodovina elektrokardiografov Beseda elektrokardiograf prihaja iz grških besed »electro« (elektrika), »kardio« (srce) in

»graph« (pisati). [10]

Alexander Muirhead je leta 1872, v času svojega doktorskega študija (smer elektrika) v

bolnici St. Bartholomew's Hospital priklopil več žic na bolnega pacienta. S pomočjo

Lippmannovega elektrometra je to aktivnost srca prikazal. Augustos Walter je nato

kasneje združil Lippmannov elektrometer s projektorjem. To mu je omogočalo, da je lahko

aktivnost srca spremljal v živo. [10]

Nov preskok je leta 1901 uspel Nizozemcu Willemu Einthovenu, ki je s pomočjo naprave,

imenovane strunski galvanometer, veliko bolj natančno izmeril aktivnost srca. Ta je bila

namreč dovolj natančna, da je bila uporabna tudi za medicino. Namesto elektrod je

uporabil slano tekočino, v katero so pacienti namočili roke in noge. [10]

Slika 2.1: Willem Einthoven in njegova verzija EKG

Vir slike: http://en.wikipedia.org/wiki/Electrocardiography#mediaviewer/File:Willem_Einthoven_ECG.jpg

Einthoven je tudi določil črke, ki jih še danes uporabljamo pri opisu utripa srca. Uporabil

je črke P, Q, R, S in T in te opisujejo različne faze pri enem utripu srca. [9]


3

Slika 2.2: Faze pri utripu srca

Leta 1924 je za svoje delo prejel tudi Nobelovo nagrado v medicini.

2.2 Naprave danes Skozi čas je osnovni princip merjenja aktivnosti srca ostal enak. Naprave pa so se skozi

čas in s prihodom novejših tehnologij seveda manjšale in postajale vse bolj kompaktne in

zanesljive. Postale so celo tako dobre, da ne služijo več le kot samo pripomoček za

prikazovanje srčne aktivnost, ampak znajo na osnovi podatkov najti celo napako na srcu.

Obstajajo različni tipi naprav, ki se ločijo po velikosti, številu elektrod, prenosljivosti in

namenu uporabe. Večino takih naprav sestavljajo tri osnovne komponente. To so

elektrode, ojačevalci in naprava za izpis.

2.2.1 Elektrode

Elektrode so najpomembnejši del EKG naprave. Odvisno od naprave, morajo biti

nameščene na pravilno mesto na telesu. Najenostavnejše naprave uporabljajo dve

elektrodi.

Elektrode se namestijo na kožo človeka in prenašajo električne signale iz kože na

napravo. Najpogostejše so samolepilne elektrode, ki se nalepijo na kožo pacienta.

Obstajajo pa tudi takšne za večkratno uporabo (vakuumske). [7]


4

Slika 2.3: Samolepilne elektrode

Vir slike: http://admed.in/images/popup%20img/ecg11.jpg

2.2.2 Ojačevalec

Ojačevalec poskrbi za to, da se zelo šibek signal iz telesa ojača (le nekaj mV). Ponavadi

je faktor ojačanja od 5x pa do 10x. Komaj takrat je napetost signala dovolj visoka, da ga

lahko prenesemo na napravo za izpis. [7]

2.2.3 Naprava za izpis

Najpogosteje se za izpis uporablja poseben EKG papir. Tega lahko vidimo na sliki 2.4..

Takšen papir ima v pravilnih razmerjih narisane kvadratke, ki pomagajo pri diagnozi.

10mm na papirju pomeni spremembo napetosti za 1mV. Zelo pomembna je tudi hitrost

izpisa, ta je ponavadi 50mm/s. [7]

Slika 2.4: Primer EKG izpisa

Zadnja leta se veliko uporabljajo tudi računalniki, na katerih lahko natančneje pogledamo

EKG, prav tako pa si lahko podatke shranimo in jih pogledamo kasneje.

Obstajajo tudi naprave, ki jih nosimo s seboj. Nekatere napake na srcu namreč niso vidne

v času merjenja, ampak pride do njih popolno naključno. V takih primerih nosimo napravo,

ki sproti beleži aktivnosti. Ena izmed takšnih naprav je tudi na sliki 2.5.


5

Slika 2.5: Prenosna EKG naprava

Vir slike:

http://www.spiddalmedicalcentre.com/wpcontent/uploads/2013/01/HoltorMonitorWearing.jpg

Kot vidimo, so elektrode nameščene po telesu. Naprava EKG signal shranjuje v enoto, ki

ga bo kasneje ocenil in pregledal zdravnik.


6

3 Načrtovanje in izvedba elektronskega vezja V tem poglavju bomo predstavili celotno načrtovanje in izvedbo elektronskega vezja. Na

začetku smo opisali, kako smo se lotili testiranja EPIC senzorja. Vse elemente, ki so na

koncu ostali na prototipni ploščici smo tudi podrobenje opisali v nadaljnih podpoglavjih.

Celotno napravo smo si zamislili na treh fizičnih nivojih (tiskanih vezij). Za glavni digitalni

del smo vzeli že obstoječo tiskano vezje. Vsi trije nivoji se na koncu združijo v končno

napravo.

Sami smo izdelali tudi dve tiskani vezji (drugi in tretji nivo). Za njuno izdelavo smo napisali

natančen postopek. Vsak nivo naprave smo nato tudi ločeno opisali.

3.1 Prototip vezja in testiranje senzorjev Preden smo se lotili izdelave tiskanega vezja, smo želeli preizkusiti senzorje. Naredili smo

preprosto vezje na prototipni ploščici. Vezje smo gradili postopno in ga sproti testirali. Na

začetku je vsebovalo samo EPIC senzorja in instrumentacijski ojačevalec. Po vsaki

stopnji smo nato s pomočjo osciloskopa iskali EKG signal. Na njem se je videlo, katere

frekvence prevladujejo in jih je potrebno odstraniti.

Po znanih frekvencah smo začeli iskati ustrezne metode in rešitve za odstranitev. Z

uporabo ustraznega 50Hz filtra nam je uspelo videti EKG signal iz senzorja. Seveda je ta

vseboval še kar nekaj šuma. Na sliki 3.1 vidimo na zgornjem signalu filtriran in ojačan

EKG signal. Stopnja ojačanja je bila 7-kratna, do nje pa smo prišli s poskušanjem. Spodnji

signal prikazuje čisti izhod iz EKG senzorja.

Slika 3.1: Prikaz EKG signala na osciloskopu


7

Ko smo rezultat videli na osciloskupu, smo se lotili vzorčenja signala na mikrokrmilniku.

Najprej je bilo potrebno premakniti napetostne nivoje v ustrezno območje AD pretovrnika.

Po tem pa smo začeli vzorčiti naš signal. Ugotovili smo, da nam ustreza vzorčenje s

10kHZ. Ker je toliko vzorcev na sekundo preveč za pošiljanje na mobilno napravo, smo pri

programskem filtriranju signal še podvzorčili s faktorjem 100. Na koncu smo imeli hitrost

100 vzorcev na sekundo (100Hz).

Delo na prototipni ploščici se je izkazalo za dobro izbiro, saj je bilo enostavno najti napake

in po potrebi kakšen element zamenjati. Na sliki 3.2 vidimo naš prototip EKG merilnika.

Slika 3.2: EKG merilnik na prototipni plošči

3.2 Komponente porabljene na vezju

3.2.1 Senzor EPIC

Kratica EPIC predstavlja »Electric Potential Integrated Circuit«. Ker ne potrebujejo

neposrednega stika s kožo, je celotno ohišje senzorjev popolnoma odrezano od napetosti

na senzorju. Delujejo torej na kapacitivni način.

Senzor proizvaja podjetje »Plessey semiconductors ltd«, ki je nastalo že leta 1917 v

Angliji. Senzor lahko uporabljamo na različne načine. Poleg EKG signalov so senzorji

zmožni delovati tudi v brezkontaktnem načinu, to pomeni, da lahko zaznamo bližino in


8

gibanje med objektom in senzorjem. Za svoj produkt so dobili tudi nagrado na »IET

Innovation Awards«.

V naši napravi bomo uporabili EPIC senzor z oznako »PS25255«. Gre za kontaktni

senzor, ki je namenjen za naprave, ki se uporabljajo v športu in splošnem življenju.

Proizvajalec prav tako trdi, da so namenjeni dolgoročnemu merjenju.

Za ta senzor smo se odločili, ker niso tako občutljivi na šum in za merjenje ne potrebujejo

direktnega stika s kožo.

Slika 3.3: Senzor EPIC PS25255 [12]

Na sliki 3.3 vidimo, da ima senzor 4 pine.

• Vdd – pozitivna napetost

• Vss – negativna napetost

• Gnd – masa

• Ouput Pin 1 – izhodni signal

Senzor moramo napajati z bipolarno napetostjo med +-2,4V in +-5,5V. Za svoje delovanje

porabi zelo malo električnega toka, ta namreč znaša okoli 1,4 mA.


9

3.2.2 Instrumentacijski ojačevalec INA122

Kot vhod na ojačevalec pripeljemo signala iz dveh EPIC senzorjev. Ta dva signala se

najprej odštejeta, nato se ojačata in pošljeta na izhod kot en signal.

Instrumentacijski ojačevalec INA122 je primeren za naše vezje, saj prav tako porabi zelo

malo električnega toka (60 µA) in ima velik razpon napajalne napetosti (2,2 do 36V).

Slika 3.4: Instrumentacijski ojačevalec INA122

Za nastavljanje stopnje ojačenja uporabimo upor (Rg), ki ga vežemo na pina 1 in 8.

Slika 3.5: Shema instrumentacijskega ojačevalca INA122

S testiranjem na prototipni ploščici smo ugotovili, da je najboljše 7-kratno ojačenje. Tega

izračunamo po naslednji formuli:

𝐺 = 5 + 200𝑘𝑅𝑔

( 3.1 )


10

Tu je:

G – stopnja ojačenja

Rg – vrednost upora

Za vrednost upora Rg smo torej izbrali 100kΩ, kar nam da 7-kratno ojačenje.

Na pin 3 in 2 vežemo izhoda iz EPIC senzorja. Na pin 4, 5 in 7 vežemo napajanje. Pin 6

pa nam da na izhod ojačen signal.

3.2.3 Nizko prepustni filter 5. reda LTC 1062

Za filtriranje 50Hz šuma smo uporabili filter »LTC 1062« podjetja »Linear Technology«. V

izmerjenem signalu je namreč amplituda šuma mnogo večja kot amplituda signala. Gre za

večnamenski filter, ki ga lahko uporabimo za različne namene. Pri nas ga bomo uporabili

kot filter z zarezo. Filtri takšnega tipa so zelo uporabni, kadar želimo filtrirati točno

določeno frekvenco, ostale pa želimo pustiti nespremenjene. V našem primeru filtriramo

samo 50Hz šum, ki je v signalu.

Na sliki 3.6 je vidna razporeditev pinov.

Slika 3.6: LTC 1062

Na filtru lahko nastavljamo frekvenco zareze s pomočjo oscilatorja na pinu 5. Sam čip

ima že v sebi svoj oscilator, ki je privzeto nastavljen na 32kHz. Slednjega nismo uporabili

v našem vezju, saj smo frekvenco pripeljali iz mikrokrmilnika.

Za naš primer smo morali izračunati frekvenco ure po naslednji formuli:

𝑓!"# = 79,3 ∗ 𝑓!"#$% ( 3.2 )

Tu je:

fCLK - izhodna frekvenca ure

fNOTCH – željena frekvenca zareze


11

Ko v enačbo vstavimo podatke, dobimo, da mora biti frekvenca ure 3965Hz. To frekvenco

ustvarimo s pomočjo mikrokrmilnika.

Slika 3.7: Vezava zareznega filtra v našem vezju

Na sliki 3.7 imamo vezavo za naš zarezni filter, ki smo jo povzeli iz uradne dokumentacije.

[16] Za upore R3, R4 in R5 smo izbrali 10kΩ. Upora R1 in R2 pa morata biti v naslednjem

razmerju:

𝑅1𝑅2

= 1,234 ( 3.3 )

Glede na zgornjo enačbo smo izbrali R1 = 27kΩ in R2 = 22kΩ.

Za operacijski ojačevalec, ki je še potreben pri zgoraj opisani vezavi, smo uporabili

LM358, ki je opisan v poglavju 3.2.4.

3.2.4 Operacijski ojačevalec

V našem vezju smo uporabili dva različna operacijska ojačevalca.

Operacijski ojačevalec LM358

Integrirano vezje LM358 vsebuje pravzaprav dva operacijska ojačevalca. Za napajanje

potrebuje unipolarno napetost med 3V in 32V ali pa bipolarno napetost med +-1,5V in +-

16V.


12

Slika 3.8: Operacijski ojačevalec LM358

Na pin 8 in 4 povežemo napajanje. Nato imamo na voljo pine 1, 2 in 3 za prvi operacijski

ojačevalec in 5, 6 ter 7 za drugega.

Na našem vezju smo enega uporabili pri filtriranju za čip LTC1062, drugega pa smo

uporabili pri ojačenju signala po izhodu iz 50Hz filtra z zarezo.

Za ojačenje smo uporabili naslednjo vezavo:

Slika 3.9: Vezava ojačevalca

Koeficient ojačenja nastavimo z uporoma Rin in Rf po enačbi 3.4. Ker gre za vezavo

invertiranega ojačevalca, bomo na izhodu imeli invertiran signal.

𝑉!"# = −𝑅!𝑅!"

𝑉!" ( 3.4 )

Tu je:

Vout – izhodna napetost

Rf – velikost upora

Rg – velikost upora

Vin – vhodna napetost


13

Z raznimi poizkusi na prototipni ploščici smo ugotovili, da nam zadostuje 47-kratno

ojačenje. Zato smo izbrali Rin = 1kΩ in Rf = 47kΩ. Vsa ojačanja nad to vrednostjo so nas

pripeljala v nasičenje.

Operacijski ojačevalec MCP602

Tudi ta operacijski ojačevalec ima enako razporeditev pinov kot LM358. Razlikuje se le v

tem, da sprejme napetosti med 2,7V in 6V. Vsebuje dva operacijska ojačevalca. Prvi

operacijski ojačevalec bomo v našem vezju uporabili kot sledilnik napetosti (voltage

follower). Stopnja ojačenja je v takšnem primeru 1. Vhodna upornost je zelo velika,

izhodna pa zelo majhna.

Na sliki 3.10 vidimo razporeditev pinov za ta ojačevalec.

Slika 3.10: Operacijski ojačevalec MCP602

Primer sledilnika napetosti za našo vezje prikazuje slika 3.11.

Slika 3.11: Vezava sledilnika napetosti

3.2.5 Napetostni pretvornik LMC7660

Naše vezje napaja baterija, tako imamo poleg mase le še +3,3V napetosti. Naši elementi

potrebujejo tudi negativno napetost. To smo dobili s pomočjo omenjenega pretvornika

napetosti, ki smo ga uporabili kot napetostni inverter.

Sam čip lahko sprejme napajalne napetosti od 1,5V do 10V. Porabi malo električnega

toka, to je 200uA. Ima tudi 97% izkoristek pri napetostni pretvorbi in 95% izkoristek moči.

Vsebuje oscilator preko katerega se napajata dva zunanja elektrolitska kondenzatorja. Na

sliki 3.12 vidimo razporeditev pinov za omenjeni čip.


14

Slika 3.12: Napetostni pretvornik LMC7660

Kot dodatek za delovanje potrebujemo torej še 2 dodatna kondenzatorja, na sliki 3.13 sta

označena kod C1 in C2. Enako vezavo smo uporabili tudi v našem vezju.

Slika 3.13: Vezava napetostnega pretvornika

Potrebno je še omeniti tudi karakteristiko, ki opisuje padec izhodne napetosti glede na tok,

ki ga zahteva vezje. Na spodnjem grafu vidimo, da je padec napetosti pri 50mA tolikšen,

da pade napetost na 0V.


15

Slika 3.14: Graf padca napetosti pod obremenitvijo

Glede na našo porabo toka (izmerili smo 15mA), vidimo, da imamo 0,6V padec napetosti.

Tako smo dobili okrog -2,7V napetosti.

3.2.6 Bluetooth modul HC-06

Gre za zelo preprost bluetooth modul, ki za svoje napajanje potrebuje 3,3V. Podpira

bluetooth standard 2.0. Porabi okrog 8mA (ko je naprava povezana). Celotni modul

komunicira preko UART vmesnika. Na sliki 3.15 je viden modul in pini, ki smo jih uporabili.

Slika 3.15: Bluetooth modul HC-06

Z modulom komuniciramo preko AT ukazov. Nastavljamo lahko ime naprave, PIN in

hitrost prenosa podatkov. Vsi ukazi so zbrani v spodnji tabeli.


16

Tabela 3.1: Ukazi za komuniciranje z modulom

Ukaz Vrnjen niz Opis AT OK Uporablja se za testiranje komunikacije AT+VERSION OKlinvorV1.8 Vrne opis verzije, ki teče na modulu AT+NAMExyz OKsetname Nastavi ime modula na “xyz” AT+PIN1234 OKsetPIN Nastavi PIN modula na 1234 AT+BAUD1 OK1200 Nastavi hitrost pošiljanja na 1200 AT+BAUD2 OK2400 Nastavi hitrost pošiljanja na 2400 AT+BAUD3 OK4800 Nastavi hitrost pošiljanja na 4800 AT+BAUD4 OK9600 Nastavi hitrost pošiljanja na 9600 AT+BAUD5 OK19200 Nastavi hitrost pošiljanja na 19200 AT+BAUD6 OK38400 Nastavi hitrost pošiljanja na 38400 AT+BAUD7 OK57600 Nastavi hitrost pošiljanja na 57600 AT+BAUD8 OK115200 Nastavi hitrost pošiljanja na 115200 AT+BAUD9 OK230400 Nastavi hitrost pošiljanja na 230400 AT+BAUDA OK460800 Nastavi hitrost pošiljanja na 460800 AT+BAUDB OK921600 Nastavi hitrost pošiljanja na 921600 AT+BAUDC OK1382400 Nastavi hitrost pošiljanja na 1382400

Mi smo uporabili ukaz »AT+PIN0000«, ki je nastavila PIN na 0000 in ukaz za spremembo

hitrosti »AT+BAUDB«.

3.2.7 Mikrokrmilnik dsPIC33EP512MU814

Za naš mikrokrmilnik smo uporabili čip z oznako dsPIC33EP512MU814 podjetja

Microchip. Slednji je vodilno podjetje pri izdelovanju mikrokrmilnikov in drugih elektronskih

komponent.

Gre za 16-bitni mikrokrmilnik, ki za svoje delovanje potrebuje napetost med 3,0 in 3,6V.

Ima vgrajen oscilator, s katerim nastavimo dejanski takt mikrokrmilnika preko posebnih

registrov. Mi smo uporabili zunanji oscilator, predvsem zaradi natančnosti. Notranja ura

namreč zelo niha z napetostjo in temperaturo. Krmilnik ima 27 splošno namenskih

časovnikov (16 in 32 bitne). Omogoča celotno paleto komunikacijskih vmesnikov kot so

SPI, UART, 1- Wire, I2C in druge. Za naše potrebe je pomemben tudi AD pretvornik. Za to

imamo na voljo 10 in 12 bitne AD pretvornike. V primeru, ko uporabljamo le 10-bitno

ločljivost, lahko vzorčimo največ 1,1Msps (vzorcev na sekundo), sicer pa 500ksps.

Mikrokrmilnik ima oznako »ds« kar pomeni, da je namenjen digitalni obdelavi signalov,

zato je več poudarka na AD pretvornikih in hitrosti pri delu s števili s plavajočo vejico.


17

Slika 3.16: Mikrokrmilnik dsPIC33EP512MU814

Kot vidimo na sliki 3.16 imamo na voljo 100 pinov. Nekateri od teh so tudi tolerantni na

5V. Te na sliki 3.16 prepoznamo s sivo oznako na pinu . Na vsak vhodni/izhodni pin lahko

vežemo tudi prekinitev. 32 pinov je lahko analognih vhodov, ostali so digitalni ali pa niso

vhodno/izhodni. Pod slednje spadajo napajanje, zunanji oscilator, ipd...

Za komunikacijo z bluetooth modulom smo uporabili strojni UART vmesnik, ki sam poskrbi

za pravilno pošiljanje podatkov. Za to smo uporabili UART2 vmesnik. S pomočjo posebne

tabele iz dokumentacije, smo preko registrov določili, na katerih pinih naj UART2 vmesnik

krmili z bluetooth napravo.


18

3.3 Načrtovanje vezja Celotno EKG napravo smo si fizično zamislili v treh nivojih. To pomeni, da imamo tri

tiskana vezja, ki so enake dimenzije in se nataknejo ena na drugo.

3.3.1 Digitalni del

Za prvi oz. »digitalni del« smo vzeli kar obstoječo ploščico, ki so jo razvili v laboratoriju za

sistemsko programsko opremo. Uporabili smo samo stvari, ki smo jih potrebovali za naš

primer. Ploščica vsebuje:

• mikroprocesor,

• vmesnik za povezavo z USB,

• regulator napetosti,

• vmesnik za polnjenje baterije.

Na to tiskano vezje smo nato dodali še bluetooth modul, ki smo ga priklopili na proste pine

mikroprocesorja in baterijo na ustrezen priključek. Na sliki 3.17 je viden prvi del ploščice.

Slika 3.17: Digitalni del


19

Slika 3.18: Shema digitalnega dela


20

3.3.2 Del za filtriranje EKG signala

Drugi oz. »del za filtriranje EKG signala« vsebuje vse komponente za zajem signala. Kot

vhod na ta nivo tiskanega vezja se pripelje:

• pozitivna napetost,

• masa,

• vhod v AD pretvornik in

• frekvenca za 50Hz filter.

Najprej je potrebno v vezju generirati negativno napetost za ostale komponente. Večina

komponent namreč potrebuje bipolarno napetost. Šele nato se signala, ki prideta iz 3.

dela vezja pripeljeta v instrumentacijski ojačevalec. Ta poskrbi, da imamo na izhodu

ojačen skupen signal (7-kratno ojačenje), ki se nato pelje na 50Hz filter z zarezo in

operacijski ojačevalec. Po filtraciji celotni signal še ojačamo za 47-krat s pomočjo

operacijskega ojačevalca. Sledi elektrolitski kondenzator, ki nam izloči enosmerno

komponento. Sedaj je še potrebno vrednosti premakniti v pravilno napetostno območje (0

in 3,3V). V tem delu vezja uporabimo še nizkoprepustni filter s lomno frekvenco 780Hz, ki

nam odreže vse frekvence večje od 780Hz. Na koncu se signal pripelje na vhod AD

pretvornika.

Slika 3.19: Končna verzija filtrirnega dela


21

Shema dela za filtriranje je vidna na sliki 3.20.

Slika 3.20: Shema filtrirnega dela

Povezave, ki smo jih kasneje uporabili pri procesu jedkanja so vidne na sliki 3.21.

Slika 3.21: Povezave za tiskano vezje


22

3.3.3 EKG senzorji

Tretji oz. »senzorski del« vsebuje EKG senzorje. Na to tiskano vezje smo prav tako

pripeljali pozitivno in negativno napetost, ter maso. Izhodna signala iz dveh EPIC

senzorjev se peljeta nazaj na drugi del naprave. Na ta del smo tudi vpeli gumijaste

pasove, ki se uporabijo, ko si želimo napravo dati na telo.

Tiskano vezje tretjega dela je bilo enostavnejše za izdelavo. Prav tako smo imeli veliko

prostega prostora, ki smo ga porabili za maso. Ta je pomembna, saj se je moramo

dotakniti, ko želimo pravilno meritev.

Slika 3.22: Shema senzorskega dela

Slika 3.23: Povezave za tiskano vezje senzorjev


23

Celotno sestavljeno vezje zgleda kot na sliki 3.24. Zaradi udobnosti in zaščite senzorjev,

smo na vrh vezja dodali kartonasto zaščito. Ozemljitev smo dosegli s prevodnim

samolepilnim aluminijastim trakom.

Slika 3.24: Sestavljeni merilec EKG

3.4 Izdelava vezja Po izdelanih shemah in načrti s povezavami smo se lotili fizične izdelave vezja. Odločili

smo se za klasičen foto postopek. Plošče, ki že vsebujejo UV občutljiv fotolak smo

razrezali na pravilne velikosti (10 x 3,8 cm). Nato smo vezje natisnili na folijo in jo dali

osvetljevati pod UV svetlobo. Po končanem osvetljevanju smo vezje potopili v razvijalec,

ki smo ga kupili v prašku in smo ga samo raztopili v topli vodi. Po nekaj sekundnem

razvijanju so na vezju ostale samo še naše povezave. Ves fotolak, ki je bil izpostavljen

UV svetlobi, se je raztopil.

Sledil je postopek jedkanja. V mešanico vode, solne kisline in vodikovega peroksida smo

potopili ploščico. Razmerje mešanice je bilo 2:1:1. Po kratkem času smo že videli, kako so

se povezave začele izoblikovati v naše vezje.

Po postopku jedkanja smo vezje umili s posebnim sprejem, ki odstranjuje ostanke fotolaka

in oksidiranega bakra. Zjedkani ploščici prikazuje slika 3.25.


24

Slika 3.25: Pripravljena tiskana vezja


25

4 Program za mikrokrmilnik Pri pisanju programa za mikrokrmilnik smo se odločili za orodje MPLAB X IDE podjetja

Microchip, ki je tudi proizvajalec našega mikrokrmilnika. Program je napisan v

programskem jeziku C. Za prevajanje smo uporabili XC16 prevajalnik verzije 1.21. Da je

bilo delo s prenašanjem programa in iskanjem napak enostavnejše, smo uporabili ICD3

programator in razhroščevalnik, ki je mnogokrat prišel prav, ko je bilo potrebno najti

napako.

4.1 Programsko orodje MPLAB X IDE MPLAB X IDE je brezplačno orodje za pisanje programov za mikrokrmilnike podjetja

Microchip družine PIC in dsPIC. Program je namenjen za vse večje operacijske sisteme

(Windows, OsX in Linux). Nasplošno nam program ponuja tudi veliko podpornih knjižnic in

pomoči pri razvijanju. Enostavno se da namestiti tudi druge prevajalnike. Povezava z

programatorjem prav tako ni zapletena in je v našem primeru delovala kar ob prvem

zagonu. V primeru, ko še nimamo fizičnega vezja nam omogoča tudi delo na simulatorju.

Ob kreiranju projekta si namreč izberemo točno določen tip mikrokrmilnika, ki ga imamo.

Enostavno je tudi delo z prekinitvenimi točkami (breakpointi). V programu si enostavno

izberemo vrstico pri kateri se želimo ustaviti. ICD3 vmesnik poskrbi, da vse skupaj deluje

na fizični napravi. Tako je možno videti realno stanje na mikrokrmilniku v danem trenutku

4.2 Delovanje programa

4.2.1 Nastavljanje časovnikov in UART vmesnika

Na samem začetku programa je potrebno nastaviti registre za delo z raznimi vmesniki.

Med pomembnejšimi je nastavitev oscilatorja na pravilno frekvenco. Mi smo našega

nastavili na maksimalno frekvenco, pri kateri še deluje razhroščevalnik. S pomočjo

registrov smo nastavili frekvenco 60MHz.

Po nastavitvi frekvence smo se lotili inicializacije UART vmesnika. Ta nam služi za

komunikacijo z bluetooth vmesnikom. Najprej smo morali izbrati pin na katerem želimo

imeti povezavo. Za UART vmesnik potrebujemo Rx in Tx povezavo. Po določanju pinov

smo nastavili njihovo polariteto. Na našem mikrokrmilniku lahko nastavimo katerikoli

vhodno/izhodni pin za določeno nalogo strojnih vmesnikov. V našem primeru smo določili

pin RE6 in RE7 (Rx in Tx) preko posebne tabele, ki povezuje pine z vmesniki. Potrebno je


26

bilo nastaviti tudi hitrost pošiljanja podatkov za vodilo. To smo nastavili v registru U2BRG,

ki mora biti celoštevilčna vrednost. Izračuna se po naslednji formuli:

𝑈𝑥𝐵𝑅𝐺 = 𝐹𝑝

16 ∗ 𝐵𝑎𝑢𝑑𝑅𝑎𝑡𝑒 – 1 ( 4.1 )

Tu je:

Fp - frekvenca

BaudRate - željena hitrost

UxBRG – vrednost za register

Želimo pošiljati podatke s hitrostjo 921600 bitov na sekundo. Naša frekvenca

mikrokrmilnika je 60MHz. Ko vstavimo podatke v zgornjo enačbo dobimo vrednost 3,07.

Zaokrožena vrednost je torej 3. Če izračunamo hitrost pri zaokroženi vrednosti dobimo

937500. Napako izračunamo po naslednji formuli:

𝑁𝑎𝑝𝑎𝑘𝑎 = 𝑖𝑧𝑟𝑎č𝑢𝑛𝑎𝑛𝑎 ℎ𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠𝑡 – ž𝑒𝑙𝑗𝑒𝑛𝑎 ℎ𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠𝑡

ž𝑒𝑙𝑗𝑒𝑛𝑎 ℎ𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠𝑡 ( 4.2 )

Ko vstavimo podatke v zgornjo enačbo dobimo 1,72% napako, kar še ni problem pri

pošiljanju podatkov.

Nato smo nastavili AD pretvornik. Za to se pokliče funkcija, ki nastavi vse potrebne

registre. Za nas je bila pomembna nastavitev o tem ali želimo imeti 10 oz. 12-bitno

resolucijo. Zaradi boljše kvalitete smo izbrali 12-bitno resolucijo. Pomembna nastavitev je

tudi nastavitev referenčne napetosti. Mi smo nastavili kar osnovno napetost, ki napaja

mikrokrmilnik.

S pomočjo časovnikov smo rešili dve nalogi. En časovnik je dajal frekvenco za naš 50Hz

filter. Drugega pa smo uporabili za pravilno vzorčenje EKG signala.

Za filter smo potrebovali natančno 3965Hz. Do tega smo prišli z »Timer3« časovnikom, za

katerega smo nastavili »prescaler« 1:8 in števec na 944. Pri časovnikih tega tipa smo

morali upoštevati, da se frekvenca razpolovi (Fosc/2). Če torej v enačbo vstavimo podatke

pridemo do naslednje frekvence:


27

𝑓!"# =60000000 𝐻𝑧

2 ∗ 8 ∗ (944 + 1) = 3968,25 𝐻𝑧 ( 4.3 )

Ko časovnik poteče v našem primeru sproži prekinitveno funkcijo. S to funkcijo nato

krmilimo izhodni pin, ki je povezan na čip.

Pri vzorčenju signala je zelo pomembno, da se vzorči v enakih časovnih rezinah. Samo v

takšnem primeru bomo zmožni dobro filtrirati signal. V ta namen smo uporabili časovnik

»Timer5«. Pri tem veljajo enaka pravila kot za časovnik zgoraj. Želimo vzorčiti s hitrostjo

10000 Hz. Zato smo nastavili preddeljitelj na 1:8, števec pa na 374.

𝑓!"# =60000000 𝐻𝑧

2 ∗ 8 ∗ (374 + 1) = 10000 𝐻𝑧 ( 4.4 )

4.2.2 Filtriranje na mikrokrmilniku

Po samem filtriranju na tiskanem vezju želimo iz zajetega signala odstraniti še harmonike

50 Hz šuma. Sam filter smo zasnovali v orodju Matlab R2013. EKG signal smo si shranili

v datoteko, ki smo jo nato odprli v omenjenem orodju. S pomočjo ukaza »fir1 (599, 0.01)«

smo dobili filter, kot ga vidimo na sliki 4.1. Stopnja filtra je 600, z lomno frekvenco 100Hz.

Slika 4.1: Frekvenčni odzib našega filtra


28

Iz filtra smo torej dobili 600 koeficientov. Te koeficiente smo si shranili v polje in jih dodali

kar v izvorno kodo programa. Poleg filtriranja smo naš signal tudi podvzorčili s faktorjem

100. Tako smo na koncu dobili vzorčevalno frekvenco 100Hz. To pomeni, da pošiljamo

preko bluetooth vmesnika 100 vzorcev na sekundo.

Celotno filtriranje je potekalo tako, da smo hkrati polnili 6 tabel z vzorci, ki so prihajali.

Vsak prejeti vzorec se je pomnožil z ustreznim koeficientom v tabeli. Ta vrednost se je

prištela k skupni filtrirani vrednosti. Ko je ena od teh 6-ih tabel dosegla maksimalno število

vzorcev (600), se je filtrirana vrednost poslala na mobilno napravo.

4.2.3 Oblikovanje paketa za pošiljanje

Pošiljali smo pakete z velikostjo 62 zlogov. Od tega sta prva dva zloga predstavljala glavo,

ki je pomagala pri sinhronizaciji na mobilni napravi. Vrednost za glavo smo izbrali 0x55 in

0xAA. Ker smo pošiljali števila s plavajočo vejico (float), ki so velika 32 bitov, smo vsako

število razdelili na 4 zloge. Tako smo na koncu v enem paketu poslali 15 prejetih vzorcev.

Oblika paketa je vidna na spodnji sliki.

4.2.4 Izbira podatkovnega tipa na mikrokrmilniku

Na samem mikrokrmilniku imamo veliko izbiro različnih tipov. Dandanes nam v bistvu

ponujajo enako velikost kot na pravih računalnikih. Seveda je treba poudariti, da gre to

vse na račun hitrosti, ki pa je manjša, če potrebujemo večje zaloge vrednosti.

V našem primeru smo potrebovali števila s plavajočo vejico. Vrednosti iz AD pretvornika

so sicer cela števila (int). Koeficienti za filtriranje pa so decimalni in na intervalu med -1 in

1. Mikrokrmilniki z oznako »ds« imajo še posebej tip »fractional«, kateremu lahko

nastavimo število mest za decimalni del. Slednjega nismo uporabili, saj bi se povečalo

število deljenj. Vrednosti, ki jih premore so lahko namreč samo med -1 in 1.

Odločali smo se tako med tipoma float (32bit) in double (64bit). V orodju Matlab smo

naredili analizo napake, ki bi se lahko zgodila, če bi uporabljali float. Test je potekal tako,

da smo generirali milijon naključnih števil in jih shranili v polje. Za generiranje teh števil

Glava (0x55 in 0xAA) f1 f2 ... f15


29

smo uporabili ukaz »rand (1000000,1)«, ki nam je vrnil polje naključih števil med 0 in 1. Mi

smo nato ta števila spravili na interval med 0 in 4096. To so tudi mejne vrednosti našega

AD pretvornika.

Nato smo ta naključna števila filtrirali s koeficienti, ki so bili v podatkovnem tipu float in

drugič v tipu double. Vsakega posebej smo shranili v novo polje, ki smo ju nato odšteli

med seboj. Dobili smo tabelo razlik za posamezne filtrirane vrednosti.

Ugotovitve so zbrane spodaj:

• Največja vrednost: 0,00503057

• Najmanjša vrednost: -0,00645659

• Standardni odklon: 0,00095299

• Povprečna vrednost: -0,00000783

Kot vidimo, za nas ni razlike v primeru, ko se odločamo med float in double. Glede na to

smo izbrali float podatkovni tip.


30

4.2.5 Shematski potek programa

Na spodnji sliki je viden potek programa. Vzporedno se izvaja še časovnik, ki ga

uporabljamo pri filtriranju.

Slika 4.2: Shematski potek programa


31

5 Mobilna aplikacija Za pregled signala bomo torej preko bluetooth modula pošiljali na mobilno napravo

podatke za izris. Za mobilno platformo smo se odločili za Android operacijski sistem.

Podprli bomo vse naprave od verzije 4.0.3 (ICS) dalje.

5.1 Android operacijski sistem Android mobilna platforma je odprtokodni operacijski sistem, ki temelji na Linux jedru.

Začetki segajo v 23. september leta 2008, takrat je bil tudi predstavljen širšemu svetu s

strani Googla. Ta je namreč pod okrilje vzel takratno podjetje Android inc.. Prva verzija, ki

se je pojavila na telefonih je bila verzija 1.0 (9. februar 2009). Slednja je vsebovala vse

osnovne funkcionalnosti telefona, a je bila različica zelo okrnjena. [4]

Od prvega izida in vse do danes tako funkcionalnost kot priljubljenost zelo raste. Tako

imamo danes 81% vseh mobilnih naprav na katerih teče omenjen operacijski sistem. [19]

Do sedaj je bilo skupaj predstavljenih 10 različic. Zadnja različica ima številko 4.4 in kodno

ime »Kit Kat«. Predstavljena je bila 14. oktobra 2013 na Google I/O konferenci. V tabeli

5.1 so prikazane še ostale verzije.

Tabela 5.1: Verzije Android operacijskega sistema

Različica Kodno ime Datum izida Številka API

4.4 Kit Kat 31. Oktober, 2013 19

4.3

Jelly Bean

24. Julij 2013 18

4.2.x 13. November 2012 17

4.1.x 9. Julij 2012 16

4.0.3 – 4.0.4 Ice Cream Sandwich 16. December, 2011 15

2.3.3 – 2.3.7 Gingerbread 9. Februar, 2011 10

2.2 Froyo 20. Maj 2010 8


32

5.2 Eclipse razvojno okolje Za razvoj naše aplikacije bomo uporabili prosto dostopno razvijalno okolje Eclipse IDE.

Okolje nam omogoča delo v mnogih programskih jezikih. V našem primeru bomo uporabili

Java programski jezik. Samo okolje je nastalo leta 2001 pod konzorcijem raznih

računalniških podjetij. Trenutno je najaktualnejša verzija 4.4 z imenom »Luna«.

Eclipse razvijalno okolje je podprto tudi z nameščanjem raznih vtičnikov. To je tudi

najpomembnejši del Eclipsa, saj omogoča, da lahko funkcionalnosti, ki jih v osnovi

omogča Eclipse, nadgradimo s svojimi. Vtičnike bomo tudi sami uporabili, ko bomo hoteli

delati s knjižnicami in uporabljati razne pripomočke za Android.

5.3 Android SDK Android SDK je brezplačni skupek dodatkov k razvijalnemu okolju, ki zajema:

• knjižnice,

• emulatorje naprav,

• veliko dokumentacije,

• testni primeri,

• razhroščevalnik

Sam Android SDK se razvija vzporedno s prihodom novih verzij. Za kompatibilnost je

poskrbljeno tudi s podporo za prejšnje verzije Android operacijskega sistema.

5.4 Izdelava aplikacije Najprej je bilo na računalnik potrebno namestiti vse potrebne programe in dodatke. Za

dosego tega smo sledili navodilom na uradnih straneh za Android razvijalce, kjer ni bilo

večjih problemov. Najprej je bilo potrebno namestiti Javo za razvijalce (JDK), nato

razvojno okolje Eclipse. Na koncu pa še Android SDK. S pomočjo vtičnika AVD smo

povezali Eclipse in Andorid SDK.

Po uspešni namestitvi smo ustvarili projekt. Najprej je bilo potrebno vpisati osnovne

podatke o aplikaciji, nato pa še obliko aplikacije. Za potrebe naše aplikacije smo izdelali

tudi preprosto ikono vidno na sliki 5.1.


33

Slika 5.1: Ikona mobilne aplikacije

Nato smo se lotili grafičnega izgleda aplikacije. Tega smo lahko naredili kar v Eclipse

razvojnem okolju. Ta nam omogoča, da lahko razvijamo okno vizualno ali pa ga gradimo

kar v XML datoteki. Oba načina se dopolnjujeta in vedno imamo na voljo predogled. Na

sliki 5.2 lahko vidimo razvoj grafičnega vmesnika.

Slika 5.2: Grafični urejevalnik


34

Izdelali smo 2 okna. Prvo okno je za pregled v živo. Ta je na sliki 5.3.

Slika 5.3: Okno - "v živo"

1. Gumb za povezavo in začetek spremljanja

EKG.

2. Gumb za prekinitev povezave.

3. Gumb za začetek in konec snemanja.

4. Tukaj lahko preklapljamo med oknoma. Prvi

gumb je namenjen za »živo sliko« drugi pa za

zgodovino.

Drugo okno je za pregled posnetih meritev (slika 5.4).

Slika 5.4: Okno - "zgodovina"

1. Znotraj tega okna se nam prikaže EKG

meritev.

2. Gumb, ki nam odpre seznam vseh posnetih

meritev.

3. Gumb ustavi predvajanje.


35

V primeru, ko je potrebno izbrati bluetooth napravo oz. posneto meritev se nam odpreta

seznama kot na sliki 5.5 in 5.6.

Slika 5.5: Izbira bluetooth naprave

Slika 5.6: Izbira posnetka

Celotno ozadje programa v osnovi za oba načina deluje enako. V prvem primeru se

podatki pridobivajo preko bluetooth naprave, v drugem pa se bere iz datoteke.

Branje poteka v ločeni niti. Ta cel čas sprejema pakete iz naprave in jih sinhronizira glede

na glavo paketa. Vrednosti nato sestavlja v števila s plavajočo vejico. Ko je vrednost

pripravljena, se pošlje signal drugi niti, ki skrbi za izris. Ta vpiše vrednost v krožno vrsto.

Nato se celotna vrsta izriše na zaslon. Podobna stvar se zgodi tudi, ko gledamo


36

zgodovino meritve, takrat se vrednosti berejo iz datoteke in se direktno vpisujejo v vrsto.

Program to ponavlja, dokler ne prekinemo povezave ali ustavimo program.

Med povezovanjem na bluetooth napravo smo naleteli na nekaj težav. Potrebno je bilo

dodati pravico za dostop v manifest datoteki. Enako smo naredili tudi za pisanje v spomin

telefona.


37

6 Meritve Meritve so se izvajale na treh različnih prostovoljcih. Merjenje je potekalo v treh fazah in

sicer je vsak z napravo najprej miroval, nato hodil in na koncu še tekel. Pri vsaki meritvi

smo želeli ugotoviti, ali se da razbrati celoten utrip srca z vsemi fazami. Na spodnji sliki je

viden EKG signal, ki smo ga pridobili z našo napravo. Kot vidimo, lahko enostavno

določimo faze enega utripa.

Slika 6.1 Izmerjen utrip

Testirane osebe so si napravo namestile na prsni koš z gumijasto-elastičnim trakom.

6.1 Mirovanje Pri mirovanju vidimo, da je signal brez velikih šumov. V večini primerov bi se dalo določiti

faze bitja. Iz slike 6.1 je tudi razločno vidno, kdaj se je zgodil utrip.

Slika 6.2: Primerjava EKG signala pri mirovanju (X os predstavlja zaporedno številko vzorca, Y pa

vrednost AD pretovrbe)


38

6.2 Hoja Pri hoji se še ne opazi velike razlike. Še vedno se da določiti faze. Utripi so jasno vidni.

Slika 6.3: Primerjava EKG signala pri hoji (X os predstavlja zaporedno številko vzorca, Y pa



39

6.3 Tek Pri teku vidimo, da so motnje kar izrazite. Predvsem pri tretji osebi, pri kateri je že težje

razločiti tudi R fazo. Menimo, da se to zgodi zato, ker se je spreminjal položaj senzorja na

telesu. Med tekom so vertikalne sile večje in se lahko naprava nekoliko premakne iz

osnovnega položaja.

Slika 6.4: Primerjava EKG signala pri teku (X os predstavlja zaporedno številko vzorca, Y pa



40

7 Sklep V diplomskem delu smo izdelali prenosen in brezžičen elektrokardiograf s senzorjem

EPIC. Predstavili smo vsak korak do končnega produkta. To zajema celotno načrtovanje

in izdelavo vezja, kot tudi programski del za mikrokrmilnik in mobilno napravo. Opisali smo

vse pomembnejše elektronske komponente, ki smo jih uporabili v končnem vezju.

Ugotovili smo, da so senzorji EPIC odlična izbira za različne aplikacije, pri katerih je

potrebno meriti električni potencial. V našem primeru so se izkazali kot odlična izbira, saj

je bil graf (izris) meritve zelo dober in kvaliteten.

Med samim izdelovanjem prototipa smo se večkrat srečali z raznimi težavami. Z uporabo

pripomočkov kot so osciloskop, logični analizator in razhroščevalnik smo te težave zelo

hitro rešili.

Celotno vezje smo na koncu sestavili v končen produkt. Opremili smo ga tudi s pasom, da

ga je mogoče pripeti na telo. Meritve so pokazale, da naprava pri mirnejših aktivnostih, kot

so mirovanje in hoja, deluje odlično. Tako so senzorji in celotna naprava izpolnili naša

pričakovanja.

Na kratko smo spoznali tudi Android operacijski sistem in samo programsko opremo za

razvijanje v njem. Izdelali smo aplikacijo, ki je zmožna v realnem času prikazovati EKG

meritve iz naprave. Meritve si je možno tudi shraniti. Bluetooth se je kot brezžični vmesnik

izkazal kot izjemno dobra izbira, saj je praktično dostopen na vsaki napravi. To pomeni,

da se lahko naša naprava povezuje na mnoge mobilne naprave.

Samo napravo bi se dalo izboljšati s tem, da bi vsa naša vezja združili v eno manjše,

kompaktnejše vezje. To vezje bi morali načrtovati še bolj previdno in postaviti elektronske

elemente čim bolj skupaj s krajšimi povezavami. Prav tako bi morali uporabiti več

kondenzatorjev, ki bi izničevali vpliv šuma v signalu. Ti bi morali biti čim bližje

posameznim elektronskim elementom.


41

8 Viri, literatura [1] Microchip Technology Inc.: MPLAB® C18 C COMPILER GETTING STARTED, 2004.

http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/mplab_c18_getting_started_51295d.p

df [10.3.2014]

[2] Mikrokrmilnik dsPIC33EP512MU814 Data Sheet

http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/70616g.pdf [10.3.2014]

[3] Mesojedec Uroš, Fabjan Borut: Java 2 : temelji programiranja, Ljubljana Pasadena,

2004

[4] Matej Podlesnik: Kaj je android?, http://slo-android.si/prispevki/kaj-je-android.html

[10.3.2014]

[5] Eclipse (software), http://en.wikipedia.org/wiki/Eclipse_(software) [10.3.2014]

[6] Elektrokardiografija, http://fizika.fnm.uni-mb.si/files/seminarji/04/ekg.doc [10.3.2014]

[7] Different Types of ECG Machines, http://www.favoriteplus.com/blog/types-ecg-

machines/ [10.3.2014]

[8] PS25255 EPIC Ultra High Impedance ECG Sensor,

http://www.mouser.com/ds/2/613/PS25255-256881.pdf [10.3.2014]

[9] Lipmanov elektrometer, http://en.wikipedia.org/wiki/Lippmann_electrometer [10.7.2014]

[10] Elektrokardiografija, http://en.wikipedia.org/wiki/Electrocardiography [10.7.2014]

[11] Deli EK naprave, http://www.ehow.com/list_7636620_parts-ecg-machine.html

[10.7.2014]

[12] Senzor EPIC, http://www.plesseysemiconductors.com/doc/?id=291766 [13.7.2014]

[13] INA122 Data Sheet, http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ina122.pdf [13.7.2014]


42

[14] LMC7660 Data Sheet, http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lmc7660.pdf [13.7.2014]

[15] Negativni napetostni pretvornik,

http://www.illuwatar.se/project_pages/short_projects/negative.htm [13.7.2014]

[16] LTC1062 Data Sheet, http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/1062fd.pdf [23.7.2014]

[17] LM358, http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm158-n.pdf [23.7.2014]

[18] Operacijski ojačevalci, http://en.wikipedia.org/wiki/Operational_amplifier_applications

[23.7.2014]

[19] Android operacijski sistem, http://sl.wikipedia.org/wiki/Android_(operacijski_sistem)

[1.8.2014]

[19] Priljubljenost operacijskih sistemov http://www.idc.com/prodserv/smartphone-os-

market-share.jsp [1.8.2014]

[20] Bluetooth modul, http://mcuoneclipse.com/2013/06/19/using-the-hc-06-bluetooth-

module/ [3.8.2014]

[21] Bluetooth modul HC – 06, http://www.mikrokopter.de/ucwiki/en/HC-06 [3.8.2014]


43


44


45

izvedba brezŽiČnega elektrokardiografa s … · del predstavlja mikrokrmilnik dspic33, krmiljenje...

Documents