Для оптимального синтеза структурной схемы устройства температурной биотелеметрии необходимо выявить варианты возможных схемотехнических решений устройства, установить особенности разработанных вариантов (принципов действия, размещения функциональных составных частей и т. п.), их конструкторскую проработку. Глубина такой проработки должна быть достаточной для сравнительной оценки рассматриваемых вариантов [18].
Предварительная структурная схема измерительного канала представлена на рисунке 9.
А1 – устройство пациента: А1.1 – датчик температуры; А1.2 – схема включения датчика; А1.3 – блок управления; А1.4 – микроконтроллер; А1.5 – блок хранения информации; А1.6 – передатчик; А1.7 – блок питания.
А2 – Устройство оператора (приемный блок): А2.1 – приемник (ресивер); А2.2 – интерфейс синхронизации устройства с персональным компьютером (ПК); А2.3 – микроконтроллер; А2.4 – блок внешней памяти; А2.5 – блок световой индикации; А2.6 – клавиатура; А2.7 – блок звуковой индикации; А2.8 – ЖК-дисплей; А2.9 – блок питания устройства оператора
Рисунок 9 – Схема структурная канала измерения температуры в системе биотелеметрии
Изменение температуры тела фиксируется датчиком температуры А1.1 с выходом по напряжению. Процесс измерения основан на принципе изменения электрического сопротивления проводника датчика в зависимости от изменения температуры, и преобразования изменения сопротивления в электрический сигнал (напряжение).
Сигнал датчика температуры А1.1 (напряжение) поступает на усилитель А1.2, где амплитуда сигнала масштабируется для передачи в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) микроконтроллера А1.4 (значение коэффициента передачи усилителя А1.2 должно быть подобрано таким образом, что бы усилить сигнал до уровня опорного напряжения АЦП). Применение усилителя для интерфейса между датчиком и АЦП уменьшает общую стоимость системы (для неусиленного сигнала требуется более дорогой АЦП с большим разрешением, особенно если необходимо сохранение высокого быстродействия).
После усиления сигнал подается на встроенный АЦП микроконтроллера А1.4, где он преобразуется в цифровой код. Микроконтроллер А1.4 обрабатывает принятые данные, вычисляет значение температуры и передает их на трансмиттер А1.6, где информация кодируется и при помощи антенны передается по линии связи (ЛС) в устройство приемника А2. Процедура оцифровки данных и их последующая передача в цифровом формате (а не в виде результатов сравнения аналогового сигнала с установленными критическими порогами температуры тела) необходима для построения температурной кривой за определенный временной период.
Информация передается по беспроводной линии связи посредством технологии ZigBee. Микроконтроллер А1.4 соединен с устройством хранения информации А1.5, рассчитанным на хранение 1000 последних результатов измерения (резервное хранение результатов измерения после выключения устройства). Блок управления А1.3 представляет переключатель, осуществляющий принудительное включение/выключение устройства пациента.
Сигнал с трансмиттера А1.6 устройства пациента передается на блок ресивера А2.1 устройства оператора. Приемник А2.1 осуществляет частотную селекцию: выделяет из всего радиочастотного спектра электромагнитных колебаний (действующих на антенну) колебания, содержащие измерительную информацию; увеличивает энергию принятых колебаний до уровня, при котором становится возможным их использование; преобразует принятые модулированные радиочастотные колебания в электрические колебания, соответствующие закону модуляции, т. е. непосредственно содержащие информацию.
Пороговые значения температуры тела (нижний: 36,3 оС; верхний: 37,6 оС) установлен в принимающем устройстве по умолчанию, однако при врачебной необходимости с клавиатуры А2.6 вводятся иные пороговые значения температуры (зависят от особенностей организма пациента), при достижении которых система включает тревожную сигнализацию, также клавиатура А2.6 осуществляет включение/выключение устройства оператора А2.
Измерительная информация поступает на микроконтроллер А2.3, где данные подвергаются дополнительной обработке. Данные выводятся на ЖК-дисплей А2.8 в виде цифрового значения и графика температуры. Если измеренное значение превышает предварительно установленный максимально допустимый порог или опускается ниже предварительно установленного минимально допустимого порога температуры, микроконтроллер А2.8 активирует схемы световой А2.5 и звуковой А2.7 сигнализации. Результаты измерения также направляются в устройство внешней памяти А2.4 для хранения. Устройство хранения данных формирует массив измерительной информации (с присвоением каждому измерению даты и времени), который может быть передан в персональный компьютер через интерфейс USB 2.0 для оценки динамики изменения температуры тела за определенный период времени.
Приемный блок А2 может быть синхронизирован с персональным компьютером (ПК) либо комплексной системой мониторинга состояния человека посредством гальванически развязанного последовательного интерфейса передачи данных USB 2.0 (блок А2.2). При возникновении критической ситуации для здоровья пациента возможно быстрое подключение принимающего устройства к медицинскому монитору, транслирующему показатели жизнедеятельности, посредством стандартного интерфейса USB 2.0, что позволяет не использовать проводные датчики температуры. Также данный интерфейс используется для передачи массива данных из принимающего устройства в персональный компьютер для их дальнейшей обработки, анализа и использования врачебным персоналом в диагностических целях.
Представленная структурная схема в целом отражает концепцию построения биотелеметрической системы контроля температуры, однако она не учитывает возможность сокращения аналоговой части устройства с целью снижения погрешности измерения. Современный рынок микроэлектроники представляет широкий спектр решений данной проблемы, в частности датчики температуры с цифровым выходом.
На рисунке 10 представлена усовершенствованная структурная схема биотелеметрической системы измерения и контроля температуры, в которой максимально сокращена аналоговая часть измерительного канала, более подробно проработана схема питания устройства и блок приемопередачи измерительного сигнала.
Изменение температуры тела фиксируется датчиком температуры А1.1. Далее напряжение преобразуется встроенным АЦП датчика в цифровой код, который поступает непосредственно на микроконтроллер А1.3. Далее данное устройство функционирует аналогично устройству на рисунке 9.
Контроллер заряда батареи А1.7 обеспечивает ряд функций, необходимых в процессе эксплуатации батареи А1.8. При использовании контроллера А1.7, в сочетании с основным контроллером А1.3, резидентная ИС контролера А1.7, располагающаяся в одной упаковке с батареей, может использоваться для приложений, которые включают заряд, оценку остаточной емкости, мониторинг безопасности, и энергонезависимое сохранение параметров. Если уровень заряда блока питания А1.8 недостаточен, микроконтроллер А1.3 посылает через трансивер специальный сигнал в устройство оператора А2, которое в свою очередь оповещает (звуковая сигнализация) медицинский персонал или родителей о необходимости смены источника питания А1.7 блока пациента А1. Контроллер заряда батареи А2.8 выполняет функции, аналогичные функциям блока А1.7: при недостаточном уровне заряда батареи А2.11 осуществляется звуковая индикация по вышеописанному принципу.
А1 – блок пациента: А1.1 – датчик температуры с цифровым выходом; А1.2 – переключатель; А1.3 – микроконтроллер с модулем приемопередатчика; А1.4 – блок хранения информации; А1.5 – устройство индикации; А1.6 – передающая антенна; А1.7 – контроллер заряда батареи блока пациента; А1.8 – блок питания устройства пациента; ЛС – беспроводная линия связи.
А2 – Приемный блок (устройство оператора): А2.1 – приемная антенна; А2.2 – приемник (ресивер); А2.3 – интерфейс синхронизации устройства с персональным компьютером ПК; А2.4 – микроконтроллер; А2.5 – блок внешней памяти; А2.6 – блок световой индикации; А2.7 – клавиатура; А2.8 – контроллер заряда батареи блока оператора; А2.9 – блок звуковой индикации; А2.10 – ЖК-дисплей; А2.11 – блок питания устройства оператора
Рисунок 10 – Схема структурная устройства биотелеметрии с датчиком температуры с цифровым выходом
В устройство пациента А1 также введен блок индикации А1.5, в качестве которого может использоваться светодиод, индицирующий процесс передачи данных в устройство А2.
Данное устройство телеметрической системы является оптимальным с точки зрения компактности блока пациента, что немаловажно для разработки систем термометрии в педиатрии; отличается более низкой погрешностью измерения по причине отсутствия аналоговой части. Однако, суммарная стоимость системы повышается за счет использования высокотехнологичных микросхем.
Проанализировав структурные схемы, представленные на рисунках 9 и 10, можно синтезировать оптимальную (для данной задачи курсовой работы) структурную схему биотелеметрического устройства термометрии (рисунок 11). Принцип функционирования устройства аналогичен вышеописанным устройствам на рисунках 9 и 10.
В схеме присутствует аналоговая часть (датчик А1.1, преобразователь сопротивления в напряжение А1.2; усилитель А1.3), введены устройство индикации передачи данных А1.7, антенны передающая А1.8 и принимающая А2.1, контроллеры уровня заряда батареи А1.9 и А2.8. Причем аналоговая часть может включать в себя, например, классическую схему измерения температуры:
– измерительный мост, в одно из плеч которого включен терморезистор;
– дифференциальный усилитель, который усиливает сигнал измерительного моста в требуемое значение напряжения на выходе, пропорциональное значению измеренной температуры;
– нормирующий преобразователь, который усиливает сигнал дифференциального усилителя в требуемое нормированное напряжения на выходе для дальнейшей его обработки в АЦП.
А1 – блок пациента: А1.1 – датчик температуры; А1.2 –преобразователь сопротивления в напряжение; А1.3 – усилитель; А1.4 – переключатель; А1.5 – микроконтроллер со встроенными АЦП и модулем приемопередатчика; А1.6 – блок хранения информации; А1.7 – устройство индикации; А1.8 – передающая антенна; А1.9 – контроллер заряда батареи блока пациента; А1.10 – блок питания устройства пациента; ЛС – беспроводная линия связи.
А2 – Приемный блок (устройство оператора): А2.1 – приемная антенна; А2.2 – приемник (ресивер); А2.3 – интерфейс синхронизации устройства с персональным компьютером ПК; А2.4 – микроконтроллер; А2.5 – блок внешней памяти; А2.6 – блок световой индикации; А2.7 – клавиатура; А2.8 – контроллер заряда батареи блока оператора; А2.9 – блок звуковой индикации; А2.10 – ЖК-дисплей; А2.11 – блок питания устройства оператора
Рисунок 11 – Схема структурная аналогового канала измерения температуры в системе биотелеметрии
Другой вариант исполнения аналоговой части измерительного канала может включать в себя только температурный датчик (в виде единой микросхемы либо датчик по типу терморезистора или термистора), преобразователь сопротивления в напряжение (при необходимости) и усилительный каскад. Выбор конкретного схемотехнического решения проводится на стадии разработки схемы электрической принципиальной.
