Выбор микроконтроллера и расчет параметров АЦП

В канале измерения разрабатываемого устройства имеют место лишь аналоговые сигналы. Чтобы микроконтроллер мог оперировать измерительной информацией, необходимо аналоговый сигнал на выходе канала измерения преобразовать в цифровой код, для чего используются аналого-цифровые преобразователи. АЦП должны быть приспособлены для работы в микроконтроллерной системе, иметь возможность синхронизации работы с микроконтроллером, должен подходить по разрядности и быстродействию.

 

 

Рисунок 18 – Расчетная зависимость изменения выходного напряжения усилителя от температуры в диапазоне температур от плюс 30 до плюс 50 ^оС

 

Для данной схемы необходимо, чтобы микроконтроллер имел встроенный модуль приемопередачи данных ZigBee, последовательный интерфейс передачи данных SPI.

В качестве микроконтроллера выбрано устройство MC1322V компании Freescale Semiconductor [25]. Платформа MC1322V разрабатывалась с учетом всех особенностей применения в устройствах с низким уровнем энергопотребления и питанием от батареи. MC1322V имеет интегрированный стабилизатор напряжения питания, устройство также содержит схему защиты от повреждений при высоких статических напряжениях и электрических полях. Модуль MC1322V активно используется в медицинском диагностическом оборудовании и системах мониторинга состояния пациента.

Для интеграции модуля MC1322V в измерительную схему необходимо минимальное количество внешних компонентов – радиочастотные согласующие компоненты, индуктивность и конденсаторы нагрузки для кварца находятся внутри корпуса. Требуются только кварцевый резонатор, 50-омная антенна, один источник тактового сигнала в диапазоне 13 – 26 МГц (20 МГц типовой). Такая структура является оптимальной для портативного устройства, где необходимо минимизировать количество внешних элементов.

Основные характеристики MC1322V представлены в таблице 5 [25].

 

Таблица 5 – Технические характеристики модуля MC1322V

Параметр	Значение / Наименование
Приемопередатчик	IEEE 802.15.4 приемопередатчик/модем ZigBee (работа в диапазоне 2,4 ГГц).
Выходная мощность передатчика, дБм	от минус 30 до плюс 5
Скорость передачи данных, Кбит/с
Размер интегрированной памяти, Кбайт FLASH SRAM ROM
Потребляемый ток в режиме с активным радиоканалом и микроконтроллером, мА
Приемник Передатчик
Тип микроконтроллера	32-битный микроконтроллер с ядром ARM7TDMI-S
Потребляемый ток в режиме с отключенным радиоканалом и активным микроконтроллером, мА	3,3
Потребляемый ток в режиме с отключенным радиоканалом и микроконтроллером в режиме ожидания, мА	0,8
Потребляемый ток в режиме сна, мкА	0,85
Периферия микроконтроллера	1) Модуль интерфейса 802.15.4 радиомодема (RIF); 2) последовательный интерфейс SPI; 3) два модуля UART со скоростью до 2 Мбит/с и поддержкой CTS/RTS; 4) последовательный синхронный интерфейс SSI, I2S/SPI совместимый, FIFO буферизация данных; 5) 8 линий прерываний от клавиатуры с поддержкой матрицы 4 х 4; 6) Четыре независимых 16-битных таймера/ШИМ 7) Детектор разряда батареи
Разрядность встроенных АЦП, бит
Рабочая частота микроконтроллера, МГц
Напряжение питания, В	2…3,6
Диапазон рабочих температур, °C	от минус 40 до плюс 105
Тип корпуса	QFN
Размеры корпуса,	7x7x1

 

Т.к. все радиочастотные согласующие компоненты, индуктивность и конденсаторы нагрузки для кварца находятся внутри корпуса, требуется только кварцевый резонатор. Выберем кварцевый резонатор CFPX-180. Частота 20 МГц, точность установки частоты от ±10 до ±50 ppm; диапазон рабочих температур от минус 10 до плюс 60°C; размеры корпуса 3,2 x 2,5 мм [33].

В качестве навесных монтажных элементов выбраны конденсаторы керамические ЧИП номиналом 22 пФ (ряд Е12), типа GRM155R71C104K в корпусе SMD 0402, допустимое отклонение емкости ±10%, температурный коэффициент емкости X7R [34].

Напряжение преобразуется с помощью АЦП в код, при этом номер кодовой комбинации на входе АЦП [23]:

 

, (21)

 

где – напряжение на выходе усилителя;

– значение кванта.

 

, (22)

 

где m – число разрядов АЦП.

 

(В) = 0,8789 (мВ). (23)

 

Таким образом, номер кодовой комбинации на выходе АЦП микроконтроллера определяется значением:

 

. (24)

 

В приемном биотелеметрическом устройстве (согласно структурной схеме – рисунок 11) были объединены блоки А2.2 (приемник) и А2.4 (микроконтроллер) в единый модуль приемопередачи измерительной информации. Тогда в качестве данного модуля можно использовать аналогичную микросхему MC1322V, что сокращает размеры приемного устройства и упрощает процесс передачи данных от приемника к передатчику (т.к. если использовать в блоках пациента и оператора приемопередающие устройства разных компаний-производителей, либо микросхемы одного класса, но различных «линеек», – возникает необходимость согласования процесса приема и передачи данных между модулями ZigBee на программном уровне).

Заключение

 

В данной курсовой работе был разработан канал измерения температуры в системе биотелеметрии. Изучен медико-биологический аспект реализуемого метода получения диагностической информации, проанализированы основные биологические зависимости изменения температуры тела пациента от воздействия внешних и внутренних факторов. По результатам анализа медико-биологического обоснования, обзора конструкций аппаратов-аналогов и изучения их технической документации были сформулированы медико-технические требования и синтезирована структурная схема измерительного канала.

Далее было проведено математическое описание проектируемого измерительного канала и синтезирована номинальная статическая характеристика. После анализа статической характеристики было исследовано распределение суммарной погрешности, обусловленное первичными и частными погрешностями. По результатам исследования были определены допуски на параметры системы.

В завершении был проведен анализ точности канала измерения температуры с применением метода ситуационного моделирования. Были определены пределы допускаемой суммарной погрешности измерительного канала во всем диапазоне измерений: градусов по шкале Цельсия, что удовлетворило погрешности, заданной в медико-технических требованиях ( 0,1 ^оС для диапазона от плюс 35,5 до плюс 39,0 ^оС; 0,2 ^оС для диапазонов от плюс 30,0 до плюс 35,5 ^оС и от плюс 39,0 до плюс 50 ^оС).