Cardio Data Logger: 7 vaihetta (kuvien kanssa)

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:03

Vaikka nykyään on saatavana monia kannettavia laitteita (älykaistat, älykellot, älypuhelimet, jne.), Jotka voivat tunnistaa sykkeen (HR) ja suorittaa jäljitysanalyysin, rintahihnapohjaiset järjestelmät (kuten tr-kuvan yläosassa) ovat edelleen laajalle levinnyt ja käytetty, mutta sillä ei ole mahdollisuutta tallentaa ja viedä mittausten jälkiä.

Edellisessä Instructable Cardiosimissa olen esittänyt rintahihnan (Cardio) simulaattorin, joka selittää, että yksi seuraavista askeleistani oli kehittää syketietojen kirjaaja. Olen nyt valmis esittämään sen tässä ohjeessa. Tämän kannettavan yksikön tehtävänä on vastaanottaa rintahihnan vyön (tai Cardiosim -simulaattorin) lähettämä sykesignaali harjoittelun aikana (harjoitus/pyöräily/juoksu jne.) Ja tallentaa jälki SD -kortille. suorita harjoittelun jälkeinen suorituskykyanalyysi (katso yksityiskohdat viimeisessä luvussa).

Laite saa virtaa ladattavasta akkujärjestelmästä, mukaan lukien latauspiiri ja DC -tehostussäädin.

Käyttämättömän materiaalin "varastostani" kalasin sopivan muovikotelon (135 mm x 45 mm x 20 mm) ja mukautin siihen piirin asettelun sopimaan yhteen, tehden toimivan prototyypin, joka täyttää tarpeeni (mutta jonka toteutus jättää tilaa parannusta:-))

Vaihe 1: Lyhyt kuvaus

Katso Cardiosim Instructable -ohjelman vaiheesta 1 lyhyt esittely tällaisten laitteiden käyttämästä LFMC (Low Frequency Magnetic Communication) -tekniikasta.

Ensimmäinen aikomukseni oli käyttää Sparkfun RMCM01 -moduulia vastaanotinrajapintana, mutta tätä tuotetta ei ole enää saatavilla (puhumattakaan siitä, että se oli joka tapauksessa melko kallis).

Verkkoa tarkasteltaessa löysin kuitenkin tämän mielenkiintoisen opetusohjelman, joka näyttää joitain vaihtoehtoisia ratkaisuja RMCM01: n korvaamiseksi. Valitsin kolmannen vaihtoehdon ("Peter Borst Design", kiitos Peter!), Saavuttaen erinomaisen tuloksen käyttämällä Cardiosimin samoja L/C -komponentteja, jotka on kuitenkin liitetty tähän rinnakkaisresonanssisäiliöksi. Havaittu signaali vahvistetaan, "puhdistetaan", dekoodataan ja välitetään Arduino Pro Mini -kontrollerille. Ohjelma vahvistaa vastaanotetut pulssit, mittaa sykkeen (tai paremman kahden peräkkäisen pulssin välisen ajan) ja tallentaa kaikki mitatut välit ASCII -tekstitiedostoon (yksi rivi per voimassa oleva pulssi, 16 merkkiä, mukaan lukien väli, aikaleima ja LF/CR) microSD -kortissa. Jos oletetaan keskimääräinen syke 80 bpm, tunnin tallennus tarvitsee vain (4800 tekstiriviä x 16 merkkiä) = 76800/1024 = 75 kBytes, joten jopa halpa 1 Gt: n SD -kortti tarjoaa runsaasti tallennuskapasiteettia.

Tallennuksen aikana voit lisätä merkkiviivoja jäljittääksesi ja arvioidaksesi eri istunnon vaiheet erikseen.

Vaihe 2: LiPo -virtalähde - kaaviot, osat ja kokoonpano

Virtalähde on kotelon pohjassa. Trimpotia lukuun ottamatta mikään komponentti ei ylitä 7 mm: n korkeutta, mikä antaa tilaa HR -vastaanottimen ja mikrokontrolleripiirin asentamiseen virtalähteen yläpuolelle.

Käytin seuraavia osia:

• 3,7 V LiPo -akku (mikä tahansa puhelimen akku voidaan kierrättää, pienempi kapasiteetti ei ole ongelma tässä)
• USB TP4056 -latausmoduuli, ostin sen täältä
• SX1308 DC -tehostin, ostin sen täältä
• Pieni prototyyppilevy 40 x 30 mm
• Kaapeli, jossa JST -liitin 2, 54 mm 2 -nastainen, kuten tämä
• (valinnainen) JST -liitin 2 mm 2 -nastainen, kuten tämä

• (valinnainen) Kaapeli JST -liittimellä 2 mm 2 -nastainen, kuten tämä

Kahden viimeisen tuotteen käyttö riippuu käytettävästä akusta ja tavasta, jolla aiot liittää sen laturimoduuliin. Ehdotan 2 mm: n JST -liitintä, koska monet paristot toimitetaan jo asennetulla kaapelilla ja 2 mm: n pistokkeella, mikä tahansa muu ratkaisu on riittävä, kunhan se mahdollistaa pariston helpon vaihtamisen tarvittaessa. Vältä joka tapauksessa oikosulkuja akun napojen välillä asennuksen aikana.

TP4056-moduuli saa virtansa mikro-USB-portista ja on suunniteltu ladattavien litiumakkujen lataamiseen vakiovirta / vakiojännite (CC / CV) -latausmenetelmällä. Litiumpariston turvallisen lataamisen lisäksi moduuli tarjoaa myös tarvittavan suojan litiumparistoilta.

SX1308 on korkean hyötysuhteen DC/DC Step Up -säädettävä muunnin, joka pitää lähtöjännitteen vakiona +5 V: n minimitulojännitteellä 3 V, mikä mahdollistaa akun kapasiteetin täydellisen hyödyntämisen. Säädä lähtöjännite trimpotilla +5V ennen mikrokytkimen kytkentää!

Data Loggerin kokonaiskulutus on noin 20 mA, joten jopa käytetty akku, jonka jäännöskapasiteetti on 200 mAh (<20% uuden puhelimen akun alkuperäisestä kapasiteetista), mahdollistaa 10 tunnin tallennuksen. Ainoa haittapuoli on, että SX1308 -lepovirta on noin 2 mA, joten irrota akku, jos et käytä dataloggeria pitkään aikaan.

Pienen koon vuoksi molemmat moduulit on kiinnitettävä liitäntäreikien avulla sekä sähköiseen että mekaaniseen liittämiseen prototyyppikorttiin lyhyiden kuparilankakappaleiden avulla. Levy puolestaan kiinnitetään kotelon pohjaan 3 mm x 15 mm ruuvilla (pituus riittää kiinnittämään yllä olevan mikro -ohjainpiirin samalla ruuvilla). Taulussa on 2 mm: n JST -liitin akulle (saatavana vain SMD -versiossa, mutta taittamalla nastat pystysuoraan voit "kääntää" sen PTH -versiossa) ja kaikki johdot kaavion mukaan. Varmuuden vuoksi liimasin liittimen rungon levyyn, jotta mekaaninen tiiviste olisi hyvä.

Akku asetetaan tyhjäksi kotelon pohjan jäljelle jäävälle alueelle, ja sen takana on toinen 3 mm x 15 mm: n ruuvi, jossa on 8 mm: n pystysuora välikappale, jotta vältytään koskettamasta akun yläosan (joka on joka tapauksessa eristetty) ja pohjan välissä ylempi piiri.

Vaihe 3: HR -vastaanotin ja dataloggeri - kaaviot, osat ja kokoonpano

Emolevy koostuu:

• Prototyyppikortti 40 mm x 120 mm
• Induktanssi 39mH, käytin BOURNS RLB0913-393K
• 2 x kondensaattori 22nF
• Kondensaattori 4.7nF
• Kondensaattori 47nF
• Kondensaattori 39pF
• Elektrolyyttikondensaattori 10uF/25V
• Elektrolyyttikondensaattori 1uF/50V
• 3 x vastus 10K
• 2 x vastus 100K
• 3 x vastus 1K
• 4 x vastus 220R
• Vastus 1M
• Vastus 47K
• Vastus 22K
• Trimpot 50K
• Diodi 1N4148
• LED 3mm sininen
• 2 x LED 3 mm vihreä
• LED 3mm keltainen
• LED 3mm punainen
• Kaksi hiljaista JFET-sisääntuloa sisältävää operaatiovahvistinta TL072P
• Kuusiokääntö Schmitt -liipaisin 74HC14
• JST -liitin 2,54 mm 2 -nastainen, kuten tämä
• 2 x mikrokytkintä, tyyppi Alcoswitch
• Mikro -ohjain Arduino Pro Mini, 16MHz 5V
• Micro SD -korttimoduuli SPI 5V DFRobotsilta

L1: n ja C1: n muodostaman rinnakkaisresonanssisäiliön resonanssitaajuus on noin 5,4 kHz, mikä vastaa riittävän lähellä lähetetyn signaalin magneettikentän kantoaallon 5,3 kHz: ää muuntamaan se jännitteeksi. Muista, että useimmissa tapauksissa kantoaalto on moduloitu yksinkertaisen OOK (On-OFF Keying) -muodon pohjalta, jossa jokainen sydämen pulssi kytkee kantoaallon ON-asentoon noin 10 ms. Havaittu signaali on erittäin heikko (tyypillisesti 1 mV: n siniaalto 60-80 cm: n etäisyydellä lähteestä, edellyttäen, että induktanssin akseli on oikein linjassa magneettikentän kanssa), joten sitä on vahvistettava huolellisesti häiriöiden ja väärennösten välttämiseksi havaintoja. Ehdotettu piiri on paras ponnisteluni ja tuntien testauksen tulos eri olosuhteissa. Jos haluat syventää tätä näkökohtaa - ja ehkä parantaa sitä - katso seuraava vaihe, muuten voit ohittaa sen.

Seuraavat Schmitt Trigger -portit suorittavat digitalisaation ja huipputunnistustoiminnon palauttamalla alkuperäisen moduloivan signaalin, joka välitetään Arduino Pro Minille.

Pro Mini -mikro -ohjainkortti on täydellinen tähän projektiin, koska sen sisällä oleva kristalli mahdollistaa mittausten suuren tarkkuuden (jotka ovat välttämättömiä "lääketieteellisessä" näkökulmasta, katso viimeinen vaihe), ja samalla se on vapaa kaikista muista ei tarvita laitetta, mikä johtaa pieneen virrankulutukseen. Ainoa haittapuoli on, että koodin lataamiseen tarvitaan FTDI -liitäntä Pro Mini -laitteen liittämiseksi tietokoneen USB -porttiin. Pro Mini on liitetty:

• Kytkin S1: aloita tallennus
• Kytkin S2: aseta merkki
• Sininen LED: vilkkuu, kun havaitaan kelvollinen pulssi
• Vihreä LED: Tallennus aloitettu
• Keltainen LED: Merkintä asetettu (lyhyt välähdys) / Aikakatkaisu (kiinteä)
• MicroSD -korttimoduuli (SPI -väylän kautta)

Toisin kuin monet SD -korttimoduulit, jotka toimivat 3,3 V: n jännitteellä, DFRobot -moduuli toimii 5 V: lla, joten tasonvaihdinta ei tarvita.

Mitä tulee kokoonpanoon, saatat huomata, että olen jakanut prototyyppikortin kahteen osaan, jotka on yhdistetty kahteen pieneen "siltaan" jäykästä 1 mm: n kuparilangasta. Tämä on ollut tarpeen, jotta MicroSD -korttimoduuli nostetaan kolmannelle "rakennustasolle" ja kohdistetaan koteloon kaiverretun syvennyksen kohdalle, aivan USB -portin raon yläpuolelle. Lisäksi olen veistänyt kolme syvennystä itse levylle, yhden päästäkseen DC/DC -muuntimen potentiometriin, toisen päästäkseen käsiksi Arduino Pro Minin sarjaväylän liittimeen (asennettu "kuvapuoli alaspäin") ja kolmannen induktanssi.

Vaihe 4: HR -vastaanotin - Spice Simulation

Aiemmin mainitsemastani Peter Borstin suunnittelusta lähtien tavoitteeni oli yrittää laajentaa havaintoaluetta mahdollisimman paljon ja samalla rajoittaa herkkyyttä häiriöille ja vääriä pulsseja.

Päätin vaihtaa alkuperäisen yksittäisen Op-Amp-ratkaisun, koska se on osoittautunut liian herkäksi häiriöille, luultavasti siksi, että 10M: n palautevastuksen arvo on liian korkea, ja jakaa kokonaisvahvistuksen kahteen vaiheeseen.

Molemmissa vaiheissa on DC -vahvistus G = 100, pienenee noin 70 @5,4 KHz, mutta eri tuloimpedanssi herkkyyden optimoimiseksi.

Oletetaan siis, että LC -säiliön tuottaman heikoimman signaalin jännite on 1 mV.

Jos siirrämme koko vastaanotinpiirin Spice -ympäristöön (käytän ADIsimPE: tä) korvaamalla LC -rinnakkaispiiri sinigeneraattorilla, jolla on sama jännite ja taajuus (5,4 KHz) ja suoritamme simulaation, huomaa, että lähtöjännite V1 ensimmäisestä vahvistin on edelleen siniaalto (skaalaustekijän vuoksi sisääntulon siniaalto ei ole havaittavissa), ti vahvistin toimii lineaarisella vyöhykkeellä. Mutta toisen vaiheen jälkeen lähtöjännite V2 osoittaa, että olemme nyt saavuttamassa kylläisyyden (Vhigh = Vcc-1.5V / Vlow = 1.5V). Itse asiassa TL07x -tuotesarjaa ei ole suunniteltu rautatie -kisko -ulostuloalueelle, mutta tämä riittää ylittämään turvallisella marginaalilla molemmat Schmitt -laukaisuportin kynnysarvot ja tuottamaan puhtaan neliöaallon (V3).

Vaihe 5: Ohjelmisto

Vastaanotinportaan suuren vahvistuksen vuoksi ja huolimatta siitä, että huippuilmaisimen vaihe toimii pääasiassa alipäästösuodattimena, Arduino Pro Minin nastan D3 tulosignaali voi silti olla voimakkaasti häiriintynyt ja se on käsiteltävä digitaalisesti esiasetuksella kelpoisuustarkistus vääriä havaintoja vastaan. Koodi varmistaa, että kaksi ehtoa täyttyvät pulssin pitämiseksi kelvollisena:

1. Pulssin on kestettävä vähintään 5 ms
2. Pienin sallittu aikaväli kahden peräkkäisen pulssin välillä on 100 ms (vastaa 600 lyöntiä minuutissa, paljon yli vakavan takykardian rajan!)

Kun pulssi on vahvistettu, edellisen jakson aikaväli (ms) mitataan ja tallennetaan SD -kortille tiedostoon "datalog.txt" yhdessä aikaleiman kanssa muodossa hh: mm: ss, jossa 00:00: 00 edustaa mikrokontrollerin viimeisen nollauksen aikaa. Jos SD -kortti puuttuu, punainen LED -valo syttyy ja ilmaisee virheen.

Uusi tallennusjälki voidaan käynnistää/pysäyttää Start/Stop -kytkimellä S1, ja se tunnistetaan "; Start" ja "; Stop" -merkkirivillä tekstitiedoston alussa ja lopussa.

Jos pulssia ei havaita yli 2400 ms (25 bpm) ajan, tiedostoon merkitään merkkiviiva "; Timeout" ja keltainen LED D4 syttyy.

Jos merkintäkytkintä S2 painetaan tallennuksen aikana, ylimääräinen merkkiviiva muodossa "; MarkerNumber", johon lisätään automaattinen merkin numero 0: sta alkaen, kirjoitetaan tiedostoon ja keltainen LED vilkkuu pian.

Liitteenä täydellinen Arduino -koodi.

Vaihe 6: Alkuasetukset ja testaus

Vaihe 7: Käyttö - lääketieteellinen signaalianalyysi

Käyttämäni kotelon muoto on riittävän lähellä älypuhelimen muotoa, joten löydät markkinoilta runsaasti lisävarusteita, joita voit käyttää tai asentaa sen kuntolaitteisiin. Erityisesti pyörälle voin ehdottaa itävaltalaisen Bike Citizens -yhtiön valmistamaa yleistä älypuhelinkiinnitystä "Finn". Halpa (15,00 €) ja helppo asentaa, se on todella universaali ja kuten kuvassa näkyy, sopii täydellisesti myös Cardio -dataloggeriin

Yksinkertaisin tapa käyttää Data Loggerin tallentamia raakatietoja on piirtää ne kaavioon käyttäen tavallisia PC -ohjelmia (esim. Excel). Vertaamalla samaa harjoitusta toistamalla saatuja kaavioita tai analysoimalla HR -vaihtelujen ja fyysisten ponnistelujen välistä korrelaatiota, voit optimoida voimien annoksen toiminnan aikana.

Suurin kiinnostus on kuitenkin HR: n ja erityisesti HR Variablityn (HRV) tutkiminen lääketieteellisiin tarkoituksiin. Toisin kuin EKG -mittaus, HR -jälki ei sisällä suoraa tietoa sydänlihaksen toiminnasta. Sen analyysi staattisesta näkökulmasta mahdollistaa kuitenkin muiden kliinistä etua koskevien tietojen saamisen.

Kattavin tietolähde HRV: stä on suomalainen KUBIOS -yritys. Heidän sivustoltaan löydät paljon tietoa biolääketieteellisistä signaaleista ja voit ladata "KUBIOS HRV Standard", ilmaisen sykkeen vaihtelun analysointiohjelmiston ei-kaupalliseen tutkimukseen ja henkilökohtaiseen käyttöön. Tämän työkalun avulla voit piirtää kaavioita yksinkertaisesta tekstitiedostosta (sinun on poistettava aikaleimat), mutta myös suorittaa tilastollisia ja matemaattisia arviointeja (mukaan lukien FFT) ja tuottaa uskomattoman yksityiskohtainen ja arvokas raportti, kuten alla oleva.

Muista, että vain erikoislääkäri voi päättää, mitä kokeita urheilukäytössä tarvitaan millä tahansa tasolla, ja arvioida niiden tuloksia.

Tämä opaskirja on kirjoitettu ainoana tarkoituksena luoda kiinnostusta ja hauskaa elektroniikan soveltamiseen terveydenhuoltoon.

Toivottavasti pidit, kommentit ovat tervetulleita!