5. Подбор элементной базы для узлов прибора

В таблице 4 подобрана элементная база для нашего прибора.

Таблица 4 – Подбор элементной базы для узлов прибора

Узел прибора	Название элемента/-ов
1 канал:
1.1 Красный светодиод	GNL-3014SRD
1.2 Фотодиод	VBP104SR
1.3 Усилитель	AD8605
1.4 2-х канальная схема переключения	SN74LVC1G66
1.5 Схема управления яркостью и включением светодиодов: МОП-транзисторы (n- и p-канальные), Операционный усилитель Биполярный транзистор (драйвер) Переключатель	SI1903DL SI1902DL AD8605 BC817 SN74LVC1G66
1.6 АЦП (сигма-дельта)	AD7738
1.7 Микроконтроллер	STM32F405
2 канал:
1.1 Датчик давления	MPX2053 Freescale Semiconductor
1.2 Инструментальный усилитель	AD623
1.3 Усилитель переменного напряжения	AD8605
1.4 Аналоговый коммутатор	SN74LVC1G66
1.5 Регулируемый усилитель переменного напряжения	AD8331
3 канал:
3.1 Генератор тока	встроенный в STM32F405
3.2 Инструментальный усилитель	AD8605
3.3 Регулируемый усилитель напряжения	AD8331

В качестве красного светодиода, являющегося излучательным элементов в 1 канале, подобран светодиод GNL-3014SRD, имеющий преобладающую длину волны 660 нм. Фотодиодом стал VBP104SR, который имеет диапазон восприятия волн 430 – 1100 нм, и может принимать красное излучение. В качестве усилителя с постоянным коэффициентом усиления подобран AD8605.

Схема управления яркостью и включением светодиода состоит из двух частей: первая часть предназначена для управления яркостью светодиода, вторая необходима для включения и выключения светодиода (рисунок 9).

Первая часть состоит из операционного усилителя, биполярного транзистора и управляемого переключателя. В качестве операционного усилителя можно взять AD8605. В качестве биполярного транзистора можно взять BC817. А в качестве переключателя можно взять SN74LVC1G66, который будет выполнять роль коммутатора в нашей схеме. На рисунке 10 представлена логическая диаграмма переключателя. Максимальная задержка передачи сигнала от А до В составляет 1,2 нс, что удовлетворяет требованиям о минимальной задержке сигнала (намного меньше 100 нс).

Рисунок 8 – Логическая схема переключателя SN74LVC1G66

С контроллера поступает сигнал POW_R – уровень тока излучателя. [5] Сигнал представляет собой широтно-импульсную модуляцию (ШИМ). Меняя коэффициент заполнения (отношение длительности импульса к длительности периода), можно изменять яркость светодиода. Чтобы ШИМ-последовательность преобразовать в аналоговый сигнал, эту последовательность необходимо пропустить через фильтр нижних частот (интегрирующую RC-цепочку, где R59 и C77), чтобы отфильтровать опорную частоту и получить исходный сигнал. В качестве нагрузки к RC-цепи подключен резистор R60. Так формируется напряжение для источника тока, которое будет приходить на ОУ DA15. Резистор R62 является измерителем тока излучателя. Силовой драйвер излучателя – VT14 (биполярный n-канальный транзистор). ОУ поддерживает напряжение на R62 равным задающему. Ключ DA13 формирует на излучателе меандр. Ключ DA13 состоит из МОП-транзисторов с каналами P-типа и пары комплементарных полевых транзисторов – КМОП. Управляет ключом DA13 контроллер с помощью сигнала FLASH. Если FLASH – высокий уровень, тогда переключатель включен. Следовательно, напряжение на резисторе R62 задает яркость красного светодиода, т.к. яркость светодиода увеличивается при увеличении прямого тока на светодиоде. А прямой ток светодиода возрастает при увеличении прямого напряжения.

Вторая часть состоит из переключателей на МОП-транзисторах с индуцированными каналами N- и P-типа (SI1903DL и SI1902DL). Управляющими сигналами будут являться R и OFF. Чтобы зажечь красный светодиод, контроллер выставляет «1» в управляющий канал R, а в OFF – «0». При подаче «1» на затвор P-канального полевого транзистора VT1B канал не образуется, транзистор закрывается и перестает подтягивать катод красного светодиода к +5 В. При подаче «0» на затвор P-канального полевого транзистора VT2A и «1» на затвор N-канального полевого транзистора VT3B, катод красного светодиода HL1 имеет прямое подключение к биполярному транзистору VT4. В свою очередь, чтобы выключить светодиод, контроллер выставляет «0» в управляющий канал R, а в OFF – «1». При подаче «0» на затвор P-канального полевого транзистора VT1B образуется канал, транзистор открывается и подтягивает катод красного светодиода HL1 к +5 В. При подаче «1» на затвор P-канального полевого транзистора VT2A и «0» на затвор N-канального полевого транзистора VT3B, транзисторы закрываются, каналы не образуются. В таблице 2 приведены зависимости каналов полевых транзисторов («1» - открыт, «0» - закрыт) от значений управляющих сигналов. Частота включения и выключения светодиода задается транзисторам. По данным технический характеристик узлов частота тактирования должна быть равна 10 кГц.

Таблица 2 – Зависимости каналов транзисторов от значений управляющих сигналов.

Управляющие сигналы		Полевые транзисторы
R	OFF		VT1B	VT2A	VT3B
0	1		1	0	0
1	0		0	1	1

Рисунок 9 – Принципиальная схема блока управления яркостью и включения светодиода

Блок фотоприемника для первого канала состоит из трех функциональных узлов: фотодиод, усилитель и переключатель каналов (рисунок 14). [5]

В качестве фотоприемника мы можем использовать фотодиод BVP10, который может принимать длины волн от 380 нм до 1100 нм и имеет быстрое время отклика. Широкий диапазон длин волн фотоприемника уменьшает погрешность из-за возможной потери полезного сигнала.

В качестве ОУ можно также использовать AD8605, который обладает низким напряжением смещения – до 65 мкВ, низким током смещения – до 1 пА, низким уровнем шума – 8 нВ/ и имеет верхний предел для установления постоянного коэффициента усиления 10000.

В качестве переключателей каналов можно использовать ADG719BRT, который обладает быстрым временем переключения (20 нс на включение, 6 нс на выключение). Также максимальное значение тока утечки не превышает 0,25 нА (при +25 ). Минимизация времени переключения и тока утечки уменьшает возможные погрешности при снятии пульсовой волны.

Рассмотрим принцип работы блока фотоприемника. Излучение, идущее от излучателя, идет на фотоприемник P1 (фотодиод VBP104SR). Фотоприемник имеет токовый выход, сигнал с него поступает на преобразователь «ток — напряжение», на ОУ DA9 через RC-цепи, обеспечивая предварительное подавление шумов. [5]

Усиленный сигнал попадает на вход трех аналоговых ключей, каждый ключ отвечает за свой режим работы приема сигнала:

• DA6 отвечает за режим съема сигнала красной длины волны;

• DA10 — за режим темнового тока.

Если горит красный светодиод, микроконтроллер выставляет «1» в сигнале SH_R, заставляя ключ DA6 замкнуть контакт на вывод A. Вывод SH_F при этом выставляется в «0», запрещая передачу сигнала сквозь ключ DA10 дальше в линию. [5] Если красный светодиод не горит, то микроконтроллер выставляет «0» в сигнале SH_R, заставляя ключ DA6 замкнуть контакт на вывод B. Вывод SH_F при этом выставляется в «1», позволяя передачу сигнала сквозь ключ DA10 дальше в линию. Далее сигнал, пройдя через замкнутый контакт ключа, поступает на пассивный фильтр нижних частот (ФНЧ) на основе двух RC-цепочек, чтобы сгладить помехи. Сигнал, пройдя через фильтры, попадает на АЦП, где оцифровывается и подвергается обработке.

Рисунок 14 – Принципиальная схема фотоприемника

В качестве АЦП можно взять 24-битный сигма-дельта АЦП AD7738, который обладает высокой разрешающей способностью ( ) и восьмью каналами. Для трех каналов прибора можно использовать 3 таких АЦП или два АЦП, один из которых будет обрабатывать сигналы сразу с двух каналов, т.к. для каждого канала необходимо минимум 3 пина АЦП.

На входы АЦП при снятии фотоплетизмографии поступают усиленные и отфильтрованные аналоговые сигналы с переключателя каналов, где FLT_R – отфильтрованный сигнал красного спектра, FLT_F – отфильтрованный сигнал темнового тока. Пин REFIN+ и REFIN- отвечают за дифференциальные опорные напряжения соответственно +2,5 В и 0. Пин AGND отвечает за контрольное заземление и подключен к 0. Пин AGDD отвечает за аналоговое положительное напряжение питания, равное +5 В. Пин SCLK отвечает за внешний тактовый сигнал для передачи данных по интерфейсу SPI. Пины DIN и DOUT отвечают за 2 линии передач по интерфейсу SPI: MOSI_DX – Master Out Slave In и MISO_DX – Master In Slave Out. Пин RESET отвечает за сброс всех регистров кроме тактового генератора. Пин MCLKIN отвечает за основной тактовый сигнал для АЦП. Пин DVDD отвечает за цифровое напряжение питания, равное +3,3 В. Пин DGND отвечает за контрольное заземление для цифровых схем.

Сигма-дельта АЦП имеет наибольшее разрешение (24 бита) по сравнению с другими видами АЦП за счет дельта-сигма преобразователя. Основные узлы АЦП - это сигма-дельта модулятор и цифровой фильтр. Работа схемы АЦП основана на вычитании из входного сигнала величины сигнала на выходе ЦАП, полученной на предыдущем такте работы. Полученная разность интегрируется, а затем преобразуется в код параллельным АЦП невысокой разрядности. Последовательность кодов поступает на цифровой фильтр нижних частот. АЦП оцифровывает сигнал в 24‑битный код. По окончании преобразования на ножке RDY выставляется «0», сигнализируя готовность АЦП к чтению результата по SPI. SPI – последовательный, синхронный (передача синхронизирована с общим тактовым сигналом), полнодуплексный интерфейс. В таком интерфейсе есть ведущий (Master) и ведомый (Slave). 4 линии передач: MOSI – Master Out Slave In – выход ведущего, вход ведомого. MISO – Master In Slave Out – вход ведущего, выход ведомого. CLK – последовательный тактовый сигнал. Принцип его работы заключается в следующем: сначала записывается в регистр сдвига в ведущем нужное количество бит, которое необходимо передать на ведомого; дальше передается по одному биту (начиная со старшего) с мастера на регистр сдвига ведомого, параллельно забирая один бит с ведомого на регистр сдвига мастера. Микроконтроллер, получив сигнал готовности, считывает данные из АЦП, обрабатывает их и отправляет на компьютер. [5] В качестве микроконтроллера можно взять STM32F405, который обладает частотой тактирования до 168 МГц, интерфейсом SPI, поддерживает USB, CAN, что удовлетворяет поставленным требованиям.

Рассмотрим элементную базу прибора при снятии пульсовой волны по второму каналу. В данном случае датчик давления будет представлять из себя не что иное, как манжету, внутри которой находится мост Уинстона. В качестве такого датчика можно использовать кремниевый пьезорезистивный датчик в интегральном исполнении MPX2053 Freescale Semiconductor, который обладает высокой чувствительностью (0,8 мВ/кПа), линейной частотной характеристикой в диапазоне от 0 до 200 Гц, линейностью при измерении давлений от 0 до 300 мм.рт.ст. Инструментальный усилитель реализован на основе прецизионного усилителя AD623 с малым уровнем шумов (величина входного тока смещения не превышает 75 пкА, максимальное входное напряжение смещения не более 50 мкВ, низкий уровень шума – 35 нВ/ ) и коэффициентом усиления до 1000. В качестве регулируемого усилителя переменного напряжения можно использовать AD8331, который обладает низким уровнем шума, регулируемым коэффициентом усиления до 250. Частота среза ФВЧ не должна превышать 0,5 Гц. Однако ФВЧ не сможет полностью подавить помехи, то для дополнительного подавления помехи можно использовать фильтры верхних частот Баттерворта высокого порядка. Но фильтры Баттерворта имеют недостаток в виде нелинейной фазовой характеристики, для устранения которой необходимо дважды пропускать сигнал через фильтр, но в обратном порядке последовательности следования отсчетов сигнала.