ECG Light - USB кардиограф

По многочисленным просьбам о предпринятии дальнейших действий по проекту домашнего электрокардиографа (что приятно, хотя и немного напрягает), этой осенью было обновлено железо  (и ПО, конечно же), и присуждено ему упомянутое в заголовке кодовое название :).В этой заметке предлагаю руководство по самостоятельному изготовлению приставки к компьютеру, с помощью которой (в комплекте с последней версией программы ECG Control) можно  записывать и просматривать кардиограммы в стандартных I, II, III, avR, avL и avF отведениях (то есть всех, кроме грудных).

Прошу принять во внимание, что я не обещаю, что у Вас сразу получится изготовить приставку, и  что это такое уж плевое дело. Как раз наоборот - для самостоятельного изготовления этого устройства Вы должны быть опытным радиолюбителем, и четко понимать, как и почему работают все его узлы.

Я не даю никаких гарантий касательно работы этого электрокардиографа и отказываюсь от любого вида ответственности, если Вы собрали его самостоятельно. К примеру, если собранный Вами образец ударит Вашу бабушку током (это вполне возможно при неаккуратном изготовлении) - я не имею к этому ни малейшего отношения. Договорились? Если нет - пожалуйста, закройте эту страницу и не читайте дальше ни в коем случае! 🙂
Я гарантирую только тот факт, что перед Вами последняя на этот момент, самая совершенная версия устройства, и в нашем исполнении она работает безотказно со всеми имеющимися в нашем распоряжении компьютерами и версиями ОС Windows, а также прекрасно работает на всех подопытных "пациентах".

Основные отличия этой версии платы кардиографа от предыдущей следующие:

• Преобразователь интерфейса USB-UART  CP2102 заменен на более надежный (по драйверам), простой для монтажа (но более дорогой) FT232RL. Благодаря этому достигнута стабильная работа устройства под всеми версиями Windows (XP & 7 x86 & x64);
• Преобразователь питания со стабилизацией выходных напряжений выполнен на ШИМ-контроллере TL494, вместо мультивибратора и линейных стабилизаторов во вторичных цепях. Благодаря этому удалось существенно снизить уровень шума и повысить эффективность преобразователя;
• Совершенно новая разводка печатной платы, намного более аккуратная с точки зрения паразитных наводок и интерференции. Кроме того, она просторнее и на порядок удобнее при монтаже;
• Полностью обновленная прошивка и протокол обмена, частота дискретизации по каждому каналу повышена до 3 кГц.  Поэтому для работы с данной версией устройства (прошивка 6) нужно использовать версию ПО не ниже ECG Control 1.2.

Принципиальную схему и всё необходимое для изготовления платы в домашних условиях по ЛУТ (в формате pdf) качайте по данной ссылке. В архиве находятся, помимо схемы, готовые к распечатке (учтите, зеркалить уже ничего не нужно, печатать без масштабирования, т.е. 1:1!) верхняя и нижняя стороны платы, карта переходных отверстий (вид сверху и снизу), карта расположения элементов.

Теперь немного поясню схемотехнику и на что следует обращать особое внимание при сборке устройства.

Электрокардиограф получает питание от компьютера по ЮСБ кабелю, и содержит импульсный высокочастотный трансформаторный преобразователь питания, обеспечивающий гальваническую развязку по питанию усилителей биопотенциалов (УБП) (и пациента, с ними непосредственно связанного) от цепей компьютера, а также стабильные напряжения для питания микроконтроллера (+5В) и операционников УБП (двуполярное +5В и -5В).

Всю "умную" работу выполняет ШИМ контроллер в лице замечательной классической и нестареющей микросхемы TL494, нагруженный непосредственно на первичную обмотку трансформатора, и работающий в двухтактном режиме. Обратная связь, обеспечивающая стабильность напряжений нагрузки, осуществлена через оптопару. Обратите внимание, что эта микросхема по даташиту должна работать при минимальном напряжении питания не ниже 7В, однако прекрасно работает начиная от 3В. Конечно же, её источник опорного напряжения (5В) и всё от него зависящее работают не совсем корректно, но в нашем включении это не играет никакой роли. Что очень важно - кем микросхема произведена. Нужно покупать только контроллеры от TI, поскольку в них нету цепей защиты от пониженного напряжения питания. Если пытаться поставить контроллер от Мотороллы - ничего не получится, потому что в их варианте контроллер не работает при напряжениях меньше 5В с копейками, благодаря наличию этой, нам очень вредной, блокировки.

Огромное внимание уделите изготовлению трансформатора. Покупайте только настоящие сердечники от Эпкоса, полные названия комплектующих трансформатора приведены на схеме. Трансформатор может оказаться слабым местом в цепях гальванической развязки при неаккуратном изготовлении, что чревато поражением электрическим током. Наматывайте сначала первичную обмотку, равномерно распределяя провод по каркасу. Всего необходимо намотать 40 витков провода (20 + 20) с отводом от середины. Провод берите любой толщины, лишь бы было удобно. Потребляемая устройством мощность и число витков в обмотках ничтожны, так что мотайте хоть 0, 01 мм. Мне удобно мотать проводом около 0,1 мм. Тщательно изолируйте первичную обмотку тремя слоями ПВХ изоленты, а поверх нее намотайте таким же проводом вторичную обмотку, в которой должно быть 70 витков с отводом от середины. Для защиты от механических повреждений закройте обмотку парой слоев изоленты, и соберите вместе детали трансформатора. Сердечник должен свободно входить в каркас, усилия при сборке говорят о неаккуратно выполненной работе, и могут привести к поломке сердечника.

К цифровой части относится преобразователь интерфейса ЮСБ-ЮАРТ, связанный с микроконтроллером через оптопары, обеспечивающие гальваническую развязку шины данных. Общается преобразователь с микроконтрллером на скорости 0,5 Мбод, что и обусловило применение оптопар 6N137.

Элементы R46, R47 и VD10 можно не устанавливать, они могут понадобиться только для контроля обмена преобразователя с компьютером (что обычно интереса не представляет). К слову, все пассивные SMD компоненты кардиографа в корпусах размера 0805, довольно удобного для монтажа вручную.

Разъем для внутрисхемного программирования микроконтроллера X2 соответствует кабелю фирменного программатора Atmel STK-500. Во время монтажа микроконтроллера убедитесь, что все дорожки под ним целы, и вы собираетесь припаивать его "правильной" стороной. В случае ошибки без фена его будет отпаять довольно затруднительно, а феном легко перегреть, что нередко приводит к частичной неработоспособности (умирают пины), да и плату можно испортить.

Усилители биопотенциалов обеспечивают формирование и усиление (приблизительно в 500 раз) сигналов второго и третьего отведений, заодно с вычитанием помех путем подачи  на инвертирующие входы усилителей электродов правой и левой руки сигнала с усилителя электрода левой ноги, также подаваемого на инвертирующий усилитель нейтрализации и виртуальную землю, подключаемую к правой ноге пациента. Конструкция совершенно классическая и лаконичная, и встречается нередко.

Все остальные отведения вычисляются по данным второго и третьего отведений. На всех входах установлены защитные цепи, обеспечивающие сохранность УБП при всех мыслимых и немыслимых с ним манипуляциях.

Важно точное соблюдение всех номиналов элементов в УБП, поскольку программа ECG Control откалибрована на корректную работу именно при указанных на схеме номиналах.

Электроды пациента подключайте только с помощью экранированных кабелей - это помогает значительно снизить уровень наводок от осветительной сети. Центральную жилу соединяйте с электродом и центральным контактом штеккера, оплетку со стороны штеккера соедините со вторым контактом (общий), а со стороны электрода обрежьте так, чтобы она не касалась центральной жилы и заизолируйте. Желательно использовать хлор-серебряные электроды с зажимами в виде прищепок, однако, если Вы испытываете затруднения с их приобретением, вполне можно нарезать электроды из кусочков жести-нержавейки площадью около 4 кв.см. И в любом случае увлажнение места наложения электрода на тело (лучше всего слегка подсоленной водой) благоприятно сказывается на качестве получаемой записи.

При сборке устройства учтите, что в нём нету ни одной лишней детали или переходного отверстия, и если Вам не совсем понятно их назначение - лучше сделайте так, как нарисовано на схеме. Помните, что усилители биопотенциалов очень чутко реагируют практически на всё, что обычно выражается в степени зашумленности кардиограммы.

После того, как Вы полностью соберете устройство, необходимо запрограммировать его микроконтроллер. Для этого Вам понадобится прошивка (ищем по этой ссылке), и программатор, работающий с Atmel AVR Studio (она совершенно бесплатная и находится на сайте Атмела). Перед прошивкой установите настройки так, как показано на следующих скриншотах.

Желаю Вам успеха в сборке вашего собственного домашнего электрокардиографа!

Купить уже собранную приставку