Bộ ghi dữ liệu Cardio: 7 bước (có Hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:35

Mặc dù ngày nay có nhiều thiết bị di động (dây đeo thông minh, đồng hồ thông minh, điện thoại thông minh, …) có thể phát hiện nhịp tim (HR) và thực hiện phân tích dấu vết, các hệ thống dựa trên đai đeo ngực (như hệ thống ở phần trên của hình ảnh) vẫn còn rộng rãi và được sử dụng, nhưng thiếu khả năng ghi lại và xuất dấu vết của các phép đo.

Trong bài Cardiosim có thể hướng dẫn trước đây của tôi, tôi đã trình bày bộ mô phỏng đai đeo ngực (Cardio) giải thích rằng một trong những bước tiếp theo của tôi là phát triển bộ ghi dữ liệu nhịp tim. Bây giờ tôi đã sẵn sàng để trình bày nó trong Tài liệu hướng dẫn này. Chức năng của thiết bị di động này là nhận tín hiệu nhịp tim được gửi bởi đai đeo ngực (hoặc bộ mô phỏng Cardiosim) trong một phiên tập luyện (tập luyện / đạp xe / chạy,…) và ghi lại dấu vết trên thẻ SD, để thực hiện phân tích hiệu suất sau đào tạo (xem chi tiết trong chương cuối).

Thiết bị được cung cấp năng lượng bởi hệ thống pin có thể sạc lại, bao gồm mạch sạc và bộ điều chỉnh tăng DC.

Từ "kho" vật liệu không sử dụng của mình, tôi đã tìm ra một chiếc vỏ nhựa phù hợp (135mm x 45mm x 20mm) và điều chỉnh cho phù hợp với cách bố trí mạch điện để khớp với nhau, tạo ra một nguyên mẫu hoạt động đáp ứng nhu cầu của tôi (nhưng việc nhận ra nó để lại chỗ cho sự cải tiến:-))

Bước 1: Mô tả ngắn gọn

Vui lòng tham khảo Bước 1 của Hướng dẫn Cardiosim để biết giới thiệu nhanh về công nghệ LFMC (Giao tiếp Từ tính Tần số Thấp) được sử dụng bởi loại thiết bị này.

Ý định đầu tiên của tôi là sử dụng mô-đun Sparkfun RMCM01 làm giao diện bộ thu, nhưng sản phẩm này không còn nữa (hãy để một mình rằng nó dù sao cũng khá đắt).

Tuy nhiên, khi xem trên WEB, tôi tìm thấy Hướng dẫn thú vị này, trong đó chỉ ra một số giải pháp thay thế để thay thế RMCM01. Tôi đã chọn tùy chọn thứ 3 ("Thiết kế của Peter Borst", cảm ơn Peter!), Đạt được một kết quả xuất sắc khi sử dụng cùng các thành phần L / C của Cardiosim, tuy nhiên được kết nối ở đây dưới dạng bể cộng hưởng song song. Tín hiệu phát hiện được khuếch đại, "làm sạch", giải mã và chuyển tiếp đến vi điều khiển Arduino Pro Mini. Chương trình xác nhận các xung nhận được, đo nhịp tim (hoặc tốt hơn là khoảng thời gian giữa hai xung liên tiếp) và lưu trữ tất cả các khoảng thời gian đo được trong tệp văn bản ASCII (một dòng cho mỗi xung hợp lệ, mỗi dòng 16 ký tự bao gồm khoảng thời gian, dấu thời gian và LF / CR) trong thẻ nhớ microSD. Giả sử HR trung bình là 80bpm, chỉ cần ghi một giờ (4800 dòng văn bản x 16 ký tự) = 76800/1024 = 75kBytes, do đó, ngay cả một thẻ SD 1GB giá rẻ cũng cung cấp rất nhiều dung lượng ghi.

Trong quá trình ghi, bạn có thể chèn các dòng đánh dấu để phân chia dấu vết và đánh giá các giai đoạn phiên khác nhau riêng biệt.

Bước 2: Nguồn cung cấp LiPo - Sơ đồ, Bộ phận & Lắp ráp

Nguồn cung cấp nằm ở dưới cùng của trường hợp. Ngoại trừ trimpot, không có thành phần nào vượt quá chiều cao 7 mm, điều này có đủ chỗ để gắn bộ thu HR và mạch vi điều khiển phía trên nguồn điện.

Tôi đã sử dụng các phần sau:

• Pin LiPo 3.7V (bất kỳ pin điện thoại nào cũng có thể được tái chế, dung lượng giảm không phải là vấn đề ở đây)
• Mô-đun sạc USB TP4056, tôi đã mua nó ở đây
• Bộ chuyển đổi tăng cường DC SX1308, tôi đã mua nó ở đây
• Bảng tạo mẫu nhỏ 40 x 30 mm
• Cáp có đầu nối JST 2, 54mm 2 chân, giống như cáp này
• (tùy chọn) Đầu nối JST 2mm 2 chân, giống như cái này

• (tùy chọn) Cáp có đầu nối JST 2mm 2 chân, giống như cái này

Việc sử dụng hai mục cuối phụ thuộc vào pin bạn sẽ sử dụng và cách bạn định kết nối nó với mô-đun bộ sạc. Tôi đề xuất đầu nối JST 2mm vì nhiều loại pin được cung cấp với cáp gắn sẵn và phích cắm 2mm, bất kỳ giải pháp nào khác đều phù hợp miễn là nó cho phép dễ dàng thay thế pin nếu cần. Trong mọi trường hợp, hãy cẩn thận để tránh đoản mạch giữa các cực pin trong quá trình lắp ráp.

Mô-đun TP4056 được cấp nguồn từ cổng micro USB và được thiết kế để sạc pin lithium có thể sạc lại bằng phương pháp sạc dòng điện / điện áp không đổi (CC / CV). Ngoài việc sạc pin lithium một cách an toàn, mô-đun cũng cung cấp khả năng bảo vệ cần thiết theo yêu cầu của pin lithium.

SX1308 là Bộ chuyển đổi có thể điều chỉnh DC / DC Step Up hiệu quả cao giúp giữ điện áp đầu ra không đổi ở + 5V với điện áp đầu vào tối thiểu là 3V, do đó cho phép khai thác hết dung lượng pin. Điều chỉnh điện áp đầu ra với trimpot ở + 5V trước khi kết nối mạch vi điều khiển!

Tổng mức tiêu thụ của Data Logger là khoảng 20mA, do đó, ngay cả pin đã qua sử dụng có dung lượng còn lại 200mAh (<20% dung lượng ban đầu của pin điện thoại mới) sẽ cho phép ghi 10 giờ. Hạn chế duy nhất là dòng điện tĩnh của SX1308 là khoảng 2mA, vì vậy bạn nên ngắt kết nối pin nếu không sử dụng Data Logger trong một thời gian dài.

Do kích thước nhỏ, cả hai mô-đun cần được cố định bằng cách sử dụng các lỗ kết nối để kết nối điện và cơ với bảng tạo mẫu, thông qua các đoạn dây đồng ngắn. Lần lượt bo mạch được gắn vào đế thùng máy bằng vít 3mm x 15mm (chiều dài đủ để xiết mạch vi điều khiển bên trên bằng vít tương tự). Bo mạch chủ chứa đầu nối JST 2mm cho pin (chỉ có ở phiên bản SMD, nhưng gập các chân theo chiều dọc, bạn có thể "biến" nó thành phiên bản PTH) và tất cả các dây theo sơ đồ. Để chắc chắn, tôi đã dán phần thân của đầu nối vào bảng để đạt được một con dấu cơ học tốt.

Pin được đặt bằng phẳng ở khu vực còn lại của đáy hộp và đằng sau nó có một vít 3mm x 15mm thứ hai với một miếng đệm thẳng đứng 8mm để tránh tiếp xúc giữa đỉnh của pin (dù sao cũng không cách nhiệt) và đáy của mạch trên.

Bước 3: Bộ nhận nhân sự và ghi dữ liệu - Sơ đồ, bộ phận & lắp ráp

Bảng chính bao gồm:

• Ban tạo mẫu 40mm x 120mm
• Điện cảm 39mH, tôi đã sử dụng BOURNS RLB0913-393K
• 2 x Tụ điện 22nF
• Tụ điện 4,7nF
• Tụ điện 47nF
• Tụ điện 39pF
• Tụ điện 10uF / 25V
• Tụ điện 1uF / 50V
• 3 x Điện trở 10K
• 2 x Điện trở 100K
• 3 x Điện trở 1K
• 4 x Điện trở 220R
• Điện trở 1M
• Điện trở 47K
• Điện trở 22K
• Trimpot 50K
• Diode 1N4148
• LED 3mm màu xanh lam
• 2 x LED 3mm màu xanh lá cây
• LED 3mm màu vàng
• LED 3mm màu đỏ
• Bộ khuếch đại hoạt động đầu vào JFET có độ ồn thấp kép TL072P
• Bộ chuyển đổi Schmitt đảo ngược 74HC14
• Đầu nối JST 2,54mm 2 Pin, giống như cái này
• 2 x công tắc micro, loại Alcoswitch
• Vi điều khiển Arduino Pro Mini, 16MHz 5V
• Mô-đun thẻ nhớ Micro SD SPI 5V từ DFRobots

Tần số cộng hưởng của bể cộng hưởng song song bao gồm L1 và C1 là khoảng 5,4kHz, phù hợp với tần số đủ gần 5,3kHz của sóng mang từ trường của tín hiệu được truyền để biến nó thành điện áp. Hãy nhớ rằng, trong hầu hết các trường hợp, sóng mang được điều chế trên cơ sở định dạng OOK (On-OFF Keying) đơn giản, trong đó mỗi nhịp tim chuyển sóng mang "BẬT" trong khoảng 10ms. Tín hiệu phát hiện được rất yếu (sóng sin 1mV ở khoảng cách 60-80cm so với nguồn, với điều kiện trục của cuộn cảm được căn chỉnh phù hợp với từ trường), do đó cần phải được khuếch đại cẩn thận để tránh nhiễu và giả. sự phát hiện. Mạch đề xuất là kết quả của những nỗ lực hết mình và hàng giờ thử nghiệm trong các điều kiện khác nhau. Nếu bạn quan tâm đến việc đào sâu khía cạnh này - và có thể cải thiện nó - hãy xem bước tiếp theo, nếu không bạn có thể bỏ qua.

Các cổng Schmitt Trigger sau đây thực hiện chức năng số hóa và phát hiện đỉnh, khôi phục tín hiệu điều chế ban đầu, được chuyển tiếp đến Arduino Pro Mini.

Bo mạch vi điều khiển Pro Mini là hoàn hảo cho dự án này vì tinh thể trên bo mạch cho phép các phép đo có độ chính xác cao (rất cần thiết theo quan điểm "y tế", xem bước cuối cùng) và đồng thời nó không có bất kỳ thứ gì khác thiết bị không cần thiết, dẫn đến tiêu thụ điện năng thấp. Hạn chế duy nhất là để tải mã, bạn sẽ cần giao diện FTDI để kết nối Pro Mini với cổng USB của máy tính. Pro Mini được kết nối với:

• Chuyển S1: bắt đầu ghi
• Chuyển đổi S2: chèn điểm đánh dấu
• Đèn LED xanh lam: nhấp nháy khi phát hiện xung hợp lệ
• Đèn LED xanh: Đã bắt đầu ghi
• Đèn LED màu vàng: Đã cắm điểm đánh dấu (nhấp nháy ngắn) / Hết thời gian (cố định)
• Mô-đun thẻ nhớ MicroSD (thông qua xe buýt SPI)

Khác với nhiều mô-đun thẻ SD hoạt động ở 3.3V, Mô-đun DFRobot hoạt động ở 5V, vì vậy không cần bộ chuyển mức.

Về phần lắp ráp, bạn có thể nhận thấy rằng tôi đã chia bảng tạo mẫu thành hai phần, được kết nối bằng hai "cầu nối" nhỏ bằng dây đồng cứng 1mm. Điều này là cần thiết để nâng mô-đun thẻ MicroSD lên "cấp độ xây dựng" thứ ba và căn chỉnh nó với phần lõm mà tôi đã khắc trên vỏ, ngay phía trên khe cắm cổng USB. Hơn nữa, tôi đã khắc ba hốc trên bảng, một hốc để truy cập chiết áp của bộ chuyển đổi DC / DC, một hốc khác để truy cập đầu nối của bus nối tiếp của Arduino Pro Mini (được gắn "úp") và hốc thứ ba để điện cảm.

Bước 4: Bộ thu HR - Mô phỏng gia vị

Bắt đầu từ thiết kế của Peter Borst mà tôi đã đề cập trước đây, mục tiêu của tôi là cố gắng mở rộng phạm vi phát hiện càng nhiều càng tốt, đồng thời hạn chế độ nhạy đối với nhiễu và việc tạo ra xung sai.

Tôi quyết định thay đổi giải pháp Op-Amp đơn ban đầu vì nó đã được chứng minh là quá nhạy cảm với nhiễu, có thể do giá trị của điện trở phản hồi 10M quá cao và để chia độ lợi tổng thể thành hai giai đoạn.

Cả hai tầng đều có độ lợi DC G = 100, giảm khoảng 70 @ 5,4KHz, nhưng với trở kháng đầu vào khác nhau để tối ưu hóa độ nhạy.

Vì vậy, giả sử rằng điện áp của tín hiệu yếu nhất do bể LC tạo ra là 1mV.

Nếu chúng ta chuyển toàn bộ mạch thu trong môi trường Spice (tôi sử dụng ADIsimPE) thay thế mạch song song LC bằng một máy phát sin có cùng điện áp và tần số (5,4KHz) và chạy mô phỏng, chúng ta nhận thấy rằng điện áp đầu ra V1 từ đầu tiên bộ khuếch đại vẫn là một sóng sinewave (do yếu tố tỷ lệ, sóng sinewave đầu vào không đáng kể), ti bộ khuếch đại đang làm việc trong vùng tuyến tính. Nhưng sau giai đoạn thứ hai, điện áp đầu ra V2 cho thấy rằng chúng ta đang đạt đến mức bão hòa (Vhigh = Vcc-1.5V / Vlow = 1.5V). Trên thực tế, họ TL07x không được thiết kế cho phạm vi đầu ra từ đường sắt đến đường sắt, nhưng điều này đủ để vượt quá với biên độ an toàn cả hai mức ngưỡng của cổng Schmitt Trigger và tạo ra một sóng vuông sạch (V3).

Bước 5: Phần mềm

Do mức khuếch đại cao của tầng thu và mặc dù tầng phát hiện đỉnh hoạt động về cơ bản như một bộ lọc thông thấp, tín hiệu đầu vào trên chân D3 của Arduino Pro Mini vẫn có thể bị nhiễu mạnh và cần được xử lý kỹ thuật số trước thông qua kiểm tra tính hợp lệ chống lại các phát hiện sai. Mã đảm bảo rằng hai điều kiện được đáp ứng để coi một xung là hợp lệ:

1. Xung phải kéo dài ít nhất 5ms
2. Khoảng thời gian chấp nhận được tối thiểu giữa hai xung liên tiếp là 100ms (tương ứng với 600 bpm, vượt xa giới hạn của nhịp tim nhanh nghiêm trọng!)

Sau khi xung được xác thực, khoảng thời gian (tính bằng mili giây) từ xung trước đó sẽ được đo và lưu trữ trên thẻ SD trong tệp "datalog.txt", cùng với dấu thời gian ở định dạng hh: mm: ss, trong đó 00:00: 00 đại diện cho thời gian thiết lập lại cuối cùng của bộ vi điều khiển. Nếu thẻ SD bị thiếu, đèn LED màu đỏ sẽ sáng lên cho biết lỗi.

Một dấu vết ghi mới có thể được bắt đầu / dừng bằng công tắc Start / Stop S1 và sẽ được xác định bằng dòng đánh dấu "; Start" và "; Stop" tương ứng ở đầu và cuối tệp văn bản.

Nếu không có xung nào được phát hiện trong thời gian dài hơn 2400 ms (25 bpm), một dòng đánh dấu "; Thời gian chờ" được đặt trong tệp và đèn LED D4 màu vàng được bật.

Nếu Công tắc điểm đánh dấu S2 được nhấn trong khi ghi một dòng điểm đánh dấu bổ sung ở định dạng "; MarkerNumber", với sự gia tăng tự động của số điểm đánh dấu bắt đầu từ 0, được ghi vào tệp và đèn LED màu vàng sẽ nhanh chóng nhấp nháy.

Đính kèm mã Arduino hoàn chỉnh.

Bước 6: Thiết lập và thử nghiệm ban đầu

Bước 7: Sử dụng - Phân tích tín hiệu y tế

Hình thức của hộp đựng mà tôi đã sử dụng đủ gần với vỏ của điện thoại thông minh để bạn có thể tìm thấy trên thị trường rất nhiều phụ kiện để đeo hoặc để gắn vào thiết bị tập luyện. Riêng đối với xe đạp, tôi có thể đề xuất loại giá đỡ dành cho điện thoại thông minh phổ thông có tên "Finn", được sản xuất bởi công ty Xe đạp Công dân Áo. Giá rẻ (€ 15, 00) và dễ lắp đặt, nó thực sự phổ biến và như bạn có thể thấy trong hình cũng hoàn hảo cho Máy ghi dữ liệu Cardio

Cách đơn giản nhất để sử dụng dữ liệu thô do Sổ ghi dữ liệu ghi lại là vẽ chúng dưới dạng biểu đồ bằng các chương trình PC tiêu chuẩn (ví dụ: Excel). Bằng cách so sánh các biểu đồ thu được khi lặp lại cùng một bài tập hoặc phân tích mối tương quan giữa các biến thể nhịp tim và nỗ lực thể chất, bạn có thể tối ưu hóa liều lượng lực trong quá trình hoạt động.

Nhưng mối quan tâm lớn nhất là nghiên cứu về HR, và đặc biệt là của HR Variablity (HRV), cho các mục đích y tế. Không giống như theo dõi điện tâm đồ, theo dõi nhịp tim không chứa thông tin trực tiếp về hoạt động của cơ tim. Tuy nhiên, phân tích của nó từ quan điểm thống kê cho phép thu được các thông tin lâm sàng khác được quan tâm.

Nguồn kiến thức toàn diện nhất về HRV là công ty KUBIOS của Phần Lan. Trên trang web của họ, bạn có thể tìm thấy rất nhiều thông tin về Tín hiệu Y sinh và bạn có thể tải xuống "KUBIOS HRV Standard", một phần mềm phân tích biến thiên nhịp tim miễn phí dành cho nghiên cứu phi thương mại và sử dụng cho mục đích cá nhân. Công cụ này không chỉ cho phép bạn vẽ biểu đồ từ một tệp văn bản đơn giản (bạn phải xóa dấu thời gian) mà còn để thực hiện các đánh giá thống kê và toán học (bao gồm cả FFT) và tạo ra một báo cáo vô cùng chi tiết và có giá trị, như báo cáo đính kèm bên dưới.

Hãy nhớ rằng chỉ có bác sĩ chuyên khoa mới có thể quyết định những bài kiểm tra cần thiết cho việc luyện tập thể thao ở bất kỳ cấp độ nào và để đánh giá kết quả của họ.

Có thể hướng dẫn này được viết với mục đích duy nhất là tạo ra sự quan tâm và thú vị trong việc áp dụng thiết bị điện tử vào việc chăm sóc sức khỏe.

Tôi hy vọng bạn thích nó, nhận xét được chào đón!