Rozwiązanie techniczne

System pomiarowy składa się z dwóch podstawowych elementów: głowicy pomiaro-wej oraz systemu akwizycji danych, nazywanej dalej jednostką sterującą. Podział ten wy-nika z możliwości szybkiej przebudowy oraz rozbudowy układu o dodatkowe funkcjonal-ności, między innymi takie jak transmisja bezprzewodowa, czy dodatkowe głowice pomia-rowe. Umożliwia również zmianę typu głowicy w zależności od prowadzonych badań.

Ideą budowy prototypów było jak największe uproszczenie urządzenia i wyposażenie go tylko w elementy całkowicie niezbędne do poprawnej pracy. Im mniejsza jest liczba ele-mentów, tym mniejsze prawdopodobieństwo awarii i większa niezawodność pracy. Skupio-no się więc na wyborze dobrze znanych i trwałych rozwiązań.

W skład jednostki sterującej wchodzi:

 mikroprocesor,

 akumulator,

 wyjście do komunikacji/moduł radiowy,

 układ sterujący nadajnikami.

Mikrokontrolerami zaproponowanymi do rozwiązania postawionego problemu są ukła-dy z rodziny Atmel [67]. Posiadają one szereg zalet, a wśród nich m.in.: niska cena, prosta architektura zapewniająca wystarczającą wydajność, znaczna liczba wbudowanych ukła-dów oraz niski pobór energii. Rodzinę tą charakteryzuje również ogromny wachlarz sa-mych układów, co pozwoliło na wybranie optymalnych mikrokontrolerów w zależności od potrzeb. Dodatkowym atutem jest też łatwość programowania tego typu układów oraz duża popularność, dzięki czemu dostępne są różne gotowe rozwiązania zarówno z zakresu ukła-dów peryferyjnych, jak i ukłaukła-dów do komunikacji i programowania. Układy te posiadają też dodatkową istotną cechę, a mianowicie mają wbudowany układ wykrywający zawie-szenie się programu. Dzięki temu, w krótkim czasie (reakcja na poziomie milisekund) po-trafią powrócić do poprawnej pracy, nawet gdy układ przestanie poprawnie działać (np.

w przypadku silnego zakłócenia). Z punktu widzenia niezawodności cecha ta jest bardzo ważna. Istotna jest też wspomniana niska konsumpcja energii, co zapewni dłuższą pracę na zasilaniu akumulatorowym.

Mikrokontrolery z rodziny Atmela wyposażone są w podstawowe i zarazem niezbędne elementy wbudowane w układ scalony takie jak [6]:

 przetworniki analogowo-cyfrowe o rozdzielczości 8-10 bit,

 komunikacja USART (ang. Universal Synchronous/Asynchronous Reciver Trans-mitter – Uniwersalny Synchronczny/Asynchroniczny Odbiornik/Nadajnik),

 kanały umożliwiające sterowanie szerokością impulsu na wyjściu mikrokontrolera (PWM – ang. Pulse Width Modulation),

 możliwość podłączenia zewnętrznego oscylatora kwarcowego jeśli konieczne stało-by się prowadzenie większej ilości obliczeń przy skróceniu odstępu czasowego po-między kolejnymi pomiarami,

 system przerwań, dzięki któremu zdarzenia o najwyższym priorytecie nigdy nie zo-staną przeoczone przez układ,

 dużą liczbę programowalnych pinów wejściowo/wyjściowych,

 szeroki zakres napięcia zasilania 2,7 – 5,5 V,

 oraz omawiany już system wybudzania, gdy układ znajdzie się w stanie nieustalo-nym, czyli tzw. „Czuwający pies” (ang. Watchdog).

Jako system zasilania wybrano niewielkich wymiarów akumulator litowo-polimerowy, który charakteryzuje się dobrą żywotnością oraz możliwością szybkiego ładowania i bra-kiem efektu pamięci, przez co nie zachodzi efekt zmniejszania się jego pojemności [44].

Rozwiązanie to pozwala na kilkugodzinną pracę całego zestawu pomiarowego, a zarazem jest na tyle małe, że nie powoduje zwiększenia masy całego urządzenia.

Komunikacja z komputerem może odbywać się poprzez połączenie kablem i transmisję UART z wykorzystaniem konwertera RS232↔USB albo poprzez transmisję bezprzewodo-wą z wykorzystaniem modułu pracującego w paśmie 868 MHz bądź poprzez moduł Blu-etooth (praca w paśmie ISM – ang. Industrial, Scientific, Medical).

Do sterowania nadajnikami wykorzystano tranzystory bipolarne. Możliwe byłoby bez-pośrednie sterowanie diodami LED z wyjść mikrokontrolera, jednakże rozwiązanie to by-łoby niekorzystne ze względów bezpieczeństwa. W razie uszkodzenia nadajnika bądź prze-pięcia awarii uległby trwale port procesora lub też cały układ. Izolacja w postaci tranzysto-rów pozwala na zabezpieczenie układu przed taką sytuacją.

W skład głowicy pomiarowej wchodzi:

 odbiornik,

 nadajniki o różnych długościach fal,

 przetwornik analogowo-cyfrowy,

 filtry.

Przetwornikiem analogowo-cyfrowym użytym do budowy układu pomiarowego jest przetwornik typu delta-sigma. Posiada on cztery niezależne kanały wejściowe oraz progra-mowalny wzmacniacz wewnętrzny, dzięki czemu możliwe jest programowe ustawienie za-kresu pomiarowego do wielkości mierzonych sygnałów na fotodiodach. Rozwiązanie takie zapewnia możliwość wykorzystania całego zakresu pomiarowego, co pozwala osiągnąć bardzo dużą dokładność i brak straty w postaci niewykorzystanego zakresu. Przetwornik ten posiada 16-bitową rozdzielczość i możliwość przetworzenia do 868 próbek na sekundę [67, 122]. Rozwiązanie to pozwala na bardzo dokładny pomiar, ponieważ przy właściwie dobranym wzmocnieniu możliwe jest wykonywanie pomiarów z dokładnością do 7,8 μV.

Jako detektor została wybrana fotodioda P-I-N o maksimum czułości dla 980 nm, po-siadająca zakres pracy od 300 nm do 1200 nm (charakterystyka została pokazana w części teoretycznej na rysunku 2.17). Tak szerokie widmo pozwoliło na pracę w zakresie, gdzie charakterystyka jest płaska (z pominięciem opadających zboczy czułości na granicach).

W systemie pomiarowym wykorzystano następujące nadajniki [69, 71]:

 dioda LED 620 nm,

 dioda LED 640 nm,

 dioda LED 660 nm,

 dioda LED 875 nm,

 dioda LED 950 nm,

 dioda emitująca światło w zakresie koloru niebieskiego z żółtym luminoforem, co dla ludzkiego oka postrzegane jest jako barwa biała. Jej widmo pokazano w części teoretycznej niniejszej pracy na rysunku 2.16.

Rys. 5.1. Schemat ideowy urządzenia pomiarowego [67]

Badane sygnały wolno zmieniały się w czasie. Konieczne zatem było zastosowanie fil-tru dolnopasmowego, który odseparowywałyby wysokie częstotliwości (fale radiowe).

Zdecydowano się na prosty filtr typu RC (częstotliwość graniczna 160 Hz) pierwszego rzę-du [54], który został zamontowany bezpośrednio przed wejściem przetwornika analogowo-cyfrowego. W celu redukcji zakłóceń długości ścieżek od odbiorników do przetwornika zostały ograniczone do niezbędnego minimum, a także poprowadzono je w możliwie

naj-większym odstępie od obwodów zasilających nadajniki. Schemat ideowy całego systemu pomiarowego pokazano na rysunku 5.1 [67].

Rozmieszczenie nadajników i odbiornika na głowicy pomiarowej zobrazowano na ry-sunku 5.2. Fotografię pokazującą opisywany prototyp zaprezentowano na ryry-sunku 5.3.

Rys. 5.2. Rozmieszczenie nadajników i odbiornika na głowicy pomiarowej [69]

Rys. 5.3. Fotografia prototypu systemu pomiarowego [67]

Na rysunku 5.4 przedstawiono fotografię potrójnej głowicy pomiarowej, wykonującej pomiary w trzech punktach jednocześnie w celu dodatkowego niwelowania błędów wyni-kających z położenia na ciele. Dzięki wyborowi większościowemu możliwe jest odrzuce-nie wyników z detektora, którego odczyty znacząco odbiegają od pomiarów z dwóch pozo-stałych. Całkowita rozbieżność pomiędzy wszystkimi odbiornikami świadczy o niemożli-wości prowadzenia pomiarów w wybranym miejscu, co może być niezwłocznie zasygnali-zowane użytkownikowi. Jest to niewątpliwa zaleta w praktycznym rozwiązaniu, ponieważ umożliwia większy wybór miejsc pomiarowych, a ich ostateczna weryfikacja jest dokony-wana przez same urządzenie. Zastosowanie trzech miejsc pomiaru jednoczesnego umożli-wia również dodatkową kalibrację wyników i ich korelację między sobą. Niewielkie od-chylenia mogą być zatem korygowane poprzez uśrednienie bądź bardziej złożone procedu-ry estymacji wyniku wskazywanego użytkownikowi. Rozwiązanie tego typu pozwala rów-nież na eliminację błędów pochodzących od żył w sytuacji, gdy jeden z torów optycznych będzie je przecinał.

Głowica pomiarowa wyposażona w trzy niezależne zestawy odbiornik-nadajniki może realizować drugi z algorytmów detekcji błędów oraz tętnień układu krążenia. Polega on na wykonywaniu kilku serii pomiarowych jedna za drugą oraz odrzuceniu błędnych danych pomiarowych. Widać zatem, że rozwiązanie to w szerszej perspektywie może znacząco prawić dokładność wyników, a z całą stanowczością na bieżąco informować o błędach po-miarowych i niespójnościach. Wadą takiego układu pomiarowego jest dwukrotny wzrost zapotrzebowania na energię i skrócenie maksymalnego czasu pracy na zasilaniu akumula-torowym. Rozwiązaniem tego problemu mógłby być hybrydowy algorytm pomiarowy.

Ideą byłoby prowadzenie pomiarów z trzech punktów na początku (po zamontowaniu sys-temu pomiarowego) oraz co losową liczbę pomiarów (z których każdy pochodziłby jedy-nie z dwóch detektorów, które mierzą sygnał od tych samych nadajników po przeciwle-głych stronach). Pomiary wykonywane losowo (z trzech torów optycznych) byłyby weryfi-kacją czy nie zaszły zmiany (przesunięcie głowicy pomiarowej, zmiana położenia na ciele) i czy pomiary w dalszym ciągu są ze sobą spójne i wiarygodne. Możliwe byłoby zatem ograniczenie pracy drugiego zestawu nadajników jedynie do wybranych sytuacji kontrol-nych. Nie ma jednak pewności, że pomiary pośrednie byłby prawidłowe, stąd wybór tego rozwiązania w praktyce może okazać się niewłaściwy. Zaniechano więc tego pomysłu i skupiono się na pomiarach z pojedynczej głowicy pomiarowej, która w większym stopniu będzie oddawać założenia niniejszych badań.

Rys. 5.4. Potrójna głowica pomiarowa (opracowanie własne)

Na samym końcu opisu rozwiązania technicznego należy zwrócić szczególną uwagę na rolę systemu stabilizacji napięcia w czasie prowadzenia pomiarów. Zmiany tej wartości mają znaczący wpływ na emitowaną wiązkę światła oraz poprawne działanie całego syste-mu. Przykład niewłaściwego zachowania przedstawiono na rysunku 5.5. Na wykresie tym zaznaczono napięcie na detektorze podczas kolejnych próbek pomiarowych.

Doświadczenie polegało na symulacji braku systemu stabilizacji oraz zaobserwowaniu zmian podczas faktycznego efektu rozładowywania się ogniwa litowo-polimerowego. Pod-czas akwizycji kolejnych próbek danych napięcie zasilania obniżało się od napięcia 3,6 V do 3,2 V. Zaobserwować można stopniowe obniżenie sygnału rejestrowanego przez detektor. Zmiany te nie są jednakowe dla wszystkich badanych sygnałów, co wynika z róż-nych napięć pracy diod na bazie różróż-nych domieszek pierwiastków. Różne są także wartości rezystorów ograniczających prąd płynący przez poszczególne źródła światła. W przedsta-wionym przypadku zmiany są na tyle duże, że żadna metoda korekcji nie umożliwi właści-wego wyliczenia wyniku końcowłaści-wego. W skrajnym przypadku biała dioda LED przestała całkowicie świecić (próbki o numerach: 50 – 56).

Rys. 5.5. Napięcie na detektorze podczas rozładowywania się

ogniwa litowo-polimerowego (dla aktywnych emiterów, opracowanie własne)