Szybsze projektowanie wearables dla medycyny i sportu - Cz. 2

Liczne cechy wspólne obu opisanych urządzeń sprawiły, że producenci elementów postanowili stworzyć gotowe platformy programistyczne, które znaczenie zredukują czas potrzebny na rozwój i wprowadzenie podobnych urządzeń na rynek. Jednym z przykładów jest platforma MAXREFDES100# hSensor (Health Sensor) od firmy Maxim Integrated. Zawiera wszystkie bloki sprzętowe na jednej płycie oraz posiada łatwo dostępną funkcjonalność sprzętową razem z rozwiązaniami softwarowymi, takimi jak ARM mbed hardware development kit (HDK). Rysunek 1. Paltforma hSensor od firmy Maxim Integrated Platforma hSensor zawiera płytę, kompletny firmware wraz ze sterownikami, GUI oraz płytkę debugera. Kod źródłowy oprogramowania jest dostępny na stronie internetowej Maxim , dzięki czemu projektanci mogą dostosować algorytmy do własnych potrzeb i zastosowań. Udostępnione jest również oprogramowanie do optymalizacji projektów, schematy, lista elementów (BOM), rysunki oraz pliki typu Gerber płytki. Składniki platformy hSensor są przeznaczone dla urządzeń mobilnych, które monitorują stan zdrowia w celach zdrowotnych lub sportowych. Charakteryzują się obniżonym całkowitym zużyciem energii. Płyta o wymiarach 25,4mm x 30,5mm jest na tyle mała, że może znaleźć zastosowanie w urządzeniach umieszczanych na klatce piersiowej, nadgarstku, palcu czy płatkach uszu. Rysunek 2. Platforma hSensor zawiera wiele bloków wspólnych dla aplikacji monitorujących zdrowie i wspierających fitness Czujniki i układy AFE Platforma zawiera czujniki do pomiaru wielu typowych parametrów zdrowia i kondycji. Można mierzyć temperaturę, częstość akcji serca, wspiera wiele pomiarów bipotencjalnych, takich jak EKG, elektromiografia (EMG) i elektroencefalografia (EEG). Do zastosowań w fitnessie przewidziano kombinację akcelerometru i żyroskopu, co pozwala na wykrywanie ruchu i obrotu. Umieszczono w niej również czujnik ciśnienia atmosferycznego. MAX30101 to czujnik optyczny, który służy jako dużej czułości pulsoksymetr i czujnik tętna. Zawiera czerwoną (660nm), zieloną (537nm) i podczerwoną diodę LED (880nm), układ AFE - 18-bitowy przetwornik A/C oraz układ redukcji wpływu światła otoczenia. Komunikacja odbywa się przez standardową magistralę I2C. Dodatkowo wyposażono go w specjalną funkcję, która zapobiega nadmiernemu zużyciu energii, gdy palec użytkownika nie jest w pobliżu czujnika. Rysunek 3. Schemat blokowy czujnika MAX30101 MAX30205 to czujnik temperatury do zastosowań klinicznych, zgodny ze specyfikacją kliniczną ASTM E1112. Zapewnia dokładność pomiaru 0,1°C z 16 bitową rozdzielczością. Posiada funkcję alarmu informując o przekroczeniu zadanej temperatury. Komunikacja odbywa się za pośrednictwem interfejsu I2C. Układ pracuje z napięciem zasilania od 2,7 do 3,3 V, pobierając przy tym 600 µA prądu. MAX30003 to jednokanałowy, analogowy, zintegrowany AFE do pomiarów bipotencjalnych o ultra niskim poborze mocy. Zapewnia pomiar sygnałów EKG i tętna. Znajduje zastosowanie w urządzeniach do monitorowania rytmu serca i detekcji arytmii. Układ mocno ogranicza zużycie baterii, dzięki temu, że zużywa jedynie 85µW mocy. Mikrokontroler Mikrokontroler MAX32620 oparto na 32-bitowym układzie z rdzeniem ARM Cortex-M4F wyposażonym w zmiennoprzecinkowy koprocesor obliczeniowy (FPU – Floating-Point Unit). Dzięki specjalnemu oprogramowaniu i dodatkowym funkcjom, podobnie jak inne układy, mikrokontroler został zoptymalizowany pod kątem zużycia energii do urządzeń ubieralnych. Posiada wiele interfejsów komunikacji: SPI, UART, I2C oraz wbudowany USB 2.0 i Ethernet. Blok zasilania MAX14720 stanowi serce bloku zarządzania energią. Ten kompaktowy układ przeznaczony jest dla urządzeń zasilanych tylko z baterii, dla których rozmiar i wydajność są krytyczne. Zawiera w sobie funkcje czterech osobnych układów – przełącznika mocy, zasilacza liniowego, przetwornicy obniżającej napięcie i zasilacza regulowanego. Komunikacja Platforma hSensor zawiera zarówno porty komunikacji przewodowej jak i bezprzewodowej. W celu zminimalizowania wielkości płytki zastosowano dwustronne złącze USB typu C oraz mikrokontroler z wybudowanym USB 2.0. Dzięki uprzejmości firmy EM Microelectronics płytkę wyposażono również w pełni zintegrowany moduł radiowy BLE. Oprogramowanie Oprogramowanie wspiera zarówno urządzenia klasy PC, jak i z systemem Android. Programiści mogą dostosować działanie platformy używając środowiska programistycznego ARM mbed. Podstawowy zestaw obejmuje adapter do programowania MAXREFDES100HDK#, który umożliwia wczytywanie sterowników metodą „przeciągnij i upuść”, w celu aktualizacji oprogramowania układowego, wirtualny interfejs UART i debuger, który jest kompatybilny z interfejsem CMSIS-DAP. Rysunek 4. Diagram przepływu w zastosowanym oprogramowaniu dla MAXREFDES100# Powstające urządzenia dla medycyny i sportu muszą spełniać rygorystyczne wymagania eksploatacyjne, być energooszczędne, często mobilne oraz możliwie najmniejsze. W celu spełnienia tych potrzeb, projekt musi zawierać szereg wyspecjalizowanych czujników analogowych, układów sterujących i zarządzających energią oraz interfejsów przewodowych i bezprzewodowych do transmisji danych. Zadaniem stworzonej platformy hSensor jest możliwie ułatwić i przyspieszyć projektowanie takich urządzeń, tak żeby możliwe stało się spełnienie wielu wymagań rynku medycznego i sportowego. Dzięki temu kompletnemu rozwiązaniu projektant może skupić się na funkcjach, które odróżniają produkt od innych, co z kolei może zadecydować o odniesieniu sukcesu na rynku urządzeń ubieralnych. Artykuł uzyskany dzięki uprzejmości © Digi-Key Electronics.