česky english Vítejte, dnes je čtvrtek 03. prosinec 2020

Tepovka, teplota, tlak. Maxim odhaluje, co se bude nosit

DPS 2/2020 | Vývoj - články
Autor: Ing. Jan Robenek

Pryč jsou ty časy, kdy elektroniku nešlo jen tak přehlédnout. Ať už pro rozměry jednotlivých součástek, nebo též jejich nemalé požadavky kladené třeba na zdroje napájení. Současné trendy velí technice vidět vše okolo, ale na sebe až takovou pozornost zase nepoutat. Vděčným předmětem zkoumání se proto stává i sám člověk. Příliš se tomu ani nebrání a důmyslně navržené čipy si ke svému tělu pouští stále blíž. Chytře navržené obvody budou proto nejen součástí jeho života, ale jednoho dne s lidskými bytostmi možná splynou nadobro.

Bohatství v každém z nás

Vnímat lidi jen jako bezedné studnice dat a generátory nejrůznějších „provozních“ údajů, příp. i samotné energie, je sice povrchní, ale my se kvůli tomu na nositelnou elektroniku zlobit nebudeme. Musí nám ale slíbit, že svou práci při snímání, zpracování a vyhodnocení poznatků odvede šetrně a s maximální péčí. Ušetří spoustu místa, hromady baterií a na její výsledky, které proti nám nesmí nikdy zneužít, se bude možné vždy spolehnout. Zvláště, když u toho vytáhneme paty ven.

Tepovka, teplota, tlak.

V symbióze s člověkem chtějí a také umí žít i produkty z dílny Maxim Integrated. Svému hostiteli na oplátku nabízí nepřeberné množství informací dotýkajících se zvláště jeho tělesné podstaty. K tomu, aby uživatel zůstal v obraze a měl neustále povědomí o tom, co se v jeho nitru právě odehrává, mnohdy stačí jen pouhý dotyk. Stejně tak to vidí i vybrané novinky – miniatury, které se specializují na měření tělesné teploty, tepovou frekvenci a pulzní oxymetrii nebo přesné zkoumání krevního tlaku.

Pozor na přehřátí

V elektronice je teplota nesmírně cenným ukazatelem, který ovšem není radno podceňovat ani u živých systémů. Osobní teploměry, nositelná elektronika vybavená stejnou funkcí měření, ale také nejrůznější snímače, které se nakonec stávají součástí širšího internetu věcí – zde všude najdou své místo digitální integrované obvody MAX30208 [2] od firmy Maxim Integrated z obr. 2. Vždyť také v provozním rozsahu mezi +30 °C a +50 °C vykazují solidní přesnost ±0,1 °C, zatímco si ve zbývající části mezi bodem mrazu a +70 °C „pohorší“ dle obr. 3 pouze na ±0,15 °C. K napájení útlé součástky s desítkou vývodů a v pouzdrech typu Thin LGA o rozměrech 2 × 2 × 0,75 mm poslouží zdroj napětí 1,7 až 3,6 V. Šestnáctibitové rozlišení zde jinak může odpovídat pěti tisícinám stupně Celsia.

Tepovka, teplota, tlak. 1

Obvody MAX30208 s jedinečnými ID (ROM) využívají ke komunikaci s mikrokontrolérem standardního sériového rozhraní I²C. Pro vývojáře mají rovněž připravené dva vývody řešené na způsob GPIO. Jeden z nich je možné nastavit tak, aby z pozice vstupu spouštěl převod teploty, zatímco další již jako výstup ve spojitosti se stavovými bity poslouží při generování přerušení. V zapojeních s vícebodovým sledováním teploty lze oba piny rovněž využít při hardwarovém definování až čtyř adres I²C. Pro údaje o teplotě systém použije FIFO v délce 32 wordů a cizí mu není ani funkce alarmu – výstrah provázaných s vysokými nebo zase nízkými prahovými úrovněmi. To vše si při měření vyžádá provozní odběr o velikosti 67 μA, který smí v pohotovostním režimu poklesnout až na 0,5 μA. Integrace zabere 15 milisekund.

Modul nesmí jen svítit

Další z novinek od Maximu si tentokrát posvítila, a to i doslova, na funkce související s tepovou frekvencí (HR), resp. nasycením krve kyslíkem, tedy SpO2. Jednokanálové obvody MAXM86161 pro takové účely využijí služeb 14vývodového pouzdra typu OLGA o rozměrech 2,9 × 4,3 × 1,4 mm, které se pohodlně vejde třeba do maličkého sluchátka, pro něž bylo také optimalizováno [3].

Součástí struktury MAXM86161 budou celkem tři svítivé diody ovládané vlastními programovatelnými budiči. Červenou a infračervenou LED využijeme v případě pulzní oxymetrie, zatímco zelená dioda slouží tepovce. Jak vyplývá ze zjednodušeného blokového diagramu celého optického systému sběru dat na obr. 4, strana přijímače pak nabízí fotodiodu PIN spolupracující s 19bitovým A/D převodníkem. Výrobce snižuje vlastní proudovou spotřebu a místo na desce šetří už jen tím, že u systému vybaveného standardním rozhraním I²C zapracovává vlastní analogový front-end, který již není nutné řešit formou zvláštního čipu připojeného k samostatnému optickému modulu. Velký důraz je kladen nejen na citlivost, ale rovněž i přesnost měření. Na základě speciálního algoritmu dochází k ještě lepšímu potlačení rušivých vlivů okolí a vše tak směřuje k očekávané, zcela autonomní činnosti systému.

Tepovka, teplota, tlak. 2Tepovka, teplota, tlak. 3

Při měření tlaku nejste pod tlakem

Polovodičové technologie dokázaly v minulosti vytlačit spoustu tradičních řešení nebo jim alespoň zdárně konkurovat. Aktuálně mají políčeno třeba na klasické manžety, které jsou již léta vyžadovány k přesnému stanovení krevního tlaku. Uživateli by tak mohl stačit chytrý telefon či náramek, na který jen přiloží prst a v klidu spustí optická měření zabírající zhruba půl minuty až 45 vteřin. Pohodlně, kdykoli a kdekoli. Taková je ostatně i představa Maximu, který vše zhmotňuje a výsledek nyní předkládá formou referenčního návrhu MAXREFDES220# (Finger Heart Rate and Pulse Oximeter Smart Sensor with Digital Signal Processing, [5]). A jak vidíme na obr. 5, utrpět by při pravidelné kalibraci každé čtyři týdny neměla ani přesnost.

Celé miniaturní řešení, které určitě nechce jakkoli „svazovat“, se přitom odvíjí od senzoru MAX30101 či MAX30102 s vysokou citlivostí, který bezprostředně spolupracuje s pomocným integrovaným obvodem MAX32664D vybaveným speciálními algoritmy. Na obr. 6 je označen jako „Biometric Sensor Hub“ a v provedení typu WLP zabírá pouze 1,6 × 1,6 mm. Stávající aplikační procesor již proto nebude nutné zatěžovat novým kódem.

Moduly optického snímače MAX3010x o rozměrech pouzdra 5,6 × 3,3 × 1,55 mm si opět poradí s měřením tepové frekvence a také pulzní oxymetrií. Najdeme zde vše potřebné, od tří (MAX30101), příp. jen dvou vestavěných svítivých diod s vlastním buzením přes odpovídající fotodetekci a zpracování signálu v rámci AFE až po výsledné rozhraní I²C. To již ale dostává prostor jeden ze čtveřice hubů MAX32664 ovládajících senzor a zpřístupňujících jak surová, tak též zpracovaná data. Pro účely zjišťování krevního tlaku je zapotřebí zvolit firmwarovou výbavu s koncovkou D. Tříosý akcelerometr pak už jen sleduje pohyb a řeší otázku kompenzace. Varianty B a C se v případě obvodů MAX32664 přesunou od prstu až na zápěstí, kde také očekávají přítomnost optických systémů MAX86140 či MAX86141. O těch jsme psali již dříve v [6].

Partneři

eipc
epci
imaps
papouch
ep
mikrozone
mcu
projectik