Kako se smanjuje veličina laboratorijskih prostora, a inžinjerski timovi postaju sve više disperzovani, kompanije se zato odlučuju za “sve u jednom” instrumente kao dodatak tradicionalnim laboratorijama, stvarajući stalnu potrebu za prenosnim ispitnim i mernim stolom koji može podržati što veći broj različitih dizajn rešenja.

Inženjeri širom sveta koriste Digilent uređaje za ispitivanje i merenje da bi skratili vreme ciklusa projektovanja i povećali njihovu kreativnost tako što su im osciloskop, logički analizator, generator talasnih oblika i još mnogo toga na dohvat ruke.

NI LabVIEV nudi grafički pristup programiranju koji vam pomaže da vizualizujete svaki aspekt vaše aplikacije, uključujući konfiguraciju hardvera, podatke o merenju i otklanjanje grešaka. Prednosti upotrebe LabVIEV:

  • Programiranje u skladu sa načinom na koji razmišljate uz pomoć intuitivnog grafičkog okruženja
  • Povezivanje gotovo bilo kojeg hardvera zahvaljujući neuporedivoj hardverskoj podršci
  • Brzo prikupljanje i vizualizacija podataka
  • Interakcija sa drugim softverskim alatima

Pregled
Ova demonstracija koristi kao osciloskop Digilent Analog Discoveri Studio za merenje prirodnog električnog potencijala koji generiše srce. Kako je izmereni signal vrlo male amplitude, prvo ga treba pojačati spoljnim električnim kolima, koji se mogu graditi na Breadboard Canvas-u i napajati iz napajanja samog Analog Discoveri Studio-a. Uz pomoć WaveForms VI, primljeni podaci se šalju u LabVIEW, gde se vrši naknadna obrada.

Softver

Hardver

  • Analog Discoveri Studio, uz Breadboard Canvas i MTE kablovima
  • Analogni delovi i žice
  • 1 četvorostruki operacioni pojačavač OP 482
  • 2 kom. 1N914 dioda
  • 1 kom. 47nF kondenzator (473)
  • Otpornik 4 kom. 4,7KΩ (žuto-ljubičasto-crveno-zlatni)
  • Otpornik 1 kom. 10KΩ otpornik (smeđe-crno-narandžasto-zlatni)
  • Otpornik 2 kom. 20KΩ otpornik (crveno-crno-narandžasto-zlatni)
  • Otpornik 3 kom. 100KΩ (smeđe-crno-žuto-zlatni)
  • Otpornik 1 kom. 150KΩ (smeđe-zeleno-žuto-zlatni)
  • Otpornik 2 kom. 470KΩ (žuto-ljubičasto-žuto-zlato)
  • Džamper žice
  • 3 kom. aligator kleme
  • 3 kom. površinske elektrode

Napomena: EKG dizajn se i dalje može videti i pokrenuti u softveru bez celokupnog hardvera, pomoću uvezene datoteke podataka. Pogledajte Testiranje bez spoljašnjeg kola, u odeljku Testiranje.

Napomena: WaveForms se mogu preuzeti sa sajta, a postupak podešavanja nalazi se u vodiču za početak rada WaveForms. Instaliranjem WaveForms, instaliraće se Digilent WaveForms Runtime, što je potrebno za rad WaveForms VI.

Napomena: Da biste preuzeli LabVIEW, potreban vam je NI nalog. LabVIEW Communiti možete preuzeti sa sajta, a vodič za početak rada možete pronaći na LabVIEW Communiti Getting Started. Instaliranjem LabVIEW Communiti, instaliraće se VI Package Manager i VIPM Browser, koji su kasnije korišćeni u ovom tekstu.

Uputstva za podešavanje i upotrebu

Postavljanje kola
Ovaj odeljak će proći kroz svaki deo EKG kola. Postoji dijagram gotovog kola, kao i dijagram ožičenja napravljen u Fritzingu, u poslednjem koraku, ako želite da pređete na taj korak.

Izgradnja pojačavačkog dela
Amplituda potencijalne razlike na koži je samo u opsegu milivolta ili mikrovolta, tako da mora biti pojačana. Da bi se pojačao signal, izgrađeno je instrumentaciono pojačalo pomoću OP482. Pojačanje je postavljeno na 500 (A ​​= (1 + 2 * R2 / R1) * R3 / R4). Ulaz + treba spojiti na desnu nogu, iznad skočnog zgloba, a – ulaz u desnu ruku, na zglobu.

Između površinskih elektroda i ulaza instrumentacionog pojačala priključeni su otpornici od 100 kΩ da bi se ograničila bilo koja struja koja bi eventulano krenula prema telu (u slučaju neispravnog rada).

Izlaz pojačala može se vizualizovati uz pomoć osciloskopskog instrumenta u WaveForms.

Filtriranje signala uobičajenog režima
Može se videti da je izmereni signal ima previše šuma, te se srčani signal ne može prepoznati. Da bi se to ispravilo, signal sa izlaza prvog stepena pojačala pojačava se i invertuje pomoću četvrtog operativnog pojačala u OP 482 (A = – R6 / R5). Pojačani i obrnuti signal (G) povezan je na otpornik za ograničavanje struje, a zatim na levi zglob. Dve antiparalelne diode povezane su između G površinske elektrode i uzemljenja uređaja kako bi ograničile signal između oko -0,6V i + 0,6V, da bi se sprečio električni udar.

Signal postaje periodičan i sa manje šuma, ali ima veliki pomak.

Eliminisanje jednosmerne komponente
Pomak signala može se lako eliminisati upotrebom malog kondenzatora za razdvajanje između izlaza pojačivača instrumentacije i sonde osciloskopa.

Na spektru snage signala jednosmerna komponenta nestaje. Kako se na koži može naći sinusni signal od 50 Hz iz mreže, spektralne komponente velike snage pojavljuju se na umnošcima od 50 Hz. Međutim, to se može lakše eliminisati korišćenjem digitalnih filtera u LabVIEV-u, nego analognim filterima.

Dijagram ožičenja u Fritzingu.

Na slici je predstavljena šema ožičenja istog kola, ali ugrađena u Fritzing, zbog lakšeg praćenja.

Korisnički interfejs
EKG VI je softver razvijen za ovu aplikaciju i može se preuzeti sa neta. Na prednjoj ploči, za kontrolu prikupljanja podataka i naknadne obrade, dostupna su četiri elementa: padajući meni za izbor kanala osciloskopa, polje za unos broja sekundi za koje se podaci prikupljaju, padajući meni za odabir mrežne frekvencije, koja će se naknadno filtrirati, i dugme Stop, koje zaustavlja merenje (nakon pritiska na dugme trenutna akvizicija je završena, a program je zaustavljen).

Ispod kontrolnih elemenata postavljeno je okno za crtanje, gde se prikazuje signal elektrokardiografa. Ispod okna grafikona, klizač i numerički indikator pokazuju izračunati puls. Klizač je zelen kada se puls smatra normalnim (između 50 i 100 otkucaja u minuti), dok je inače crven. Na desnom delu je smeštena kolona, u kojoj su prikazani svi podaci dobijeni iz bloka za izvlačenje EKG karakteristika (pogledati: EKG Ekstraktor funkcija VI).

Protok podataka

Akvizicija podataka
Blok dijagram EKG VI podeljen je na šest delova sa različitim dekorativnim elementima i strukturama. Prva dva dela su odgovorna za inicijalizaciju osciloskopa i primanje podataka sa njega. U prvom delu je korišćeni uređaj za ispitivanje i merenje postavljen na Analog Discoveri Studio, kanal opsega se bira uz pomoć odgovarajućeg kontrolnog elementa na prednjoj ploči, prigušenje sonde je postavljeno na 1 (jer se koriste MTE kablovi), vertikalna sprega je podešena na AC, pomak na 0 i opseg od -1,5V do + 1,5V (ovo nije važno, jer se automatsko skaliranje može uključiti na oknu grafikona).

Akvizicioni mod osciloskopa postavljen je na uzorkovanje sa 1000 očitavanja za vreme određeno na prednjoj ploči. Nakon inicijalizacije, hendler instrumenta i signal greške se šalju ukrug, od početka prikupljanja podataka i nastavlja se sve dok se ne pritisne dugme Stop.

Post obrada
Dobijeni signal je i dalje pun šuma kao što se vidi na osciloskopu u WaveForms-u, pa mu je potrebno filtriranje. Nakon što se proceni jednosmerna komponenta i oduzme od signala radi uklanjanje bilo kakvog odstupanja, podaci ulaze u “moving average” filter, čiji parametri zavise od primenjene frekvencije. Ovaj filter eliminiše gotovo u potpunosti komponentu od 50 Hz ili 60 Hz u spektru snage, kao i njegove harmonike. Izlazni signal je izglađen. Kao što se može videti na spektru snage u Circuit Setup aplikaciji, najznačajnije komponente signala su ispod 50 Hz, pa filtriranje svega gore navedenog ne bi trebalo da ošteti korisni signal. Međutim, kako QRS talas (visoko-amplitudni deo EKG signala) ima vreme porasta od oko 15 ms, treba razmotriti prag od 25 Hz, dok se granična frekvencija niskopropusnog filtera postavlja na 75 Hz.

Nakon pravilnog filtriranja, dobija se maksimalna tačka prikupljenih podataka i, uz detekciju vrha, pronalaze se sve tačke podataka vrednosti iznad 75% ovog maksimuma i sa trajanjem većim od 10 ms (P – prethodni QRS – i T – nastavljeni QRS – signali ne bi trebalo da dostigne tu amplitudu). Lokacija ovih tačaka se množi sa vremenskim izvodom signala i sumira sa početnim vremenom da bi se dobilo tačno vreme svakog vrha. Izračunava se vreme između dva uzastopna vrha i pretvara u frekvenciju, a zatim se množi sa 60 da bi se dobio broj otkucaja (vrhova) u minuti.

Rezultati
Filtrirani signal povezan je na okno grafikona, kao i na ekstraktor EKG karakteristika radi vizualizacije samog signala kao i podataka o njemu. Izračunati puls se takođe vizualizuje pomoću klizača, i ako je niži od 50 bpm ili veći od 100 bpm, boja klizača se menja u crvenu (inače je zelena).

Iz while petlje se izlazi samo ako se pritisne dugme za zaustavljanje ili ako postoji greška, ali u oba slučaja prvo se završava prikupljanje trenutnih podataka. Nakon izlaska iz petlje, osciloskop se zaustavlja i zatvara kako bi Analog Discoveri Studio bio dostupan za druge programe. Ovde se takođe obrađuju greške: ako je došlo do greške, prikazuje se odgovarajuća poruka.

Testiranje
Da biste testirali uređaj, napravite kolo na Breadboard platnu, uključite Analog Discoveri Studio i povežite ga sa računarom. Otvorite EKG VI. Postavite jednu površinsku elektrodu na unutrašnju stranu levog zgloba i jednu na unutrašnju stranu desnog zgloba, kao i jednu na unutrašnju stranu desnog zgloba noge.

Sa aligatorskim kopčama spojite kolo na elektrode, kao što je prikazano na slici desno. Pokrenite EKG VI pomoću dugmeta play. Ako mirujete nekoliko sekundi, na oknu grafikona videćete svoj EKG signal i procenjeni puls.

Više projekata sa alatkama za testiranje i merenje Digilent možete pronaći na Digilent Wiki:

https://reference.digilentinc.com/reference/instrumentation/start