Monitoraggio del battito cardiaco fetale [hardware open source]

Monitoraggio del battito cardiaco fetale progetto hardware

In questa seconda parte del progetto di un dispositivo di monitoraggio del battito cardiaco fetale, riveliamo l’hardware necessario per la realizzazione. Quindi entreremo nel dettaglio dello schema elettrico, vedremo la lista parti ed il circuito stampato con i vari layer: serigrafia per il piano di montaggio e piste lato componenti e lato saldature. Se vi siete persi la prima parte del nostro Audio Fetal Monitor ecco il link.

Un generico Stetoscopio Fetale, disponibile in commercio, permette di ascoltare il battito cardiaco del feto circa dalla ventiquattresima settimana ed in alcuni casi bisogna aspettare fino alla trentesima. Inoltre trovare il punto migliore di ascolto può essere molto laborioso. Per questo motivo si sono diffusi rapidamente i dispositivi che utilizzano l’effetto Doppler. Essi sono sicuramente più facili da utilizzare ma questo a discapito del futuro nascituro come abbiamo visto nell’articolo precedente.

Amplificare il segnale audio

Quindi l’idea è di amplificare il segnale ricevuto in un cono, come quello utilizzato nella parte iniziale dello stetoscopio. Il cono e soprattutto la sua realizzazione plastica, possibilmente ricoperta di velcro o materiale fonoassorbente, sono una soluzione efficace per una prima amplificazione e riduzione del rumore ambientale.

La soluzione adottata quindi amplifica il segnale ricevuto sfruttando il principio dello stetoscopio e quindi migliorandone le caratteristiche e l’utilizzo, ma rendendolo allo stesso tempo sicuro: il feto non viene irradiato con nessun tipo di segnale.

Schema elettrico

 

La prima versione dello schema elettrico è stata realizzata per svolgere le principali funzioni previste, avere un margine di correzione tramite apposite sezioni per sperimentare (non è stato realizzato il fatidico prototipo filato, ormai fuori moda, ma subito il PCB sul quale sperimentare direttamente) e con delle parti opzionali per scopi futuri, o meglio, per sviluppatori, visto che il progetto verrà rilasciato Open Source.
Vediamo ora insieme le varie sezioni dello schema elettrico.

Alimentazione

Come in tutti i progetti, l’alimentazione è una parte necessaria. Il dispositivo sarà alimentato a batteria e quindi ne abbiamo previste due, a bottone. Posizionate in parallelo per aumentare la capacità. Di seguito trovate U6 (MCP1640) il DC-DC che gestisce l’alimentazione. Infatti grazie a questo integrato, la tensione di alimentazione rimarrà costante a 3V3 durante la scarica della batteria. Sarà appunto la tensione di 3V3 ad alimentare tutti i componenti della scheda. Nella sezione alimentazione potete notare anche U2 (TPS62730), un ulteriore DC-DC, in questo caso step-down, ideale per gestire il modulo BLE113-A. Infatti, come consigliato dal relativo datasheet, il TPS ottimizza l’alimentazione del modulo Bluetooth facendo risparmiare energia tramite la funzione bypass. Quest’ultimo è opzionale, quindi decideremo in futuro se utilizzarlo oppure no.

Audio

La sezione audio è composta ovviamente da un microfono (electret) omnidirezionale ad alta sensibilità. Come componente opzionale, abbiamo inserito anche la possibilità di montare un microfono mems SMM310. Personalmente non li ho mai utilizzati, e quindi ho pensato di inserirne uno per valutarne le potenzialità, sia per un eventuale utilizzo in questo progetto, che per scopi futuri.
Il segnale del microfono viene quindi pre-amplificato dall’amplificatore operazionale NE5534, versione singola del famosissimo audio op-amp NE5532. Questo stadio però è opzionale e dedicato al microfono MEMS. Per l’utilizzo con il microfono a condensatore il segnale giunge direttamente ad un doppio filtro attivo realizzato con un Sallen-Key che oltre ad amplificare in due differenti step, avrà anche la funzione di filtro passa basso tarato sui 200Hz frequenza massima di battito cardiaco fetale prevista. Anche qui quindi avremo/avrete modo di sperimentare ;)

Il segnale alla fine del condizionamento, arriverà all’ingresso dell’AD Converter, periferica inglobata all’interno del modulo XMC2GO.
Lo stesso segnale giungerà anche a U3 (LM4881) un amplificatore specifico per cuffie che si occuperà appunto di rendere il segnale ben udibile dalle cuffie, che dovranno essere connesse tramite il connettore X1.

Microcontrollore e memoria esterna

La parte di elaborazione è affidata al modulo XMC2GO che all’interno integra un microcontrollore ARM Cortex M0 che a sua volta integra delle periferiche essenziali per questo progetto. L’AD Converter per acquisire e digitalizzare il segnale audio, la UART per comunicare con il modulo BLE, la SPI per gestire la memoria eeprom esterna e l’I2C per gestire l’accelerometro (opzionale).
La memoria esterna, è affidata all’EEPROM SPI SST25PF020B da 2Mbit, più che sufficienti a memorizzare dei campioni audio del battito cardiaco fetale.

Bluetooth

Il modulo BLE utilizzato è un Bluegiga BLE113 che comunica con il microcontrollore tramite la UART. In seguito valuteremo se attivare il regolatore DC-DC dedicato per ottimizzarne i consumi.

Accelerometro

L’accelerometro digitale inserito per scopi futuri è un 3 assi (MMA8451). La sua funzione, per ora, è quella di far nascere nuove funzionalità e nuove idee di utilizzo del dispositivo ;)

Completa la funzionalità della scheda un tasto che potrà avere varie funzioni e due LED, oltre quelli della scheda XMC2GO.

Lista parti

La lista parti ovviamente provvisoria.

Piano di montaggio

Di seguito il piano di montaggio, sopra e sotto, quindi serigrafia del circuito stampato e poi il lato saldature ed il lato componenti delle piste di rame.

 

 

 

 

 

La scheda montata

La scheda è in fase di montaggio proprio in queste ore, quindi mentre voi finite di leggere l’articolo io vado a finire di montare gli ultimi componenti!

Conclusioni

Il progetto verrà rilasciato Open Source, sia hardware che firmware, quindi pubblicheremo sia lo schema ed il piano di montaggio in alta risoluzione, sia la la lista parti che i file gerber e tutta la documentazione prodotta.
Ma li pubblicheremo nel prossimo articolo, giusto per avere un po’ di vantaggio su eventuali tentativi di clonazione ;)

Stay Tuned!

6 Comments

  1. Ugo Avalle 20 luglio 2014
  2. Emanuele 21 luglio 2014
  3. Emanuele 21 luglio 2014
  4. cigan 1 settembre 2014
  5. Andres Reyes 16 luglio 2014
  6. adrirobot adrirobot 21 luglio 2014

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