Az egészségügyi méréstechnikai alkalmazások esetében az analóg-digitális konverziót végző modulok döntő szerephez jutnak. A rendszerben működő valamennyi mérőelem az adatok feldolgozása, tárolása, megjelenítése és továbbítása érdekében valódi mennyiségben mérhető (analóg) jeleket konvertál digitális elektronikai jellé. A leggyakrabban villamos áramerősség és feszültség mérése történik mikrokontrolleres kiolvasás és A/D-konverzió útján

A célnak legmegfelelőbb A/D-átalakítós mikrokontroller (MCU) kiválasztása közel sem olyan egyszerű, mint amilyennek elsőre tűnhet, amennyiben komolyan vesszük a jelfinomságra vonatkozó követelmények kielégítését. A felbontás csak egy dolog a több közül, azonban a sebességet, linearitást, zajt és egy sor egyéb, a méréstechnikai pontosságot befolyásoló műszaki jellemzőt is meg kell vizsgálni és lényegileg is meg kell érteni. A cél az, hogy az A/D-átalakító és MCU párost úgy válasszuk meg, hogy a nem kívánt méréstechnikai hatásokat a lehető leghatékonyabban nyomják el, sőt kifejezetten előnyösen viselkedjenek a mérőműszerben.
A Freescale 8 és 32 bites, Flexis-sorozatú mikrovezérlőinek célpiaca a robusztus, hordozható orvosi mérőeszközök. A mikrokontrollerek analóg funkcionalitását a Freescale méréstechnikai motorja adja, amely integrált formában kapott helyet az áramkörökön. Az alábbiakban e méréstechnikai funkciókat támogató motor legfőbb jellegzetességeit mutatjuk be.

A 16 bites SAR A/D-átalakító és az egyéb modulok
A méréstechnikai motor lelke 16-bites, lépésenkénti megközelítéses (szukcesszív approximációs) analóg-digitális átalakító, amely az egészségügyi alkalmazások elvárásainak megfelelő pontossággal, sebességgel és megbízhatósággal működik. Az A/D-átalakító effektív bitszáma ENOB ≥13,5, amely a valódi pontosságértéket tükrözi (a mérési adat >100 kHz frekvencia és négy differenciális illesztésű bemenet esetében igaz), továbbá az átalakító teljesen kalibrálható, amelyet a pontos mérés érdekében reset­esemény után célszerű elvégezni.
Az A/D-átalakító konverziós sebessége szintén alapvető kérdés az egészségügyi mérőrendszerekben. A konverziós idő közvetlen összefüggésben van a mintavételezett csatornák számával. (Például 8 MHz busz- és A/D órajel-frekvenciánál a tipikus konverziós idő 4,5 µs.)

A Freescale méréstechnikai motor szolgáltatáskészlete nem merül ki csupán az A/D-átalakítóban, hanem tartalmazza az alábbiakat is:

• programozható késleltetőblokk (PDB): leggyakrabban villamos feszültség és áramerősség mérése történik. Sok rendszer gyakran mindkettőt méri, és megszokott jelenség, hogy a feszültségbemenet és az áram között időbeli eltolódás van. A programozható késleltetőblokk lehetővé teszi a bemenetek szinkronizálását és a CPU-megszakítások számának minimalizálását, a mintavételezési idők pontos elődefiniálása útján pedig javítja a mérőrendszer teljesítményét és pontosságát,
• programozható analóg komparátor (AMCP): az analóg komparátor teljesen programozható, belső feszültségreferenciával rendelkezik, és rugalmas komparátoros konfigurálhatóságot támogat,
• 12 bites digitális/analóg átalakító (DAC): a D/A-átalakító chipre integrált formában található, amely egyszerű monitorozást és nagy pontosságú komparálás- és menedzsmentfunkciókat támogat,
• műveleti erősítők: az integrált műveleti erősítőkkel a bemenetek a különböző erősítési fokozatokban pontosan érzékelhetőek. Az erősítők chipre integrálásával számos külső alkatrész és ezzel értékes kártyahely takarítható meg a nyomtatott huzalozású hordozón, így végeredményben kisebb és olcsóbb termékek tervezhetőek.

A Freescale Flexis MM előnyei elektronikus egészségügyi alkalmazásokban

Alacsony energiafelvétel
Az analóg méréstechnikai motoron felül a 8 és 32 bites Flexis MM-sorozatú kontrollerek rendelkeznek egy sor olyan további jellemzővel, amelyek kifejezetten a hordozható egészségügyi alkalmazások követelményei. Ilyenek például az USB-képesség és az alacsony fogyasztású működési üzemmódok.

Kijelzővezérlés
A Flexis MM termékcsaláddal dolgozó tervezők opcionálisan kijelzőt is implementálhatnak az alkalmazásban. (Az AN3142 azonosító alatt elérhető alkalmazási jegyzet elmagyarázza, hogyan lehet szegmenses LCD-ket meghajtani
a GPIO kivezetéseken keresztül.) A Freescale a TWR-LCD hardverplatformon bemutatta azt is, hogyan lehet kisméretű, 3,5 hüvelykes képátlójú, grafikus, érintésérzékeny TFT kijelzőt vezérelni a SPI buszon, vagy párhuzamosan a 32 bites MCF51MM opcionális külső buszán keresztül. A Freescale a tervezők rendelkezésére bocsátja azokat a hardver- és szoftverelemeket, amelyekkel akár szegmenses, akár grafikus LCD-t lehet vezérelni.

A 8 és 32 bites kompatibilitás

A felsorolt funkciókat a 8 bites MC9S08MM és a 32 bites MCF51M típusjelű áramkörök is ismerik. A Freescale mikrokontrolleres üzletágában a Flexis-sorozat MM jelölésű tagjai teljes 8→32 bites kompatibilitást biztosítanak, amely kiterjed a kivezetéskiosztásra, a perifériákra és a fejlesztőeszközökre is. A Flexis MM termékcsalád tehát lényegében minden igényt lefed: az olcsóbb alkalmazások fejlesztői választhatják a 8 bites eszközöket, az igényesebb, nagyobb teljesítményű alkalmazásokéi pedig a 32 bites változat mellett is letehetik voksukat. Az optimális megoldás ebből a választékból könnyedén megtalálható.

Teljes értékű, kipróbált, integrált fejlesztőkörnyezet
Az MM256/128 sorozatú eszközök, hasonlóan a Freescale USB-s mikrovezérlőihöz, szoftver- és hardvereszközök egész seregének kompatibilitását élvezik. A Freescale MQX egy teljes értékű, nagy teherbírású, valós idejű operációs rendszer (RTOS), amely tartalmaz a 32 bites MCF51MM kontrolleren futtatható USB stacket is. A grátisz USB stack többféle eszközosztályt (MSD, HID, CDC, PHDC), a "Medical Connectivity Library" könyvtár pedig IEEE 11073-kompatibilis, eszközközti kommunikációt támogat. Az USB stack önmagában, az MQX RTOS nélkül is elérhető, és futtatható mind a 8 bites S08MM, mind a 32 bites MCF51MM eszközökön.

A grafikus megjelenítés hívei kedvéért a Freescale piacra dobta a Freescale eGUI (enhanced Graphical User Interface) szoftverét is, amely teljes értékű, grafikus felhasználói interfész. Tartalmaz egy sor olyan, előre definiált funkciót és grafikát, amely sok termék esetében közös, így gyors és könnyen továbbhasználható platformot ad a tervezők és alkalmazásfejlesztők kezébe. A Freescale eGUI térítésmentesen használható, a kiadott forráskódokat a fejlesztők szabadon szerkeszthetik.

Mintaalkalmazás
Példaalkalmazásként egy otthoni, hordozható glükométert (vércukorszint-mérőt) ismertetünk. Ez és a hasonló alkalmazások közös ismertetőjegye, hogy telepélettartamuk hosszú, reakcióidejük rövid, adatfeldolgozásuk pontos, valamint rendelkeznek vezetékes és/vagy vezeték nélküli kommunikációs interfésszel. A fizikai jellemzők pontos, folyamatos mérésére áramerősség vagy villamos feszültség formájában felhasználhatók mikroelektro-mechanikai struktúrás (MEMS) nyomás- és gyorsulásérzékelők is, amelyek jeleit az A/D-átalakítóval támogatott mikrokontroller hatékonyan fel tudja dolgozni.
A cukorbetegeknek napi vagy gyakoribb rendszerességgel kell vércukorszintjüket mérniük és életüket eszerint alakítaniuk. Az otthoni egészségügyi termékek piacán ezért megjelentek olyan termékek, amelyek e kellemetlen feladatot kényelmesebbé teszik a betegek számára, jelentősen javítva életkörülményeiken. E készülékek közös jellemzője, hogy elemről működnek, és meglehetősen egyszerű felhasználói interfésszel bírnak. A mai vércukorszintmérők már szinte mind rendelkeznek pontosidő- és dátumfunkcióval, va­lamint memóriával, továbbá némelyik képes a mérési adatok továbbítására a számítógépre vagy akár egyenesen az orvosi rendelőbe is, akár cellás mobiltelefon-hálózaton keresztül. Néhányba integráltak egy kisméretű, egyenáramú villanymotort is, amely a vérvételt segítő tűt vezérli.
A műszerben a vérmintával létrejövő kémiai reakció elektromos áramot generál, amelynél az áramerősség arányos a vérmintában lévő cukor mennyiségével (egy-egy vérmintában a glükóz-szint a néhány mg/dl tartományba esik). A mért glükózértékeknek szükségük van néhány másodpercre, amíg a maximális szintre beállnak, követelmény továbbá a stabil referenciafeszültség is. Az otthoni felhasználásra kínált vércukorszintmérők pontosságát az ISO 15197 nemzetközi szabvány írja le. Eszerint olyan pontossággal kell mérniük, amely 75 mg/dl koncentráció felett 20%-on belül van a laboratóriumi standard 95%-ának, alacsonyabb koncentráció esetén pedig bizonyos abszolút szinteknek kell megfelelniük. A vércukorszintmérők pontosságát több tényező is befolyásolja, így a környezeti hőmérsékleti kalibráció, a vérminta mérete és minősége, a vérben lévő egyéb anyagok hányada, a hematokrit-szint, szennyeződések a műszer érzékeny felületein, páratartalom, a tesztcsíkok öregedése stb.
A szabályozások a teljes rendszerre vonatkoznak. Ha a pontosságra vonatkozó követelményeket szétterítjük az aktív elektronikai rendszer alkatrészein, úgy találjuk, hogy az A/D-átalakítóra vonatkozó előírások szerint 16 bites felbontásra, 13,5 bitnél nagyobb effektív bitszámra (legalább 4, differenciálisan párosított bemenetnél) és 100 kHz feletti konverziós sebességre van szükség. Minden vércukorszintmérő-gyártónak megvannak a maga módszerei a pontosságra vonatkozó követelmények teljesítésére, amely állhat akár egyedi algoritmusokból, speciális elektronikai alkatrészekből stb., vagy ezek tetszőleges kombinációjából.

Végszóként tekintsük át a 8 és 32 bites Flexis MM termékcsalád néhány további műszaki jellemzőjét:

• kivezetéskompatibilis 80LQFP és 81MAPBGA típusú tokozások,
• perifériakompatibilitás más termékcsaládokkal (kód-újrafelhasználás támogatása),
• kompatibilitás az általános hardver- és szoftverfejlesztő eszközökkel,
• a 32 bites kontroller támogatja az USB On-The-Go (OTG) szabványt,
• külső buszinterfész-támogatás a 100LQFP és 104MAPBGA tokozású változatokban.

A Farnell honlapja