Contrôleurs pour capteurs et dispositifs médicaux portables

L'avenir des capteurs et des réseaux de capteurs, ainsi que leurs applications dans l'électronique grand public, la médecine et l'équipement électronique industriel, est devenu un sujet d'actualité important. La demande accrue pour des capteurs portables qui peuvent être formés en réseaux de capteurs permet de rassembler rapidement des informations à grande échelle.

Les capteurs sont essentiellement des dispositifs utilisés pour générer un signal électrique en réponse à un changement physique dans l'environnement environnant. Un capteur convertit des grandeurs physiques telles que la température, la pression sanguine, l'humidité, la vitesse, etc., en un signal électrique qui peut être mesuré et quantifié, ce qui peut ensuite être utilisé pour calculer l'ampleur de la perturbation physique qui a généré le signal.

De même, les capteurs pour appareils portables peuvent rationaliser un certain nombre d'activités importantes, telles que les diagnostics médicaux. Des exigences accrues en matière de productivité et de sécurité ont rendu les capteurs utiles dans plus d'appareils électroniques grand public, d'articles personnels comme les vêtements et les EPI industriels. Les capteurs biomédicaux sont utiles au-delà des diagnostics ou du suivi médical ; ils sont devenus applicables dans l'agriculture, le fitness personnel, la fabrication et tout autre domaine où quelqu'un pourrait travailler dans un environnement dangereux.

Qu'est-ce qu'un réseau de capteurs ?

Un réseau de capteurs consiste en un groupe de petits dispositifs généralement alimentés par batterie avec connectivité sans fil qui surveille, mesure et enregistre les changements dans un certain nombre de phénomènes physiques. Un réseau de capteurs peut être utilisé pour la détection environnementale/géologique, la surveillance de la santé, l'enregistrement de données, la détection de menaces et la surveillance de l'équipement industriel.

Les capteurs portables individuels et les réseaux de capteurs peuvent se connecter à Internet, à un WAN ou LAN d'entreprise, ou à un réseau industriel spécialisé afin que les données collectées puissent être transmises à des systèmes backend pour analyse. Ces dispositifs doivent être conçus avec une topologie spécifique (typiquement en maillage ou en étoile), bien que cela n'empêche pas le type de capteurs qui peuvent être utilisés dans chaque nœud du réseau.

Dans le domaine médical, plusieurs capteurs placés sur le corps humain permettent de surveiller simultanément plusieurs signes vitaux dans une topologie en étoile, et les données peuvent être renvoyées sans fil à une station de base pour la collecte et l'analyse. Dans la fabrication et d'autres environnements dangereux, les moniteurs biomédicaux et les capteurs environnementaux sur les travailleurs peuvent être connectés dans une topologie en étoile ou en maillage, ce qui aide à garantir la sécurité des travailleurs tout en étendant la portée utilisable du réseau sur une plus grande zone.

Il existe plusieurs types de capteurs et de contrôleurs disponibles pour une utilisation dans de nouveaux produits. Peu importe le type de capteur que vous utilisez pour votre prochain produit, ou comment l'appareil se connecte à d'autres nœuds de capteurs, vous devrez sélectionner les bons composants de contrôleur et de traitement du signal pour votre produit.

Traitement du signal pour les capteurs portables médicaux

Le succès des dispositifs médicaux portables repose principalement sur l'intégration de capteurs avec des algorithmes de traitement dans un format portable qui permet aux professionnels de la santé de se concentrer sur le suivi des maladies persistantes et d'améliorer les résultats pour les patients. Actuellement, ces dispositifs peuvent fournir une acquisition continue de données de plusieurs signes vitaux. À mesure que la recherche et le développement des dispositifs portables continuent de progresser, nous ne pouvons qu'imaginer les avancées qui restent à vivre dans le domaine de la santé numérique.

Analog Devices, AD8233ACBZ-R7CT-ND

Les électrodes portables sont généralement placées contre la peau afin de mesurer avec précision les impulsions électriques du cœur. De grandes améliorations ont été enregistrées dans l'intégration des vêtements médicaux portables, mais l'intégration est bien sécurisée au point que les vêtements peuvent être lavés sans retirer les capteurs. Par exemple, les électrodes portables sont utilisées pour fournir aux praticiens médicaux un EEG, EKG, ou même un EMG constant sur une période de temps prolongée.

Le bloc de traitement de signal biopotential AD8233ACBZ-R7CT-ND d'Analog Devices fournit un filtrage précis des mesures biopotentielles dans un petit format. Ce CI est monté sur un BGA de 20 balles avec un boîtier WLCSP, il est donc encore assez petit pour être emballé dans un dispositif portable qui s'interface avec deux ou trois électrodes portables. Il possède une excellente réjection du bruit en mode commun de 80 dB avec un gain de signal élevé.

L'AD8233 inclut une fonction de restauration rapide qui réduit la durée des queues de décantation autrement longues des filtres passe-haut. Après un changement de signal abrupt qui sature l'amplificateur (comme une condition de déconnexion des électrodes), l'AD8233 s'ajuste automatiquement à une coupure de filtre plus élevée. Cette fonctionnalité permet à l'AD8233 de se rétablir rapidement et, par conséquent, de prendre des mesures valides peu après la connexion des électrodes au sujet.

Empreinte et schéma de bloc du contrôleur AD8233ACBZ-R7CT-ND tirés de la fiche technique de l'AD8233

Maxim Integrated, MAX86150

Les capteurs biochimiques et biopotentiels tendent à être le type de capteur le plus répandu dans les dispositifs médicaux portables. Un dispositif portable de détection chimique pourrait être utilisé comme outil de diagnostic pour les déséquilibres chimiques, l'ingestion ou l'absorption de substances toxiques, les maladies comme la sensibilité chimique multiple (SCM), et d'autres maux liés aux substances chimiques.

Le tableau de capteurs MAX86150 fournit des mesures intégrées de photopléthysmogramme et d'électrocardiogramme pour la surveillance de la santé mobile dans un dispositif portable. Ce module à faible consommation d'énergie (tension d'alimentation de 1,8 V) est idéal pour les applications portables. Il prend également en charge la communication bidirectionnelle avec d'autres dispositifs via I2C, ce qui le rend idéal pour une utilisation dans des dispositifs médicaux portables sans fil. Ce dispositif intègre de manière optimale le traitement des données et les capteurs biomédicaux standards dans un seul et même package. Il inclut même une fonction de proximité :

Le MAX86150 inclut une fonction de proximité pour économiser de l'énergie et réduire l'émission de lumière visible lorsque le doigt de l'utilisateur n'est pas sur le capteur... Lorsque la fonction SpO2 ou HR est initiée, la LED IR est activée en mode proximité avec un courant de pilotage défini par le registre PILOT_PA.

Schéma de bloc pour un dispositif biomédical portable typique à partir de la fiche technique du MAX86150

Contrôleurs pour capteurs portables et réseaux de capteurs

Les dispositifs portables et les nœuds dans les réseaux de capteurs sont essentiellement de petits dispositifs embarqués. Après l'acquisition et le traitement d'un signal analogique, celui-ci doit être converti en données numériques pour pouvoir être transmis via un réseau sans fil ou facilement interfacé avec d'autres composants dans un dispositif portable. Cela est généralement réalisé avec un microcontrôleur, bien que des ASIC puissent être utilisés si désiré.

Un facteur clé à considérer lors du choix d'un contrôleur pour un dispositif portable est la consommation d'énergie. Minimiser la consommation d'énergie est essentiel puisque les wearables et les nœuds dans un réseau de capteurs sont typiquement alimentés par batterie. Tout microcontrôleur utilisé dans un capteur portable devrait être économe en énergie. Un autre facteur à considérer est la durée de vie de la batterie utilisée dans le dispositif. La fonctionnalité des composants d'entrée et de sortie doit également être prise en compte. Utiliser un microcontrôleur capable d'entrer en mode veille de manière automatisée ou semi-automatisée est un excellent choix pour les dispositifs avec capteurs portables ou dans les nœuds de réseaux de capteurs sans fil.

Microchip, ATSAME53J19A-AU

Le MCU ATSAME53J19A-AU de Microchip offre une consommation d'énergie faible par rapport à d'autres MCU de sa catégorie. Ce contrôleur haut de gamme et économe en énergie est idéal pour une utilisation dans des dispositifs portables fonctionnant sur batterie. Il dispose d'une fonction Sleep/Walking qui permet aux périphériques de se réveiller de manière asynchrone du mode veille en mode ULP1. Notez que cette fonctionnalité n'est pas limitée aux capteurs médicaux portables : elle pourrait également être utilisée pour le traitement des données dans des réseaux de capteurs environnementaux.

Microcontrôleur Microchip ATSAME53J19A

Microchip, AR1010 MCU

Dans la plupart des dispositifs portables, l'écran d'affichage est l'élément principal d'entrée et de sortie. D'autres dispositifs disposent d'autres moyens pour fournir des informations au consommateur via une interface utilisateur, tels que des panneaux tactiles, des boutons et parfois la détection de mouvement. L'écran d'affichage reste néanmoins l'un des moyens les plus efficaces de communiquer avec l'utilisateur. C'est là qu'utiliser un microcontrôleur avec le bon firmware peut faire économiser beaucoup de temps à un concepteur lors de la création d'un nouveau produit.

Le contrôleur d'écran tactile résistif Microchip mTouch^® AR1000 Series est une puce de contrôleur d'écran tactile universelle, facile à intégrer, économique et tout-en-un. Le firmware dans le contrôleur AR1010 inclut des algorithmes de décodage d'écran tactile pour le traitement des données tactiles. Cette caractéristique particulière élimine le besoin de mettre en œuvre manuellement un algorithme de décodage et offre plus de flexibilité au concepteur. Il offre également d'excellentes capacités de filtrage par rapport à d'autres dispositifs à faible coût. Cela permet à l'AR1000 de fournir des coordonnées tactiles authentifiées, fiables et calibrées.

Microcontrôleur Microchip AR1010

Utiliser la bonne combinaison de traitement embarqué et de capteurs précis peut garantir une acquisition de données précise tout en supportant l'affichage graphique sur un écran tactile. Les dispositifs que nous avons présentés ici ne représentent qu'une partie des options de détection disponibles pour une utilisation dans les dispositifs portables et les réseaux de capteurs. Dans le domaine des capteurs portables, de nombreux CI pouvant interfacer avec un écran tactile et plusieurs capteurs sont emballés sur des cartes d'évaluation, vous donnant un certain niveau de liberté pour prototyper votre prochain produit portable.

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