Amplificando o Sinal Emitido pela Cinta de Monitoramento

Capitação do Sinal Transmitido pela Cinta de Monitoramento Cardíaco

Como mencionado anteriormente, na versão 1.0 do Gym4Us, utilizo uma bobina para detectar o campo magnético oscilante que é criado pelo transmissor da cinta de monitoramento quando de uma batida do coração. A bobina deve estar o mais próxima possível do transmissor da cinta. Da forma como fiz, optei por construir a bobina em volta do próprio transmissor da cinta e para manter os fios presos, usei uma fita adesiva. Use um fio esmaltado e dê vinte ou trinta voltas ao redor da parte onde fica o transmissor da cinta. Lembre-se que as duas extremidades do fio deverão ser ligadas a um par de fio encapado e flexível.

Para saber se está funcionando, é necessário usar a cinta como se faria normalmente. Já tendo vestido a cinta, use um oscilóscopio para monitorar o sinal. Ajuste o nível do oscilóscopio para 100mV e o tempo para algo entre 0.1ms a 1ms. Como abaixo:

Com a cinta que estou usando, obtenho um sinal de até 500mVpp. A frequência da sequência de pulsos é de aproximadamente 5.4KHz e sua duração é de aproximadamente 5ms a 7ms. Veja:

Fiz testes com uma bobina externa a cinta, ou seja, que havia sido enrolada em um eixo externo, mas que ficava próxima ao transmissor, e notei que a intensidade do sinal era de no máximo 30mV. Ainda assim, isso é suficiente para excitar o amplificador que descrevo a seguir.

Amplificando o Sinal Emitido pela Cinta de Monitoramento

Mesmo enrolando a bobina diretamente ao redor do transmissor da cinta, ainda assim o sinal detectado será muito fraco para qualquer aplicação direta. Seja, para acender um led, ou ser processado por um microcontrolador, ou mesmo, dependendo de seu multímetro, até para ser visualizado sem a ajuda de um oscilóscopio. O sinal deve ser amplificado para que tenha utilidade.

Para amplificar o sinal, utilizei um simples amplificador operacional de baixa voltagem, o LM358, usando um único estágio. A tensão enduzida na bobina- cerca de 30mVpp a 500mVpp - é amplificada para 5V - mesma tensão de alimentação do PIC. Provavelmente deve ter como fazer a amplificação utilizando uns poucos transistores, talvez até um único transistor.

No entanto, foi esse circuito abaixo que usei no Gym4Us 1.0. Se precisar regular o amplificador para um sinal inferior a 50mVpp, diminua o valor de R3. Lembro que a bobina L1 não tem um valor especifico e pode-se desconsiderar o valor dela descrito no circuito. Eu mesmo enrolei umas vinte ou trinta voltas de fio esmaltado ao redor do transmissor da cinta e isto bastou.

Este circuito tem a característica de transformar a onda senoidal de entrada para uma onda quadrada em sua saída. O sinal de entrada cuja intensidade varia entre 30mVpp a 500mVpp é amplificado para uma amplitude de 4000V~5000mVpp quando em nível alto. Para se ter uma ideia de como amplificador atua sobre o sinal, veja as figuras abaixo.

Depois deste processo de amplificação e adequação do formato de onda, o sinal está pronto para ser levado ao microcontrolador.

Circuito: O Hardware do Gym4Us 1.0

O hardware do Gym4Us 1.0 é bastante simples e carece de otimizações. Não o simplifiquei por questões de tempo e dinheiro - queria economizar ambos. A versão que estou apresentando é a primeira que fiz e até o momento em que escrevo este artigo, é também a única. Sendo assim, enquanto montava o circuito, também tinha em mente minimizar problemas e por isso modularizei todo o circuito de modo que pudesse testar cada módulo individualmente. Se algum módulo apresentasse problemas, poderia substituí-lo. A idéia era isolar qualquer problema que ocorrece de modo a não impactar em todo o circuito. Esta ideia de simplificar e modulalizar tudo, se aplica desde o design do circuito, até a montagem.

Como verão, o circuito pode ser tremendamente melhorada e isso para praticamente todos os aspectos, incluindo: gestão de consumo de energia, tamanho total do circuito, conexões externas, design de caixa para acondionamento do circuito, preço dos componentes, re-design dos módulos etc. Já tenho vários planos para as próximas versões e isso inclui:

• Uso de um módulo Bluetooth comercial
  No circuito que montei acabei utilizando um módulo Bluetooth de um GPS Bluetooth velho
• Uso do módulo receptor Polar RMCM01
  Infelizmente, como não consegui montar um receptor adequado, fui obrigado a enrolar uma próximo do transmissor da cinta. Pelo fato do RMCM01 ser pequeno e relativamente barato, creio ser preferível usá-lo do que tentar criar um receptor equivalente. O maior problema que tive para construir um receptor para as cintas de 5KHz é que, onde moro, aqui em Brasília-DF, não há amplificadores operacionais com as características necessárias para a amplificação e filtragem do sinal.
• Substituição do PIC16F628A
  Eu acabei por usar o PIC16F628A, pois tenho uma centena destes sem uso aqui em meu laboratório. No entanto, é desejável substituí-lo por algum outro microcontrolador de baixo consumo e de poucos requisitos para o circuito de apoio. Talvez algum PIC18 ou mais provavelmente, algum ARM7. Quando já estava testando a firmware para o PIC16F628A, me dei conta que ele necessitava de 5V para que funcionasse adequadamente com um clock de 20MHz. Da forma como idealizei o circuito, para que a amostragem do sinal ocorra, é necessário um clock de 20MHz para este PIC em particular. Dessa forma, acabei, sem me dar conta, o requisito de alimentação para o circuito, já que teria que suprir 5V para o PIC.
• Usar algum gerenciador de carga de bateria e alimentação
  Estou utilizando a bateria e o circuito gereciador do GPS Bluetooth que desmontei. O ideal é usar alguma solução que seja aplicável a qualquer um que for montar o circuito.
• Eliminar o circuito de Step-Up e regulagem para 5V
  Como expliquei antes, por causa do PIC16F628A estar funcionando a 20MHz, é necessário alimentá-lo com 5V. Quando ele for substituído por algum microcontrolador de 3,3V, ou inferior, creio que ficará mais fácil e econômica a alimentação do circuito. Ainda assim, pode ser que seja necessário manter o circuito de Step-Up ou algum equivalente, e ainda manter alguma regulagem de voltagem para o microcontrolador, mas provavelmente isto será mais fácil do que fazendo da forma como está atualmente. De qualquer forma, mesmo que continuasse necessário produzir os 5V, isto poderia ser realizado com algum IC comercial e de preferência que fizesse o Step-Up e a regulagem tudo num único circuito. Há vários ICs com esse propósito que podem ser utilizados. Na solução que eu fiz para o Gym4Us 1.0, acabei por criar três circuitos que juntos forma o step-up e a regulagem que provê os 5V. Obviamente isto pode e deve ser simplificado!
• Adicionar suporte a cartão de memória
  A ideia é gravar o percurso usando um GPS e juntamente gravar o monitoramento do coração. Tenho visto que o NST não é tão estável quanto gostaria e por isso é interessante manter o tracklog e o HRM gravado por hardware para recuperação em caso de pane do NST.
• ECG
  Criar um hardware para realizar o ECG e enviar esses dados no mesmo pacote do NST. Outras aplicações poderão mostrar diretamente o ECG, sua forma de onda, batimento por minuto e até prever arritimias, bem como, outras anormalidades. Isto também substituirá, com precisão, a cinta de monitoramento cardíaco de 5KHz.
• Sensor de temperatura
• Sensor de umidade
• Sensor de nível de CO2
• Conta giros para a bike
• Sensor de cadência para a bike
• Display
  Dependendo do uso que se destinatar, um display pode ser interessante. Hoje há muitos displays gráficos de celulares que são baratos e eficientes.
• Utilização de energia solar para carga de bateria
• Transmissão dos dados também por outros meios, como:
  • RS-232
  • Infravermelho
  • Ultra-som
  • Zigbee
  • Wifi

Uma das vantagens no frame de dados que é enviado ao NST, é que, ao que observei, ele é redimensionável. Dessa forma é possível aumentar seu tamanho e enviar outros dados que somente aqueles usados pelo NST.

O circuito do Gym4Us 1.0 é composto dos seguintes módulos:

• Circuito de Recepção e Amplificação de Sinal emitido pela cinta transmissora;
• Módulo de Microcontrole para amostragem de sinal, detecção de sinal, cálculo de batimento do coração e empacotamento dos dados no formato do Nokia Sports Tracker para transmissão via Bluetooth;
• Módulo Bluetooth para transmissão dos dados para o celular;
• Módulo de Energia
  Com base numa bateria recarregável, um gerenciador de recarga e circuito para step-up e regulagem, temos a energia necessária para o módulo bluetooth, o microcontrolador e o módulo de recepção do sinal emitido pela cinta transmissora. No circuito que fiz, acabei por criar um módulo de step-up e regulagem para 5V. Dessa forma, o módulo de energia final, ficou dividido em:
  • Partes obtidas do GPS Bluetooth que utilizei
    • Bateria recarregável de íons de lítio;
    • Módulo de gerenciamento e recarga da bateria de íons de lítio;
    • Módulo de alimentação para o módulo Bluetooth (3,3V);
  • Circuitos que criei para a alimentação do Gym4Us 1.0 - composto de um step-up e regulador de voltagem
    • Módulo oscilador
      Baseado num 555 gera um sinal quadrado para o circuito de step-up
    • Módulo de chaveamento, indução de sobre-voltagem e retificação
      Baseado num transistor de potência BD139, um indutor de 3.3mH para elevação de voltagem, diodo schottky para retificação e acumuladores. Um transistor de uso geral e um diodo comum também funcionariam. O valor do inductor não é crítico e indutores entre 20uH a 30mH podem ser usados, desde que a frequência do oscilador seja ajustada. Utilize um multímetro para ajustar o oscilador de modo a obter a maior tensão possível e assim, o melhor rendimento.
      Junto com o módulo oscilador, compõe o circuito de step-up.
    • Módulo regulador de voltagem
      Baseado num 7805