Data-unit Voor analyse en opslag van signalen geregistreerd met een drie-assige versnellingsopnemer ten behoeve van het meten van lichamelijke activiteit bij de mens Carlijn Bouten, Karel Koekkoek W W rapport 94.072
juni 1994
Ontwerp en Constructie:
K.T.M. Koekkoek Technische Universiteit Eindhoven Faculteit Werktuigbouwkunde Vakgroep Fundamentele Werktuigkunde Postbus 513 5600 MB Eindhoven
Eindhoven, 6 juni 1994
Inhoud
Motivering
1.
Beschrijving data-unitytype A
2.
Beschrijving data-unit, type B
6.
Bijlage A: Globaal schema van data-unit type A en drie-assige versnellingsopnemer
9.
Bijlage B: Versterking en filtering van geregistreerde signalen, type A
1 o.
Bijlage C: Gellijkrichting en optelling van signalen, type A
11.
Bijlage D: Integratie en data-opslag, type A
12.
Bijlage E: Voedingsbron, type A
13.
Bijlage F: Globaal schema van data-unit type B en drie-assige versnellingsopnemer
14.
Bijlage G: Versterking en filtering van geregistreerde signalen, type B
15.
Bijlage H: Datalogger en voedingsbron, type B
16.
Bijlage I: Programma voor databewerking met behulp van Tattletale datalogger
17.
Motivering Dit rapport beschrijft het ontwerp en de werking van een data-unit voor opslag en analyse van gegevens, geregistreerd met een drie-assige versnellingsopnemer op het menselijk lichaam. Versnellingsopnemer en data-unit zijn ontworpen voor het meten van lichamelijke activiteit van de mens onder dagelijkse leefomstandigheden en worden onder meer gebruikt ten behoeve van cnderzcek nmr de rektie tussec dagelijkse Gchmelijke Zctiviteit en gezondheid. Globaal bestaat de data-unit uit een deel dat gegevens afkomstig vm de drie-assige versnellingsopnemer bewerkt, een geheugen waarin bewerkte gegevens opgeslagen worden en een voedingsbron voor de data-unit en de drie-assige versnellingsopnemer. De beschrijving en werking van twee verschillende uitvoeringsvormen (type A en type B) van de data-unit worden vastgelegd: Type A: Het deel voor bewerking van geregistreerde versnellingen en het geheugen zijn opgebouwd uit afzonderlijke elektronische componenten. Type B: Het merendeel van de databewerking en de opslag van bewerkte gegevens is vervangen door een commercieel verkrijgbare datalogger (Onset Computer Corporation: Tattletale, type 5F). Gedetailleerde schema’s van de afzonderlijke onderdelen van de data-units zijn bijgevoegd in bijlage A tot en met H. Bijlagen A en F bevatten tevens een schematische weergave van de drieassige versnellingsopnemer die gebruikt kan worden in combinatie met de data-units. Deze opnemer bestaat uit drie in Celeron bevestigde en loodrecht OP elkaar geplaatste uniaxiale piëzoresistieve versnellingsopnemers(ICSensors, type 303 1-01O of type 303 1-020).
1
Beschrijving data-unit, Type A
Afmetingen: Gewicht:
155 x 80 x 30 mm (lengte x breedte x hoogte).
340 grm, i~c!us;,efversnellingsopnemer(1 5 gram), exclusief batterijen.
Figuur 1 toont een schematische weergave van de drie-assige versnellingsopnemer en de dataunit, waarin de verschillende stadia van bewerking en opslag van geregistreerdeversnellingen zijn opgenomen. Bij afzonderlijke onderdelen wordt verwezen naar een bijlage met gedetailleerde blokschema's die de exacte constructie van de data-unit beschrijven. De drie-assige versnellingsopnemer is nog eens weergegeven aan de linkerzijde van het schema in Bijlage A. De positie van de drie afionderlgke piëzoresistieve versnellingsopnemers ten opzichte van elkaar is eveneens verduidelijkt in deze bijlage. De pijlen geven de meetrichtingen van de opnemers weer. Qutput uit de versnellingsopnemerswordt via een IZaderige kabel en een 12-polige plug naar de data-unit geleid. Via deze kabel wordt ook de voeding voor de versnellingsopnemers geleverd vanuit de voedingsbron in de data-unit (zie bijlage A).
-
I I I
I I II
sommatie
24
-
V-F
-
I
ten=
I I-
2kB reset
8 geheugen
--t data I u output
I I verhoog I
Figuur 1. Blokdiagram van de drie-assige versnellingsopnemer en data-unit type A. De totale bewerkmg van de versnellingssignalen is voor één kanaal aangegeven (y-as).
2
adres
II
I
De bewerking van geregistreerde versnellingen in de data-unit is zodanig dat de output te beschrijven is volgens:
Sijlagen €3 er, C geven de eerste twee fasen van de databewerking weer. In bijlage D wordt de integratie en opslag vam gegevens vastgelegd. Bijlage E reprisenteert de voedingsbron voor zowel de versnellingsopnemers als de data-unit. Typenummers van toegepaste componenten en IC’s staan weergegeven bij de betreffende onderdelen in de schema’s. De data-unit wordt omhuld door een behuizing van polyethyleen. Aan de buitenzijde bevinden zich schakelaars voor in- en uitschakelen van de voedingsbron, het resetten van het geheugen, de calibratie van de versnellingsopnemers en ter overbrugging van de voedingsspanning voor de versnellingsopnemers en de databewerking. Tevens kan de versterking van de geregistreerde versnellingen aan de buitenzijde bijgesteld worden. Via een 15-polige connector en een parallelle interface kan het geheugen van de data-unit worden uitgelezen. Batterijen kunnen verwisseld worden door een deel van de bovenzijde van de behuizing af te schroeven.
Data bewerking - bijlagen B en C Geregistreerde signalen uit de drie versnellingsopnemers - kanalen 1, 2 en 3 - worden versterkt en gefilterd om DC-output en frequenties die niet overeenkomen met willekeurige menselijke bewegingen te verzwakken. De gevoeligheid bij de gebruikte versterking bedraagt 0.5 V per gl.De filterkarateristieken voor kanalen 1, 2 en 3 zijn weergegeven in figuur 2. Met schakelaars (AC/DC schakelaars) bestaat de mogelijkheid tot overbrugging van het hoogdoorlaatfilter ten behoeve van calibratie. Tijdens normale registratie staan de schakelaars in AC stand en is het hoogdoorlaatfilter in werking. Tijdens calibratie staan de schakelaars in DC stand en kan door kanteling van de drie afzonderlijke versnellingsopnemers de gevoeligheid per g vastgesteld worden. Ook de versterking van de versnellingssignalen en de balancering van de Wheatstone brug in de versnellingsopnemers kunnen afgesteld worden. Instelling van de balancering kan alleen plaatsvinden als de behuizing van de data-unit wordt geopend. Versterkte en gefilterde signalen uit kanalen 1, 2 en 3 worden gelijkgericht en vervolgens opgeteld tot één signaal.
1
g is de gravitatieversnelling. lg komt overeen met 9.81 m * s - ~ .
3
45.00
dû
-2E.B
f 1BEs. 05
l...
:I
....
Phase
%I
-18a.a~
M
lt.719rn
Figuur 2.
(OCt
1
40.000
Filterkarakteristieken van kanalen 1, 2 en 3. Boven: Doorlaatgebied van het bandfilter. Afsnijfrequentie (-3 dB) hoogdoorlaatfilter: 0,ll Hz (5.6 dB/octaaf). Afsnijfrequentie (-3 dB) Iaagdoorlaatfïlter: 20 Hz (9 dB/octaaf). De bovenste curve geeft het doorlaatgebied van kanaal 2 en 3 weer. De onderste cuve geeft het doorlaatgebied van kanaal 1 weer. Onder: Fase van het filter.
Data-opslag - biilaae D De som van de gelijkgerichte signalen wordt geïntegreerd met behulp van een voltage to frequency converter. Elke 67,l seconde wordt de output van de voltage to frequency converter bepaald met een teller en opgeslagen op een 8 bit data memory chip met een geheugen van 2 kB. Daarna wordt de integrator gereset en het geheugenadres verhoogd. Door toepassing van de voltage to frequency converter resulteert de gebruikte versterkingsfactor van 0.5 V per g in een frequentie van 3.6 Hz per g. De looptijd van de integrator is vastgesteld met behulp van een timer en is afhankelijk van het gebruikte kristal (1.000 MHz) en de gebruikte IC’s. Het geheugen kan worden uitgelezen via de 15-polige connector aan de buitenzijde van de data-unit, een interface kabel naar een parallelle poort van een computer en een digitale YO kaart (PIO- 12, Keithley Instruments). Verdere bewerking van de data kan daarna plaatsvinden met behulp van de computer. Het geheugen kan worden gewist met een reset schakelaar. Het geheugen wordt automatisch gewist bij aan- en uitzetten van de voeding van de data-unit.
4
Voeding - bi-ilage E Twee 9V batterijen (500mAh) zijn benodigd om circa 15 uur versnellingen te kunnen registreren, te bewerken en op te slaan. De voeding kan aan de buitenzijde van de data-unit ingeschakeld worden. Tevens kan met een schakelaar aan de buitenzijde de voedingsspanning naar de versnellingsopnemers en het gedeelte voor databewerking overbrugd worden. Het stroomverbruik neemt hierdoor sterk af,terwijl de data-opslag blijfl functioneren. De benodigde voedingsspannhg VOO: de k r e r s n e l ! i r , g s o ~ >is ~ ~5V. ~ ~ ~De ~ voedingsspanning voor de geheugenchip bedraagt eveneens 5V.Het stroomverbruik van de geheugefichip is 0,5 mA. Van de overige onderdelen is de voedingsspanning is de schema's opgenomen.
5
Beschrijving data-unit, type B
Globale beschrijving Afmetingen: 155 x 80 x 30 mm (lengte x breedte x hoogte). Gewicht: 238 gram, inclusief vci-rJnd!lings=pmmer(15 gram)s exclusief batterijen. Het blokdiagram in figuur 3 toont de drie-assige versnellingsopnemer en data-unit type B. Voor een gedetailleerde representatie van de afzonderlijke onderdelen wordt verwezen naar de betreffende bijlagen. In bijlage F is de drie-assige versnellingsopnemer geschematiseerd. De onderlige positie van de piëzoresistieve opnemers in een blokje van Celeron is verduidelijkt in de rechter bovenhoek van deze bijlage. Via een 8-aderige kabel zijn de drie opnemers met de dataunit verbonden.
drie-assige versneilingsopnemer
_-____
Datalogger, Bijlage H
Bijlage G I _ _ _ - _ _ - - - - _ - _ _
-
,,
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
programmeerbare
- databewerking
516
-
EB
16bits geheugen
I
I _
7 data joutput I -
Figuur 3. Blokdiagram van de drie-assige versnellingsopnemer en data-unittype B
Bijlage G geeR een deel van de bewerking van de geregistreerde versnellingssignalen weer. In bijlage hI zijn de voedingsbron en een datalogger voor variabele databewerking en opslag samengevoegd. 6
I
~
De behuizing van de data-unit is van polyethyleen. Afgezien van de 8-aderige kabel tussen 3assige versnellingsopnemer en data-unit en een connector voor een interfacekabel, is de behuizing volledig gesloten. De bovenzijde kan echter verwijderd worden voor het aan-en uitzetten van de voeding, calibratie van de versnellingsopnemers (ACDC schakelaars), instelling van versterking en brug-balancering van de versnellingsopnemers en voor het verwisselen van batterijen.
Versterking en bilberinia van signalen - biihae G Bijlage G legt de versterking en filtering van de geregistreerde versnellingen vast. In principe is dit deel van de data-unit gelijk aan die zoals beschreven bij type A. Om het totaalgewicht en stroomverbruik van de unit te verlagen zijn echter veelal lichtere componenten in SMD uitvoering (surface mounting devices) gebruikt. Typenumers van de componenten staan vermeld in de betreffende schema's. De filterkarakteristieken zijn gelijk aan die getoond in figuur 2. De versterking van de versnellingssignalen is ook bij dit type data-unit instelbaar. Be gevoeligheid bij de gebruikte versterking bedraagt 1,5 V per g. Bij calibratie komt dit overeen met een output van 1000 bits per g .
Datalogger en voedingsbron - Bijlage H Versterkte en gefilterde signalen worden gedigitaliseerd (100 Hz) en verder bewerkt in een geminiaturiseerde datalogger (Onset Computer Corporation: Tattletale, type 5F). Het voordeel van de datalogger is een volledig variabele databewerking. Ook de digitalisatie - met een 8 kanaals, 12 bits AD convertor - is instelbaar. Met behulp van bijgeleverde software (TX-Basic) worden gelijkrichting, optelling en integratie van de signalen geprogrammeerd. De gebruikte integratie tijd is instelbaar. In bijlage I is een voor het meten van lichamelijke activiteit gebruikt programma voor de datalogger opgenomen. Bewerkte signalen worden opgeslagen in een geheugen met een grootte van 512 kB.Met behulp van een interface kabel (type TC-1, Onset Computer Corporation) kan het geheugen worden uitgelezen in een computer. Het starten van de databewerking vindt ook plaats vanaf een computer via deze interface kabel. De output van de datalogger wordt weergegeven in bits. Resetten van het geheugen vindt plaats door het uitschakelen van de voedingsbron. De voeding bestaat uit twee parallel geschakelde 9V batterijen. Twee 500 mAh batterijen zijn benodigd voor databewerking en opslag gedurende circa 72 uur. Voor langere meetperiodes (circa 8 dagen) zijn twee 1200 mAh batterijen nodig. De benodigde voedingsspanning voor de datalogger is 5V. Het stroomverbruik is afhankelijk van de belasting va-tl de datalogger en bedraagt minimaal 3.1 mA. De Schakelaar voor het in- en uitschakelen van de voeding voor de gehele data-unit bevindt zich binnen de behuizing van de unit.
7
Lichtere uitvoering van type B Om het draaggemak voor proefpersonen te vergroten is een lichtere uitvoering van type B ontworpen. Deze uitvoering is kleiner en lichter, met name door toepassing van een kleinere omhullende behuizing, gefreesd uit PVC. afmetingen: gewicht:
110 x 70 x 35 mm (lengte x breedte x hoogte) i C G gram, inclusief opnemeï (15 graiiij, exclusief bcittesjer;
8
Bijlage A O
,>
n
r
T
A
.
i
Globaal schema van data-unit t w e A en drie-assige versnellingsopnemer.
9
A
I
L I
Bijlage B c
n
I
I
u
U
i
Versterking; en filtering van geregistreerde signalen, type A
I
10
m
m
j
i
o
a
i
= + ,
Bijlage C
I
3 s i 0
3 s i n t
I
L1
U
N I u)
li
m
-r
u1
II
5
.-
D
I
Ï
Geli-ikrichtingen optelling. van signalen, type A c
$ >>
< >>
O
11
m
I
U
I
I
I
" I
4
2
L
1
a0 al a2 a3
I
CTR14
_-__
a4
a5 a6 a7 c0 Cl
c4
c2 nd
74HC 2 45
&oU'
Q9 LKOUT2 I310
40608
I
R 48
10K
Bijlage E
O
0
Voedinasbron, type A
I
I
I
L .
U
i
1
13
m
m
i
I
.,..
a
Y Y
o
Cn C I
D
I
rn I
f
o,
P
U
m
+, I
>
-7
o L I
-
m
I
Bijlage F n
m
I
I
U
u
I
14
I
m
m
Globaal schema van data-unit m e B en drie-assine versnellingsopnemer
N
O
7
I
c
ET
c
338K +SUbu
50K
AGAID
1 M5
RGNR
*
RGND
Bijlage H o
i
HV<-
I
m
Datalogger en voedingsbron, type B
r
C
u
U
b
I
If
1
I
16
m
m
I
m ul rr
I
-I !
3
U
a
-
N
CI
c
.
Bijlage I Programma voor databewerking met behulp van Tattletale datalomer
//+***++++*++++++*3dvchanltxb********************** I/ ********Setup variable parameters** * * * * * ** ** * * * sampletime = 1 input "Measuretimein sec: measuretime measuretime = measuretime * i00 Maxaverage = measuretime I sampletime 1 2 print sampletime print Maxaverage measurements = O // ********Initialization****** ********** * * * * ** * * * /I LTC- 1290 Bipolair poke &H86, &HO3 d@oint=O onerr exit sleep O //****+*+*Logging******************************** getdata: print ' R u ~ n g ' 'I
nxtdat: flag = O run Backgr I/ wait: iff pin(0)=128 I/ sleep 10 ifpin(6)=0 gosub prtdata : sleep O : sleep 100 I/ /I goto wait I/ endif cbreak transfer measurements = measurements + 1 I/ * * * averging" * * * Naverage=O Vtemp = O Result = O for i=l to Maxaverage sleep O : sleep sampletime if vchan0 > 32767 vchan0 = vchan0 - 65536 if vchanl > 32767 vchanl = vchanl - 65536 if vchan2 > 32767 vchan2 = vchan2 - 65536 vchan0 12 = abs(vchanO)+abs(vchanl)+abs(vchan2) Naverage = Naverage + 1 Result = Vtemp + (vchanO12 - Vtemp)/Naverage Vtemp = Result next i flag= 1 store d@oint,#2,Result print vchm0," : ",vchan1," : ",vchan2," : "; print Result," : ",measurements goto nxtdat 17
I/ Rectifier
gtend: print 'Finished logging' exit: stop // * * * * * * * * * *ascii trader logger data * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * transfer: measurements = measurements - 1 timeout = 3000 /I input Press return to download data tmp /i gosub offidat print You have ",timeout/l00," see. to prepare ascii file...." sleep timeout : gosub prtdata sleep 1000 goto &dat If
prtdata: /I xshake 1000 print "Data=[" dfpoint=0 for N=l to measurements print (get(dfpoint,#2)) sleep 1 next N print "1'I /I xshake O return /I *********** Xmodem transfer logger data *************** offldat: sleep O timeout = 7500 print "You have ",timeout/lOO," seconds to prepare off-load.. .I1 offld 0, dfpoint-1, timeout, errvar iff (abs(errvar) <> dfpoint) print "Error: last transferred location = 'I, errvar else print "Off-load succesfi.8' endif return // ** * * * * **+* * * * Background running ** ** * * * ***** * * * * ***** * Backgr: sleep O loopl: if flag <> O goto lpend vchan0 = chan(0) vchanl = chan(1) vchan2 = chan(2) sleep sampletime /I print vchan0 goto bop1 lpend: flag=O §top
18
