2 Технические характеристики Устройства 6
|
|
Скачать 335.94 Kb.
|
 Содержание Введение 4 1 Назначение и область применения 5 2 Технические характеристики Устройства 6 3 Обзор существующих решений и обоснование выбора структуры 7 3.1 Обзор существующих решений 7 3.1.1 Автоматический тонометр Omron, M10 IT 10 3.1.2 Тонометр полуавтоматический M1 Plus 11 3.1.3 Механический тонометр LD-81 12 3.2 Обоснование выбора структуры управляющего устройства 13 3.3 Описание принципа работы тонометра по функциональной схеме 14 ^ 4.2 ИК излучатель АЛ107А 32 4.3 Фотоэлемент ФД256 33 4.4 ОУ серии КР(КФ)1446УДхх 35 ^ 4.8 Стабилизаторы LM78L05 и LM78L12 50 4.9 Расчет фильтров 52 5 Разработка схемы алгоритма и управляющей программы 56 ^ 5.3 Алгоритм функции считывания пульсовой волны 58 5.4 Алгоритм функции расчета среднего давления 59 ^ 6 Описание принципиальной схемы 62 ^ 6.1.1 Аналоговые цепи 62 6.1.2 Микроконтроллер 63 6.1.3 Коммуникационные устройства 63 6.1.4 Цепь питания 63 Заключение 64 Приложение А 65 Приложение В 67 ВведениеСегодня в современной медицине и быту остро стоит вопрос о новых средствах диагностики. Точная постановка диагноза невозможна без непрерывного мониторинга жизненных показателей человека, таких как артериальное давление, частота пульса, температура тела и др. К сожалению, на данный момент не все эти параметры поддаются точному замеру в реальном времени — существующие приборы либо недостаточно точны, либо методы замера инвазивны, т. е. могут влиять на результат измерения. В данной работе представлен проект прибора для неинвазивного измерения артериального давления и частоты сердечных сокращений (пульса). Такой прибор позволяет достаточно часто снимать показания, а в совокупности с компьютером и средствами хранения данных — вести подробную статистику изменения этих показаний и таким образом даже прогнозировать возможное дальнейшее ухудшения самочувствия. Прибор может быть выполнен на недорогой существующей элементной базе, не требует высокой квалификации персонала, подходит для использования вне медицинских учреждений. ^ Спроектированный прибор призван ответить на острый вопрос о новых средствах диагностики. Точная постановка диагноза невозможна без непрерывного мониторинга жизненных показателей человека, таких как артериальное давление, частота пульса, температура тела и др. К сожалению, на данный момент не все эти параметры поддаются точному замеру в реальном времени — существующие приборы либо недостаточно точны, либо методы замера инвазивны, т. е. могут влиять на результат измерения. В данной работе представлен проект прибора для неинвазивного измерения артериального давления и частоты сердечных сокращений (пульса). Такой прибор позволяет достаточно часто снимать показания, а в совокупности с компьютером и средствами хранения данных — вести подробную статистику изменения этих показаний и таким образом даже прогнозировать возможное дальнейшее ухудшения самочувствия. ^ В ходе выполнения курсовой работы было спроектировано устройство для неинвазивного измерения среднего, систолического и диастолического артериального давления, а также частоты сердечных сокращений (пульса). Устройство обладает следующими характеристиками:
^ На сегодняшний день существует несколько различных устройств для измерения артериального давления, но, к сожалению, они работают на принципе нагнетания воздуха в манжету, т.е. являются инвазивными средствами измерения и не могут быть использованы для постоянного мониторинга. Также существуют устройства для неинвазивного снятия показаний, но они слишком дороги либо не точны. Вторая категория устройств — экспериментальные образцы, перечисленные ниже. К сожалению и они не лишены вышеперечисленных недостатков. Известны способ непрерывного наблюдения систолического кровяного давления и аппарат для его осуществления (США, патент N 4030485 от 21.06.77, МКИ A 61 B 5/02), заключающийся в том, что с помощью калибровочного прибора со световым преобразователем, превращающим изменения интенсивности света в изменения амплитуды электрического сигнала, определяют измерения интенсивности света, соответствующие изменению объема крови в ткани под преобразователем, периодически производится выборка амплитуды дифференциального сигнала и суммирование с ней амплитуды сигнала, соответствующего эталонному давлению. Амплитуда этого сигнала пропорциональна систолическому давлению. Недостатком данного способа является низкая информативность за счет того, что определяется только систолическое давление. Известен способ измерения среднего давления по кривой, полученной по результатам измерения кровяного давления (Германия, заявка N 0S 3511803 от 9.10.86, МКИ A 61 B 5/02), заключающийся в том, что полученный сигнал кривой кровяного давления преобразуют в цифровую форму и на отрезке кривой кровяного давления, который меньше дыхательного цикла, определяют Min, причем в зоне Min расположен участок F, простирающийся по обе стороны не менее чем на один сердечный цикл, внутри участка F определяют наибольшее амплитудное значение Max и два пороговых значения S1 и S2, соответствующих 1/3 и 2/3 наибольшего значения амплитуды A1, A3, которое больше большего значения S1. На основе этого значения амплитуды A1, A3 находится следующее значение амплитуды A2, A4, которое меньше порогового значения S2. Это позволяет определить между последовательно расположенными амплитудами A1, A2 - A3, A4 Max 1, Max 2. По измеренным значениям между этими максимумами Max 1 и Max 2 определяют среднее давление. Недостатком данного способа является низкая информативность за счет того, что определяется только среднее кровяное давление. Известен способ и устройство для непрямого измерения артериального давления крови (ЕПВ, заявка 0136212 от 03.08.83, МКИ A 61 B 5/02), заключающиеся в том, что используют, по меньшей мере, один датчик, удерживаемый с упором в ямке, где определяется пульс, с постоянным усилием, которое меньше усилия, создаваемого диастолическим давлением потока крови в лучевой артерии. Определяют максимальные и минимальные значения сигналов давления, вычисляют среднее значение соотношений максимальных и минимальных значений, вычисляют систолическое и диастолическое давления и показывают их на индикаторе. Недостатками данного способа и устройства являются ограниченная область применения, невысокое качество регистрации за счет использования пьезодатчиков. Наиболее близким к предлагаемому изделию является способ и аппарат для автоматического определения систолического, диастолического и среднего значения артериального давления пациента (Франция, заявка N 2593380 от 27.01.86, МКИ A 61 B 5/02), предназначенные для определения артериального давления неинвазивным путем. Аппарат имеет линию усиления с двумя каналами, содержащую последовательно усилитель и фильтр. Оба аналоговых сигнала, поступающих из двух каналов, преобразуются в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем. Монитор имеет, кроме преобразователя, микропроцессор с блоком программы. Недостатками данного способа и устройства являются ограниченная область применения, невысокое качество регистрации за счет использования пьезодатчиков. ^ Главным отличием автоматического тонометра от механического является простота его использования. Для измерения давления с помощью автоматического тонометра Вам необходимо всего лишь закрепить на руке манжету и надавить на кнопку. Через несколько секунд результат измерения появится на экране прибора.  Рисунок 3.1.1.1 Автоматический тонометр Omron M10 IT Технические характеристики:
Полуавтоматические тонометры отличаются от автоматических моделей тем, что для измерения давление необходимо самостоятельно подкачивать воздух в манжету прибора при помощи груши. В это время непосредственно измерение показателей кровяного давления полуавтоматический тонометр осуществляет самостоятельно. Точность показателей кровяного давления при его измерении с помощью полуавтоматического тонометра такая же, как и при использовании.  Рисунок 3.1.2.1 Тонометр полуавтоматический M1 Plus Технические характеристики:
 Рисунок 3.1.3.1 Механический тонометр LD-81 Технические характеристики: Диапазон измерения давления от 20 до 300 мм.рт.ст. Пределы допускаемой абсолютной погрешности прибора при измерении давления в манжете при температуре: от 18° до 33°С до +/- 3 в диапазоне от 60 до 240 мм.рт.ст. (до +/- 4 в остальных диапазонах). от 5° до 17° С и от 34° до 40° С до +/- 6. Условия эксплуатации приборов: температура окружающего воздуха от + 10° С до + 40° С, относительная влажность от 30% до 85%, атмосферное давление от 86 до 106 кПА, температура хранения и транспортировки от - 34° С до + 65° С. Стандартный размер манжеты для взрослого человека (окружность плеча приблизительно от 25 до 36 см). Масса прибора не более 340 г. ^ Задача данного изделия состоит в разработке метода определения артериального давления, основанного на оценке сдвигов соответствующих точек пульсовых волн при помощи предлагаемого устройства, которое бы упростило процедуру измерения, улучшить качество регистрации пульсовой волны, расширить функциональные возможности. Принцип работы заключается в том, что на лучевой артерии регистрируют пульсовую волну двумя оптоэлектронными датчиками, измеряют координаты максимальных амплитуд пульсовых волн, измеряют модуль разности значений данных координат, по величине которого определяют среднее артериальное давление, диастолическое артериальное давление вычисляют из величины половины разности утроенного значения среднего и систолического давления, регистрируют первые производные этих пульсовых волн, измеряют смещение между максимальными амплитудами первых производных пульсовых волн в точках их перегибов, величину которого используют при определении систолического артериального давления посредством поправочного коэффициента. Подробно схема проектируемого устройства описана ниже. ^  Рисунок 3.3.1 Функциональная схема Устройство для неинвазивного измерения артериального давления содержит два датчика, выполненных на оптоэлектронных элементах, два канала НЧ-фильтров и два канала усилителей, входы которых соединены соответственно с выходами первых и вторых оптоэлектронных датчиков, два дифференциатора, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, дисплей и коммуникационный порт. Описание функциональной схемы работы устройства, показанной выше: у пациента на лучевой артерии закрепляется силиконовое изделие, снабженное двумя инфракрасными излучателями и двумя фотоэлементами. Свет от излучателей полностью внутренне преломляется, таким образом, напряжения на выходе фотоэлементов равно нулю. При прохождении пульсовой волны по артерии, силиконовое изделие деформируется, таким образом, на фотоэлемент начинает поступать световой поток, что влечет появление ненулевого напряжения на выходе фотоэлемента. Две идентичных пары излучатель-приемник размещены вдоль артерии, т.е. пульсовая волна, наблюдаемая под каждым из датчиков – одна и та же волна, сдвинутая по фазе. Из-за полупроводникового характера фотоэлемента, а также по другим причинам, на выходе фотоэлемента будет присутствовать высокочастотный шум. Для фильтрации шума в каждом из каналов предусмотрен НЧ-фильтр, расчет которого приводится ниже. После фильтрации сигнал необходимо усилить до уровня порядка 5В. Для этих целей используется усилитель на микросхеме операционного усилителя. Полученный усиленный и очищенный от шумов сигнал поступает на дифференциатор, после чего 4 сигнала (2 усиленных и они же, но дифференцированные) поступают на 10-разрядный АЦП, после чего проходят обработку в микроконтроллере. По установленным алгоритмам и формулам МК производит расчет среднего, диастолического и систолического артериального давления и частоты пульса. После получения результата он отображается на LCD-дисплее и передается для анализа и хранения на ПК через коммуникационный порт (RS-232) ^ Устройство для неинвазивного измерения артериального давления содержит два датчика, выполненных на оптоэлектронных элементах, два канала НЧ-фильтров и два канала усилителей, входы которых соединены соответственно с выходами первых и вторых оптоэлектронных датчиков, два дифференциатора, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, дисплей и коммуникационный порт. Описание функциональной схемы работы устройства, показанной выше: у пациента на лучевой артерии закрепляется силиконовое изделие, снабженное двумя инфракрасными излучателями и двумя фотоэлементами. Свет от излучателей полностью внутренне преломляется, таким образом, напряжения на выходе фотоэлементов равно нулю. При прохождении пульсовой волны по артерии, силиконовое изделие деформируется, таким образом, на фотоэлемент начинает поступать световой поток, что влечет появление ненулевого напряжения на выходе фотоэлемента. Две идентичных пары излучатель-приемник размещены вдоль артерии, т.е. пульсовая волна, наблюдаемая под каждым из датчиков – одна и та же волна, сдвинутая по фазе. Из-за полупроводникового характера фотоэлемента, а также по другим причинам, на выходе фотоэлемента будет присутствовать высокочастотный шум. Для фильтрации шума в каждом из каналов предусмотрен НЧ-фильтр, расчет которого приводится ниже. После фильтрации сигнал необходимо усилить до уровня порядка 5В. Для этих целей используется усилитель на микросхеме операционного усилителя. Полученный усиленный и очищенный от шумов сигнал поступает на дифференциатор, после чего 4 сигнала (2 усиленных и они же, но дифференцированные) поступают на 10-разрядный АЦП, после чего проходят обработку в микроконтроллере. По установленным алгоритмам и формулам МК производит расчет среднего, диастолического и систолического артериального давления и частоты пульса. После получения результата он отображается на LCD-дисплее и передается для анализа и хранения на ПК через коммуникационный порт (RS-232)  Рисунок 3.4.1 Два оптоэлектронных датчика Спаренные оптоэлектронные датчики 1 и 2 располагаются на лучевой артерии. Излучение, генерируемое источником излучения, отражаясь от исследуемого участка сосуда, модулируется по амплитуде пульсациями кровотока. Модулируемый поток преобразуется в фотоприемнике в электрический сигнал. В блоках фильтрации и усилителях происходит фильтрация и усиление сигнала. Отфильтрованные и усиленные сигналы пульсовых волн поступают на входы дифференциаторов, где происходит выделение первой производной систолического участка пульсовой волны. Сигналы, получаемые на выходах блоков усиления и дифференциаторов, подаются на аналого-цифровой преобразователь. В АЦП происходит преобразование аналоговых сигналов в цифровой вид, необходимый для работы микроконтроллера.  Рисунок 3.4.2 Пульсовые волны и их дифференциальная форма Микропроцессором определяются координаты максимальных амплитуд пульсовых волн и вычисляется значение ∆T: ∆T = T1-T2, (1) где T1 - координата максимальной амплитуды пульсовой волны, полученной первым датчиком 1; T2 - координата максимальной амплитуды пульсовой волны, полученной вторым датчиком 2. Также определяются координаты точек перегиба (max дифференциальной формы пульсовой волны) систолического участка пульсовой волны и вычисляется значение ∆Tп: ∆Тп = ∆Т1 -∆Т2 (2) где ∆Т1 - координата точки перегиба систолического участка пульсовой волны, полученной первым датчиком 1; ∆Т2 - координата точки перегиба систолического участка пульсовой волны, полученной вторым датчиком 2. Величина среднего артериального давления (Pсред) обратно пропорциональна величине ∆Т: Pсред= F(∆Tп). (3) Величина систолического артериального давления (Pсист) обратно пропорциональна величине ∆Tп и зависит от ударного объема сердца: Pсист= F(∆Tп). (4) Диастолическое давление определяется из формулы (Pдиаст):  Проведенное статистическое моделирование обработки пульсовой волны в соответствии с формулой позволило определить точные зависимости для Pсред с коэффициентом корреляции 0,95:   Pсред= 86,3-0,82∆T для ∆T > 29. (8) Аналогично получены зависимости для Pсист с коэффициентом корреляции 0,89:   По таблице, которая записана во внутренней памяти микропроцессора, выбираются в соответствии с полученными величинами ∆T и ∆Tп значения среднего и систолического артериального давления. Далее по формуле (5) определяется диастолическое давление. Полученные данные поступают на внутренний дисплей и на внешнее устройство. Предлагаемый способ определения артериального давления прост, необременителен для пациента, т.к. время измерения занимает не более 30 сек. Устройство для определения артериального давления изготавливается в виде автономного блока, связанного гибким кабелем с блоком датчиков. Оно имеет внешние разъемы для подключения устройств отображения или ПК. При этом на внешнее устройство может быть выведена диаграмма пульсовой волны обследуемого пациента и значения артериального давления, пульса. При использовании предлагаемого устройства совместно с ПК имеется возможность значительного расширения круга решаемых задач.  Рисунок 3.4.3 Пример вывода данных о скорости пульсовой волны Например, прибор позволяет в совокупности с компьютером и средствами хранения данных достаточно часто снимать показания и вести подробную статистику изменения этих показаний и таким образом даже прогнозировать возможное дальнейшее ухудшения самочувствия (рисунок 3.4.3). ^ Структурная схема показывает, с помощью каких элементов реализуется требуемый функционал.  Рисунок 4.1.1 Структурная схема На рисунке 4.1.1 представлена структурная схема проектируемого устройства. Рассмотрим ее подробнее. В качестве фотоприемника используется отечественный фотоэлемент ФД256, обладающий необходимыми характеристиками и невысокой ценой. Сигнал с фотоэлементов снимается и передается на микросхемы низкочастотных фильтров. Поскольку для работы прибора требуется регистрация пульсовой волны в двух точках, то естественно электронная часть устройства до микроконтроллера состоит из двух независимых каналов, звенья в которых полностью дублируются. Низкочастотный фильтр – фильтр Баттерворта, реализованный на активных элементах (рисунок 4.1.2)  Рисунок 4.1.2 Принципиальная схема фильтра нижних частот Параметры фильтра: Частота среза – 20Гц Ширина переходной области – 100Гц R1 — 44.8 кОм R2 — 44.8 кОм R3 — 22.6 кОм С1 — 126 нФ C2 — 499 нФ Детальный расчет фильтра приведен ниже в соответствующем разделе настоящей работы. Для демонстрации работоспособности рассчитанного фильтра, его схема была собрана в среде Proteus и просимулирована. В качестве модели полезного сигнала использовалась синусоида, а в качестве шума – высокочастотная синусоида. Как видно из графиков, НЧ-фильтр блестяще справился с поставленной задачей для обоих каналов.  Рисунок 4.1.3 Симуляция НЧ фильтра Далее сигнал поступает на усилитель. Поскольку в дальнейшем сигнал поступает на инвертирующий дифференциатор, то усилитель также выбран инвертирующим.   Рисунок 4.1.4 Принципиальная схема инвертирующего усилителя Выходное напряжение после фотоэлемента - до 100мВ, поэтому для доведения уровня напряжения до величины 5В коэффициент усиления составляет 50. K = 50 Rf = 50 кОм Fin = 1 кОм Данный усилитель был собран в среде симуляции электроники Proteus. Ниже приведены графики его работы для двух каналов соответственно.  Рисунок 4.1.5 Симуляция для звена усиления  Рисунок 4.1.6 Принципиальная схема инвертирующуего дифференциатора Для получения первой производной от обработанного сигнала используется звено дифференциации, выполненное на микросхеме операционного усилителя. R = 100 кОм C = 1 мкФ Данный дифференциатор был собран в среде симуляции электроники Proteus для демонстрации его работоспособности. Ниже приведены графики его работы и принципиальная схема в среде Proteus.  Рисунок 4.1.7 Графики работы и принципиальная схема дифференциатора Четыре полученных сигнала подаются на вход АЦП. В качестве АЦП выбран встроенный 10-и разрядный АЦП на микроконтроллере ATmega. Его быстродействия и разрядности вполне достаточно для выполнения всех требуемых операций. Дискретизация происходит с частотой 20Гц по прерыванию от встроенного таймера. Замер жизненных параметров микроконтроллером производится в теле цикла в основной программе каждые 5 секунд. Полученные результаты отображаются на LCD-дисплее. Дисплей MT-10S1 – 10-и символьный LCD-дисплей отечественного производства, описанный детальнее ниже. Также полученные данные отправляются через порт RS-232 на ЭВМ, где могут быть сохранены, дополнительно обработаны, распечатаны и сохранены для дальнейшего анализа. Для согласования уровней используется микросхема DS275. Микросхема DS275, производимая фирмой Dallas Semiconductor, это питаемый от линии TX/RX драйвер интерфейса RS232 полностью совместимый со стандартной реализацией RS232. Микросхема была выбрана в качестве преобразователя уровней, т.к. имеет ряд очевидных преимуществ:
Для питания проектируемого устройства были выбраны широко распространённые стабилизаторы напряжения производства фирмы National Semiconductor LM78L05, рассчитанные на 5 вольт. Стабилизаторы являются линейными регуляторами напряжения положительной полярности. Все операционные усилители – отечественного производства и высокого качества. Детально их характеристики рассмотрены в соответствующем подразделе ниже. ^  Рисунок 4.2.1 Внешний вид ИК излучателя АЛ107А Технические характеристики:
 Рисунок 4.3.1 Внешний вид фотоэлемент ФД256 Фотодиод на основе кремния. Технические характеристики:
ОУ КМОП-структуры чрезвычайно экономичны, имеют низкий входной ток смещения, работают от однополярного и двуполярного источника питания, обеспечивают выходное напряжение rail-to-rail. Из-за уникальной топологии, которая делает эти характеристики возможными, потребовалась новая Spice макромодель (SMM), чтобы получать точные результаты при моделировании схемных проектов средствами САПР. Весьма удачная SММ КМОП ОУ была разработана корпорацией National Semiconductor, однако они не пишут модели для Российских микросхем аналогичного назначения. Spice модели ОУ серии КР(КФ)1446УДхх
Spice модели ОУ серии КР(КФ)1446УДхх Продолжение
 Рисунок 4.4.1 Распределение выводов ОУ серии КР(КФ)1446УДхх  Рисунок 4.4.2 Структурная схема ОУ серии КР(КФ)1446УДхх КР(КФ)1446УДхх - серия КМОП интегральных операционных усилителей (ОУ) с расширенным диапазоном допустимых входных (от -U до +UCC включительно) и выходных напряжений. Серия включает 9 ОУ: КР(КФ)1446УД1/УД2/УД3/УД4/УД5/УД11/УД12/ УД13/УД14. Усилители имеют широкий диапазон допустимых напряжений питания. Напряжение питания может быть либо однополярным (-Ucc>0 или +UCC<0), либо двуполярным (-Ucc<0 и +UCC>0). В любом случае напряжение Ucc на выводе +UCC относительно вывода -Ucc может изменятся в пределах от +2.5В до +7В для усилителей УД1 , УД5 и от +3,0В до +12,0В для УД11 , УД14. Серия КР1446УДхх предоставляет возможность выбора ОУ с требуемым током покоя на один усилитель (10мкА-УД2, 3, 12, 13; 100мкА-УД4, 14; 0.8mA - УД 1, 11; 2.4mA - УД5), который обеспечит оптимальное для конкретного приложения сочетание динамических и нагрузочных характеристик ОУ при минимальной потребляемой мощности. Высокое входное сопротивление (>1000МОm) позволяет работать ОУ и с высокоимпедансными источниками. В корпусе интегральной схемы размещается либо по 2 одинаковых ОУ (УД1, 11, 2, 12, 4, 14, 5), либо по 4 0У(УД3, 13).ОУвмикросхемахУД2 и УД3,атакже УД12 и УД13 идентичны. ОУ предназначены для построения малогабаритных блоков различных устройств в качестве усилителей постоянного и переменного тока, импульсных сигналов, генераторов, компараторов и т.п. ОУ могут применятся при построении следующих видов устройств: источников питания, низкочастотных активных фильтров, усилителей с малыми входными токами, слуховых аппаратов, микрофонных усилителей, пикоамаперметров, интеграторов, аналого-цифровых устройств автоматики. Технические характеристики:
Жидкокристаллический модуль MT–10S1 состоит из БИС контроллера управления и ЖК-панели. Контроллер управления КБ1013ВГ6, производства ОАО «АНГСТРЕМ», аналогичен HD44780 фирмы HITACHI и KS0066 фирмы SAMSUNG. Модуль выпускается со светодиодной подсветкой. Модуль позволяет отображать 1 строку из10 символов. Символы отображаются в матрице 5х8 точек. Между символами имеются интервалы шириной в одну отображаемую точку. Каждому отображаемому на ЖКИ символу соответствует его код в ячейке ОЗУ модуля. Модуль содержит два вида памяти — кодов отображаемых символов и пользовательского знакогенератора, а также логику для управления ЖК-панелью.  Рисунок 4.5.1 Внешний вид жидкокристаллического модуля MT–10S1 Модуль позволяет:
^ Для управления всем устройством, обмена данными с ПК был выбран микро контроллер ATmega128 производства фирмы Atmel. Эти микро контроллеры обладают рядом преимуществ перед другими микро контроллерами и схемами на традиционных аналоговых и цифровых компонентах:
Ядро AVR сочетает богатый набор инструкций с 32 универсальными рабочими регистрами. Все 32 регистра непосредственно подключены к арифметико-логическому устройству (АЛУ), который позволяет указать два различных регистра в одной инструкции и выполнить ее за один цикл. Данная архитектура обладает большей эффективностью кода за счет достижения производительности в 10 раз выше по сравнению с обычными CISC-микроконтроллерами. ATmega128 содержит следующие элементы: 128 кбайт внутрисистемно программируемой флэш-памяти с поддержкой чтения во время записи, 4 кбайт ЭСППЗУ, 4 кбайт статического ОЗУ, 53 линии универсального ввода-вывода, 32 универсальных рабочих регистра, счетчик реального времени (RTC), четыре гибких таймера-счетчика с режимами сравнения и ШИМ, 2 УСАПП, двухпроводной последовательный интерфейс ориентированный на передачу байт, 8-канальный 10-разр. АЦП с опциональным дифференциальным входом с программируемым коэффициентом усиления, программируемый сторожевой таймер с внутренним генератором, последовательный порт SPI, испытательный интерфейс JTAG совместимый со стандартом IEEE 1149.1, который также используется для доступа к встроенной системе отладке и для программирования, а также шесть программно выбираемых режимов уменьшения мощности. Режим холостого хода (Idle) останавливает ЦПУ, но при этом поддерживая работу статического ОЗУ, таймеров-счетчиков, SPI-порта и системы прерываний. Режим выключения (Powerdown) позволяет сохранить содержимое регистров, при остановленном генераторе и выключении встроенных функций до следующего прерывания или аппаратного сброса. В экономичном режиме (Power-save) асинхронный таймер продолжает работу, позволяя пользователю сохранить функцию счета времени в то время, когда остальная часть контроллера находится в состоянии сна. Режим снижения шумов АЦП (ADC Noise Reduction) останавливает ЦПУ и все модули ввода-вывода, кроме асинхронного таймера и АЦП для минимизации импульсных шумов в процессе преобразования АЦП. В дежурном режиме (Standby) кварцевый/резонаторный генератор продолжают работу, а остальная часть микроконтроллера находится в режиме сна. Данный режим характеризуется малой потребляемой мощностью, но при этом позволяет достичь самого быстрого возврата в рабочий режим. В расширенном дежурном режиме (Extended Standby) основной генератор и асинхронный таймер продолжают работать. Микроконтроллер производится по технологии высокоплотной энергонезависимой памяти компании Atmel. Встроенная внутрисистемно программируемая флэш-память позволяет перепрограммировать память программ непосредственно внутри системы через последовательный интерфейс SPI с помощью простого программатора или с помощью автономной программы в загрузочном секторе. Загрузочная программа может использовать любой интерфейс для загрузки прикладной программы во флэш-память. Программа в загрузочном секторе продолжает работу в процессе обновления прикладной секции флэш-памяти, тем самым поддерживая двухоперационность: чтение во время записи. За счет сочетания 8-разр. RISC ЦПУ с внутрисистемно самопрограммируемой флэш-памятью в одной микросхеме ATmega128 является мощным микроконтроллером, позволяющим достичь высокой степени гибкости и эффективной стоимости при проектировании большинства приложений встроенного управления. ATmega128 поддерживается полным набором программных и аппаратных средств для проектирования, в т.ч.: Си-компиляторы, макроассемблеры, программные отладчики/симуляторы, внутрисистемные эмуляторы и оценочные наборы.  Рисунок 4.6.1 – Расположение выводов микроконтроллера ATmega128 ^ Микросхема DS275, производимая фирмой Dallas Semiconductor, это питаемый от линии TX/RX драйвер интерфейса RS232 полностью совместимый со стандартной реализацией RS232.  Рисунок 4.7.1 – Расположение выводов микросхемы DS275 Микросхема была выбрана в качестве преобразователя уровней, т.к. имеет ряд очевидных преимуществ: Питается от линий RX/TX COM-порта Работа в асинхронном полно дуплексном режиме Не требует для работы внешних элементов, например конденсаторов (в отличие от аналога – MAX232)  Рисунок 4.7.2 – Пример включения микросхемы DALLAS DS275 Технические характеристики микросхемы:
 Рисунок 4.8.1 – Расположение выводов регулятора напряжения LM78LXX Для питания проектируемого устройства были выбраны широко распространённые стабилизаторы напряжения производства фирмы National Semiconductor LM78L05 и LM78L12, рассчитанные на 5 и на 12 вольт соответственно. Оба стабилизатора являются линейными регуляторами напряжения положительной полярности и обладают схожими техническими характеристиками:
 Рисунок 4.8.2 – Температурная характеристика стабилизатора ^ К сожалению, получаемый с фотоприемников сигнал является зашумленным. Этот шум имеет две составляющие — фотонный шум и полупроводниковый шум — и носит характер высокочастотного. Для решения проблемы зашумленного сигнала был спроектирован фильтр низких частот, который должен быть расположен после каждого из фотоприемника. Как известно, максимальная частота пульса — около 200 ударов в минуту, т.е. до 4Гц. Для повышения точности измерений будем снимать показания 20 раз в секунду, т.е. частота среза для НЧ фильтра составит 20Гц. Поскольку расчет фильтра и номиналов компонентов — несложное, но кропотливое занятие, при выполнении которого легко ошибиться, мы использовали для расчета фильтра специальное ПО, разработанное на кафедре АУТС.  Рисунок 4.9.1 Параметры НЧ-фильтра На рисунке 4.9.1 приведены параметры рассчитываемого фильтра. Т. к. в состав схемы уже включен усилитель, от фильтра не требуется дополнительное усиление в области пропускания и коэффициент усиления установлен равным единице.  Рисунок 4.9.2 Сравнение различных типов фильтров Было решено использовать фильтр Баттерворта, т.к. он позволяет получить очень гладкую АЧХ в области усиления (Рисунок 4.9.2). Пологость же линии среза компенсируется тем, что высокочастотные шумы все равно начинаются с частоты около 1кГц, т. о. они будут очень сильно затухать.  Рисунок 4.9.3 Принципиальная схема включения звена фильтра Программа расчета предложила фильтр Баттерворта второго порядка, который легко реализовать с помощью всего одного звена, приведенного на рисунке 4.9.3.  Рисунок 4.9.4 Рассчитанные номиналы элементов На рисунке 4.9.4 приведены рассчитанные номиналы элементов фильтра, приведенные к стандартному номинальному ряду. R1 — 44.8 кОм R2 — 44.8 кОм R3 — 22.6 кОм С1 — 126 нФ C2 — 499 нФ  Рисунок 4.9.5 АЧХ НЧ-фильтра На рисунке 4.9.5 приведена АЧХ рассчитанного фильтра. Легко видеть, что рассчитанный фильтр полностью удовлетворяет поставленным требованиям. ^  Рисунок 5.1.1 - Блок-схема главной функции ^  Рисунок 5.2.1 – Блок-схема функции начальной инициализации ^  Рисунок 5.3.1 - Блок-схема функции считывания пульсовой волны ^  Рисунок 5.4.1 - Блок-схема функции расчета среднего давления ^  Рисунок 5.5.1 - Блок-схема функции расчета систолического давления ^  Рисунок 5.6.1 - Блок-схема функции вывода данных на экран ^ В полном соответствии со структурной схемой, ниже приведено описание отдельных блоков и элементов схемы принципиальной электрической. Спроектированное устройство состоит из двух каналов передачи данных, микроконтроллера со встроенным АЦП, ЖК-дисплея и коммуникационного порта. Каждый канал передачи данных состоит из оптопары, НЧ-фильтра, усилителя и дифференцирующего звена. ^ 6.1.1 Аналоговые цепиXP4 – разъем для подключения к двум оптопарам Низкочастотные фильтры используются для отсечения высокочастотного полупроводникового и фотонного шума от полезного сигнала, получаемого с фотоэлементов, входящих в состав оптопар. R1, R2, R3, R4, C6, C7, DA1 и R10, R11, R12, R13, C9, C10, DA4 – низкочастотные фильтры с частотой среза 20Гц. Поскольку сигнал, получаемый с фотоэлементов, обладает амплитудой всего до 100мВ, то используются усилителя сигнала на микросхемах операционного усилителя, для поднятия уровня сигнала до 5В. R5, R6, R7, DA2 и R14, R15, R16, DA5 – усилители на микросхемах операционного усилителя с коэффициентом усиления К=50. Для получения первой производной от отфильтрованного сигнала используется пара дифференцирующих звеньев. R8, R9, C8, DA3 и R17, R18, C11, DA6 – дифференциаторы с постоянной времени T=0.1 6.1.2 МикроконтроллерВстроенный в микроконтроллер АЦП производит дискретизацию 4-х получаемых потока данных; микроконтроллер осуществляет обработку полученных данных, производит расчет среднего, диатолического и систолического давления, а также пульса. Кроме того, микроконтроллер производит индикацию на ЖК-дисплее и передает полученные данные на ПК через коммуникационный порт. DD1 – микроконтроллер со встроенным 10-и разрядным АЦП Q1 – кварцевый резонатор с частотой 20МГц C1, C2 – вспомогательные конденсаторы для колебательного контура ^ Для информирования пользователя используется ЖК-дисплей, а для передачи данных на ПК – коммуникационный порт RS-232. DD2 – микросхема согласования уровней напряжения для порта RS-232 XP1 – разъем коммуникационного порта RS232 XP3 - разъем для подключения жидкокристаллического дисплея ^ Цепь питания обеспечивает стабильное напряжение 5В для питания всех активных аналоговых и дискретных компонентов устройства. XP2 – разъем для подключения внешнего источника питания DA0 – стабилизатор напряжения, обеспечивающий питание устройства с напряжением 5В. ЗаключениеВ данной работе спроектирован прибор для неинвазивного измерения артериального давления и частоты сердечных сокращений (пульса). Такой прибор позволяет достаточно часто снимать показания, а в совокупности с компьютером и средствами хранения данных — вести подробную статистику изменения этих показаний и таким образом даже прогнозировать возможное дальнейшее ухудшения самочувствия. Прибор может быть выполнен на недорогой существующей элементной базе, не требует высокой квалификации персонала, подходит для использования вне медицинских учреждений. Во время проектирования устройства были в полной мере задействованы знания и навыки, полученные за годы изучения специальности «Автоматика и управление в технических системах». ^ Список литературы
</0> |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Похожие:
База данных защищена авторским правом ©MedZnate 2000-2016
allo, dekanat, ansya, kenam
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям
allo, dekanat, ansya, kenam
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям