Загрузка...
Учебная работа. Блок управления переносным цифровым электрокардиографом
БелорусскиЙ муниципальный институт информатики и радиоэлектроники
Факультет заочного обучения
Кафедра электрической техники и технологии
Объяснительная записка
к курсовому проекту
на тему «Блок управления переносным цифровым электрокардиографом»
Студент
С.А. Сницкий
гр. 001801 (МдЭ)
Минск 2013
Содержание
Введение
1. Обзор имеющихся способов и аппаратов
2. анализ технического задания
3. Разработка структурной схемы
4. Разработка схемы электронной принципной
5. Разработка программки работы микропроцессорного блока
Заключение
Перечень использованной литературы
приложение
Введение
Современные заслуги физики, микроэлектроники и вычислительной техники произвели подлинную техно революцию в способах исследования и построения мед аппаратуры для диагностики и терапия от греч. [therapeia] — лечение, оздоровление) — процесс. Развитие оптических квантовых генераторов, интегральной схемотехники, новейших технологий обусловило значимый скачек по внедрению в мед практику значимого числа новейших электрических устройств и способов обработки инфы.
Тенденции развития современных мед аппаратов отражается в разработке и использовании многоканальных комбинированных устройств с автоматической цифровой обработкой и документированием инфы на компах.
Развитие научного и мед приборостроения дозволяет существенно расширить способности докторов методом измерения физических полей и излучений людского организма.
Посреди огромного числа различных устройств получения диагностической инфы значительную часть занимают приборы, которые употребляют биоэлектрические сигналы. Эти сигналы имеют величину и обычно сопровождаются шумами наведением. Для управления устройствами обработки инфы эти сигналы нужно усилить до значения нескольких вольт.
Усилители биоэлектрических сигналов используются при исследовании биоэлектрической активности с следующим графическим отображением исследуемых колебаний либо регистрацией их на магнитных носителях.
Электрокардиографией именуется способ графической регистрации электронных явлений, возникающих в работающем теле) электронного поля. Форма, амплитуда и символ частей электрокардиограммы зависят от пространственно-временных черт возбуждения сердца (хронотопографии возбуждения), от геометрических черт и пассивных электронных параметров тела как большого проводника, от параметров отведений электрокардиограммы как измерительной системы.
Каждое мышечное волокно представляет собой простую систему — диполь. Из бессчетных микродиполей одиночных волокон миокарда складывается суммарный диполь (ЭДС), который при распространении возбуждения в головной части имеет положительный заряд, в хвостовой — отрицательный.
При угасании возбуждения эти соотношения стают обратными. Потому что возбуждение начинается с основания сердца, эта область является отрицательным полюсом, область вершины — положительным.
Электродвижущая сила (ЭДС) имеет определенную величину и направление, т.е. является векторной величиной.
При помощи электрокардиографов биотоки сердца можно зарегистрировать в виде кривой — электрокардиограммы (ЭКГ ).
электрокардиограф микропроцессорный управление
1. Обзор имеющихся способов и аппаратов
Инструментальное исследование состояния сердечно-сосудистой системы насчитывает чуток наиболее 100 лет. Открытие закона Фарадея, положившее начало конструированию разных электронных устройств, породило делему использования достижений технического прогресса в диагностике и Энтузиазм у почти всех ученых, начиная с древнего мира. Но возможность наиболее тщательно начать изучить принципы его деятель стала настоящей лишь при открытии законов движения заряженных частиц в электронных цепях. 1-ая регистрация электрокардиосигнала, макета современной электрокардиограммы (ЭКГ ), была предпринята В. Эйнтховеном в 1912 году в г. Кембридже. Опосля этого методика регистрации ЭКГ активно совершенствовалась.
Изобретение электропроводных материалов, позволило употреблять их при регистрации биопотенциалов тела, также его механических характеристик. Так, на замену первым датчикам для регистрации ЭКГ , предложенными В. Эйнтховеном, которые были не что другое, как ведра заполненные водой, в которые погружали руки и ноги, а ведра соединяли в гальваническую цепь, были предложены в 1917 году железные пластинчатые сварочные электроды. Подобные электроды употребляются и сейчас в ряде клиник. Они производились из сплава, который покрывался узким слоем хлорного серебра. Такое напыление дозволяло созодать наиболее размеренным контактную разность потенциалов, возникающую на границе сплав — кожа.
В период после войны, опосля 1945 года, когда началась развиваться радиоэлектроника, стали появляться разные спец диагностические приборы, сконструированные на электронно-механической элементной базе.
Уже начиная с 1960 года, в мед устройствах начала возрастать толика электрических компонент. В серийном производстве стали выпускать сложные приборы, к которым вне сомнения можно отнести электрокардиографы. В их использовалась фильтрация регистрируемых кардиосигналов, осуществляемая при помощи электрических фильтров. Особые механические самописцы, дозволяли на специальной бумаге записывать ЭКГ .
Но, возможность регистрации разных био сигналов, вроде бы неприметно породила делему достоверности проявления исследовательских критериев, содержащихся в самих сигналах. Уже 1-ые практические результаты проявили, что точность регистрации био сигналов обязана быть существенно выше. Любые артефакты, вносимые в процесс регистрации сигнала, не дозволяли получать при повторной регистрации схожих сигналов. Даже соблюдение сложной методики работы доктора с устройством не могли достигнуть требуемой точности. Так, для анализа фазовой работы сердца требуется регистрировать границы одной из фаз, продолжительность которой не превосходит 0,5 сек. Специально для этого были разработаны поликардиографический способ и многоканальный способ регистрации ЭКГ . Применяемые при записи самописца струйные перья имеют толщину соизмеримую с требуемой точностью сравнительного анализа. Многоканальный съем инфы еще более наращивает погрешность, из — за асинхронных действий происходящих в разных по природе датчиках, применяемых для регистрации разных электронных и механических черт сердца.
Не отважилась эта неувязка и с возникновением компьютерной техники. Датчики, являющиеся значительными источниками погрешностей, продолжают употребляться те же, что и ранее. Развитие техники постоянно отставало от требуемой точности измерения медико-биологических сигналов. Конкретно данный факт породил делему метрологии мед устройств в медицине. Как ни где в остальных отраслях науки, на 1-ый план при сертификации устройств вышли клинические тесты. Конкретно за счет статистических данных, а не метрологической поверки делаются выводы о достоверности измеряемых величин. Синхронная запись нескольких сигналов различной природы могла служить лишь индикатором состояния организма, но внедрение ее в качестве измерительной системы не представлялось вероятным. В данной для нас ситуации складывалась методология исследования состояния сердечно-сосудистой системы.
С развитием мед приборостроения, опосля возникновения твердотельных полупроводниковых частей, пришедшим на замену вакуумным, сохранилась неувязка электробезопасности устройств. Разные гальванические развязки, выполненные на трансформаторах, также контуры заземления, служили источниками помех, существенно снижая свойство регистрируемых сигналов.
Принципиальным шагом на пути развития мед приборостроения сделалось возникновение компов. Представилась возможность обработки огромных массивов инфы, с одновременным отображением результатов в различном виде, как в графическом, так и цифровом.
Но компы не решили главной задачи мед приборостроения — метрологии. Методология, использующая съем инфы, ее обработка — процесса нормирования сигнала, направленная лишь на получение большего динамического спектра сигнал — шум, остались прежними.
Возникновение веба и мобильной беспроводной связи только упростили доступ и расширили возможность передачи на огромные расстояния инфы, регистрируемой конкретно с пациента. Но интенсивное развитие техники пока не дозволяло изобрести наиболее четкие способы диагностики сердечно — сосудистой системы.
Практически имеющиеся способы диагностики были «пристыкованы» к компьютерной технике. В истинное время возникла возможность строить диагностические программно — аппаратные комплексы на базе специализированных микропроцессоров, исключая излишние Издержки на обычное оборудование, которое не быть может применено в полном объеме, но входящие в набор обыденного офисного оборудования.
Таковой подход обусловил возникновение компактных и высокоэффективных программно — аппаратных устройств позволяющих повсевременно улучшать программное обеспечение юзеру, без существенных издержек на приобретение новейших устройств. Новые технологии дозволили серийно выпускать разовые электроды с высочайшими техническими чертами. Была достигнута минимизация воздействия контактной разности потенциала кожа — электрод.
В течение крайних 20 лет получили развитие новейшие способы ЭКГ -диагностики и начало формироваться новое направление — неинвазивная электрофизиология. Она базируется на современных способах цифровой обработки ЭКГ -сигнала, которые разрешают определять и оценивать данные, не доступные обычному способу оценки. Обыденные принципы основаны на докторской логике описания конфигураций контурного анализа ЭКГ -12 и ортогональных отведений, нарушений ритма (нрав ишемических конфигураций, нарушений ритма и проводимости, гипертрофии и т.д.).. Современные ЭКГ —системы являются достижением новейших способов математического описания и обработки измеренных данных электрокардиограммы с внедрением в анализе сложных новейших черт и характеристик, графическим представлением приобретенных результатов.
Доп информацию о электронной активности сердца дают способы: холтеровского мониторирования, вариабельности сердечного ритма и альтернации амплитуды Т-зубца, дисперсии продолжительности P-зубца и комплекса QRS, интервалов QT, QTa, JT, JTa. Но регистрируемый с поверхностных электродов ЭКГ -сигнал, отражая функцию либо дисфункцию специфичных ионных каналов и являясь интеграцией электрофизиологического парадокса миллионов миоцитов, содержит доп информацию, не видимую на обычной ЭКГ .
Имеющиеся и разрабатываемые новейшие электрокардиографические способы диагностики, владея принципно новенькими диагностическими способностями, все обширнее внедряются в ежедневную клиническую практику кардиологических отделений, кардиологических диспансеров, сети поликлинических отделений. Посреди их можно сначала отметить способы: ЭКГ высочайшего разрешения, спектрально-временного, поверхностного и дисперсионного картирования, дипольной электрокардиотопографии (ДЭКАРТО), новейших качеств анализа вариабельности сердечного ритма, дисперсии амплитудных и временных черт P-QRS-T (включая анализ “beat-to-beat”).
В многообещающих новейших компьютерных электрокардиографических системах реализуется наиболее строго биофизически обоснованный подход к параметризации кардиоэлектрического потенциала, требующий специального преобразования измеренных сигналов отведений на базе доп сведений о физической структуре сердца и тела. Такое преобразование соединено с наиболее либо наименее глубочайшим погружением в область биофизики и электрофизиологии сердца. тут главную роль играют способы обработки данных на базе математических моделей, соответственных электродинамической системе “электронный генератор сердца — большой проводник тела”. Решается так именуемая оборотная электродинамическая задачка, которая в обобщенном осознании заключается в оценке черт электронного процесса в сердечко по распределению электронного потенциала, порождаемого генераторами сердца на поверхности тела.
Для обозначения новейших способов сбора, обработки и изображения ЭКГ сигнала, употребляется понятие электрокардиографии 3-го и 4-го поколения. Одним из первых посреди их и довольно узнаваемых является способ электрокардиографии высочайшего разрешения (ЭКГ ВР). Сигналы, нареченные поздними потенциалами желудочков (ППЖ), регистрируются с поверхности тела в виде низкоамплитудной фрагментированной электронной активности, локализованной в конце комплекса QRS и в протяжении сектора ST. В истинное время есть в достаточной степени обоснованные на теоретическом уровне, испытанные в опыте и поликлинике, предпосылки к использованию способа ЭКГ ВР.
Более существенное увеличение точности оценки состояния сердца обеспечивает электрокардиографическое картирование, предполагающее определение электронного потенциала на всей поверхности тела методом синхронной регистрации сигналов множественных отведений, распределенных на данной для нас поверхности. При ЭКГ -картировании размер начальной инфы о электронном поле сердца значительно больше, чем при использовании принятых электрокардиографических способов, при этом открываются способности наиболее подробного и глубочайшего анализа измеренных данных. Потому ЭКГ -картирование может обеспечить наиболее высшую точность диагностики. В компьютерных электрокардиографических системах 3-го поколения интерпретация данных осуществляется с внедрением способов, которые в значимой степени основаны на эмпирических наблюдениях, хотя в их пространственная форма электронного поля сердца часто трактуется с позиций электродинамики.
Принципиально употреблять высочайший исследовательский и диагностический потенциал ведущих технологий, потому что без их использования недозволено поднять на новейший уровень свойство оказания спец кардиологической помощи.
Принцип работы электрокардиографа. Колебания разности потенциалов, возникающие при возбуждении сердечной малая мышь«>мускулы, воспринимается электродами, расположенными на теле обследуемого, и подается на вход электрокардиографа. Это очень маленькое напряжение проходит через систему катодных ламп, по этому его величина увеличивается в 600-700 раз. Так как величина и направление ЭДС в течение сердечного цикла все время меняются, стрелка гальванометра отражает колебания напряжения, а ее колебания в свою очередь регистрируются в виде кривой на передвигающейся ленте.
Запись колебаний гальванометра осуществляется на передвигающейся ленте конкретно в момент регистрации. Движение ленты для регистрации ЭКГ может происходить с различной скоростью (от 25 до 100 мм/с), но почаще всего она равна 50 мм/с. Зная скорость движения ленты, можно высчитать длительность частей ЭКГ .
Так, если ЭКГ зарегистрирована при обыкновенной скорости 50 мм/с, 1 мм кривой будет соответствовать 0,02 с.
Для удобства расчета в аппаратах с конкретной записью ЭКГ регится на бумаге с миллиметровыми делениями. чувствительность гальванометра подбирается таковым образом, чтоб напряжение в 1 мВ вызывало отклонение регистрирующего устройства на 1 см. Проверка чувствительности либо степени усиления аппарата проводится перед регистрацией ЭКГ , она осуществляется при помощи обычного напряжения в 1 мВ (контрольный милливольт), подача которого на гальванометр обязана вызывать отклонение луча либо пера на 1 см. Обычная кривая милливольта припоминает буковку «П», высота ее вертикальных линий равна 1 см.
Изменение разности потенциалов на поверхности тела, возникающие во время работы сердца, записываются при помощи разных систем отведений ЭКГ . Каждое отведение регистрирует разность потенциалов, имеющихся меж 2-мя различными точками электронного поля сердца, в каких установлены электроды.
Таковым образом, разные ЭКГ -отведения различаются меж собой до этого всего участками тела, от которых отводятся потенциалы.
В истинное время в медицинской практике более обширно употребляют 12 отведений ЭКГ , запись которых является неотклонимой при любом электрокардиографическом обследовании хворого: 3 обычных отведения, 3 усиленных однополюсных отведения от конечностей и 6 грудных отведений. В случае, когда необходимо выявить точную локализацию повреждения миокарда при инфаркте в задних и задне-перегородочных отделах, употребляются еще 3 доп отведения, которые устанавливают по задней подмышечной, лопаточной и паравертебральной линиям.
Электрокардиографические отличия в любом из 12 отведений отражают суммарную ЭДС всего сердца, т.е. являются результатом одновременного действия на данное отведение изменяющегося электронного потенциала в левом и правом отделах сердца, в фронтальной и задней стенах желудочков, в вершине и основании сердца.
Не считая обрисованных выше, есть и остальные типы отведений:
? отведения по Нэбу, которые находят применение для диагностики очаговых конфигураций миокарда задней стены (отведение Д), переднебоковой стены (отведение А) и верхних отделов фронтальной стены (отведение Y);
? отведение по Лиану, либо S5, используют для уточнения отклонении в состоянии здоровья обследуемого либо о причине погибели»> , отклонении в состоянии здоровья обследуемого или о причине смерти) сложных аритмий, его регистрируют при положении ручки переключателя на I отведении, электрод для правой руки располагают во II межреберье у правого края грудины, электрод для левой руки — у основания мечевидного отростка, справа либо слева от него, зависимо от того, при каком положении электрода лучше выявляется зубец Р;
? отведения по Слапаку-Партилле используют для уточнения конфигураций в задней стене при наличии глубочайшего зуба Q во II, III, AVF-отведениях;
? отведение по Клетэну используют для уточнения конфигурации в нижней стене левого желудочка. При всем этом электрод от правой руки помещают на ручку грудины, 2-ой электрод остается на левой ноге. ЭКГ регистрируют в положении переключателя — II обычное отведение.
ЭКГ аппарат своим основным различием являет способность устройства фиксировать то либо другое количество каналов сразу. Самый всераспространенный одноканальный электрокардиограф снимает один канал, поочередно, один за иным. Остальные кардиографы имеют способность снимать 3, 6, 12 каналов сразу, так же поочередно, друг за другом. Более действенным из этих аппаратов считается аппарат, способный снимать 12 каналов сразу. Конкретно по данной для нас причине в истинное время наибольшее распространение получили многоканальные аппараты ЭКГ .
2. анализ технического задания
Согласно технического задания нужно проектировать блок управления переносным цифровым электрокардиографом. нужно создать более экономически прибыльный устройство и в тоже время, чтоб он соответствовал ГОСТу, метрологическим эталонам и был неопасным для потенциального пациента.
Электрокардиограф состоит из входного устройства (электроды, кабель отведений), усилителей биопотенциалов и регистрирующего устройства.
Разность потенциалов с поверхности тела снимается средством железных электродов, укрепленных на разных участках тела резиновыми ремнями, зажимами либо грушами.
Маленькое напряжение (не наиболее 10 мВ), воспринимаемое электродами, подается на систему биоусилителей. В итоге усиления маленькие колебания напряжения усиливаются во много раз и подаются в регистрирующее устройство устройства.
Электрокардиограмму регистрируют на бумаге чернильным либо термическим методом. Потому что чернильный способ регистрации ЭДС в истинное время фактически не употребляется из-за значимых погрешностей и трудозатратности процесса производства, его разглядывать не будем.
Проектируемый электрокардиограф условно можно поделить на последующие блоки:
• Входной узел (используем 2 обычных отведения);
• Преобразовательный узел;
• Обрабатывающий узел с устройством управления (клавиатура);
• Узел отображения (индикации и сигнализации пульса);
• Узел регистратора (пишущий узел, также SD карта для хранения инфы);
• Узел связи с наружной средой (Блютуз-интерфейс);
• Узел питания (употребляется перезаряжаемая батарея).
Входной узел в свою очередь состоит из:
Входного кабеля (кабеля пациента) с определенным количеством электродов. Для данного ТЗ нужно 3 электрода, накладываемые на конечности и электрод активной земли, накладываемый на правую ногу;
Блока входных усилителей, включающего фильтры высочайшей частоты, фильтры низкой частоты и конкретно усилителей. Три усиленных сигнала R, L, F сформировывают сигнал угнетения помехи по оборотной связи, который подается на правую ногу N. 1-ый каскад усиления представляет собой инструментальный усилитель на базе дешевый микросхемы AD620. Данная микросхема обеспечивает нужный коэффициент ослабления синфазного сигнала КОСС=100 дБ , имеет низкое напряжение шума и просит единственный наружный резистор для задания коэффициента усиления. Для того, чтоб избежать насыщения выхода при вероятном входном неизменном смещении ±300 мВ и размахе выходного напряжения AD620 ±3,8 В коэффициент усиления инструментального усилителя не должен превосходить 12,6. Таковым образом, с учетом припаса, выберем коэффициент усиления первого каскада равным 7.
Преобразовательный узел:
Так как фактически все современные электрокардиографические приборы являются цифровыми устройствами (имеют в собственном составе микроконтроллер), то имеется узел преобразования аналоговых сигналов в цифровые — аналого-цифровой преобразователь определенной разрядности. Есть микроконтроллеры со интегрированным АЦП, к примеру ADuC842 со интегрированным 12-разрядным АЦП. наличие цифровой части устройства обусловлено почти всеми факторами это и удобство следующей обработки инфы, и регулируемая точность представления, и упругость конфигурации алгоритмов обработки и прочее.
Узел отображения (индикации и сигнализации пульса):
Узел индикации должен демонстрировать оператору режимы работы, в каких находиться устройство. Допускается функциональное совмещение индикации с клавиатурой (панелью управления) для конфигурации режимов работы устройства. Также нужна звуковая сигнализация пульса, которая упростит работу с устройством при определении нарушений ритма (аритмий). Звуковую сигнализацию пульса можно проектировать на базе пикового сенсора, построенного на операционном усилителе.
Узел регистратора:
В итоге устройство должен показать электрокардиограмму, полностью определенный график конфигурации ЭДС сердца на жестком носителе позволяющим долгое хранение, также запись на цифровой носитель инфы (SD карту) для предстоящей обработки приобретенных данных на компе. В качестве твердого носителя употребляется термобумага. Для многоканальных аппаратов ЭКГ употребляется принцип терморегистрации средством так именуемых термоголовок.
Термоголовка представляет собой высокопрецизионное устройство сделанное средством микротехнологий и является набором плотноупакованных терморезисторов нанесенных на керамическое либо ситалловое основание в виде линейки.
Плотность размещения терморезисторов весьма высока и добивается 32 точек/мм.
Индустрия выпускает термоголовки шириной от 40 мм до 300 мм. Для электрокардиографических задач регистрации на истинное время определена малая допустимая плотность точек как 6-8 точек/мм. И таковым образом можно подсчитать, что количество терморезисторов даже в самой узенькой головке измеряется сотками штук. Запись средством термоголовки осуществляется так же на специальной термочувствительной бумаге. Бумага обязана быть прижата по всей длине термолинии к поверхности термоголовки.
На момент касания терморезисторы в местах, где нужно показать точку греются, и на бумаге остается след. Терморезисторам нужно остыть до определенного уровня.
Дальше бумага продвигается с данной скоростью и цикл регистрации повторяется. Схожий принцип регистрации комфортен тем, что дозволяет показывать и графики и текст с минимумом передвигающихся частей. Варьируя интенсивность нагрева вероятна и многотоновая регистрация.
Узел связи с наружной средой:
Связь с компом реализована по беспроводному обычному Блютуз-интерфейсу, что повысило степень мобильности устройства и удобство его эксплуатации, также гальваническую развязку пациента с компом.
Узел питания:
Как было сказано выше, согласно ТЗ в качестве источника питания употребляется перезаряжаемая батарея, лучше всего литий-ионная.
Для обеспечения метрологических требований к проектируемому устройству нужно управляться требованиями ГОСТа и интернациональных эталонов к устройствам для измерения биоэлектрических потенциалов сердца.
ГОСТ 19687-89 описывает главные свойства устройств последующим образом:
Таблица 1
Наименование параметра
1. Спектр входных напряжении U, мВ. в границах
от 0,03 до 5
2. Относительная погрешность измерения напряжения U, в спектрах:
от 0,1 до 0,5 мВ, %, не наиболее
±15
от 0,5 до 4 мВ, %, не наиболее
±7
3. Нелинейность, %, в границах:
для электрокардиографов
±2
для электрокардиоскопов
±2,5
4. чувствительность S, мм/мВ
2.5; 5; 10; 20; 40
5. Относительная погрешность установки чувствительности ?s %. в границах
±5
6. Действенная ширина записи (изображения) канала В, мм, не наименее
40
7. Входной импеданс Zвх, МОм, не наименее
5
8. Коэффициент ослабления синфазных сигналов Кс, не наименее:
для электрокардиографов
100000
для электрокардиоскопов
28000
9. Напряжение внутренних шумов, приведенных ко входу Uш, мкВ, не наиболее
20
10. Неизменная времени t, с. не наименее
3.2
11. Неравномерность амплитудно-частотной свойства (АЧХ) в спектрах частот:
от 0,5 до 60 Гц , %
от -10 до +5
от 60 до 75 Гц , %
от -30 до +5
12. Относительная погрешность измерения интервалов времени дт в спектре интервалов времени от 0.1 до 1.0 с,% не наиболее
±7
13. Скорость движения носителя записи (скорость развертки) Vн мм/с
25, 50 допустимы и другие значения
14. Относительная погрешность установки скорости движения носителя записи (скорости развертки) дv,%, в границах:
для электрокардиографов
для электрокардиоскопов
±5
±10
Данный устройство будет применяться с целью регистрации био потенциалов сердца человека, обработки приобретенных данных и вывода на носитель в форме, применимой для осознания мед работников, которые будут его употреблять.
Портативный аппарат ЭКГ может применяться на скорой помощи и предусмотрены для контроля состояния сердечной деятель на улице, на дому и в машине скорой помощи. Соответственно таковой аппарат должен работать в широком спектре температур, влажности, сохранять исходные свойства или иметь отличия в границах допустимых погрешностей в процессе использования, быть отлично защищен от наружных помех, таковых как микроволновое излучение, излучение мобильников, фон в 50 Гц от сети переменного тока. По мере необходимости допускается применение экранов. Принципиальные свойства, которыми должен владеть данный устройство — это вибро- и ударостойкость.
Для данного устройства установлены высочайшие требования в плане точности и надежности снимаемых показаний, также в плане удобства использования. Высококачественная диагностическая мед аппаратура в состоянии обеспечить выполнение даже самых серьезных отраслевых нормативов. ЭКГ аппарат, вспомогательное к нему оборудование и методы обработки приобретенных данных электрокардиограммы дают возможность стремительно получить всю нужную информацию, также дозволяет упростить процесс обследования и повысить его свойство.
Все выше обозначенные требования достигаются выполнением ГОСТа 19687-89 и должны быть учтены на стадии разработки многофункциональной схемы.
Исходя из данных технического задания и метрологических требований можно создать последующие выводы:
1. внедрение в качестве материала электродов с минимальным удельным сопротивление. Это требование производится при нанесении на поверхность сплава состава, состоящего из серебра и его хлорида в соотношении 3:7;
2. усилитель биопотенциалов нужно проектировать по 2-х каскадной схеме с управляемой землей для устранения синфазных помех и достаточного уровня усиления нужных сигналов и их выделения из общего сигнала;
3. преобразование аналогового сигнала в цифровой с минимальным погрешностями, используя 8-разрядный АЦП, что также прирастит и быстродействие аппарата;
4. беспроводной интерфейс должен обеспечивать прямую передачу данных на индивидуальный комп в режиме настоящего времени;
5. внедрение переносного источника питания накладывает ограничение на потребляемую мощность аппарата и соответственно на напряжение батареи;
6. микроконтроллер должен обеспечивать одновременную передачу данных по интерфейсу Блютуз и запись на SD-карту, для что нужно наличие UART-интерфейса и SPI;
7. звуковая сигнализация обязана иметь низкое энергопотребление.
Функции устройства:
1. выполнение пользовательских опций (выбор отведения для регистрации ЭКГ , выбор скорости записи ЭКГ , выбор алгоритмов обработки данных, работа с беспроводным интерфейсом);
2. усиление и фильтрация биоэлектрических сигналов;
3. выполнение диагностической процедуры, оцифровка и сохранение данных на SD-карте;
4. сигнализация пульса пациента;
5. сигнализация отвратительного контакта электродов с дерматологическими покровами пациента;
6. вывод инфы на индивидуальный комп, используя беспроводной интерфейс;
3. Разработка структурной схемы
Структурная схема кардиографа изображена на чертеже в приложении. Разглядим подробнее любой из узлов электрокардиографа.
Блок усиления и фильтрации применяется для усиления биопотенциалов человека и устранения или значимого ослабления синфазных помех. Главными усилительными элементами являются 2 (на каждое из отведений) операционных усилителя (ОУ) типа AD620A, который владеет высочайшей точностью и потрясающими чертами на неизменном токе: коэффициент ослабления синфазного сигнала КОСС=100 dB на частотах прямо до 1 кГц, смещение на входе не наиболее 50 мкВ, малый входной ток (1 нА макс.) и низкое напряжение шума (0,28 мкВ в полосе 0,1…10 Гц ) . Для AD620 требуется единственный наружный резистор, задающий коэффициент усиления. В схеме оборотной связи, созданной для компенсации синфазного сигнала, использован операционный усилитель типа AD705J — малопотребляющий прецизионный ОУ с очень высочайшим коэффициентом ослабления синфазного сигнала (мин. (Децибел — логарифмическая единица уровней, затуханий и усилений)). Эта схема подает на правую ногу пациента напряжение, возмещающее синфазную составляющую сигнала с целью убрать воздействие синфазного сигнала. Так же нужно употреблять ФНЧ и ФВЧ, которые должны усиливать главный сигнал. Частота среза ФНЧ обязана составлять приблизительно 100 Гц , а для ФВЧ — приблизительно 0,03 Гц . Оба фильтра нужно созодать на базе RC контуров. Коэффициент усиления второго каскада составляет около 143. Для этих целей подступает ОУ LM334N. В одном корпусе данной микросхемы находится 4 ОУ. Три из их используются для построения пикового сенсора, цель которого — определение зубцов R и сигнализация пульса. В качестве звукового сигнализатора употребляется пьезокерамическая пищалка.
Аналого-цифровой преобразователь 8-разрядный, поочередного деяния TLC549IP.
Микроконтроллер, как было сказано выше, должен иметь интерфейс UART и SPI для работы с блютуз и SD-картой соответственно. Можно употреблять МК AT89S8253 конторы Atmel. Он выпускается в 40-pin DIP-корпусе.
Соответственно блютуз должен иметь UART интерфейс. Для этих целей используем готовый модуль Wireless Блютуз 2.0 RS232 TTL Transceiver module.
В качестве термопринтера можно употреблять фактически хоть какой. Допустим, Fujitsu FTP-628 MCL-054.
В связи со всем вышесказанным возникает необходимость употреблять двухполярное питание на 5 В и однополярное на 3,3 В. Для этих целей в блоке питания применятся инверторы ADP3000-5V и ADP3604. 1-ый из их конвертирует 3,6В от источника питания в 5В, а 2-ой конвертирует +5В в -5В. Также нужно согласование по питанию в узлах и блоках электрокардиографа.
Из всего вышесказанного можно составить подробную структурную схему блока усиления и блока питания, изображенную в приложении к данной объяснительной записке.
4. Разработка схемы электронной принципной
1-ый каскад усиления представляет собой инструментальный усилитель на базе дешевый микросхемы AD620 (DA3 и DA4). Данная микросхема обеспечивает нужный коэффициент ослабления синфазного сигнала КОСС=100 дБ , имеет низкое напряжение шума и просит единственный наружный резистор для задания коэффициента усиления, по одному резистору для всякого канала (R1=R2=R3=R4=220 кОм). Для того, чтоб избежать насыщения выхода при вероятном входном неизменном смещении ±300 мВ и размахе выходного напряжения AD620 ±3,8 В коэффициент усиления инструментального усилителя не должен превосходить 12,6. Таковым образом, с учетом припаса, выберем коэффициент усиления первого каскада равным 7.
В схеме оборотной связи, созданной для компенсации синфазного сигнала, могут быть использованы операционные усилители (по одному для всякого отведения) типа AD705J (DA1 и DA2) — малопотребляющий прецизионный ОУ с очень высочайшим коэффициентом ослабления синфазного сигнала (мин. (Децибел — логарифмическая единица уровней, затуханий и усилений)). Эта схема подает на пациента напряжение, возмещающее синфазную составляющую сигнала с целью убрать воздействие синфазного сигнала.
В качестве клавиши выбора отведений используем двухпозиционный переключатель SA1, который установлен сходу же на выходе инструментального усилителя.
На выходе переключателя установлен простой RC-фильтр высших частот первого порядка с частотой среза 0,03 Гц (элементы С3 и R16). Данный фильтр исключают из сигнала неинформативную постоянную составляющую, что нужно для предстоящего усиления сигнала. 2-ые каскады усиления обеспечивают основное усиление с коэффициентом Кус=143 и смещение сигнала на величину Uсм=1,25 В (половина спектра АЦП). В качестве ОУ второго каскада усиления использована микросхема LM334N, а поточнее ее четверть DA5.1. Другие ѕ (DA5.2, DA5.3, DA5.4) используем для построения пикового сенсора. Для сигнализации пульса применяется пьезокерамический звукоизлучатель HA1. Дальше усиленный сигнал поступает на RC-фильтры низких частот (С6, R19) с частотой среза 100 Гц , которые ограничивают верхнюю частоту сигнала и исключают погрешность обусловленную эффектом наложения спектров.
Частота среза фильтров определяется по формуле:
Как следует
для ФВЧ RC=5,305, а для ФНЧ RC=0,00159.
означает С3=53 мкФ, R15=100кОм, C6=16нФ, R18=100кОм.
Коэффициент усиления второго каскада определяется как соотношение
Кус=R18/R17,
означает R18=143*R17. При R17=100Ом, R17=14,3кОм.
Опосля усиления сигнал поступает на АЦП DD1 (TLC549IP). Перевоплощенный сигнал поступает на микроконтроллер DD3 AT89S8253.
Кварцевый генератор ZQ1 имеет частоту 12 МГц.
Подключение SD-карты к МК осуществляется средством SPI интерфейса. Для согласования напряжений микроконтроллера и разъема для подключения карты памяти используются 4 аналоговые микросхемы DA6…DA9 SN74LVC1T45 от Texas Instruments.
Модуль Блютуз подключается средством UART интерфейса. В этом случае также нужно согласование по уровням напряжения. Для этих целей использована транзисторная схема согласования. В качестве активных частей применены pnp-транзисторы VT2…VT5 BC547B. Сопротивление всякого из 6 резисторов R22…R27 составляет по 1 кОм. сейчас подключим МК к нашему БТ модулю. Как написано выше, задействуем UART интерфейс, как следует, подключаем пины RХ и ТХ «на крест»(RХ БТ с ТХ МК и ТХ БТ с RХ MK).
Блок питания состоит из батареи 3,6В, 2-ух инверторов (DA10 ADP3000-5V и DA11 ADP3604) и аналоговых частей. Его цель — обеспечение питания разными по уровню напряжениями. Для уровня в 5В нужно двухполярное питание. Для выключения аппарата, с целью понижения энергопотребления, применяется клавишный выключатель SA2.
Термопринтер, драйвер шагового мотора термопринтера DD2 (L293D), также клавиши управления присоединяются конкретно к микроконтроллеру без согласования уровней.
С учетом всего вышеперечисленного, также даташитов к микроконтроллеру, аналоговым и цифровым микросхемам, схема электронная принципная, также список частей даны в приложении к объяснительной записке.
Разработка многофункционального метода работы
При разработке микропроцессорного блока с учетом конструкции устройства в данном курсовом проекте ставится последующая задачка: надзирать процесс оцифровки сигнала, его хранение запись на SD-карту и термобумагу и передача на комп средством Блютуз-интерфейса.
Работа устройства осуществляется при помощи блока управления, основой которого является микроконтроллер AT89S8253 конторы Atmel. Для сотворения бесперебойной и высококачественной работы в программной части реализации функций устройства запускается нескончаемый цикл.
Сначала делается инициализация микроконтроллера. Сюда заходит инициализация портов микроконтроллера, в том числе для подключения кнопок управления, вывода сигнала с АЦП, инициализация таймеров и исходных опций АЦП, также UART и SPI портов.
Дальше проводим опрос клавиатуры и при нажатии клавиши СТАРТ запускаем процесс преобразования на АЦП и запись данных во Flashпамять микроконтроллера. Потом нужно провести проверку нажатия остальных клавиш на клавиатуре и не подошла ли к концу память микроконтроллера. Если нажата одна из кнопок выбора скорости записи на бумагу (25 либо 50), то переносим данные из памяти микроконтроллера в SD-карту, по Блютуз-интерфейсу и выводим на печать, также меняем скорость записи на подобающую и продолжаем преобразование. Если нажата кнопка STOP, то останавливаем преобразование и также переносим данные из Flashпамяти микроконтроллера и перебегаем в режим ожидания ввода данных с клавиатуры.
В том случае, если с клавиатуры ничего не вводилось, но была переполнена Flash, то переносим данные и продолжаем запись.
Таковым образом мы зацикливаем проверку и сигнал будет сниматься, пока не выполнено одно из перечисленных выше критерий.
5. Разработка программки работы микропроцессорного блока
Сначала работы программки инициализируется микроконтроллер. Опосля инициализации микроконтроллера происходит расчет значений, нужных для организации корректной работы таймеров. Потом указывается битовая адресация для клавиш устройства. Дальше происходит инициализация портов микроконтроллера, АЦП, таймеров, прерываний и объявление глобальных переменных.
Опосля опрашивается клавиатура. При нажатии клавиши START устанавливается режим работы по дефлоту (скорость ленты 50 мм/с) и начинается рабочая часть программки. Если нажата кнопка 25 мм/с, выбирается соответственный режим и устройство перебегает в режим ожидания нажатия клавиши START.
В рабочей части МК по подходящим портам получает данные от 8-ти разрядного АЦП и записывает во внутреннюю память контроллера. Из внутренней памяти данные по подходящим портам передаются через УАПП на модуль Блютуз, на порт DI термопринтера, также через SPI на SD-карту. Опосля передачи 384 бит на термопринтер, включаем высочайший уровень логики на входах STB, потом подаем высочайшие уровни на входы драйвера шагового мотора.
УАПП работает а первом режиме: подаем стартовый бит, потом 8 бит данных, в конце стоповый бит.
Для обеспечения бесперебойной работы зацикливаем рабочую часть программки.
При нажатии какой-нибудь клавиши срабатывает прерывание рабочей части и запускается программка опроса клавиатуры. Если нажата кнопка STOP, происходит остановка рабочей части и переход аппарата в режим ожидания ввода данных с клавиатуры.
Заключение
В процессе выполнения данного курсового проекта был разработан блок управления цифровым электрокардиографом, который регистрирует биопотенциалы сердца, увеличивает их и записывает на картонный носитель, SD-карту и передает на ПК . Главный же мыслью этого проектирования являлось получение исходных способностей проектирования микропроцессорной системы, которое заключается в поэтапной реализации разрабатываемого устройства.
В процессе разработки были решены последующие задачки:
1) Обусловили функции, реализуемые аппаратной и программной частями устройства;
2) Избрали микроконтроллер;
3) Подобрали доп устройства и элементы, нужные для разработки устройства;
4) Сделали структурную схему;
5) Сделали на базе структурной схемы принципную электронную;
6) Разработали многофункциональный метод работы микроконтроллера;
7) Разработали программное обеспечение для микроконтроллера.
Логическим окончанием данного курсового проектирования можно считать окончание разработки программного обеспечения, которая производит в данной разработке функции связи всех частей аппаратной части устройства меж собой.
Перечень использованной литературы
1. Учебное методическое пособие по курсовому проектированию — Минск: БГУИР, 2013. — 89 с.;
2. Фрунзе А.В. Микроконтроллеры? Это просто! Том 1-3 / А.В. Фрунзе, А.А. Фрунзе — Москва: ИД Скимен, 2002-2003.-336с.;
3. Курс лекций по микроконтроллерам. — Минск: БГУИР, 2013. — 90 с.;
4. Ланин В.Л. разработка радиоэлектронных средств: учебно-методическое пособие / В.Л. Ланин, А.П. Достанко, А.А. Хмыль. — Минск : БГУИР, 2013. — 107с.;
5. Строев В.М. Проектирование измерительных мед устройств с микропроцессорным управлением: учебное пособие / В.М. Строев, А.Ю. Куликов, С.В. Фролов. — Тамбов: Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2012. — 96 c. ;
6. ГОСТ 19687-89. — Приборы для измерения биоэлектрических потенциалов сердца: общие технические требования и способы тесты / Москва, 1989. — 25 с.;
7. Дефибриллятор-монитор ДКИ-Н-08 «АКСИОН-Х» Управление по ремонту;
8. Даташиты к аналоговым и цифровым микросхемам, термопринтеру, модулю беспроводной передачи данных;
9. Четверткова И.И. Резисторы. Справочник / И.И. Четверткова, В.М. Терехова — Москва: Радио и связь, 1991. — 528 с.;
10. Горячева Г.А. Конденсаторы. Справочник / Г.А. Горячева, Е.Р. Добромыслов — Москва: Радио и связь, 1984. — 468 с.;
]]>