Курсовая работа (т): Блок управления переносным цифровым электрокардиографом

Кроме описанных выше, существуют и другие типы отведений:

      отведения по Нэбу, которые находят применение для диагностики очаговых изменений миокарда задней стенки (отведение Д), переднебоковой стенки (отведение А) и верхних отделов передней стенки (отведение Y);

      отведение по Лиану, или S5, применяют для уточнения диагноза сложных аритмий, его регистрируют при положении рукоятки 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 или слева от него, в зависимости от того, при каком положении электрода лучше выявляется зубец Р;

      отведения по Слапаку-Партилле применяют для уточнения изменений в задней стенке при наличии глубокого зуба Q во II, III, AVF-отведениях;

      отведение по Клетэну применяют для уточнения изменения в нижней стенке левого желудочка. При этом электрод от правой руки помещают на рукоятку грудины, второй электрод остается на левой ноге. ЭКГ регистрируют в положении переключателя - II стандартное отведение.

ЭКГ аппарат своим главным отличием являет способность прибора фиксировать то или иное количество каналов одновременно. Самый распространенный одноканальный электрокардиограф снимает один канал, последовательно, один за другим. Другие кардиографы имеют способность снимать 3, 6, 12 каналов одновременно, так же последовательно, друг за другом. Наиболее эффективным из этих аппаратов считается аппарат, способный снимать 12 каналов одновременно. Именно по этой причине в настоящее время наибольшее распространение получили многоканальные аппараты ЭКГ.

. Анализ технического задания

Согласно технического задания необходимо проектировать блок управления переносным цифровым электрокардиографом. Необходимо разработать наиболее экономически выгодный прибор и в тоже время, чтобы он соответствовал ГОСТу, метрологическим стандартам и был безопасным для потенциального пациента.

Разность потенциалов с поверхности тела снимается посредством металлических электродов, укрепленных на различных участках тела резиновыми ремнями, зажимами или грушами.

Малое напряжение (не более 10 мВ), воспринимаемое электродами, подается на систему биоусилителей. В результате усиления небольшие колебания напряжения усиливаются во много раз и подаются в регистрирующее устройство прибора.

Электрокардиограмму регистрируют на бумаге чернильным или тепловым способом. Так как чернильный метод регистрации ЭДС в настоящее время практически не используется по причине значительных погрешностей и трудоемкости процесса изготовления, его рассматривать не будем.

Проектируемый электрокардиограф условно можно разделить на следующие блоки:

•        Входной узел (используем 2 стандартных отведения);

•        Преобразовательный узел;

•        Обрабатывающий узел с устройством управления (клавиатура);

•        Узел отображения (индикации и сигнализации пульса);

•        Узел регистратора (пишущий узел, а также SD карта для хранения информации);

•        Узел связи с внешней средой (Bluetooth-интерфейс);

•        Узел питания (используется перезаряжаемая батарея).

Входной узел в свою очередь состоит из:

Входного кабеля (кабеля пациента) с определенным количеством электродов. Для данного ТЗ необходимо 3 электрода, накладываемые на конечности и электрод активной земли, накладываемый на правую ногу;

Блока входных усилителей, включающего фильтры высокой частоты, фильтры низкой частоты и непосредственно усилителей. Три усиленных сигнала R, L, F формируют сигнал подавления помехи по обратной связи, который подается на правую ногу N. Первый каскад усиления представляет собой инструментальный усилитель на базе недорогой микросхемы AD620. Данная микросхема обеспечивает необходимый коэффициент ослабления синфазного сигнала КОСС=100 дБ, имеет низкое напряжение шума и требует единственный внешний резистор для задания коэффициента усиления. Для того, чтобы избежать насыщения выхода при возможном входном постоянном смещении ±300 мВ и размахе выходного напряжения AD620 ±3,8 В коэффициент усиления инструментального усилителя не должен превышать 12,6. Таким образом, с учетом запаса, выберем коэффициент усиления первого каскада равным 7.

Преобразовательный узел:

Поскольку практически все современные электрокардиографические приборы являются цифровыми устройствами (имеют в своем составе микроконтроллер), то имеется узел преобразования аналоговых сигналов в цифровые - аналого-цифровой преобразователь определенной разрядности. Существуют микроконтроллеры со встроенным АЦП, например ADuC842 со встроенным 12-разрядным АЦП. Наличие цифровой части прибора обосновано многими факторами это и удобство последующей обработки информации, и регулируемая точность представления, и гибкость изменения алгоритмов обработки и прочее.

Узел отображения (индикации и сигнализации пульса):

Узел индикации должен показывать оператору режимы работы, в которых находиться прибор. Допускается функциональное совмещение индикации с клавиатурой (панелью управления) для изменения режимов работы прибора. Также необходима звуковая сигнализация пульса, которая упростит работу с прибором при определении нарушений ритма (аритмий). Звуковую сигнализацию пульса можно проектировать на основе пикового детектора, построенного на операционном усилителе.

Узел регистратора:

В конечном итоге прибор должен отобразить электрокардиограмму, вполне определенный график изменения ЭДС сердца на твердом носителе позволяющим длительное хранение, а также запись на цифровой носитель информации (SD карту) для дальнейшей обработки полученных данных на компьютере. В качестве твердого носителя используется термобумага. Для многоканальных аппаратов ЭКГ используется принцип терморегистрации посредством так называемых термоголовок.

Термоголовка представляет собой высокопрецизионное устройство созданное посредством микротехнологий и является набором плотноупакованных терморезисторов нанесенных на керамическое или ситалловое основание в виде линейки.

Плотность размещения терморезисторов очень высока и достигает 32 точек/мм.

Промышленность выпускает термоголовки шириной от 40 мм до 300 мм. Для электрокардиографических задач регистрации на настоящее время определена минимальная допустимая плотность точек как 6-8 точек/мм. И таким образом можно подсчитать, что количество терморезисторов даже в самой узкой головке измеряется сотнями штук. Запись посредством термоголовки осуществляется так же на специальной термочувствительной бумаге. Бумага должна быть прижата по всей длине термолинии к поверхности термоголовки.

На момент касания терморезисторы в местах, где необходимо отобразить точку нагреваются, и на бумаге остается след. Терморезисторам необходимо остыть до определенного уровня.

Далее бумага продвигается с заданной скоростью и цикл регистрации повторяется. Подобный принцип регистрации удобен тем, что позволяет отображать и графики и текст с минимумом движущихся частей. Варьируя интенсивность нагрева возможна и многотоновая регистрация.

Узел связи с внешней средой:

Связь с компьютером реализована по беспроводному стандартному Bluetooth-интерфейсу, что повысило степень мобильности устройства и удобство его эксплуатации, а также гальваническую развязку пациента с компьютером.

Узел питания:

Как было сказано выше, согласно ТЗ в качестве источника питания используется перезаряжаемая батарея, лучше всего литий-ионная.

Для обеспечения метрологических требований к проектируемому прибору необходимо руководствоваться требованиями ГОСТа и международных стандартов к приборам для измерения биоэлектрических потенциалов сердца.

ГОСТ 19687-89 определяет основные характеристики приборов следующим образом:

Таблица 1

Данный прибор будет применяться с целью регистрации биологических потенциалов сердца человека, обработки полученных данных и вывода на носитель в форме, приемлемой для понимания медицинских работников, которые будут его использовать.

Портативный аппарат ЭКГ может применяться на скорой помощи и предназначены для контроля состояния сердечной деятельности на улице, на дому и в машине скорой помощи. Соответственно такой аппарат должен работать в широком диапазоне температур, влажности, сохранять начальные характеристики либо иметь отклонения в пределах допустимых погрешностей в процессе эксплуатации, быть хорошо защищен от внешних помех, таких как микроволновое излучение, излучение мобильных телефонов, фон в 50 Гц от сети переменного тока. При необходимости допускается применение экранов. Важные характеристики, которыми должен обладать данный прибор - это вибро- и ударостойкость.

Для данного прибора установлены высокие требования в плане точности и надежности снимаемых показаний, а также в плане удобства пользования. Качественная диагностическая медицинская аппаратура в состоянии обеспечить выполнение даже самых строгих отраслевых нормативов. ЭКГ аппарат, вспомогательное к нему оборудование и алгоритмы обработки полученных данных электрокардиограммы дают возможность быстро получить всю необходимую информацию, а также позволяет упростить процесс обследования и повысить его качество.

Все выше указанные требования достигаются выполнением ГОСТа 19687-89 и должны быть учтены на стадии разработки функциональной схемы.

Исходя из данных технического задания и метрологических требований можно сделать следующие выводы:

.        использование в качестве материала электродов с наименьшим удельным сопротивление. Это требование выполняется при нанесении на поверхность металла состава, состоящего из серебра и его хлорида в соотношении 3:7;

.        усилитель биопотенциалов необходимо проектировать по 2-х каскадной схеме с управляемой землей для устранения синфазных помех и достаточного уровня усиления полезных сигналов и их выделения из общего сигнала;

.        преобразование аналогового сигнала в цифровой с наименьшим погрешностями, используя 8-разрядный АЦП, что также увеличит и быстродействие аппарата;

.        беспроводной интерфейс должен обеспечивать прямую передачу данных на персональный компьютер в режиме реального времени;

.        использование переносного источника питания накладывает ограничение на потребляемую мощность аппарата и соответственно на напряжение батареи;

.        микроконтроллер должен обеспечивать одновременную передачу данных по интерфейсу Bluetooth и запись на SD-карту, для чего необходимо наличие UART-интерфейса и SPI;

.        звуковая сигнализация должна иметь низкое энергопотребление.

Функции прибора:

.        выполнение пользовательских настроек (выбор отведения для регистрации ЭКГ, выбор скорости записи ЭКГ, выбор алгоритмов обработки данных, работа с беспроводным интерфейсом);

.        усиление и фильтрация биоэлектрических сигналов;

.        выполнение диагностической процедуры, оцифровка и сохранение данных на SD-карте;

.        сигнализация пульса пациента;

.        сигнализация плохого контакта электродов с кожными покровами пациента;

.        вывод информации на персональный компьютер, используя беспроводной интерфейс;

. Разработка структурной схемы

Структурная схема кардиографа изображена на чертеже в приложении. Рассмотрим подробнее каждый из узлов электрокардиографа.

Блок усиления и фильтрации применяется для усиления биопотенциалов человека и устранения либо значительного ослабления синфазных помех. Основными усилительными элементами являются 2 (на каждое из отведений) операционных усилителя (ОУ) типа AD620A, который обладает высокой точностью и превосходными характеристиками на постоянном токе: коэффициент ослабления синфазного сигнала КОСС=100 dB на частотах вплоть до 1 кГц, смещение на входе не более 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 внешний резистор, задающий коэффициент усиления. В схеме обратной связи, предназначенной для компенсации синфазного сигнала, применен операционный усилитель типа AD705J - малопотребляющий прецизионный ОУ с чрезвычайно высоким коэффициентом ослабления синфазного сигнала (мин. значение 114 дБ). Эта схема подает на правую ногу пациента напряжение, компенсирующее синфазную составляющую сигнала с целью устранить влияние синфазного сигнала. Так же необходимо использовать ФНЧ и ФВЧ, которые должны усиливать основной сигнал. Частота среза ФНЧ должна составлять примерно 100 Гц, а для ФВЧ - примерно 0,03 Гц. Оба фильтра необходимо делать на основе RC контуров. Коэффициент усиления второго каскада составляет около 143. Для этих целей подходит ОУ LM334N. В одном корпусе данной микросхемы находится 4 ОУ. Три из них применяются для построения пикового детектора, цель которого - определение зубцов R и сигнализация пульса. В качестве звукового сигнализатора используется пьезокерамическая пищалка.

Аналого-цифровой преобразователь 8-разрядный, последовательного действия TLC549IP.

Микроконтроллер, как было сказано выше, должен иметь интерфейс UART и SPI для работы с bluetooth и SD-картой соответственно. Можно использовать МК AT89S8253 фирмы Atmel. Он выпускается в 40-pin DIP-корпусе.

Соответственно bluetooth должен иметь UART интерфейс. Для этих целей используем готовый модуль Wireless Bluetooth 2.0 RS232 TTL Transceiver module.

В качестве термопринтера можно использовать практически любой. Допустим, Fujitsu FTP-628 MCL-054.

В связи со всем вышесказанным возникает необходимость использовать двухполярное питание на 5 В и однополярное на 3,3 В. Для этих целей в блоке питания применятся инверторы ADP3000-5V и ADP3604. Первый из них преобразует 3,6В от источника питания в 5В, а второй преобразует +5В в -5В. Также необходимо 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 пояснительной записке.

. Разработка схемы электрической принципиальной

Первый каскад усиления представляет собой инструментальный усилитель на базе недорогой микросхемы AD620 (DA3 и DA4). Данная микросхема обеспечивает необходимый коэффициент ослабления синфазного сигнала КОСС=100 дБ, имеет низкое напряжение шума и требует единственный внешний резистор для задания коэффициента усиления, по одному резистору для каждого канала (R1=R2=R3=R4=220 кОм). Для того, чтобы избежать насыщения выхода при возможном входном постоянном смещении ±300 мВ и размахе выходного напряжения AD620 ±3,8 В коэффициент усиления инструментального усилителя не должен превышать 12,6. Таким образом, с учетом запаса, выберем коэффициент усиления первого каскада равным 7.

В схеме обратной связи, предназначенной для компенсации синфазного сигнала, могут быть применены операционные усилители (по одному для каждого отведения) типа AD705J (DA1 и DA2) - малопотребляющий прецизионный ОУ с чрезвычайно высоким коэффициентом ослабления синфазного сигнала (мин. значение 114 дБ). Эта схема подает на пациента напряжение, компенсирующее синфазную составляющую сигнала с целью устранить влияние синфазного сигнала.

В качестве клавиши выбора отведений используем двухпозиционный переключатель SA1, который установлен сразу же на выходе инструментального усилителя.

На выходе переключателя установлен простейший 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 необходимо для дальнейшего усиления сигнала. Вторые каскады усиления обеспечивают основное усиление с коэффициентом Кус=143 и смещение сигнала на величину Uсм=1,25 В (половина диапазона АЦП). В качестве ОУ второго каскада усиления применена микросхема LM334N, а точнее ее четверть DA5.1. Остальные ¾ (DA5.2, DA5.3, DA5.4) используем для построения пикового детектора. Для сигнализации пульса применяется пьезокерамический звукоизлучатель HA1. Далее 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:

Следовательно

для ФВЧ RC=5,305, а для ФНЧ RC=0,00159.

Значит С3=53 мкФ, R15=100кОм, C6=16нФ, R18=100кОм.

Коэффициент усиления второго каскада определяется как соотношение

Кус=R18/R17,

значит R18=143*R17. При R17=100Ом, R17=14,3кОм.

После усиления сигнал поступает на АЦП DD1 (TLC549IP). Преобразованный сигнал поступает на микроконтроллер DD3 AT89S8253.

Кварцевый генератор ZQ1 имеет частоту 12 МГц.

Подключение SD-карты к МК осуществляется посредством SPI интерфейса. Для согласования напряжений микроконтроллера и разъема для подключения карты памяти применяются 4 аналоговые микросхемы DA6...DA9 SN74LVC1T45 от Texas Instruments.

Модуль Bluetooth подключается посредством UART интерфейса. В этом случае также необходимо согласование по уровням напряжения. Для этих целей применена транзисторная схема согласования. В качестве активных элементов использованы pnp-транзисторы VT2...VT5 BC547B. Сопротивление каждого из шести резисторов R22...R27 составляет по 1 кОм. Теперь подключим МК к нашему БТ модулю. Как написано выше, задействуем UART интерфейс, следовательно, 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, двух инверторов (DA10 ADP3000-5V и DA11 ADP3604) и аналоговых элементов. Его цель - обеспечение питания различными по уровню напряжениями. Для уровня в 5В необходимо двухполярное питание. Для выключения аппарата, с целью снижения энергопотребления, применяется клавишный выключатель SA2.

Термопринтер, драйвер шагового двигателя термопринтера DD2 (L293D), а также клавиши управления присоединяются непосредственно к микроконтроллеру без согласования уровней.

С учетом всего вышеописанного, а также даташитов к микроконтроллеру, аналоговым и цифровым микросхемам, схема электрическая принципиальная, а также перечень элементов даны в приложении к пояснительной записке.

Разработка функционального алгоритма работы

При разработке микропроцессорного блока с учетом конструкции прибора в данном курсовом проекте ставится следующая задача: контролировать процесс оцифровки сигнала, его хранение запись на SD-карту и термобумагу и передача на компьютер посредством Bluetooth-интерфейса.

Работа прибора осуществляется с помощью блока управления, основой которого является микроконтроллер AT89S8253 фирмы Atmel. Для создания бесперебойной и качественной работы в программной части реализации функций прибора запускается бесконечный цикл.

В начале производится инициализация микроконтроллера. Сюда входит инициализация портов микроконтроллера, в том числе для подключения клавиш управления, вывода сигнала с АЦП, инициализация таймеров и начальных настроек АЦП, а также UART и SPI портов.

Далее проводим опрос клавиатуры и при нажатии кнопки СТАРТ запускаем процесс преобразования на АЦП и запись данных во Flash память микроконтроллера. Затем необходимо провести проверку нажатия других кнопок на клавиатуре и не подошла ли к концу память микроконтроллера. Если нажата одна из клавиш выбора скорости записи на бумагу (25 или 50), то переносим данные из памяти микроконтроллера в SD-карту, по Bluetooth-интерфейсу и выводим на печать, а также меняем скорость записи на соответствующую и продолжаем преобразование. Если нажата клавиша STOP, то останавливаем преобразование и также переносим данные из Flash памяти микроконтроллера и переходим 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.

Таким образом мы зацикливаем проверку и сигнал будет сниматься, пока не выполнено одно из вышеперечисленных условий.

5. Разработка программы работы микропроцессорного блока

В начале работы программы инициализируется микроконтроллер. После инициализации микроконтроллера происходит расчет значений, необходимых для организации корректной работы таймеров. Затем указывается битовая адресация для кнопок прибора. Далее происходит инициализация портов микроконтроллера, АЦП, таймеров, прерываний и объявление глобальных переменных.

После опрашивается клавиатура. При нажатии кнопки START устанавливается режим работы по умолчанию (скорость ленты 50 мм/с) и начинается рабочая часть программы. Если нажата клавиша 25 мм/с, выбирается соответствующий режим и прибор переходит в режим ожидания нажатия кнопки START.

В рабочей части МК по соответствующим портам получает данные от 8-ти разрядного АЦП и записывает во внутреннюю память контроллера. Из внутренней памяти данные по соответствующим портам передаются через УАПП на модуль Bluetooth, на порт DI термопринтера, а также через SPI на SD-карту. После передачи 384 бит на термопринтер, включаем высокий уровень логики на входах STB, затем подаем высокие уровни на входы драйвера шагового двигателя.

УАПП работает а первом режиме: подаем стартовый бит, затем 8 бит данных, в конце стоповый бит.

Для обеспечения бесперебойной работы зацикливаем рабочую часть программы.

При нажатии какой-либо клавиши срабатывает прерывание рабочей части и запускается программа опроса клавиатуры. Если нажата клавиша STOP, происходит остановка рабочей части и переход аппарата в режим ожидания ввода данных с клавиатуры.

Заключение

В ходе выполнения данного курсового проекта был разработан блок управления цифровым электрокардиографом, который регистрирует биопотенциалы сердца, усиливает их и записывает на бумажный носитель, SD-карту и передает на ПК. Основной же идеей этого проектирования являлось получение начальных навыков проектирования микропроцессорной системы, которое заключается в поэтапной реализации разрабатываемого устройства.

В процессе разработки были решены следующие задачи:

)        Определили функции, реализуемые аппаратной и программной частями устройства;

)        Подобрали дополнительные устройства и элементы, необходимые для разработки устройства;

)        Создали структурную схему;

)        Создали на основе структурной схемы принципиальную электрическую;

)        Разработали функциональный алгоритм работы микроконтроллера;

)        Разработали программное обеспечение для микроконтроллера.

Логическим завершением данного курсового проектирования можно считать окончание разработки программного обеспечения, которая осуществляет в данной разработке функции взаимосвязи всех элементов аппаратной части устройства между собой.

Список использованной литературы

1.   Учебное методическое пособие по курсовому проектированию - Минск: БГУИР, 2013. - 89 с.;

2.      Фрунзе А.В. Микроконтроллеры? Это же просто! Том 1-3 / А.В. Фрунзе, А.А. Фрунзе - Москва: ИД Скимен, 2002-2003.-336с.;

.        Курс лекций по микроконтроллерам. - Минск: БГУИР, 2013. - 90 с.;

.        Ланин В.Л. Технология радиоэлектронных средств: учебно-методическое пособие / В.Л. Ланин, А.П. Достанко, А.А. Хмыль. - Минск : БГУИР, 2013. - 107с.;

.        Строев В.М. Проектирование измерительных медицинских приборов с микропроцессорным управлением: учебное пособие / В.М. Строев, А.Ю. Куликов, С.В. Фролов. - Тамбов: Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2012. - 96 c. ;

.        ГОСТ 19687-89. - Приборы для измерения биоэлектрических потенциалов сердца: общие технические требования и методы испытания / Москва, 1989. - 25 с.;

.        Дефибриллятор-монитор ДКИ-Н-08 «АКСИОН-Х» Руководство по ремонту;

.        Даташиты к аналоговым и цифровым микросхемам, термопринтеру, модулю беспроводной передачи данных;

.        Четверткова И.И. Резисторы. Справочник / И.И. Четверткова, В.М. Терехова - Москва: Радио и связь, 1991. - 528 с.;

.        Горячева Г.А. Конденсаторы. Справочник / Г.А. Горячева, Е.Р. Добромыслов - Москва: Радио и связь, 1984. - 468 с.;