Микропроцессорный измерительный преобразователь биоэлектрических сигналов (стр. 1 из 4)

Федеральное агентство по образованию

Рязанский государственный радиотехнический университет

Кафедра ИИБМТ

Курсовая работа по дисциплине:

«Микропроцессоры и микро-ЭВМ

в медико-биологических исследованиях»

на тему:

«Микропроцессорный измерительный преобразователь биоэлектрических сигналов»

Выполнил:

Проверил:

Рязань 2008

Содержание

Введение……………………………………………………………….4

Теоретическая часть…………………………………………………..6

1. Алгоритм программы………………………………………….

2. Структурная схема……………………………………………..8

3. Функциональная схема………………………………………...9

4. Принципиальная схема………………………………………...14

5. Аналитическое описание алгоритма вычислений……………16

6. Алгоритм……………………………………………………… 20

7. Описание форматов регистров специальных функций………21

8. Программа ………………………………………………………23

9. Отладка системы в целом………………………………………28

Заключение……………………………………………………………..32

Список литературы…………………………………………………….33

Приложения…………………………………………………………….34

ВВЕДЕНИЕ

Роль и место микропроцессоров в медико-биологической практике

Микропроцессор (МП) играет такую же роль в вычислительной технике, а в частности в медико-биологических исследованиях, как и центральный процессор ЭВМ. Высокая серийность и надежность МП при малых габаритных размерах и низкой стоимости аппаратуры, разработанной на их основе, делает возможным их широкое распространение в медицинских приборах и системах.

На основе МП могут быть построены вычислительные и управляющие устройства, позволяющие автоматизировать практически все процессы в медицине:

- прием больного на учет в поликлинике и выделение места в больнице;

- ведение истории болезни;

- обработка данных осмотра и опроса больного;

- проведение функциональной диагностики и клинико-лабораторного анализа;

- контроль за состоянием больных и их лечением.

Среди многочисленных применений МП в медицинских приборах и системах можно выделить два основных направления, оказавшихся наиболее плодотворными.

Первое направление заключается в усовершенствовании медицинских диагностических приборов с целью уменьшения объема рутинных операций и упрощения взаимодействия с прибором неквалифицированного персонала. Для этого в приборах автоматизируется функции управления, улучшается формы представления выходных данных за счет применения отображения текста и графиков на дисплее прибора, осуществляется контроль корректности ввода данных и обеспечивается самоконтроль неисправностей. Это направление затронуло практически все виды медицинских диагностических приборов.

Второе направление связано с автоматизацией сбора, обработи, передачи и анализа биологических сигналов. Автоматический анализ биологических сигналов находит применение в клинической медицине для функциональной диагностики и автоматизированного наблюдения за больными, профилактической медицине при профосмотрах и массовых обследованиях населения, авиакосмической и спортивной медицине для контроля состояния человек,находящегося в экстремальных условиях, и т. П.

Большинство медицинских сигналов по своей природе являются непрерывными (аналоговыми). Широкое применение цифровых устройств и компьютеров для обработки медико-биологических сигналов невозможно без применения устройств преобразования аналоговых сигналов в цифровые, то есть без преобразователей биоэлектрических сигналов.

Измерительный преобразователь биоэлектрических сигналов используется для регистрации физиологических параметров пациента и передачи их в ПК для последующей реализации методик лечения по методу биологической обратной связи (БОС) в центрах реабилитации и профилактики, в учебных заведениях. Диапазоны измерения: ЧСС от 20 до 200 1/мин, погрешность 1 1/мин; ЧД от 10 до 120 1/мин, погрешность 1 1/мин; сопротивления кожного покрова от 10 до 500 кОм, погрешность 5%; температуры от 34 до 40⁰С, погрешность 0,1⁰С.

Архитектура микроконтроллера AduC816

AduC816 является законченным препроцессором интеллектуального датчика (преобразователя), включающим в себя: два сигма-дельта АЦП высокого разрешения, 8-разрядное микропроцессорное устройство управления, встроенную неразрушаемую FLASH/EE память программ/данных. Это малопотребляющее устройство принимает сигналы низкого уровня непосредственно с первичного преобразователя.

Кроме двух независимых АЦП (основного и дополнительного ) в составе имеется датчик температуры и усилитель PGA, что позволяет выполнять прямые измерения сигналов низкого уровня. АЦП с встроенным цифровым фильтром предназначены для измерения низкочастотных сигналов в широком динамическом диапазоне таких, как сигналы с устройств взвешивания, тензометров или сигналы с температурных датчиков. Частота (поток) данных на выходе АЦП программируется, и его выходное разрешение будет меняться в зависимости от установленных усиления и частоты.

Устройство работает с кварцем 32 Кгц, а встроенная система ФАПЧ образует требуемую частоту 12.58 МГц. Эта частота подаётся на программируемый делитель, на выходе которого и образуется рабочая тактовая частота ядра. Ядро представляет собой микроконтроллер 8052, поэтому система команд совместима с набором 8051. машинный цикл ядра состоит из 12 циклов рабочей тактовой частоты. На кристалле содержится 8Кб неразрушаемой FLASH/EE памяти программ, 640 байт FLASH/EE памяти данных и 256 байт оперативной памяти данных с произвольным доступом (RAM).

В составе AduC816 имеются дополнительные аналоговые элементы: 12-разрядный ЦАП, источники тока, монитор источника питания. Встроенная цифровая периферия кристалла включает в себя: сторожевой таймер, счётчик временного интервала, три таймера/счётчика и последовательные порты. Заводское ПЗУ поддерживает режимы последовательной загрузки и отладки (через UART). Устройство работает от источника питания от +3В до +5В.

Подробная блок-схема AduC816 показана на рис. 1.

Структурная схема

X – измеряемая величина

Y – выходная величина

Блок предварительной обработки производит усиление, фильтрацию и аналого-цифровое преобразование сигнала. Цифровой сигнал поступает в общую магистраль, связанную с МПС и внешними устройствами. Микропроцессорная система осуществляет обработку цифрового сигнала, сравнение его с пороговыми величинами и отображение результатов обработки посредством периферийных устройств.

Функциональная схема

Схема преобразователя, разрабатываемая в данной курсовой работе, носит название 4-проводного подключения. Она включает в себя основной сигма-дельта АЦП, предназначенный для преобразования сигналов первичных датчиков.

Сигма-дельта АЦП являются преобразователями интегрирующего типа. Основным принципом их работы является усреднение результатов измерения на большом интервале времени для уменьшения погрешности, вносимой шумами, и увеличения разрешающей способности.

В составе AduC816 имеются так же два одинаковых источника постоянного тока 200мА. Они оба подают ток с AVDD на вывод #3 (IEXC1) или вывод #4(IEXC2). Источники тока программируемы и их можно сконфигурировать как отдельные токи по 200мкА на оба вывода микросхемы, либо объединить в один ток 400 мкА и подать на любой из выводов. Эти токи можно использовать для возбуждения внешнего резистивного моста либо резистивного датчика температуры.

Основной АЦП имеет четыре связанных с ним входных вывода, обозначаемых как AIN1-AIN4, которые можно сконфигурировать как два полных дифференциальных канала. Схема для выполнения аналогового измерения, в данном случае - интерфейс к термопреобразователю сопротивления (ТС), использует два вывода AIN1 и AIN2. Внешнее дифференциальное опорное напряжение создаётся током, протекающим через резистор R1. Этот же ток протекает непосредственно через ТС, на котором создаётся дифференциальное напряжение, пропорциональное температуре. Это дифференциальное напряжение подаётся непосредственно на положительный и отрицательный входы основного АЦП (AIN1 и AIN2 соответственно). Второй внешний резистор,R2, используется для гарантии того, чтобы абсолютная величина аналогового напряжения на отрицательном входе не стала ниже предельного значения, специфицированного для AduC816, т.е., AGND+100мВ.

Вход канала можно программировать на один из восьми диапазонов входных сигналов от ±20мВ до ±2.56В.

Аналоговые входы AduC816 могут принимать однополярные (униполярные) либо биполярные входные сигналы. Наличие диапазонов для обработки биполярных сигналов не означает подачу на вход отрицательного напряжения относительно системной земли AGND. Однополярные и биполярные сигналы на входе AIN(+) основного АЦП являются таковыми только по отношению к напряжению (относительно) на входе AIN(-). Например, если на входе AIN(-) присутствует напряжение 2.5 В, а АЦП сконфигурирован для работы с однополярным напряжением, в диапазоне 0мВ-+20мВ, то допустимый диапазон напряжений на входе AIN(+) составит 2.5-2.52. Если на входе AIN(-) присутствует напряжение 2.5В, и AduC816 сконфигурирован для работы с напряжением в диапазоне ±1.28В, то допустимый диапазон напряжений на входе AIN(+) составит 1.22-3.78В, т.е. 2.5В±1.28В.

Входной мультиплексор подключает выбранный входной канал к внутреннему буферному усилителю. Буферный усилитель – каскад с высоким входным импедансом. Это означает, что устройство может работать с источниками сигнала значительного импеданса на аналоговом входе и, если потребуется, непосредственно на этом входе может выполняться RC-фильтрация для уменьшения шумов и наводок.