МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

технологический институт

Федерального  ГОСУДАРСТВЕННОГО   ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО   УЧРЕЖДЕНИЯ ВЫСШЕГО   ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО   ОБРАЗОВАНИЯ

«Южный  федеральный университет» 
 

Факультет    РАДИТЕХНИЧЕСКИЙ     

Кафедра   МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ     

                            К защите допустить:

Зав. кафедрой ___________________________________д.т.н., профессор О.Н. Пьявченко

« »   _____________   2009 г 
 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к  курсовому проекту по дисциплине

«Проектирование локальных информационных

микрокомпьютерных систем»

на тему:  «Система сбора и обработки данных ФПГ-канала» 
 

Руководитель       ассистент       Е.С.Синютин         

       (должность, ученая степень и звание)     
 

Студент       С.В. Ковальчук,     гр. Р-105     

                                 ( фамилия, имя, отчество, группа) 
 

« »         2009 г. 
 
 

Таганрог 2009

содержание

введение 2

1 Анализ положения СОФПГ в иерархии компьютерных систем наблюдения 2

1.1 Анализ объекта наблюдения 2

1.2 Описание метода измерения 2

1.3 Описание входных и выходных сигналов 2

1.4 Мнемосхема устройства 2

1.5 Общесистемные требования 2

1.6 Техническое задание на курсовую работу 2

2 синтез блочных структур СОФПГ 2

2.1 Разработка функциональной модульной структуры СОФПГ 2

2.2 Разработка исходной версии блочной структуры СОФПГ 2

2.3 Построение граф–схемы режимов работы и временной диаграммы режима работы 2

3 Алгоритмическая структура СОФПГ 2

3.1 Разработка алгоритма функционирования устройства в режиме измерений (основной режим работы) 2

3.2 Разработка алгоритма калибровки устройства 2

3.3 Разработка алгоритма проверки на достоверность 2

3.4 Разработка алгоритма расчета ЧСС 2

3.5 Разработка алгоритма поиска минимумов 2

3.6 Расчет вычислительной сложности алгоритмов 2

4 Проектирование структуры СОФПГ 2

4.1 Выбор датчиков системы СОФПГ 2

4.2 Расчет разрядности АЦП 2

4.2 Формирование требований к микроконтроллеру и устройству памяти данных 2

4.3 Разработка базовой электрической блок-схемы СОФПГ 2

4.4 Технические характеристики системы СОФПГ 2

заключение 2

Список использованных источников 2

Приложение А 2 

введение

    Повышающийся  в последнее время интерес  практикующих врачей к исследованию периферического кровообращения, а также общие тенденции в современной медицине, связанные с внедрением в лечебно-диагностический процесс сложных и наукоемких методов, минимизирующих инвазивность, лучевую нагрузку, химические и другие физиологически и психологически нежелательные воздействия на организм пациента, открывают сегодня новые перспективы для методов и приборов неинвазивной диагностики [1]. Одним из развивающихся направлений является фотоплетизмография, основанная на просвечивании тканей пациента световым потоком в красной или инфракрасной областях спектра.

    Внимание  к этой области медицинской техники  объясняется тем, что она дает возможность непрерывно, определять частоту сердечных сокращений (ЧСС), получать фотоплетизмограммы (ФПГ), характеризующие состояние периферических сосудов сердечно-сосудистой системы человека.

    Фотоплетизмографы могут применяться в анестезиологии для контроля при подаче наркоза, в хирургии и реанимации при мониторинге искусственной вентиляции лёгких, при лечении хронической лёгочной и сердечной недостаточности, в области функциональной диагностики для определения динамики деятельности сердечно-сосудистой системы при нагрузках и т.д.

    Применение  фотоплетизмографов в хирургии, педиатрии, токсикологии, кардиологии и других направлениях медицины позволяют существенно улучшить исходы сложных операций, уменьшить число летальных случаев при критических состояниях пациентов.

    В настоящий момент на рынке существуют технические решения, позволяющие  выполнять мониторинг деятельности сердечно-сосудистой системы и определять частоту сердечных сокращений, однако все эти приборы либо слишком  громоздки, и нет возможности  их быстрой транспортировки, либо у  них отсутствует возможность  подключения к АРМ оператора  и возможность работы в сети с  персональным компьютером. Однако, высока потребность в устройствах, лишенных данных недостатков.

    Целью данного курсового проекта является разработка проекта системы сбора  и обработки ФПГ-канала (СОФПГ), которая была бы лишена вышеперечисленных недостатков, т.е. обладала малыми габаритами и была удобной для транспортировки и обладала бы возможностью работы в составе сети с АРМ оператора.

1 Анализ положения СОФПГ в иерархии компьютерных систем наблюдения

1.1 Анализ объекта наблюдения

    Объектом  проектирования является система сбора  и обработки данных канала ФПГ.

    Объектом  наблюдения в данной работе является сердечно-сосудистая система (ССС) человека, а именно частота сердечных сокращений (ЧСС), которая рассчитывается исходя из полученной фотоплетизмограммы.

    Принцип работы всех фотоплетизмографов, являющихся спектрофотометрическими приборами, основан на отображении изменения  оптической плотности исследуемого биообъекта, вызванные пульсирующим кровотоком [1].

    В фотоплетизмографии [2] участок тканей, в котором исследуется кровоток, например палец руки, располагают на пути луча света между источником излучения и фотоприемником. Поскольку поглощение света в тканях пропорционально объему крови, проходящему через освещаемый участок, то усиливая сигнал фотоприемника можно зарегистрировать изменения его амплитуды, обусловленные артериальной пульсацией сосуда.

    Регистрация цифровой пульсовой волны (см. рисунок 1.1) основана на прохождении излучения красного цветового диапазона через палец [3].  Количество света прямо пропорционально объему крови, пульсирующей в пальце.

Рисунок 1.1 – Пульсовая волна (компоненты) 

    Прибор  для регистрации ФПГ, включает первичный  преобразователь пульсовой волны, устройство обработки сигнала и  устройство отображения информации.

    Первичный преобразователь пульсовой волны  представляет собой фотоэлектрический  датчик, состоящий из светоизлучающего диода и фотоприемника. Конструктивно датчик выполнен так, что излучатели и фотоприемник располагаются на поверхности тела таким образом, чтобы на фотоприемник поступал свет излучателей, ослабленный участком живой ткани. Для пальцевого датчика излучатель располагается над ногтевой пластинкой, а фотоприемник с противоположной стороны пальцевой фаланги.

1.2 Описание метода измерения

    Согласно  закону Бера-Ламберта [1], величина абсорбции света пропорциональна толщине слоя поглощающего вещества, т.е. при исследовании кровотока определяется размером сосуда или объемом крови, проходящим через исследуемый участок тканей. Сужение и расширение сосуда под действием пульсации кровотока вызывают соответствующее изменение амплитуды сигнала, получаемого с выхода фотоприемника.

    Фотоплетизмограмма, получаемая после усиления и обработки сигнала с фотоприемника (см. рисунок 1.2), характеризует состояние кровотока в месте расположения датчика.

Рисунок 1.2 – Абсорбция света в тканях 

    Изменения в форме ФПГ могут указывать  на развитие гемодинамических нарушений  на исследуемом участке сосудистого  русла, поэтому ФПГ отображается на графическом дисплее монитора для использования в клинической  диагностике.

1.3 Описание входных и выходных сигналов

    Характеристики  входных и выходных сигналов представлены в таблицах 1.1 и 1.2. 

Таблица 1.1 - Таблица параметров входной переменной

Таблица 1.2 - Таблица параметров выходных переменных

1.4 Мнемосхема устройства

    Мнемосхема объекта проектирования представлена на рисунке 1.3. 

Рисунок 1.3 – Мнемосхема СОФПГ 

    После включения устройства, Оператор с  ПК связывается с устройством  по интерфейсу USB и настраивает соединение. Затем посылает сигнал о начале измерения. Устройство производит измерения с  ФПГ датчика, обрабатывает данные и  передает в ПК, где происходит отображение  ФПГ сигнала на АРМ оператора.

1.5 Общесистемные требования

1.5.1 Целевая функция, реализуемая проектируемым объектом

    Целевой функцией проектируемой системы является регистрация ФПГ человека, первичная обработка данного сигнала (расчет ЧСС) и передача фотоплетизмограммы по сетевому каналу в ПК для мониторинга и дальнейшей обработки.

1.5.2 Содержание и форма представления информационного объекта (ФПГ-сигнала)

    Количество  каналов: 1;

    Диапазон  входного сигнала: 0 – 5.0 В;

    Частота изменения сигнала ФПГ: 40-80 Гц;

    Частота выборки сигнала: 1 кГц;

1.5.3 Технико-экономические требования

    Система сбора и обработки данных ФПГ-канала должна иметь автономное питание, обеспечивать измерения с сохранением во внутренней памяти полученных данных. Время записи устройства – не менее 30 минут. Вес устройства – не более 0.4 кг.

    Разрабатываемое устройство будет применяться либо в медицинских учреждениях, либо на дому.

      Условия эксплуатации:

• температура от 10 до 45ºС;
• относительная влажность от 10 до 95%, без конденсации.

    Конструкция изделия должна исключать неправильного  подключения разъемов и отведений, а также обеспечивать простоту в  эксплуатации.

1.5.4 Режимы функционирования

    Режимы  работы прибора:

1. «Холодный пуск», происходит инициализация программ, загрузка конфигурационных данных.
2. «Калибровка», производиться диагностирование правильности подключения датчика, а также внутренних блоков изделия.
3. «Работа», изделие выполняет снятие сигнала, происходит его первичная обработка и пересылка в сетевой канал по соответствующему алгоритму.
4. «Ожидание», вычисления прекращаются, и изделие находится в состоянии ожидания команды на продолжение работы.
5. «Аварийный режим», устройство или какой-либо компонент неисправен.

1.5.5 Число, разновидности и характеристики входных и выходных сигналов

    Входные и выходные сигналы описаны в  п.1.3, в таблицах 1.1-1.2.

1.5.6 Наличие пульта оператора, реализуемые им функции

    Разрабатываемое устройство подключается к ПК посредством  интерфейса USB. Установленное на нём  программное обеспечение реализует  отображение ФПГ сигнала оператору на монитор и сохранение в базу данных.

1.5.7 Типы излучателей, датчиков и предъявляемые требования

    К излучающим диодам, используемым в фотоплетизмографах, предъявляются следующие требования:

• красный излучающий диод должен иметь длину волны в максимуме спектральной полосы 660 нм;
• мощность излучения в угле   должна быть не менее 0,4мВт;
• у красного излучающего диода должна отсутствовать побочная полоса излучения в зоне чувствительности фото приемного устройства;
• погрешность светодиода не более 1%;
• время нарастания и спада импульса излучения по уровню 0.1 – 0.9 должна быть не более 1 – 2 мкс;

    К фото приемному устройству предъявляются  следующие требования:  монохроматическая  чувствительность (в области красного спектра не менее 0,3 А/Вт, в области  инфракрасного спектра не менее 0,5 А/Вт) при низком уровне шума. Погрешность  его должна быть не выше 1%.

1.6 Техническое задание  на курсовую работу

1.6.1 Наименование работы

    Наименование: «Система сбора и обработки данных ФПГ канала».

    Шифр: «СОФПГ».

1.6.2 Основание для разработки

    Основание для разработки является необходимость  выполнения курсового проекта в  рамках учебного плана по специальности 230201 “Информационные системы и технологии” и дальнейшая работа над дипломным проектом.

1.6.3 Цель и назначение работы

    Целью выполнения работы является разработка алгоритмов, построение блочной структур программных средств, временных  диаграмм работы и определение технических  характеристик изделия.

    Разрабатываемое устройство предназначено для регистрации  ФПГ человека, первичной обработки данного сигнала и передачи данных по сетевому каналу в ПК для мониторинга и вторичной обработки.

    Основные  задачи, решаемые при выполнении работы:

1. синтез функциональной модульной структуры изделия;
2. разработка блочной структуры алгоритмов работы изделия;
3. разработка алгоритмов обработки данных;
4. расчет технических характеристик изделия;
5. синтез блочной структуры аппаратных средств изделия и временных диаграмм его работы;
6. разработка блочной структуры программного обеспечения;
7. разработка ТЗ на дальнейшее проектирование.

1.6.4 Технические требования к системе

1.6.4.1 Состав системы

    Изделие должно состоять из следующих компонентов:

• аппаратного и программного обеспечения, поддерживающего выполнение основных функций;
• прикладного и системного программного обеспечения;
• тестов для проверки работоспособности аппаратных и программных средств.

1.6.4.2 Общесистемные требования

    Основные  функции в составе системы:  снятие ФПГ, ее первичная обработка и выдача обработанной информации на сетевой интерфейс;

    Количество  каналов: 1;

    Частота выборки сигнала: 1 кГц;

    Сетевой протокол (простой протокол обмена);

    Связь с компьютером через интерфейс  USB.

1.6.4.3 Характеристики решаемых задач и режимов работы изделия

    Перечень  решаемых задач:

    1) загрузка параметров конфигурации;

    2) снятие сигнала ФПГ с датчика;

    3) фильтрация снятого сигнала;

    4) аналого-цифровое преобразование  сигнала;

    5) проверка полученных значений  на достоверность;

    6) обработка достоверных значений;

    7) формирование и передача результатов  в сетевой канал;

1.6.4.4 Режимы работы изделия

1. «Холодный пуск», происходит инициализация программ, загрузка конфигурационных данных.
2. «Калибровка», производиться диагностирование правильности подключения датчика, а также внутренних блоков изделия.
3. «Работа», изделие выполняет снятие сигнала, происходит его первичная обработка и пересылка в сетевой канал по соответствующему алгоритму.
4. «Ожидание», вычисления прекращаются, и изделие находится в состоянии ожидания команды на продолжение работы.
5. «Аварийный режим», устройство или какой-либо компонент неисправен.

1.6.5 Требования к аппаратуре изделия

    Условия эксплуатации:

    Температура от 10 до 45 ºС.

    Относительная влажность от 10 до 95%, без конденсации.

    Конструкция изделия должна исключать неправильного  подключения разъемов и отведений, а также обеспечивать простоту в  эксплуатации.

1.6.6 Требования к электропитанию

    Изделие  работает от аккумуляторных батарей напряжением 9 В.

1.6.7 Требования к программному обеспечению

    Программное обеспечение должно включать необходимые  для решения поставленной задачи, драйвер.

    Система программирования должна обеспечивать возможность разработки приложений на языке высокого уровня.

1.6.8 Требования к оформлению документации

    Конструкторская документация должна быть выполнена  в соответствии с ЕСКД в формате  электронных документов пакета MS Office.

    Оформление  алгоритмов и программ должно соответствовать  требованиям ЕСПД.     

1.6.9 Этапы разработки

    Этапы разработки и их содержание представлены в таблице 1.3. 

Таблица 1.3 – Этапы разработки изделия

2 синтез блочных  структур СОФПГ

2.1 Разработка функциональной  модульной структуры  СОФПГ

    Функциональная  модульная структура процесса наблюдения представляет собой ориентированный граф, у которого модули имеют наименования – имена функциональных процессов, а соединяющие модули, ориентированные дуги задают направления обмена данными [4].

    Целевой функцией разрабатываемой СОФПГ является съем ФПГ, его первичная обработка, расчет ЧСС, и передача ФПГ на интерфейс ПК, где происходит вывод результатов мониторинга.

    Режим измерения является основным режимом  работы устройства, в котором решаются основная задача (съём показаний ФПГ-канала и нахождение частоты сердечных сокращений).

    Функциональная  структура системы сбора и обработки ФПГ-канала в основном режиме работы представлена на рисунке 2.1. 
 

Рисунок 2.1 – Функциональная структура СОФПГ в режиме работы 
 

    Работа  СОФПГ в режиме измерений происходит в следующем порядке:

• снимается значение ФПГ с датчика;
• данные поступают в модуль аналоговой обработки, в котором электрический сигнал фильтруется от высокочастотных помех;
• производится АЦ-преобразование;
• сигнал проходит первичную цифровую обработку (проверка на достоверность);
• сигнал накапливается в памяти и при накоплении необходимого количества данных происходит расчет ЧСС;
• параллельно формируется пакет с данными, который пересылается на ПК;
• на ПК производится отображение снятой пульсограммы и сохранение в БД.

2.2 Разработка исходной  версии блочной  структуры СОФПГ

    На  основании функциональной модульной структуры была разработана структурная схема (см. рисунок 2), обеспечивающая функционирование системы сбора и обработки данных ФПГ-канала в режим измерения [4]. 
 

Рисунок 2.2 – Блочная структура СОФПГ 
 

    Структурная схема разрабатываемой системы СОФПГ состоит из следующих элементов: