Компьютерный фонокардиограф

Расчет канала нормализации1. Расчет разрядности АЦПгде δдоп - допустимая погрешность (по заданию δдопmin=1%)2n=100/1=100n=7 – т.е. для обеспечения минимальной заданной погрешности достаточно 7-разрядного АЦП.По документации внутреннее АЦП МК имеет число разрядов, равное 10 при погрешности в 2 младших разряда (±2LSB). Оценим погрешность внутреннего АЦП в процентах и сравним ее с заданной:210 = 1024; 22 = 4;(4*100)/1024 = 0,390625 ≈ 0,4 %Таким образом, внутреннее АЦП МК заведомо обеспечит погрешность меньше заданной, как по каналу ФКГ, так и по каналу ЭКГ. Поэтому для реализации устройства можно использовать внутреннее АЦП МК.2. Рассчетсоотношения сигнал-шум.В общем случаекоэфф-т шума зависит от полосы частот. Оценим соотношение сигнал-шумсогласно патенту РФ 2414718[30]:Для фильтров с частотной характеристикой в звуковом диапазонене превышающем 2 кГц:Δfэ=3,479 и  C(F1)=1,565·105.Тогда K=Pc/Pш= 22492,1K(дБ) =10*LgK= 10*4,35= 43,5дБЭто очень хороший показатель, для сравнения телефонный речевой канал имеет С/Ш около 30 дБ. Которыйдостигнут за счет применения узкополосных фильтров.3. Частота дискретизации АЦП. Максимальная заданная по ТЗ частота среза фильтров равна 480 Гц.По теореме Котельникова предполагается, что можно восстановить исходный сигнал, если на входе дискретизатора стоит фильтр, который пропускает частоты до fд/2. Аналоговый входной фильтр пропускает сигналы, лежащие в полосе частот полезного сигнала до fв = 480 Гц. Для оцифровкинеобходимо выбрать частоту дискретизации fд не менее 2×fв.На практике частота дискретизации обычно выбирается в диапазоне от 2,5×fв до 4×fваналогового фильтра:fд= 4*480 = 1920 ГцТ.е. частота дискретизации используемого АЦП должна быть не ниже 2 кГц. Частота дискретизации внутреннего АЦП МК Atmega8, приведенная в документации лежит в диапазоне от 50 кГц до 200кГц и удовлетворяет полученному условию.Конструкторско-технологический раздел Принципиальная схема разработана в AltiumDesignerversion 17.0.10. За основу взят шаблон платы конструктива PC-104, на которой уместились все используемые компоненты.Таблица 10.1 - Площади, занимаемые корпусами с учетом выводовПлощадь элемента, мм2Кол-во, шт.Площадь элементов, мм2Резистор axial-0,4 - 2*11 35770Подстроечный резистор VR-3 - 7,75*34,252530,88Конденсатор RAD-0,3 - 4*11,5391794ИМС Atmega8 DIP-28 - 9*351315ИМС CP2102 QFN-28 - 5*5125ИМС TL-074 SOIC-14 - 7*9,52133ИМС AD620 SOIC-8 - 5*7135ИМС OP-07 DIP-8 - 9*11,251103,5Разъем PC104AB-64 - 5,25*81,251426,56Кварцевый резонатор - 3*4,25112,75Итого4145,69Расчет общей площади печатной платы ведется по следующей формуле:S = SR + SC + SMC + SТ + SZQ, где SR – площадь, необходимая для установки резисторов на ПП;SC – площадь, необходимая для установки конденсаторов на ПП;SMC – площадь, необходимая для установки микросхем на ПП;SТ – площадь, необходимая для установки разъемов на ПП;SZQ – площадь, необходимая для установки кварцевого резонатора на ПП.Общая площадь, занимаемая ЭРЭ на печатной плате:S = 4145,69 мм2.При расчете площади печатной платы для бытовой РЭА принято учитывать коэффициент заполнения площади ПП, Kз = 0,6. Тогда площадь печатной платы:, гдеSПП1 – площадь печатной платы;S – общая площадь, занимаемая ЭРЭ на печатной плате.Таким образом площадь платы должна быть не менееSПП1 =4145,69/0,6 = 6909,48 мм2.Площадь выбранной платы PC-104 - 90*96 мм = 8640 мм2. Можно даже уменьшить коэффициент заполнения и улучшить теплоотвод, используя аналоги компонентов в чип-корпусах. Использованы типовые каналы фильтров ФКГ с соответствующими частотным диапазонам задания расчетными номиналами элементов. Рассчитаны номиналы элементов микрофонного усилителя. МК Atmega8 [26] и интерфейс USB CP2102[27] включены по типовым схемам, приведенным в документации. Используется внутреннее  6-канальное 10-битноеАЦП МК. Плата в конструктиве PC-104 предполагает размещение в корпусе, в котором также будут установлены батарейный отсек и разъем USB. Питание основной части платы осуществляется от интерфейса USB ПК, а входной части ЭКГ – от батареек, для предотвращения поражения пациента электрическим током (гальванической развязки канала ЭКГ).Для платы конструктива PC-104 логично использование стандартного, учитывающего размеры разработанной платы, конструктива PC-104 (см. приложение В), который в принципе позволяет совместить фонокардиограф с БП и ПК в том же форм-факторе в одном корпусе для минимизации размеров и легкой мобильности.9.Трассировка печатной платы Для реализации данной задачи использовалась программа AltiumDesigner(V.18.024)Нижний СлойВерхний слой 3DМодель 9.Список литературы1. Краснов, Л. А. Фонокардиография. Технические средства электронной и компьютерной диагностики в медицине [Текст] : учеб.пособие/ Л. А. Краснов, В. П. Олейник. – Х. : Нац. аэрокосм. ун-т им. Н.Е. Жуковского «Харьк. авиац. ин-т». – 64 с. 20132. https://helpiks.org/7-69387.html3.https://www.nt-med.ru/catalog/funkcionalnaia-diagnostika/valenta/fonocardiograf-valenta4. http://fbme.univer.kharkov.ua/2014/10/kompyuternyj-fonokardiograf/5. http://ilab.xmedtest.net/?q=node/3820&page=896. Программно-аппаратный комплекс для фонокардиографических исследований. В.М. Никитин, В.В. Муромцев, Д.А. Анохин. Белгородский государственный национальный исследовательский университет. 2012. №13 (132). Выпуск 23/1 УДК 004.37. Масленников М.Ю, Соболев Е.А. Справочник разработчика и конструктора РЭА. Элементная база- М.: ТОО «Прибор», 1993.-158 с.8. Терещук Р.М., Седов С.А.Справочникрадиолюбителя.- Киев: Наукова думка, 1989.-800 с.9. Копылова К.Ф., Терпухов Н.В. Параметрические усилители низких частот- М.: Советское радио, 1973.-47 с.10. Бройдо, В. Л. Архитектура ЭВМ и систем [Текст] : учебник для вузов / В. Л. Бройдо, О. П. Ильина. – 2-е изд. – СПб.: Питер, 2009. – 720 с.11. Жмакин, А. П. Архитектура ЭВМ [Текст] / А. П. Жмакин. – СПб.: БХВ-Петербург, 2008. – 320 с.12. Таненбаум, Э. Архитектура компьютера [Текст] / Э. Таненбаум. – 5-е изд. – СПб.: Питер, 2009. – 844 с.13. Старков, В. В. Архитектура персонального компьютера: организация, устройство, работа [Текст] : учебное пособие для вузов / В. В. Старков. – М.: Горячая линия-Телеком, 2009. – 536 с.14. Учебно-методический комплекс по дисциплине «Схемотехника ЭВМ» для студ. напр. 230100.62 «Информатика и вычислительная техника» и 230200.62 «Информационные системы» [Текст] / сост. В. И. Воловач. – Тольятти : Изд-во ПВГУС, 2010. – 464 с.15. Воловач, В. И. Учебные материалы по дисциплине «Архитектура и устройства компьютерной техники» [Электронный ресурс] / В. И. Воловач, А. В. Савенко. – http://www.tolgas.ru/university/cathedra/elservice/downloads.16. Кузин, А. В. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем [Текст] : учебник А. В. Кузин, Т. А. Пескова. – М.: ФОРУМ-ИНФРА-М, 2006. – 352 с.17. Новиков, Ю. В. Основы микропроцессорной техники [Текст] : курс лекций : учеб.пособие для вузов / Ю. В. Новиков, П. К. Скоробогатов. – 3-е изд., испр. – М.: Интернет-Ун-т, Информ. Технологий, 2006. – 357 с.18. Кузин, А. В. Микропроцессорная техника [Текст] :учеб.для сред. проф. образования / А. В. Кузин, М. А. Жаворонков. – М.: Академия, 2004. – 304 с.19. Нарышкин, А. К. Цифровые устройства и микропроцессоры [Текст] : учеб.пособие для вузов радиотехн. спец. / А. К. Нарышкин. – М.: Академия, 2006. – 318 с.20. Дехтярь Г. Я. Электрокардиографическая диагностика. —2-е изд., перераб. и доп. — М.: Медицина, 1972. — 416 с.21. Минкин Р. Б., Павлов Ю. Д. Электрокардиография и фонокардиография. — Изд. 2-е, перераб. и дополн. — Л.: Медицина, 1988. — 256 с.22. Исаков И. И., Кушаковский М. С., Журавлева Н. Б. Клиническая электрокардиография (нарушения сердечного ритма и проводимости): Руководство для врачей. — Изд. 2-е перераб. и доп. — Л.: Медицина, 1984. — 272 с.23. Кардиомониторы. Аппаратура непрерывного контроля ЭКГ: Учеб. Пособие для вузов / А. Л. Барановский, А. Н. Калиниченко, Л. А. Манило и др.; Под ред. А. Л. Барановского и А. П. Немирко. — М.: Радио и связь, 1993. — 248 с.24. Panasonic. Omnidirectional Back Electret.Condenser Microphone Cartridge.Series: WM-61A WM-61B. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.panasonic.com/industrial/components/pdf/ em06_wm61_a_b_dne.pdf, свободный доступ. 25. Panasonic. OmnidirectionalElectretCondenserMicrophoneCartridge.WM-63PRT. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://industrial.panasonic.com/www-data/pdf/ABA5000/ ABA5000CE3.pdf, свободный доступ.26. ATmega8 DATASHEET. Atmel Corporation . 8-bit Atmel Microcontroller with 8KB In-System Programmable Flash. 8159E–AVR–02/201327. CP2102 DATASHEET. Silicon Labs.SINGLE-CHIP USB-TO-UART BRIDGE. Rev. 1.8 1/2017.28. AD620 DATASHEET. Analog Devices.Low Cost, Low Power Instrumentation Amplifier. REV. E29. TL074 DATASHEET. Texas Instruments.TL07xx Low-Noise JFET-Input Operational Amplifiers. SLOS080N –SEPTEMBER 1978–REVISEDJULY 201730. Пат. 2414718 РФ, МКП G01R 29/26. Способ измерения отношения сигнал-шум / А. В. Зенькович, В. Л. Балло, В. Б. Добровольский ; заявитель и патентообладатель Федер. гос. унитарное предприятие «Ордена Трудового Красного Знамени ЦНИИ «Комета». – № 2009121206/28 ;заявл. 03.06.2009 ;опубл. 10.12.10, Бюл. № 34. – Режим доступа :http://www1.fips.ru/ fips_ servl /fips_servl. – Дата обращения 20.04.13.10ЗаключениеВ результате работы была синтезирована схема фонокардиографа, соответствующая требованиям технического задания к курсовому проекту, свыводом результата на основе входных данных.В ходе работы проанализированы существующие аналогичные устройства, разработана и частично промоделирована электрическая принципиальная схема.Этапы проделанной работы:поиск необходимой справочной документации;освоение технологий проектных и исследовательских работ;выбор и обоснование технических решений;изучение современных стандартов;изучение особенностей архитектуры ЭВМ;разработана структурная схема фонокардиографа.выбрана необходимая элементная база для проектирования фонокардиографа;оформлена пояснительная записка в соответствии с действующими стандартами.Приложение БИсходный текст программы.include "m8def.inc" ;ИспользуемATMega8.include "macro.inc"; RAM ========================================================.DSEGRX_sel:.byte 1ADCH_sel:.byte 1ADCCH:.byte 8; FLASH ======================================================.CSEG .ORG $000 ; (RESET) RJMP Reset .ORG $002 RETI ; (INT0) External Interrupt Request 0 .ORG $004 RETI ; (INT1) External Interrupt Request 1 .ORG $006 RETI; (TIMER2 COMP) Timer/Counter2 Compare Match .ORG $008 RETI ; (TIMER2 OVF) Timer/Counter2 Overflow .ORG $00A RETI; (TIMER1 CAPT) Timer/Counter1 Capture Event .ORG $00C RETI; (TIMER1 COMPA) Timer/Counter1 Compare Match A .ORG $00E RETI; (TIMER1 COMPB) Timer/Counter1 Compare Match B .ORG $010 RETI; (TIMER1 OVF) Timer/Counter1 Overflow .ORG $012 RETI; (TIMER0 OVF) Timer/Counter0 Overflow .ORG $014 RETI ; (SPI,STC) Serial Transfer Complete .ORG $016 RJMPRX_OK; (USART,RXC) USART, Rx Complete .ORG $018 RETI; (USART,UDRE) USART Data Register Empty .ORG $01A RJMPTX_OK ; (USART,TXC) USART, Tx Complete .ORG $01C RJMPADC_OK ; (ADC) ADC Conversion Complete .ORG $01E RETI ; (EE_RDY) EEPROM Ready.ORG $020 RETI ; (ANA_COMP) Analog Comparator .ORG $022 RETI ; (TWI) 2-wire Serial Interface .ORG $024 RETI ; (INT2) External Interrupt Request 2 .ORG $026 RETI ; (TIMER0 COMP) Timer/Counter0 Compare Match .ORG $028 RETI ; (SPM_RDY) Store Program Memory Ready.ORG INT_VECTORS_SIZE ; Конецтаблицыпрерываний;.defACC= R16; Accumulator; Interrupts ==============================================RX_OK:PUSHF; СохраняемSREGиR16 встекеINR16,UDR; Берем принятый байтCPIR16,'0'; Case 0BREQCh_0CPIR16,'1'; Case 1BREQCh_1LDIR16,2; DefaulRJMP EXIT_RXCh_0:LDIR16,0; Если выбран 0 каналRJMP EXIT_RXCh_1:LDIR16,1; Если выбран 1 каналRJMPEXIT_RXEXIT_RX:OUTUDR,R16; Выдаем эхо и инициируем передачуSTSRX_sel,R16; Сохраняем выбранное значение каналаPOPF; Достаем регистры из стекаRETI;--------------------------------------------------------------------TX_OK:PUSHF; Сохраняем флаги и R16 LDSR16,RX_sel; Смотрим какой канал посылать на ПКCPIR16,0; Case 0BREQSend0CPIR16,1; Case 1BREQSend1; DefaultRJMPEXIT_TXSend0:LDSR16,ADCCH; ПосылаемвыбранныйканалвUARTOUTUDR,R16RJMPEXIT_TXSend1:LDSR16,ADCCH+1OUTUDR,R16RJMPEXIT_TXEXIT_TX:POPF; Достаем все из стека, выходимRETIADC_OK:PUSHFPUSHZLPUSHZHPUSHR17INR16,ADMUX; Берем ADMUXANDIR16,0x07; Маскируемлишниебиты. Получаем №;каналаскоторого было снято измерениеMOVR17,R16; Cохраняем копию номера каналаLDIZL,low(ADCCH); Адрес массива с будущими даннымиLDIZH,High(ADCCH)ADDZL,R16; Прибавляем к адресу наш номер канала.; Если было переполнение, то будет флаг СCLRR16; Флаг важен, а значение в R16 уже нет. ОбнуляемADCZH,R16; Сложим флаг возможного переполнения с ZH; Т.о. получим в Z = адрес (ADCCH+№ канала) - ;значения из разных каналов ложатся в разные ;переменные массива с базовымадресом ADCCHINR16,ADCL; Счетмладшего значения(не используем)INR16,ADCH; Берем в R16 значение из АЦПSTZ,R16;исохраняем в массив по нужному адресуINR16,ADMUX; ОпятьвзялиADMUXANDIR16,0xF8; На этот раз обнулим номер канала,;оставив остальные биты нетронутымиINCR17; Увеличим на 1 сохраненный№ каналаANDIR17,0x07; Обрежем лишнее для не переполнения,;число по маске 0х07 в принципе не;больше 7,а каналов как раз от 0 до 7 ORR16,R17; Сложим старое значение из ADMUX;c новым значением номераканала, т.е.OUTADMUX,R16;MUX = MUX+1, выбран следующий канал; Поместили его в регистр ADMUX - следующий канал;выбран. Можно запускать следующее преобразованиеOUTI ADCSRA,(1<