Инженерно-психологическое и эргономическое проектирование Монитора пациента
4.1 Функциональная схема периферийного модуля
Исходя из задач, решаемых периферийным процессором: управление аналоговым каналом ввода информации с датчиков, прием потоков данных от датчиков, первичная обработка потоков данных (фильтрация, децинация и т.д.), накопление информации с датчиков в устройствах долговременного хранения информации, передача информации в процессор отображения была разработана функциональная схема периферийного модуля, которая представлена на демонстрационном чертеже ГУИР.403200.001 Э2.
Основой периферийного процессора является однокристальная микроЭВМ, функционирующая по жесткой программе и осуществляющая инициализацию всего процессора вцелом и управление его работой. Для обмена информацией между устройствами процессора служит коммутационная среда на базе программируемых логических интегральных схем. Конфигурирование программируемых логических интегральных схем осуществляется однокристальной микроЭВМ.
Информация для конфигурирования находится в последовательном запоминающем устройстве и считывается из него по последовательному интерфейсу. Далее полученная информация заносится в программируемую логическую интегральную схему, на базе которой образуется коммутационная среда. Такое решение позволяет легко адаптироваться к меняющемуся аналоговому оборудованию и позволяет иметь несколько возможных структур коммутационной среды.
Коммутационная среда позволяет однокристальной микроЭВМ управлять аналоговым каналом цифрового масштабирующего усилителя по последовательному интерфейсу, мультиплексором, устройством выборки хранения и аналого-цифровым преобразователем напрямую, а также получать информацию из аналого-цифрового преобразователя. Также коммутационная среда позволяет накапливать и извлекать данные, получаемые от датчиков в запоминающее устройство последовательного типа.
Также с помощью коммутационной среды образуется интерфейс для связи с процессором отображения. Для решения задач первичной обработки сигналов опционно в периферийный процессор может быть включен процессор цифровой обработки сигналов. Программирование его осуществляется через коммутационную среду. Программа находится в последовательном запоминающем устройстве. Процессор цифровой обработки сигналов может обмениваться данными непосредственно с каналом аналогового ввода или однокристальной электронной вычислительной машиной.
Такая функциональная схема позволяет обеспечить функциональную гибкость за счет введения адапционных функций (процессор цифровой обработки сигналов и коммутационная среда).
Особенностями разработки является применение интеллектуальных датчиков, выполняющих функцию предварительной обработки сигналов и их оцифровки. Применение последовательного протокола передачи (UART), возможность оперативного внесения изменений в формат передачи данных позволяют осуществлять построение территориально распределенных систем сбора информации с выводом ее как на специализированный монитор, так и на стандартный персональный компьютер. При использовании помехозащищенного кодирования и электрического интерфейса RS-485 осуществлять передачу на расстояние до 1200 м.
Входы аналого-цифрового преобразователя могут быть сконфигурированы как дифференциальные или как псевдодифференциальные. Интегральная микросхема имеет последовательный интерфейс. Установка коэффициента усиления и полярности сигнала выполняются программно через последовательный порт.
AD7714 имеет отличные статические характеристики: отсутствие пропущенных кодов до 24 разрядов, точность + 0, 0015% и малый шум (среднеквадратичное значение 140нВ). Ошибки на концах шкалы и эффекты температурного дрейфа устраняются внутренней автокалибровкой, при которой корректируются ошибки нуля и полной шкалы.
Микроконтроллер выполнен на базе микросхемы XC95288XL - высокопроизводительной CPLD фирмы Xilinx, состоящей из 16-ти 54V18 функциональных блоков (288 макро ячеек), емкостью 6400 логических вентилей и задержкой распространения сигнала контакт - контакт 10 нс. Микросхемы семейства XC9500XL могут использоваться в крупносерийной аппаратуре, а также в системах, где требуется перепрограммирование "на ходу".
Особенности перепрограммируемых в системе программируемых логических интегральных схем CPLD семейства XC9500XL:
- корпуса малого размера VQFP, TQFP и CSP;
- совместимость по входу с 5В, 3.3В и 2.5В сигналами;
- возможность программирования в системе;
- не менее 10 000 циклов запись/стирание;
- программирование/стирание в полном коммерческом и промышленном диапазоне напряжения питания и температур;
- гарантированный срок хранения конфигурации 20 лет;
- расширенные возможности закрепления выводов перед трассировкой;
- программируемый режим пониженной потребляемой мощности в каждой макро ячейке;
- расширенная возможность защиты схемы от копирования;
- полная поддержка периферийного сканирования в соответствии со стандартом IEEE Std1149/1 (JTAG).
Эти и другие особенности послужили основанием для выбора данной элементной базы. Микроконтроллер выполняет следующие функции:
- выполняет первоначальную запись требуемых значений внутренних регистров аналого-цифрового преобразователя;
- осуществляет опрос регистра данных аналого-цифрового преобразователя асинхронно или синхронно;
- может осуществлять (если это необходимо) предварительную цифровую обработку полученной информации (например, фильтрацию);
- формирование логического интерфейса UART для последующей передачи информации по последовательному интерфейсу;
- управление драйвером интерфейса RS-485.
В структуре канала измерения частоты дыхания по сравнению с каналом измерения температуры меняется только первичный преобразователь частоты дыхания.
Отличительной особенностью структуры канала измерения SPO2 является наличие предварительного усилителя, усиливающего сигнал инфракрасного фотодиода и согласованного по выходу с аналого-цифровым преобразователем, инфракрасного излучателя, управляемого микроконтроллером.
Структура канала измерения артериального давления имеет свои характерные особенности. На входы аналого-цифрового преобразователя подаются сигналы от первичного преобразователя артериального давления и микрофон, считывание информации происходит поочередно с двух преобразователей. А контроллер помимо интерфейса управляет драйвером двигателя компрессора в соответствии с заданным алгоритмом.
Структура канала измерения электрокардиограммы, приведенная на рисунке 4.1, имеет большие отличия от вышеописанных каналов. Вследствие того, что необходимо снимать информацию с трех отведений одновременно, три электрода подключаются попарно к изолирующим усилителям I, II, III. Далее усиленные сигналы попадают на аналоговые преобразователи I, II, III. Микроконтроллер управляет тремя АЦП одновременно и драйвером интерфейса. Информация через драйвер интерфейса в общем потоке поступает на устройство сбора, обработки, вывода информации и управления.
Рисунок 4.1 - Структура канала измерения ЭКГ