Модуль артериального давления диагностической системы магнитотерапевтического комплекса

Чтобы получить  +3.3 В из +15 В, нужен понижающий преобразователь напряжения. В качестве такого преобразователя выбираем микросхему MAX651.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 29 - Схема включения микросхемы MAX651.

Микросхемы  MAX651 изготавливаются в корпусе DIP8.

 

 

 

Рисунок 30 - Корпус микросхемы MAX651

 

 

6.3 Выбор микроконтроллера

Выбираем  микроконтроллер STM32F103R6T6A группы Performance (с полным набором периферийных устройств) с ядром Cortex. [16]

Cortex – это 32-битное ядро RISC-архитектуры. Оно имеет упрощенную версию программной модели ARM7/9, но расширенную систему команд с хорошей поддержкой целочисленной арифметики, лучшей битовой манипуляцией и производительностью с более «жестким» реальным временем.

Если  попытаться охарактеризовать STM32 в двух словах, то это малопотребляющий, но в то же время высокопроизводительный микроконтроллер. Он может работать от источника напряжения 2 В с тактовой частотой ядра 72 МГц со всеми включенными периферийными устройствами и при этом потреблять ток только 36 мА. В режиме сниженного энергопотребления STM32 потребляет только 2 мкА. Встроенный RC-осциллятор на 8 МГц позволяет быстро выходить из режимов сниженного энергопотребления, пока внешний осциллятор стабилизируется. Быстрый выход из режимов сниженного потребления сокращает общую энергозатратность системы.

Для STM32 требуется один источник питания с напряжением в диапазоне от 2.0 В до 3.6 В. STM32 может иметь два дополнительных источника питания, один из которых используется для АЦП. Опорное напряжение АЦП должно находиться в диапазоне от 2.4 до 3.6 В.

Диапазон  рабочих температур STM32F103R6T6A от -40 до +105˚C

STM32F103R6T6A Performance содержит в себе следующие функциональные модули:

Рисунок 31 - Архитектура микроконтроллера STM32F103R6T6A.

На первый взгляд, набор периферийных устройств  выглядит так, как и у обычного небольшого микроконтроллера. В его  состав входит АЦП, таймеры общего применения, интерфейсы I2C,SPI, CAN, USB и часы реального времени. Однако каждое из этих периферийных устройств имеет много особенностей. АЦП содержит встроенный температурный датчик и поддерживает множество режимов преобразования. Каждый из четырёх таймеров содержит 4 устройства захвата/ сравнения, и каждый таймер может объединяться с другими для создания сложных массивов таймеров. Модуль SPI содержит аппаратный генератор избыточного циклического кода (CRC). STM32 содержит модуль прямого доступа к памяти (DMA) на 7 каналов, что вообще необычно для небольших микроконтроллеров. Каждый канал может быть использован для записи/чтения регистров любых периферийных устройств. Каждое из периферийных устройств, в зависимости от задач, может быть либо отправителем, либо получателем данных от DMA-контроллера. Встроенные арбитр шины и матрица шин минимизируют арбитраж между ЦПУ и DMA. Всё это свидетельствует о гибкости DMA, о том, что он прост в использовании и действительно автоматизирует передачу данных в пределах микроконтроллера.

Достоинства микроконтроллеров семейства STM:

• Большие функциональные возможности при низкой стоимости;
• Высокая производительность при низком энергопотреблении;
• Взаимозаменяемость - у разных микроконтроллеров STM типы корпусов и расположение выводов совпадают, что позволяет легко заменять их в устройстве;
• Система отладки CoreSight, поддерживающая соединение через стандартный интерфейс JTAG, которая значительно облегчает разработку программного обеспечения;
• Возможность отдельно настраивать частоту дискретизации каждого канала многоканального АЦП.

Микроконтроллер STM32F103R6T6A имеет тип корпуса LQFP64.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 32 - Описание выводов микроконтроллера STM32F103R6T6A.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. Разработка блок-схемы алгоритма  работы устройства

Блок-схема  алгоритма работы устройства выглядит следующим образом (рис. 33):

Рисунок 33 - Алгоритм работы устройства

Любая микроконтроллерная программа начинается с инициализации  используемых переменных и инициализации  периферийных устройств. При инициализации  переменных мы задаём тип каждой переменной и её начальное значение. В отличие  от обычной программы на языке С, в программе микроконтроллера тип переменной также указывает раздел памяти микроконтроллера, в котором она будет храниться. При инициализации периферийных устройств мы разрешаем или запрещаем их работу, и настраиваем режим работы, если устройство может работать в нескольких режимах.

После того как мы инициализировали переменные и устройства, начинается непосредственно  процедура измерения. Сначала мы накачиваем воздух в манжету до максимального  значения, измеряем начальную амплитуду  осцилляций давления в манжете и  сохраняем её в памяти микроконтроллера, а затем постепенно начинаем спускать воздух из манжеты.

Спускание воздуха из манжеты происходит дискретно (порциями) с некоторым шагом в  бесконечном цикле while. На каждом шаге измеряется текущая амплитуда осцилляций давления, сохраняется в памяти микроконтроллера и сравнивается с предыдущим значением. Если амплитуда осцилляций по сравнению с предыдущим значением резко возросла, то мы измеряем текущее значение давления в манжете, принимаем его за систолическое артериальное давление пациента и выходим из цикла while. Если амплитуда осцилляций по сравнению с предыдущим значением резко (значительно) не возросла, то цикл продолжается.

Далее нам  нужно измерить диастолическое давление, поэтому мы продолжаем постепенно (дискретно) спускать воздух из манжеты в другом бесконечном цикле while. На каждом шаге вновь измеряем текущую амплитуду осцилляций давления, сохраняем её в памяти микроконтроллера и сравниваем с предыдущим значением. Как только амплитуда осцилляций начинает уменьшаться (достигает своего максимального значения), измеряем амплитуду давления в манжете и принимаем её за среднее артериальное давление пациента и выходим из цикла while. Если амплитуда продолжает возрастать, цикл продолжается.

Диастолическое давление находится по следующей формуле:

                                                                                   (7.1)

После того как мы получили величину диастолического давления, полностью спускаем воздух из манжеты и выдаём результаты измерения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8. Анализ составляющих погрешности модуля артериального давления, расчет суммарной погрешности

Погрешность каждого канала рассчитывается отдельно.

Параметры операционного усилителя  КР140УД7

Напряжение смещения:

Температурный дрейф напряжения смещения:

Входной ток смещения: =200 нА

Общая погрешность ОУ находится  по формуле:

  (8.1)

Чтобы найти  общую погрешность операционных усилителей схемы, нужно умножить погрешность  одного операционного усилителя.

Рассчитаем  погрешность предварительного усилителя, которая складывается из погрешностей  ОУ и погрешностей резисторов.

Погрешность ОУ предварительного усилителя:

 

Погрешность резисторов предварительного усилителя:

 

Тогда общая  погрешность предварительного усилителя:

 

Рассчитаем  погрешность фильтра низких частот, которая складывается из погрешностей ОУ и погрешностей резисторов.

 

Погрешность резисторов фильтра низких частот:

 

Тогда общая  погрешность фильтра низких частот:

 

Рассчитаем  погрешность фильтра высоких  частот, которая складывается из погрешностей ОУ и погрешностей резисторов.

 

Погрешность резисторов фильтра высоких частот:

 

Тогда общая  погрешность фильтра высоких  частот:

 

Так как  погрешности ФНЧ и ФВЧ равны, а ПУ у обоих каналов схемы  общий, делаем вывод, что общие погрешности  каналов схемы равны.

Рассчитаем  погрешности 12-разрядного АЦП.

Опорное напряжение АЦП U_оп=3,6 В

Найдём  величину младшего значащего разряда  АЦП:

 

Погрешность квантования АЦП обычно принимают  равной половине величины младшего значащего  разряда:

 

В нашей  схеме напряжение сигнала на входе  АЦП равно 1,8 В, тогда относительная погрешность квантования сигнала:

 

 Найдем  общую погрешность каждого из  каналов схемы:

 

Общая погрешность  всей схемы 1.26%, что не превышает величины погрешности, указанной в ТЗ (2%).

 

 

 

 

 

9.Конструкторско-технологический раздел: разработка конструкции прибора, выбор и обоснование применяемых материалов и покрытий, разработка технологии изготовления печатной платы

9.1 Методы создания печатной платы

Основными методами, применяемыми в промышленности для создания рисунка печатного монтажа, является офсетная печать, сеткография и фотопечать. Выбор метода  определяется конструкцией ПП, требуемой точностью и плотностью монтажа, производительностью оборудования и экономичностью процесса.

Самой высокой  точностью (±0,05 мм) и плотностью монтажа, соответствующими 3 – 5 классу (ширина проводников и зазоров между  ними 0,1 – 0,25 мм), характеризуется метод  фотопечати. Он состоит в контактном копировании рисунка печатного  монтажа с фотошаблона на основание, покрытое светочувствительным слоем (фоторезистом).

Печатные  платы – это элементы конструкции, которые состоят из плоских проводников  в виде участков металлизированного покрытия, размещенных на диэлектрическом  основании и обеспечивающие соединение элементов электрической цепи. Они  получили широкое распространение  в производстве модулей, ячеек и  блоков РЭА благодаря следующим  преимуществам по сравнению с  традиционным монтажом проводниками и  кабелями:

1) увеличение  плотности монтажных соединений  и возможность микроминиатюризации  изделий; 

2) получение  печатных проводников, экранирующих  поверхностей и ЭРЭ в одном  технологическом цикле; 

3) гарантированная  стабильность и повторяемость  электрических характеристик (проводимости, паразитных емкости и индуктивности);

4) повышенная  стойкость к климатическим и  механическим воздействиям;

5) унификация  и стандартизация конструктивных  и технологических решений; 

6) увеличение  надежности;

7) возможность  комплексной автоматизации сборочных  и контрольно-регулировочных работ; 

8) снижение  трудоемкости, материалоемкости и  себестоимости.

 К  недостаткам следует отнести  сложность внесения изменений  в конструкцию и ограниченную  ремонтопригодность [17].

 

9.2 Конструкционные материалы для производства печатных плат и их характеристики

Для изготовления ПП широкое распространение получили слоистые диэлектрики, состоящие из наполнителя и связующего вещества (синтетической смолы, которая может  быть термоактивной или термопластичной), керамические и металлические (с поверхностным диэлектрическим слоем) материалы. Выбор материала определяется электроизоляционными свойствами, механической прочностью, обрабатываемостью, стабильностью параметров при воздействии агрессивных сред и изменяющихся климатических условий, себестоимостью. Большинство диэлектриков выпускается промышленностью с проводящим покрытием из тонкой медной (реже никелевой или алюминиевой) электролитической фольги, которая для улучшения прочности сцепления с диэлектрическим основанием с одной стороны оксидирована или покрыта слоем хрома (1-3 мкм). Фольга характеризуется высокой чистотой состава (99,5%), пластичностью, высотой микронеровностей 0,4-0,5 мкм.

В качестве основы в слоистых диэлектриках используют электроизоляцоионную бумагу или чаще стеклянную ткань. Их пропитывают фенольной или фенолоэпоксидной смолой. Гетинакс, обладая удовлетворительными электроизоляционными свойствами в нормальных климатических условиях, хорошей обрабатываемостью, нашел применение в бытовой РЭА. Для ПП, эксплуатирующихся в сложных климатических условиях, используют более дорогие, обладающие лучшими техническими характеристиками стеклотекстолиты. Они отличаются широким диапазоном рабочих температур (-60 … +150 С), низким водопоглощением, высокими значениями объемного и поверхностного сопротивлений, стойкостью к короблению. Поэтому выбираем стеклотекстолит фольгированный             СФ-1-35 [18].

 

9.3 Технологическая оснастка для производства печатных плат и особенности её изготовления

Точность  и разрешающая способность получаемых ПП в первую очередь определяются качеством используемой специальной  технологической оснастки, основными  видами которой являются фотошаблоны, сетчатые трафареты и печатные формы (клише).

Фотошаблон  – это графическое позитивное или негативное изображение рисунка  печатного монтажа, выполненного в  натуральную величину на светопроницаемом основании. По назначению они разделяются  на контрольные, которые хранятся в  специальном помещении как эталоны, и рабочие, которые изготавливаются  с контрольных методом контактной печати и служат для перенесения имеющегося на них рисунка на плату.