Проектирование микропроцессорных СИ "Электроэнцефалограф"

Рис.6. Аналоговые коммутаторы КР591КН2 и КР590КНЗ.

 

Таблица 3

Уровни на управляющих входах			Номер открытого канала
#1	#2	E
0	0	1	1А и 1В
1	0	1	2А и 2В
0	1	1	3А и 3В
1	1	1	4А и 4В
х	х	0

 

Таблица 4 - Технические характеристики коммутаторов

Обозначение	технология	Число каналов	Uп,В	Rотк, Ом	tвкл,мкс	Iут,нА	Iпотр, мкА	U0вх,В	U1вх,В
К591КН2	КМОП	8х2	15	300	0,3	50	20	0..0,8	4
КР590КН3	КМОП	4х2	15	300	0,3	50	3500	0..0,8	4..16,5

 

3. Сигма-дельта АЦП

Использование многоразрядных АЦП в приборах регистрации биопотенциалов позволяет "передвинуть" проблемы конструирования, связанные с буферными усилителями, фильтрами и другими вспомогательными устройствами, в область высоких частот, вследствие высокой тактовой частоты (реальной частоты квантования) АЦП. Программируемый коэффициент усиления без ощутимого ухудшения параметров расширяет диапазон исследуемых сигналов, что сильно влияет на точность исследования слабых сигналов.

Для реализации аналого-цифрового  блока электроэнцефалографа возможно использовать микросхему AD7716 фирмы Analog Devices - четырехканальный параллельный 22-х разрядный S-D АЦП со встроенным цифровым ФНЧ, выполнен по LC2MOS технологии, с напряжением питания +5 В и типовой мощностью потребления 35 мВт. Рекомендован фирмой-разработчиком для применения в разнообразных системах, в том числе и в биомедицинских, имеющего эффективное разрешение на уровне 20 двоичных разрядов при частоте выдачи данных 250 Гц и частоте дискретизации входного сигнала 570 кГц. Структурная схема AD7716 приведена ниже:

Рис. 7. Структурная схема четырехканального сигма-дельта АЦП AD7716

На входы AIN1-AIN4 поступает аналоговый сигнал; на VRЕF подается опорное напряжение; AVDD предназначен для аналогового питания внутренних модуляторов; DVDD -питание внутренних цифровых фильтров и регистров; AGND и DGND - аналоговая и цифровая "земля"; CLCIN и CLKOUT - для подключения кварцевого резонатора (для внешнего генератора - CLCIN). MODE, CASCIN и CASCOUT применяются при необходимости каскадировать несколько АЦП AD7716. Комбинацией уровней на входах А0-А2 задается порядковый номер АЦП при каскадировании. RFS, SDATA, SCLC, DRDY предназначены для организации двунаправленного последовательного канала с управляющим контроллером. Подача высокого уровня на RESET приводит к инициализации АЦП. Вход DIN1 и выходы DOUTI, DOUT2 предоставляют возможность разработчику систем посредством AD7716 работать с внешними дискретными устройствами. В таблице 3 перечислены основные технические параметры этого АЦП. После модулятора в AD7716 установлен цифровой ФНЧ, который определяет верхнюю граничную частоту входного аналогового сигнала.

 

Таблица 5. Параметры сигма-дельта АЦП AD7716

Для получения компактного высоконадёжного  устройства регистрации электроэнцефалографических сигналов, все элементы ввода и  обработки информации были размещены  на одной печатной плате с использованием сигма- дельта АЦП. Это позволило  отказаться от применения дополнительных входных устройств, относительно сложных инструментальных усилителей для подавления синфазной помехи, крупногабаритных конденсаторов с малыми токами утечки и других аналоговых устройств. Замена перечисленных устройств одной СБИС сигма- дельта АЦП позволила создать надёжный помехоустойчивый прибор, осуществляющий наиболее полную цифровую обработку электроэнцефалографических сигналов.

4. Микроконтроллер

 

Микроконтроллер используется для  управления элементами измерительного устройства и согласования их работы. В настоящее время предложен большой выбор микроконтроллеров. Основные их различия - объем внутренней памяти, разрядность, архитектура, частота и набор внутренней периферии. В нашем случае применяется микроконтроллер марки КМ1816ВЕ51

Микроконтроллер выполнен на основе высокоуровневой n-МОП технологии и выпускается в корпусе БИС, имеющем 40 внешних выводов. Цоколевка корпуса МК51 и наименования выводов показаны на рис. 8. Для работы МК51 требуется один источник электропитания +5 В. Через программируемые порты ввода/вывода МК51 взаимодействует со средой в стандарте ТТЛ- схем с тремя состояниями выхода. Корпус МК51 имеет два вывода для подключения кварцевого резонатора, четыре вывода для сигналов, управляющих режимом работы МК, и восемь линий порта 3, которые могут быть запрограммированы пользователем на выполнение специализированных (альтернативных) функций обмена информацией со средой. За счет подключения внешних БИС память программ, как и память данных, может быть расширена до 64 Кбайт.

Рис. 8. Цоколевка корпуса МК51 и наименование выводов.

Сброс МК51 осуществляется путем подачи на вход RST сигнала логической 1. При  системном сбросе сбрасывается содержимое регистров: PC, ACC, В, PSW, DPTR, TMOD, ТКОН, Т/СО, T/Cl, IE, IP, и SCON, в регистр указатель стека загружается код 07Н, а в порты РО- РЗ- коды OFFH. Сигнал RST не воздействует на содержимое резидентной памяти данных (РПД). После включения питания содержимое ячеек внутреннего ОЗУ данных принимает случайные значения.

Микроконтроллер используется для управления элементами измерительного устройства и согласования их работы. После преобразования данных с помощью АЦП в цифровом виде они поступают на порты РО и Р2 микроконтроллера.

Выходы порта РО будут использованы для управления элементами устройства. Через порты РО и Р2 в микроконтроллер будут поступать оцифрованные данные. Совместно с этим порты РО и Р2 будут использованы для передачи обработанных результатов измерения. Порт РЗ, будет использоваться для связи микроконтроллера с компьютером. Связь микроконтроллера с компьютером будет осуществлять через интерфейс.

 

5. Интерфейс

 

В качестве интерфейса был выбран RS 232.

Интерфейс RS-232 предназначен для подключения  к компьютеру внешних устройств, в данном случае электроэнцефалографа, который будет сопрягаться с компьютером по средством COM - порта. Основным преимуществом использования RS-232 является гораздо более простой соединительный кабель. Данные в RS-232 передаются последовательно по байтно. Каждый байт обрамляется стартером и стоповыми битами. Данные могут передаваться как в одну, так и в другую сторону (дуплексный режим).

Выбор в пользу применения RS-232 может  быть сделан при наличии следующих  требований:

• относительная удаленность объекта информации;

• сравнительно невысокая скорость обмена данными (10 Кбайт/с);

• применение стандартного интерфейса для подключения к ПК без его вскрытия.

При   использовании   интерфейса   RS-232   задача   сопряжения   объекта   обмена информацией  с компьютером обычно формулируется  следующим образом: требуется обеспечить связь с удаленным микропроцессором, обслуживающим технологическую или лабораторную установку.

Считаем, что для сопряжения через RS232C используется простейшее 4-проводная  линия связи. Блок преобразования уровня обеспечивает электрическое согласование уровней сигналов последовательного интерфейса, формируемых контролером, входящим в состав ПК (±12 В), с уровнем сигналов присутствующих в микропроцессорной системе (уровень ТТЛ логики ).

Интерфейс RS-232-C соединяет два устройства. Линия передачи первого устройства соединяется с линией приема второго и наоборот (полный дуплекс) Для управления соединенными устройствами используется программное подтверждение (введение в поток передаваемых данных соответствующих управляющих символов). Возможна организация аппаратного подтверждения путем организации дополнительных RS-232 линий для обеспечения функций определения статуса и управления.

Фирма MAXIM выпускает всемирно известные  интерфейсные микросхемы RS-232, технические  решения которых используют многие именитые фирмы-плагиаторы такие, как Analog Devices. Интерфейсные микросхемы содержат преобразователь напряжения +5В в напряжение ±10 В (генератор + умножитель напряжения), инвертор и каскады, осуществляющие преобразование логических сигналов стандартного уровня в сигналы уровня по стандарту RS-232. Большинство из них требуют дополнительных элементов (необходимы внешние конденсаторы), что не является чрезмерной платой за преимущества их применения. Микросхемы фирмы MAXIM содержат преобразователи логического уровня для нескольких приемников и передатчиков [6]. Характеристики некоторых интерфейсных микросхем фирмы MAXIM, содержащих два приемника и два передатчика, представлены в таблице 6. Для передачи измерительной информации воспользуемся только одним приемопередающим каналом.

Таблица 6

Микросхемы МАХ222 и МАХ242, аналогичные  по основным электрическим и эксплуатационным параметрам, обладают высокой скоростью  передачи данных, но так же, как и  МАХ220 с малым током потребления, не имеют электростатической защиты. Наличие электростатической защиты (ECD) является преимуществом, т.к. обеспечивает дополнительную защиту от электростатических разрядов, с которыми можно столкнуться в течение обработки и сборки. Микросхемы МАХ202Е и МАХ203Е потребляют больше тока по сравнению с МАХ232Е, однако, микросхема МАХ203Е не требует наличия внешних конденсаторов, что увеличивает ее стоимость.

Исходя из этих соображений, для  организации сопряжения уровней  портов ПК и микроконтроллера МК51 через  интерфейс RS-232C можно воспользоваться  микросхемой МАХ232Е (рис. 9.), обладающей электростатической защитой, небольшим током потребления и сравнительно невысокой стоимостью [6]. Для МАХ232Е необходимы внешние конденсаторы номиналами 1 мкФ, что не усложняет ее использования, а также не приводит к значительному увеличению стоимости. Первый преобразователь напряжения использует конденсатор для преобразования +5В в +10 В, сохраняя значение +10В на фильтре вывода V+. Второй преобразователь напряжения использует конденсатор, чтобы инвертировать +10В в -10В, сохраняя значение -10 В на фильтре вывода V- с помощью конденсатора С. Для увеличения помехоустойчивости необходимо шунтировать источник питания конденсатором С8.

 

Рис. 9 Микросхема МАХ232Е фирмы MAXIM

В качестве электролитических конденсаторов  выберем конденсаторы общего назначения алюминиевые оксидно-электролитические К50-6 номиналом 1 мкФ с допуском от -20 до +80 % , напряжением 25 В, предназначенные для работы в цепях постоянного и пульсирующего тока.

Расчет погрешности

При практическом осуществлении процесса измерения независимо от точности средств измерений, правильности методики и тщательности выполнения измерений результаты измерений отличаются от истинного значения измеряемой величины, т.е. неизбежны погрешности измерений. При оценке погрешности вместо истинного значения принимают действительное; следовательно, можно дать лишь приближенную оценку погрешности измерения.

1) Основная погрешность. Она обусловлена неидеальностью собственных средств измерений   и   показывает   отличие   действительной   функции   преобразования   средств измерений в нормальных условиях от номинальной функции преобразования.

2) Дополнительная   погрешность.   Дополнительная   погрешность   обусловлена реакцией средства измерения на измерения внешних влияющих величин и неинформативных параметров входного сигнала. Неинформативным параметром входного сигнала называется параметр входного сигнала, не используемый для передачи значения измеряемой величины.

Уравнение преобразования имеет вид:

(3)

где N - цифровой код с выхода АЦП; U - измеряемое напряжение; К - коэффициент преобразования системы. При последовательном соединении блоков коэффициент преобразования системы определяется:

(4)

К_ду - коэффициент преобразования дифференциального усилителя;

К_АК - коэффициент преобразования аналогового коммутатора;

К_АЦП - коэффициент преобразования аналого-цифрового преобразователя;

 

Мультипликативная погрешность обусловлена  изменением коэффициентов преобразования системы. При достаточно малых изменениях можно пренебречь членами второго и большего порядка малости, тогда относительное изменение коэффициента преобразования системы равно относительной мультипликативной погрешности.

(5)