Лабораторная работа №2

Изучение методики программирования сигналов сложной формы на примере ЭКГ и исследование работы программы в реальном устройстве

на PIC-контроллере.

1. Цель работы.

Освоение приемов разработки алгоритмов управления воспроизведением сигналов с использованием встроенных таймеров и портов микроконтроллера. Приобретение опыта отладки программ в симуляторе. Освоение технологии записи кода программы в кристалл (в микроконтроллер) с помощью программатора. Приобретение навыков проверки работы устройств на микро­кон­трол­лерах.

2. Описание используемых аппаратных и программных средств.

2.1. Макет устройства для воспроизведения экг.

Макет устройства­, воспроизводящего кривую ЭКГ, собран на современном ми­кро­контроллере PIC16F84, достоинством которого является относительная дешевизна и легкость смены программы, записываемой в память микрокон­троллера. В отличие от большинства производимых микроконтроллеров в нем имеется электрически пере­про­грам­мируемое запоминающее устройство (ППЗУ). Объем памяти PIC16F84 составляет 1 килослово при разряд­но­сти слова 13 двоичных разрядов, что достаточно для реше­ния простых задач.

Для программирования сигнала ЭКГ был сформирован массив дан­ных путем равно­мерного разбиения эталонной кривой ЭКГ первого от­ве­дения на 172 отсчета. Память кон­троллера позволяет при необходимо­сти увеличить их количество еще по меньшей мере в 5 раз. Значения допол­нительных промежуточных отсчетов легко получить путем кусо­ч­но-линей­ной аппроксимации кривой ЭКГ.

На рис.1 приведена электрическая принципиальная схема макета.В схеме преду­смо­т­рен первоначальный сброс контроллера по включению питания и по кнопке сброса S1. Принцип работы схемы заключается в последовательной выборке из памяти контроллера 8-разрядных двоичных кодов, соответствующих отсчетам ЭКГ, пересылке их на внешние выходы встроенного 8-разрядного порта B (линии RB0… RB7), соединенные с соответ­ст­вующими входами цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) на микросхеме КР572ПА1, на аналоговом выходе которого воспроизводится ЭКГ. Для согласования с нагрузкой к выходу ЦАП подключен операционный усилитель на К153УД2 в инвертирующем вклю­че­нии. Питание всех микросхем осуществляется от источника питания с выходными на­пря­жениями +5 В и –5В. Чтобы кривая ЭКГ не оказалась перевернутой, опорное напря­же­ние ЦАП принято равным минус 5 В. Тактовая частота контроллера составляет 160 кГц и получена соответствующим выбором элементов времязадающей цепи его встроенного RC-генератора (R ext, C ext). Время цикла ЭКГ, T_Ц=1,185 с. Выходной сигнал схемы наблюдался на экране осциллографа C1-69, при этом его амплитуда, соответствующая R-зубцу ЭКГ, равна 3,6 В. В случае использования данного сигнала с целью калибровки электрокардиографов следует применить резистивный делитель напряжения для сниже­ния его уровня.

2.2. Методика подготовки исходных данных.

Подготовка исходных данных заключается в разбиении изображения ЭКГ для нормы в первом отведении на ди­ск­реты по оси времени (оси абсцисс) и на дискреты по оси мгновенных значений н­апря­же­ния этого сигнала (оси ординат). Число разбиений по оси абсцисс выбирается дос­та­точ­ным для необходимой точности воспроизведения ана­ло­гового сигнала на выходе ЦАП по заданному таким образом числу цифровых отсчетов. Цифровые коды мгновенных значений напряжения каждого отсчета получают, как число дискретов по оси ординат. Если ордината мгновенного значения не совпадает с делениями оси ординат (что обычно и бывает) за истинное принимается цифровое значение по деле­нию, ближайшему к ней. Зная цену деления по оси ординат, для каждого отсчета вычисля­ют его значение в виде цифрового кода.

Связь между аналоговыми и цифровыми значениями (кодами) устанавливают по максимальному сигналу ЦАП. Если опорное напряжение ЦАП равно 5 В, а разрядность ЦАП равна 8, то максимальное число разбиений по оси ординат будет равно 2⁸ = 256. Тогда значения отсчетов будут получены как цифровые коды в десятичной системе счи­сления. После их перевода в шестнадцатиричные числа следует составить таблицу, где каждому отсчету ставится в соответствие его код. В нашем случае число отсчетов принято равным 172. В таблице 1 для примера приведены значения 86-ти отсчетов.

Таблица1. Мгновенные значения моделируемой ЭКГ.

№	U(мВ)	Код	№	U(мВ)	Код	№	U(мВ)	Код
1	0,24	3d	31	0,2	33	61	0,24	3d
2	0,24	3d	32	0,17	2в	62	0,248	3f
3	0,24	3d	33	0,148	25	63	0,26	42
4	0,24	3d	34	0,13	21	64	0,276	46
5	0,248	3f	35	0,3	4с	65	0,292	4a
6	0,26	42	36	0,476	79	66	0,304	4d
7	0,268	44	37	0,652	а6	67	0,319	51
8	0,276	46	38	0,824	d2	68	0,331	54
9	0,28	47	39	1,0	ff	69	0,34	57
10	0,284	48	40	0,776	c5	70	0,348	59
11	0,288	49	41	0,536	88	71	0,354	5a
12	0,29	4a	42	0,267	44	72	0,358	5b
13	0,288	49	43	0,06	0f	73	0,36	5c
14	0,285	48	44	0,1	19	74	0,362	5c
15	0,28	47	45	0,136	22	75	0,36	5c
16	0,276	46	46	0,168	2a	76	0,358	5b
17	0,268	44	47	0,188	2f	77	0,352	5a
18	0,256	41	48	0,22	38	78	0,3496	59
19	0,244	3e	49	0,232	3b	79	0,336	56
20	0,24	3d	50	0,24	3d	80	0,324	52
21	0,24	3d	51	0,24	3d	81	0,308	4e
22	0,24	3d	52	0,24	3d	82	0,292	4a
23	0,24	3d	53	0,24	3d	83	0,276	46
24	0,24	3d	54	0,24	3d	84	0,264	43
25	0,24	3d	55	0,24	3d	85	0,251	40
26	0,24	3d	56	0,24	3d	86	0,24	3d
27	0,24	3d	57	0,24	3d	–	–	–
28	0,24	3d	58	0,24	3d	–	–	–
29	0,234	3b	59	0,24	3d	–	–	–
30	0,22	38	60	0,24	3d	–	–	–

В ней отражена привязка к максимуму сигнала ЭКГ, равному 1МВ, на выходе макета. При этом по-преж­не­му считается, что максимальное значение на выходе ЦАП составляет 5В, когда его вхо­д­ной код равен 0АFF (используются только 8 старших разрядов 10-разряд­но­го ЦАП на микросхеме К572ПА1А).Промежуточные значения, дополняющие их число до 172, вычи­с­лены методом кусочно-линейной аппроксимации. В тексте программы присут­ствует пол­ный массив данных MASSIV(172).