Дистанционный комплекс контроля функционального состояния

1. Анализ современных способов и устройствобеспечения дистанционного измерения параметров биологических объектов
В настоящее времянепрерывно расширяется область применения методов регистрации параметровбиосигналов в практических и исследовательских задачах. Современный уровеньнаучных достижений и технологий открывает новые перспективы для созданияпортативных систем с дистанционным анализом. Измерения различных характеристикорганизма человека как: артериального пульса, давления, функций дыхания,реакции коры головного мозга на внешние стимулы, температурных аномалий внутрибиологического объекта и так далее. Различие приборов заключается в способахпередачи, регистрации и обработке сигнала, в среде по которой он передается. Применяющаясяаппаратуру для измерения параметров биологических объектов на расстоянии можноразделить на два прогрессивно развивающихся класса:
1.        Приборы использующиесяв медицине
2.         Приборы использующиесяспортивной медицине.
1.1 Методы дистанционнойрегистрации биосигналов
Способ регистрацияартериального пульса и частоты дыхания. Изобретение направлено на созданиенадежной методики дистанционного наблюдения за процессом дыхания и пульса сиспользованием доплеровского локатора, основанной на регистрациимикроперемещений кожи с раздельным определением параметров процесса дыхания ипульса и пригодной, например, для последующего исследования психофизиологическогосостояния контролируемого объекта.
Решение поставленнойзадачи обеспечивается тем, что в способе наблюдения за артериальным пульсом иинтервалами дыхания путем регистрации перемещения тканей участка тела,обусловленных комбинированным воздействием пульсаций кровотока и дыхания, споследующим выделением посредством фильтрации полезного сигнала, дистанционнооблучают кожный покров с использованием доплеровского локатора электромагнитнойволной сверхвысокой частоты в диапазоне от 10 до 100 Ггц и путем разложенияотраженного сигнала доплеровской частоты на квадратурные составляющие выделяютизменения его фазы. При этом из отраженного сигнала предварительно удаляютнизкочастотные составляющие сигнала, обусловленные возможными перемещениямиоблучаемого участка, а суждение о психофизиологическом состоянии исследуемогообъекта выносят на основании анализа статистического распределениякардиоинтервалов.
Дистанционная регистрацияперемещений кожного покрова дает достоверную и полную информацию о процесседыхания и состоянии сердечнососудистой системы, которое определяется на основеанализа кардиоинтервалов, регистрируемых доплеровским локатором, работающим вдиапазоне частот от 10 до 100 ГГц.
При этом точность идостоверность определения микроперемещений обеспечивается в изобретении какфазометрическим методом обработки отраженного сигнала (т.к. фаза отраженногосигнала линейно связана с изменением расстояния от антенны локатора дооблучаемого объекта и обладает большой крутизной характеристики) в режимеоблучения объекта непрерывным монохроматическим немодулированным сигналом, таки выбором рабочей частоты, которая в заявленном СВЧ диапазоне обуславливаетзначительную фазовую модуляцию отраженного сигнала при изменении пульса нарасстоянии до 5 м при наличии препятствий в виде одежды, постельного белья,легких ширм и т.п.
Кроме того,электромагнитное облучение на отдельных участках выбранного диапазона (от 10 до100 ГГц), как показали медицинские исследования, могут улучшать общеесамочувствие пациентов и излечивать некоторые болезни.
Наличие блока коррекциитренда повышает достоверность регистрации «дыхательного» и «сердечного»сигнала, т.к. предварительно отфильтровывает (вычитанием) из квадратурногосигнала составляющую, обусловленную случайными макроперемещениями тела или егоотдельных участков, и систематическое смещение нуля.
Способ для дистанционногоисследования функций дыхания. Известно, что основным методом исследованиявентиляционной функции легких является спирометрический, позволяющий объективнооценить жизненную емкость легких (ЖЕЛ), минутный объем дыхания (МОД),форсированные объемы (ФЖЕЛ, ОФВ1, МВЛ, РД).
Измерить скоростьвоздушного потока при форсированном вдохе, величины ПОС, МОС25, МОС50, МОС75,построить кривую поток — объем позволяет пневмотахометрический метод.
Снижение функциональнойактивности дыхательных мышц, дискоординацию торакоабдоминальных движений можетрегистрировать метод магнитометрии (плоские электроды приклеиваются к коже) [1].
Техническим результатомизобретения является возможность регистрации и измерения пульсации объема вовремя дыхания-пульса. Результат обеспечивается вследствие того, чтопредварительно для каждого пациента проводится процедура калибровки, котораяобеспечивает измерение, анализ параметров измеряемого пространства впараллельных слоях (в трех измерениях X, Y, Z) и служит для построения таблицы преобразования данных режимаизмерения в цифровые единицы объема [2].
Предлагаемый способисследования функции дыхания-пульса заключается в следующем. Обследуемыйрасполагается в пространстве электромагнитного поля метрового диапазона вмедицинском кресле в положении сидя, с помощью экрана с матрицей датчиков (МД)производятся измерения параметров поля. Количество датчиков, размещенных вэкране МД, — n, где n — 64, 128, 256. Принеподвижном положении верхних и нижних конечностей, соответственнорасположенных на подлокотниках и подставке для ног кресла, изменения объемовгрудной клетки и живота вызывают модуляцию параметров электромагнитного поля.Экран устанавливается в пространстве (X, Y, Z) так, чтобы i-йдатчик экрана регистрировал максимальный вклад биомеханики дыхания-пульсасоответствующей i-й зоны поверхности исследуемого биотела (Xi, Yi, Zi), где i — 1....n, в измеряемом пространстве. Измерения выполняются экраном датчиков МД сдистанции не менее L (см) до наиболеевыступающей зоны передней стенки туловища. Сигнал F(i, t) (сигнал i-гo датчика последемодуляции, фильтрации и обработки) является функцией времени, отображаетбиомеханику i-й зоны и зависит от настройкиаппаратных средств на режим измерения дыхания, пульса или перистальтики.
          Обследуемый придистанционной спирометрии дышит в естественной атмосфере, носовой зажим и загубникне используются. Данные, отображаемые на экране монитора, дают возможностьоператору во время исследования функции дыхания более детально управлятьпроцедурой записи пробы дыхания, что обеспечивает возможность выбора дляобработки наиболее информативного цикла.
Анализ данныхрентгенографии, спирометрии, радиоизотопных методов, клиники заболевания иданных дистанционного способа исследования функции дыхания позволил получитьалгоритм преобразования данных патологического отставания «больной»половины грудной клетки при дыхании в соответствующее уменьшение показателейправого или левого легкого больного, что позволяет дополнить спирометрическиеданные объемами правого и левого легкого в отдельности, оценить вклад верхнего,среднего и нижнего отделов обоих легких с помощью гистограмм и динамическихкарт дыхания, регистрировать степень отклонения от нормы и место локализациипатологического процесса.
Медицинскаярадиотермометрия. Радиотермометрия является методом неинвазивного определениятемпературных аномалий внутри биологического объекта (тела пациента). Онаоснована на законах излучения нагретых тел, справедливых и для биологическихобъектов. Каждое нагретое тело излучает согласно закону Планка в широкомдиапазоне частот, в том числе и врадиодиапазоне. В этом случае мощность излучения пропорциональна абсолютнойтемпературе тела.
Биологические тканиявляются сравнительно прозрачными для волн дециметрового диапазона, поэтому,оценив мощность излучения с помощью антенны, приложенной к поверхности кожи(антенны – аппликатура), можно судить о температуре глубинных слоев. В случае усиленногометаболизма клеток (при онкологических заболеваниях) при воспалительныхпроцессах температура внутренних тканей повышается, на чем основаныдиагностические особенности метода.
Впервые схема прибора дляизмерения температуры удаленных источников в радиодиапазоне была предложена Р.Дайком и носит его имя. Дайку принадлежит формула для радиометрическоговыигрыша:
/>,                                           (1.1)
где /> - среднеквадратическоезначение флуктуации температуры на выходе прибора; /> — температура шумов на входеприемника; />-температура шумов объекта; /> - ширина полосы пропускания высокочастотной частиприбора; /> -время накопления.
При используемых полосахчастот /> в десятки и сотни мегагерц и временинакопления /> вединицы секунд радиометрический выигрыш /> составляет 104… 105раз, и шумы на выходе радиометра эквивалентны 0,05… 0,1°С.
Формула Дайка находитследующее качественное объяснение. Высокочастотный сигнал представляет собойшум, состоящий из хаотических импульсов различной амплитуды и полярности.Длительность этих импульсов обратно пропорциональна ширине полосы пропусканияприемника />. Постоянная времени /> является периодом усредненияамплитуды импульсов и при увеличении /> в процесс усреднения попадаетбольшее число импульсов, поэтому сигнал на выходе прибора стабилизируется, иточность показаний увеличивается. Модуляция сигнала низкой частотой уменьшаетвлияние изменения усиления приемного тракта.
          Динамическоемногоканальное радиотепловидение (ДМРТ). Исследование пространственногораспределения реакций коры головного мозга на внешние стимулы позволит получитьновую информации: о механизмах его функционирования. Для исследования динамикиэтих процессов в коре головного мозга человека пригодно ограниченное числометодов, поскольку необходимо избегать применения инвазивных методов исследования,а также методов, использующих радиоактивные излучения или сильные магнитныеполя. При исследованиях на животных весьма успешным оказалось применениетермоэнцефалоскопни [3] — измерениетемпературы коры по ее собственному тепловому излучению с помощью динамическогоинфракрасного тепловидения. Было обнаружено, что в ответ на внешний сенсорныйстимул в коре головного мозга возникают разнообразные очаги повышеннойтемпературы, как точечные, так и распределенные, в том числе волновые режимы.Характерное, время соответствующих реакций — единицы и десятки секунд. Данныйметод неинвазивен и, более того, бесконтактен, что является его несомненнымдостоинством. К сожалению, этот метод даже при исследованиях па животныхтребует снятия скальпа, что исключает его использование для изучениятемпературных реакций человека.
          К настоящемувремени развит другой метод неинвазивного измерения температуры тканей —динамическое многоканальное радиотепловидение (ДМРТ), основанный на регистрациисобственного теплового излучения тканей не в инфракрасном, а в микроволновомдиапазоне частот [4]. Это позволяетизмерять излучение, выходящее с глубины до нескольких сантиметров,интенсивность которого, определяется абсолютной температурой в указанном слоеткани. Съем информации осуществляется посредством контактных антенн,установленных на поверхности тела. В силу конструктивных особенностей методориентирован на измерение не абсолютной температуры, а динамики ее изменения повсей исследуемой области. Данный метод применялся для исследований в онкологии [5]. С его помощью было показано, чтопри глюкозном тесте происходит значительный разогрев в области, где расположенаопухоль или ее метастазы. Первые исследования подтвердили, что этот методокажется эффективным для изучения реакций коры головного мозга человека.
          Реокардиомониторныесистемы. На сегодняшний день наибольшее распространение среди систем удаленногомониторинга в кардиологии получили носимые ЭКГ-мониторы. В то же времяотмечается абсолютное отсутствие аппаратуры для дистанционного анализаимпедансных реограмм, что объясняется, с одной стороны, технической сложностьюимпедансных измерительных преобразователей и сравнительно недавним внедрениемдоступных средств автоматизации диагностических процедур, а с другой — проблемамиметодического и алгоритмического характера, особенно проявляющимися в условияхестественной подвижности и изменяющегося положения тела пациента.
Учитывая сложившиесяобстоятельства на рынке телемониторных систем диагностики, а также близостьобластей применения систем дистанционного анализа ЭКГ и реографии, рассмотримосновные типы существующих ЭКГ-мониторов.
Широкое использованиеэлектрокардиографии в медицинской практике и разнообразие условий, в которыхможет потребоваться кардиологическая помощь, создали базу для развитияразличных технологий дистанционного анализа ЭКГ. Классификация последнихпредставлена в таблице 1.1.
Таблица.1.1 — Классификацияметодов дистанционного анализа ЭКГКлассификационный признак Известные варианты реализации 1 2 Среда передачи
Радиоканал с малым радиусом действия
 Радиоканал с большим радиусом действия Телефонные линии общего пользования
Выделенные проводные линии Методы передачи
Аналоговые
Цифровые Число одновременно передаваемых сигналов
Одноканальные
Многоканальные Характер приемного оборудования Специальное оборудование приемного
Стандартные устройства общего оборудования назначения (факс, твейджер)
         
В настоящее времянаибольшее распространение получили системы передачи ЭКГ по телефону, чтообусловлено повсеместной доступностью и относительной дешевизной проводнойтелефонной связи.
          Радиоканальныесистемы используются реже, однако их достоинство неоспоримо, когда необходимообеспечить естественную мобильность передающей стороны при длительноммониторировании в реальном времени активно перемещающихся пациентов (системы смалым радиусом действия) или при поддержке мобильных бригад скорой помощи(системы с большим радиусом действия).
          Системадистанционного мониторинга параметров центральной гемодинамики согласно рисунку1.1 включает в себя носимый пациентом 1 портативный реокардиомонитор сприемопередатчиком 2, осуществляющий измерение и передачу реограмм иэлектрокардиограмм с единой электродной системы, а также центральный монитор 3и базовую станцию 4, обеспечивающие прием, обработку и визуализацию полученныхданных в реальном масштабе времени. Разработанный радиотелсметрический протоколс временным разделением каналов позволяет мониторировать одновременно дочетырех пациентов.
/>
Рисунок 1.1 — Биорадиотелеметрическая реокардиомониторная система
          В каналеимпедансного измерительного преобразователя применена новая технологияформирования трехуровневых зондирующих токов и стробируемого синхронного детектирования.Синтез трехуровнего зондирующего тока, управление синхронным детектированием ианалого-цифровым преобразованием, формирование радиотелеметрического протоколаосуществляет микроконтроллер AT90S1200. Основные достоинства, определившие выбор данного микроконтроллера, — возможность работы от напряжения 3В с целью снижения потребляемого модулемтока, высокая производительность (при тактовой частоте 7,4 МГц время выполненияодной команды от 135 нс), развитая система команд, а также доступные и удобныесредства проектирования и отладки [4].
          Техническиновым решением для разработанного реокардиомонитора является нормирующийфильтр-усилитель на выходе синхронного детектора представленный на рисунке 1.2,который позволяет использовать один канал для полного реографического сигнала,не разделяя его на базовый импеданс и пульсовую составляющую реограммы, темсамым сокращены аппаратные затраты и количество передаваемых каналов. Крометого, повышение частоты среза аналоговых фильтров верхних частот до 1,8 Гц споследующей программной коррекцией линейных частотных искажений сигналов даетвозможность применения удовлетворяющих требованиям компактности конденсаторов сменьшими размерами.
/>
Рисунок 1.2 — Нормирующийфильтр-усилитель
          Системааналого-цифрового сбора данных реализована на четырехканальном 16-разрядном АЦПпоследовательных приближений AD974, имеющемвстроенный источник опорного напряжения, входной мультиплексор, устройствовыборки-хранения и последовательный цифровой интерфейс. Данная микросхема можетфункционировать от одного источника питания 5В и имеет режим пониженногопотребления.
Использование16-разрядного АЦП позволяет увеличить допустимый размах входных, сигналов в 16раз по сравнению с ранее применяемым 12-разрядным АЦП, что значительно снижаетвероятность искажения реограммы свободно перемещающегося пациента в силуограниченного динамического диапазона АЦП.
Достоинства: исключение«привязки» обследуемого к диагностической аппаратуре обеспечивает естественнуюподвижность пациента при выполнении им функциональных проб, тестовыхпрофессиональных операций и других диагностических, профилактических и лечебныхмероприятий, улучшает качество жизни пациентов, и в то же время позволяет врачуоперативно получать объективную картину состояния сердечно-сосудистой системы,применение для обработки полученной информации компьютера, высокая скоростьпередачи данных, возможность одновременного мониторинга нескольких пациентов.
Недостатки: ограниченныйресурс автономного источника питания, аналоговые фильтры инфранизких частотсодержат крупногабаритные компоненты, что не удовлетворяет требованиямпортативности, в условиях, естественной подвижности пациента существуетвероятность искажения диагностических реограм.
1.2 Приборы длядистанционной регистрации биосигналов
Устройство регистрацияартериального пульса и частоты дыхания. Логический блок анализа сигналов,выполненный на базе ЭВМ с высокой степенью точности и надежности, автоматическиобрабатывает квадратурные составляющие, выделяя фазу отраженного сигнала ираздельно регистрируя параметры процесса дыхания и пульса. На рисунке 1.3представлена блок-схема устройства для доплеровской локации.
Наблюдение заартериальным пульсом и процессом дыхания для исследования психофизическогосостояния осуществляется следующим образом. Деятельность сердечнососудистойсистемы и дыхание оказывают комбинированное воздействие на кожный покров,проявляющееся в виде колебательных микроперемещений кожи. Для полученияинформации о параметрах процесса дыхания и пульса определяют микроперемещениякожного покрова путем его облучения с использованием доплеровского локатора электромагнитнойволной сверхвысокой частоты в диапазоне от 10 до 100 ГГц. При этом выделяютизменение фазы /> отраженного сигнала (котороелинейно связано с изменением расстояния до облучаемого объекта), путем егоразложения на квадратурные составляющие sin/>и cos/>, корректировки (фильтрации путемвычитания низкочастотного тренда) и преобразования синусной (/>и косинусной />) квадратурных составляющих сигнала варгумент его фазы /> вычисляемый в блоке выделенияфазы как арктангенс отношения квадратурных составляющих сигнала в аргумент егофазы., вычисляемый в блоке выделения фазы как артктангенс отношенияквадратурных составляющих />. Затем из полученногонепрерывного сигнала, характеризующего изменение фазы /> за счет перемещения отражающегообъекта (т.е. облучаемого участка кожи), выделяют составляющие процессовдыхания и пульса, регистрируют параметры процесса дыхания (в виде кривойдыхательной экскурсии) и пульса (в виде кардиоинтервалов) и по ним оцениваютпсихо-физиологическое состояние исследуемого объекта, используя известные вмедицине методики.
/>Рисунок 1.3- Устройство регистрация артериального пульса и частоты дыхания
1 — СВЧ-генератор; 2 –вентиль; 3 — направленный ответвитель; 4 — передающую антенну; 5 — блоквыделения квадратурных составляющих, доплеровского сигнала, 6 — приемнуюантенну; 7 — блок фильтрации; 8 — блок обработки; 9,10 – делители; 11,12 — балансные смесители; 13 – фазовращатель; 14,15 — предварительные усилителидоплероских частот; 16 — блок выделения фазы; 17 — блок анализа фазы сигналов,который включает блок выделения сигнала о частоте дыхания 18 и блок выделенияпульсового сигнала.
Устройство работаетследующим образом. Облучение пульсирующего органа (участка поверхности кожи)осуществляется передающей антенной 4. выполненной, например, в виде коническогорупора с узкой диаграммой направленности основного лепестка, сигналасверхвысокой частоты в диапазоне от 10 до 100 ГГц на которую поступает: отпередающего СВЧ-генератора 1 через вентиль 2 и направленный ответвитель 3.Отраженный сигнал, содержащий доплеровскую частоту, модулированныйпериодическими процессами биения пульса (кровотока) и дыхания, воспринимаетсяприемной антенной 6 и поступает на вход блока 5 к делителю 10, которыйразделяет его на две равные части и направляет на входы балансных смесителей 11и 12 квадратурных каналов. Опорный сигнал, ответвленный направленнымответвителем 3 от излучаемого сигнала с передающего генератора 1 после вентиля2, поступает на делитель 9, где разделяется, аналогично делителю 10, на двечасти, одна из которых направляется на второй вход балансного смесителя 11. адругая через фазовращатель 13 — на второй вход балансного смесителя 12.Квадратурные составляющие доплеровского сигнала с выходов балансных смесителей 11и 12 поступают на идентичные предварительные усилители доплеровской частоты 14и 15, где они усиливаются до необходимой величины и затем поступают на блокфильтрации 7, который удаляет низкочастотные смещения относительно нулевогоуровня, обусловленные случайными перемещениями облучаемого объекта. С выходаблока коррекции тренда 7 сигналы поступают на блок 16, где преобразуются втекущую фазу /> отраженного сигнала.
Логический блок анализа17 состоит из блоков 18 и 19 и обеспечивает выделение составляющих процессадыхания и пульса и их регистрацию путем обработки сигнала в следующейпоследовательности. В блоке 18 происходит выделение «дыхательной»компоненты из сигнала текущей фазы (/>характеризующего колебательныйпроцесс микроперемещений кожного покрова, путем нелинейной фильтрации ирегистрации кривой дыхательной экскурсии, а вблоке 19 из сигнала текущей фазы /> удаляют «дыхательную»компоненту.
Устройство длядистанционного исследования функций дыхания. Устройство работает следующимобразом. Обследуемый располагается в пространстве электромагнитного поля,источником которого является высокочастотный генератор с излучающей пластиной,в медицинском кресле в положении сидя. Пациент расслабляется, снимаетнапряжение, привыкает к позе. Установка экрана МД производится с помощьюподъемника, во время процедуры установки и осуществляется в ручном илиавтоматическом режиме под управлением сигналов, поступающих с выхода ЦАПпреобразователя на вход блока управления системы наведения. Измерениявыполняются экраном датчиков МД с дистанции не менее 3 — 10 см до наиболеевыступающей зоны передней стенки. На поверхности матрицы датчиков образуетсярельеф, обладающий избирательными и фильтрующими свойствами, параметры которогозависят от роста, пола, веса и конституции обследуемого. Сигнал с i-ro датчика после демодуляции ифильтрации с помощью блока детекторов поступает на мультиплексор, с выходамультиплексора на вход усилителя канала. Частота дискретизации, поступающая науправляющий вход мультиплексора, задается генератором известной схемы фазовойавтоподстройки частоты ФАПЧ, опорной частотой ФАПЧ является частота сети — 50Гц. С помощью ФАПЧ достигается компенсация сетевых помех и наводок на каналсвязи. Аналоговые сигналы с выхода канала поступают на вход АЦП преобразователяс частотой преобразования не менее 100 кГц, с выхода которого подаются на вход IBM-PC
Программное обеспечениесостоит из программных модулей, реализующих соответствующие этапы сбора,обработки, отображения и документирования данных обследования пациентов [7].
Медицинский радиотермометрРТМ-01-РЭС. Рассмотрим построение диагностического медицинского радиотермометраРТМ-01-РЭС предназначенного для измерения внутренней (глубинной) температурытканей по их естественному тепловому излучениюв микроволновом диапазоне и измерения температуры кожных покровов по ихтепловому излучению в инфракрасном диапазоне.
          Радиотермометрявляется модуляционным нуль-радиометром со скользящей схемой компенсацииотражений между биообъектом и антенной прибора. Упрощенная схема аппаратурыпоказана на рисунке 1.4.
/>
Рисунок1.4 — Упращенная схема комплекса РТМ-01-РЭС
1 – антенна; 2 –выключатель; 3 – циркулятор; 4 – радиометр; 5 – нагреваемый резистор; 6 –генератор опорного напряжения; 7 – усилитель; 8 – переключатель режимов; 10 –инструментальный усилитель; 11 – аналого-цифровой преобразователь; 12 –процессор; 13 – монитор; 14 – принтер.
В состав аппаратурывходят: антенна (аппликатор), радиодатчик, датчик температуры кожи, блок обработкиинформации, персональная ЭВМ (ПЭВМ). Измерение внутренней температурыпроизводится контактным способом. При этом антенна прикладывается к кожепациента на проекции исследуемого органа или его части.
Мощность шумового сигналав радиодиапазоне, поступающая на вход антенны, можно определить по формуле:

/>,                                                     (1.2)
где K – постоянная Больцмана (1,38-10-23Дж/град); Т — усредненная температура внутренних тканей (градусы Кельвина); В — полоса частот радиоприема (Гц); /> - излучательная способность.
При полосе частот В = 100 МГц (108Гц) и температуре тканей 310 К этамощность составляет примерно 4 -1013Вт.
На этом фоне необходимоизмерять изменение температуры в 0,1 К, т.е. изменение мощности примерно на 10 16Вт.
Указанная величиначрезвычайно мала и может быть измерена только при использовании специальныхметодов приема и обработки сигналов. Мощность излучения строго пропорциональнатемпературе тела, поэтому она может определяться при прочих неизменных условияхв градусах температуры.
Непосредственно заантенной установлен выключатель 2, который переключается из замкнутого вразомкнутое состояние 1000 раз в секунду. При замкнутом состоянии переключателясигнал проходит через плечи а – в циркулятора и усиливается в радиометрическойчасти прибора 4. При разомкнутом состоянии выключателя 2 в плечо с циркулятора3 поступают шумы от нагреваемого резистора 5, которые отражаются от выключателя2 и через плечи а – в циркулятора 3 также попадают на вход радиометра 4. Врадиометре происходит усиление сигналов и сравнение их мощности (температуры)при двух положениях переключателя 2. Напряжение, пропорциональное разноститемператур ткани и нагреваемого резистора 5, нагревает или охлаждает резистор до тех пор, покауказанные температуры не сравняются.
Нагреваемый резисторпредставляет собой тонкую керамическую пластину малой площади. На внешнейстороне пластины нагреваемый резистор выполнен в виде миниатюрного пленочногоэлемента. Этот резистор имеет сопротивление 50 Ом и согласован с плечом сциркулятора.
Таким образом, измерениевнутренней температуры тканей заменяется измерением температуры нагреваемогорезистора, что упрощает построение аппаратуры. На нагреваемом резистореустановлен преобразователь температура-напряжение. Напряжение с выходапреобразователя поступает на усилитель 7 и далее на переключатели режимов 8, азатем на аналого-цифровой преобразователь 11, служащий для связи с ПЭВМ.
В ПЭВМ, состоящей изпроцессора 12, монитора 13 и принтера 14, осуществляются следующие операции:
¾ фиксация данных пациента;
¾ фиксация анамнеза;
¾ фиксация данных измеренийтемпературы, привязанных к позиции датчиков.
Данные по температуреобрабатываются и могут быть отображены на мониторе или принтере в видетермограммы или в виде поля температур.
          Таким образом,рассмотрено устройство и принцип действия компьютеризированного радиотермометраРТМ-01-РЭС. Аппарат обладает долговременной стабильностью показаний. Благодаряспециальным схемам он может работать при значительном изменении температурыокружающей среды. Введение устройства выборки — хранения убыстряет процессизмерения, особенно при скрининговых исследованиях.
Радиотермограф “РАСКАТ”. В экспериментальных исследованиях использовалимногоканальный радиотермограф РАСКАТ, разработанный совместно ИРЭ РАН и НПО ВЕГА-М.
Этот прибор представляетсобой аппаратно-программный комплекс, состоящий из высокочувствительногоприемника дециметрового диапазона волн (радиометра), комплектаантенн-аппликаторов (по числу каналов) с устройствами крепления на голове ителе человека, персонального компьютера типа IВМ и пакета программного обеспечения.
Передача информации срадиометра на компьютер осуществляется в цифровом виде через стандартный порт RS-232. В приборе предусмотрен светодиодныйконтроль качества установки антенн-аппликаторов на теле (голове) человека.Имеются датчики температуры кожи под антеннами и датчик комнатной температуры.
С учетом постояннойвремени интегрирования минимальный период исследуемых процессов составлял 40 с.
Исследования проводили вэкранированной камере фирмы «Belling & Lee», обеспечивающей ослабление радиопомех более 100 дБ.Антенны-аппликаторы устанавливались на голове испытуемого в соответствии смеждународной системой отведений при электроэнцефалографии 10 — 20. В первые 10мин записывалось «фоновое» распределение температур, после чегодавалась команда на начало физиологического теста. После окончания теста записьпродолжалась еще 10 мин.
Для радиотермографии«изображение» синтезируется следующим образом: перед началом сеансана экран дисплея выводится сменная маска исследуемого объекта — голова человекапредставленная рисунке 1.5, в соответствии с которой производятся расстановкаантенн-аппликаторов и дальнейшая привязка получаемой информации к изображениюобъекта.
/>
Рисунок 1.5 — Маска головы
Полученные от всех антеннсигналы интерполируются по поверхности исследуемого участка, и результатинтерполяции налагается на маску. Затем можно выбрать «кадр»,относительно которого будут наблюдаться изменения температурных полей приразличных физиологических пробах, и выровнять по нему температурное поле. Такимобразом, получаемые карты температурных полей показывают относительные измененияглубинной температуры, вызванные внешним воздействием на организм человека.
1.3Приборы использующееся вспортивной медицине
          Портативныйприбор биоуправления физической тренировкой “Вектор”.Выпускается в республике Беларусь научно-производственным предприятием “Биомедицинская инженерия Медиор”. Прибор предназначен дляпрограммируемого управления физической тренировкой и последующего анализареальной функциональной нагрузки.
 Прибор закрепляется напоясе спортсмена, мягкие электроды устанавливаются на грудную клетку дляконтроля динамики частоты сердечных сокращения (ЧСС). Управление осуществляетсязвуковым сигналом на основе сравнения текущего значения ЧСС с заданными иизменяющимися во времени границами.
Область применения: спортвысших достижений, оздоровительная физическая культура, реабилитация.
Функции и возможностиприбора:
— программирование различных форм функциональныхнагрузок в виде временной зависимости допустимых границ частоты пульсаспортсмена.
— цифровая индикация и накопление мгновенных или усредненных значений ЧСС впроцессе тренировки.
— работа в режиме секундомера и индикация объема заполнения ОЗУ.
— программная обработка накопленных данных, распечатка протоколов планирования ивыполнения тренировки.
Многоканальныйрадиотелеметрический комплекс для оперативного контроля функциональногосостояния группы спортсменов “Прогрес”. Выпускается в республике Беларусь научно-производственным предприятием “Биомедицинская инженерия Медиор”. Комплекс предназначен для наблюденияв реальном времени динамики параметров кардиореспираторной системы группыспортсменов (4, 8, 16, и более человек) в ходе проводимых тренировок.
Функции комплекса: вводслужебной информации (анкетирование спортсменов, установка режимов контроля),тестирование системы, непрерывная регистрация частоты сердечных сокращений(ЧСС), частоты дыхания (ЧД), расчет и графическое представление динамикистатических показателей (моды, амплитуды моды, индексов напряжения) и другихпараметров состояния спортсменов, распечатка групповых и персональныхпротоколов функциональной нагрузки, возможность внесения тренером отметоксобытий и графики регистрируемых данных по ходу тренировки.
В наше время появляетсямасса случаев в необходимости применения беспроводной передачи биосигналов. Вэтом направлении разрабатываются различные приборы для дистанционнойдиагностики таких параметров как: артериального пульса и давления, функцийдыхания и работу сердца, температурных аномалий внутри биологического объекта.В связи с этим целесообразно углубленное изучение этой проблемы.
В данном дипломномпроекте на базе электрического кардиографа РПС-1 будет разработано методическоеи аппаратное обеспечение для снятия различных биосигналов на расстоянии, чтопозволит изучить принципы дистанционной диагностики.
Электрический кардиографаРПС-1 предназначен для радиоприема, усиления и преобразования сигналов отрадиопередатчика РПД-1.
Недостатки: отсутствиеинтерфейса не позволяет подключить прибор к компьютеру, т. е. не возможно хранение,запоминание и быстрая обработка поступающей информации, малый радиус действия.

2 Анализтехнического задания, описание структурной схемы устройства
2.1 Анализ технического задания
1. Для выполнениядипломного проекта, в качестве задания был дан прибор электрический кардиографРПС-1 с характеристиками:
-  полоса пропускания приемника от 5 до7 кГц;
-  полоса пропускания фильтрадешифратора 600 Гц;
-  скорость развертки осциллоскопа 12,5;25; 50 мм/с; -  нелинейность развертки осциллоскопа не более 10%;
-  питание 200 В, 50 Гц.
2. Информация,поступающая с электрического кардиографа, должна передаваться в цифровом видечерез устройство сопряжения на ЭВМ.
-     многофункциональность;
-     иметь до 25каналов для входных данных;
-     подключение ккомпьютеру через параллельный порт;
-     малогабаритность;
-     легкая съемка иустановка;
-     полная изоляцияпо питанию
3. Обработка и выводинформации на ЭВМ.
4.Для измерения параметров прибора, а так передаваемого сигнала необходиморазработать схему проведения лабораторной работы. Выбрать приборы дляизмерения:
-     низкочастотныйгенератор для симуляции низкочастотного сигнала;
-     источник питаниядля передатчика;
-     осциллограф для наблюдением засигналом проходящим через электрический кардиограф.

2.2Описание структурнойсхемы устройства
Дистанционный комплексконтроля состояния состоит из передатчика и радиоприемника.
Передатчик имеет дваэлектрода: сигнальный и пассивный. Сигнальный электрод крепится в активнойзоне, а пассивный электрод является общим. Электроды снимают сигнал, который передаетсяпо радиоканалу при помощи антенны на электрический кардиограф с частотой 27,12МГц.
Электрический кардиограф состоитиз приемника, дешифратора, детектора, усилителя, усилителя вертикальногоотклонения, электронно-лучевой трубки, задающего генератора горизонтальнойразвертки, источника питания, высоковольтного блока питания, блока сопряжения скомпьютером, компьютер, индикатор. Блок – схема радиоприемника представлена нарисунке.2.1.
/>

Рисунок 2.1 — Структурнаясхема дистанционного комплекса контроля функционального состояния
1 – приемник; 2 –дешифратора; 3 – детектора; 4 – усилителя; 5 – усилителя вертикальногоотклонения; 6 – электронно-лучевой трубки; 7 – задающего генератора горизонтальнойразвертки; 8 – источника питания; 9 – высоковольтного блока питания; 10 –индикатор; 11 – устройство сопряжения; 12 – компьютер.
/>

          Рисунок2.2 — Структурная схема приемника
Структурная схема приемникапредставлена на рисунке 2.2. Усилитель высокой частоты, который предназначендля усиления радиосигнала, принимаемого штыревой антенной. Преобразователичастоты ПЧ-1 и ПЧ-2 предназначены для преобразования высокочастотного сигнала впервую и во вторую промежуточную частоту. Усилитель первой и второйпромежуточной частоты УПЧ-1 и УПЧ- 2 предназначены для усиления сигнала первойи второй промежуточной частоты, и получения необходимой частоты пропусканияприемника. На печатной плате УПЧ-2 выполнена схема автоматической регулировкиусиления, которая обеспечивает автоматическое изменение усиления усилителявысокой частоты УВЧ в зависимости от величины входного сигнала. ЧД — детекторпредназначен для преобразования высокочастотного сигнала, модулированного по частоте,в импульсную последовательность.
Приемник выполнен посупергетеродинной схеме с двойным преобразованием частоты для повышениячувствительности и избирательности, а так же для помехозащищенности системы.
Дешифратор 2 предназначендля выделения из последовательности импульсов, модулированных по частоте,первой гармонической составляющей и ее последующего преобразования. Структурнаясхема дешифратора показана на рисунке 2.3.
Усилитель предназначен для усиления сигналапоступившего с приемника. Усилитель-ограничитель предназначен для усиленияимпульсом, ограниченных по амплитуде на уровне 30 мВ. Это позволяет значительноулучшить помехозащищенность системы. Полосовой фильтр выделяет из импульснойпоследовательности, модулированную по частоте, первую гармоническуюсоставляющую. Эмиттерный повторитель служит для согласования выходногосопротивления фильтра и входного сопротивления формирователя импульсов,предназначенного для формирования импульсов прямоугольной формы изсинусоидального сигнала.
/>

Рисунок 2.3 — Структурная схема дешифратора
1 – усилитель; 2 – усилитель-ограничитель; 3 –эмиттерный повторитель;
4 – полосовой фильтр; 5 — эмиттерный повторитель; 6 –формирователь.
          Детектор 3 предназначен для выделениянизкочастотного сигнала и подавления побочных продуктов преобразования.Структурная схема детектора представлена на рисунке 2.4.
/>

Рисунок 2.4 — Структурная схема детектора
1 – ждущий мультивибратор; 2 – частотно-импульсныйдетектор; 3 – фильтр низких частот.

Ждущий мультивибратор 1 обеспечивает на выходеимпульсную последовательность постоянной амплитудой, строго постояннойдлительностью и скважностью q=10. Все эти факторыобеспечивают четкую работу частотно-импульсный детектора 2, который преобразуетимпульсную последовательность в низкочастотный сигнал. Фильтр низких частот 3подавляет частоты побочных продуктов преобразования после детектирования итактовую частоту 3500 Гц.
          Усилитель 4 служит для усилениянизкочастотного сигнала и подавления помехи с промышленной частотой 50 Гц.
Усилитель вертикального отклонения 5 и генераторгоризонтальной развертки 7 обеспечивают соответственно вертикальную игоризонтальную развертку луча на экране ЭЛТ 6.
Источник питания 8 обеспечивает стабилизированнымпитанием все узлы и блоки радиоприемника, высоковольтный блок питания 9обеспечивает питание электронно-лучевой трубки 6.
Индикатор 10 обеспечивает подстройку поднесущейчастоты.
Блок сопряжения 11 служит для сопряжения радиоприемникас компьютером 12, который обеспечивает быстрое отображение и обработкуинформации поступающей от электрического кардиограф.
 

3.Разработка устройства сопряжения
         
          Устройствосопряжения предназначено для подключения различных электрических устройств ккомпьютеру. В нашем случае необходимо подключить к компьютеру электрическийкардиограф. В соответствии с заданием на ДПустройство сопряжения должно соответствовать следующим требованиям:
-     многофункциональность;
-     иметь до 25каналов для входных данных;
-     подключение ккомпьютеру через параллельный порт;
-     малогабаритность;
-     легкая съемка иустановка;
-     полная изоляцияпо питанию.
Двадцать пять входных каналов необходимо для передачиданных в компьютер от различных устройств, датчиков и так далее, которые вперспективе могут быть подключены к ЭВМ при выполнении других работ по разнымдисциплинам. Главным условием при проектировании устройства сопряжения — этоего совместимость с другой аппаратурой и многофункциональность.
3.1Разработка электрической принципиальнойсхемы устройства сопряжения
          На плату сопряжения через разъем (Х1)может подаваться до 25 сигналов. Выборка адреса подаваемого сигналаосуществляется аналоговыми коммутаторами, собранными на микросхемах К561КП1.Функциональная схема микросхемы состоит из общей схемы управления (дешифратор2х4) и двух синхронно работающих групп ключей, по четыре ключа на каждый.
          Управлениемикросхемой осуществляется по двум адресным входам 9,10 и входу выборамикросхемы 6. При подаче на вход 6 высокого уровня каналы закрываются. Приналичии низкого уровня на входе 6 любой из 4 возможных комбинаций значений навходах 9,10 соответствует один открытый канал в каждом мультиплексореодновременно. Вход 6 имеет наибольший приоритет из всех видов управления.
          Вмультиплексоре использована модифицированная схема ключа, благодаря которомусопротивление открытого канала имеет малую зависимость от изменения входногосигнала в диапазоне коммутируемых напряжений, лежащих в диапазоне между значенияминапряжения питания на входах 7 и 16. Поскольку сопротивление открытого каналамультиплексора зависит от его напряжения питания (минимально />), то выберем дляпитания мультиплексора напряжение />12В, которое можно взять отприемника дистанционного комплекса контроля функционального состояния и прикотором обеспечивается достаточно малое сопротивление открытого канала.
          Выбранный поадресу сигнал поступает на систему операционных усилителей, собранных намикросхемах КР140УД708.
Каскад на транзисторе VT1 (КТ315) собранный по схеме с общимэмиттером, обеспечивает необходимую подстройку по питанию для стабильной работыоперационных усилителей. Система операционных усилителей усиливает сигнал доуровня, который необходим для нормальной работы АЦП.       Аналого-цифровойпреобразователь выполнен на микросхеме К1107ПВ2. Представляет собойвосьмиразрядный аналого-цифровой преобразователь с частотой 20МГц. Назначениевыводов представлена в таблице 5.1.
Таблица5.1 — Назначение выводов АЦП К1107ПВ2Номер вывода Назначение вывода 1 2 11 Опорное напряжения 1 1 2 13,15,16,18,20 Вход (аналоговый сигнал)
14,19
17
22
28,43
29,42
32…35,37…40
36,40
47…50
1…10,12,21,23…27,31,51…64
Общий (аналоговая “земля”)
Вывод корректировки нелинейности
Опорное напряжение2
Питание1
Общий (цифровая “земля”)
Выводы 8…5, 4…1
Управление выходным кодам
Питание2
Незадействованные
          Работой АЦПуправляет один тактовый сигнал. Выборка производится через 10…22 нс послепрохождения переднего фронта тактового сигнала. Кодирование происходит послепрохождения заднего фронта тактового импульса, а результат, полученный впроцессе кадрирования, передается в выходной регистр одновременно с переднимфронтам очередного такового импульса. Задержка цифрового выхода /> не превышает 50 нс. Этодает возможность передним фронтом очередного тактового импульса произвестиследующую выборку, т.е. в момент, когда на выходе микросхемы получаетсярезультат n –ой выборки на входе производится n + 2 выборка, а результат n + 1 выборки хоронится в промежуточнойстепени.
          Минимальнаядлительность импульса /> и паузы между импульсами />, определяемыедлительностью переходных процессов в отдельных ступенях АЦП в заданномдиапазоне рабочих температур, определяют тактовую частоту (fcmax>20 МГц). [8]
          Каскад натранзисторах VT2и VT3 (КТ301) собранный по дифференциальной схемеобеспечивают стабильное питание для нормальной работы АЦП.
Управлением АЦП и выборкойадреса на аналоговых коммутаторах осуществляется компьютером черезоднокристальное программируемое устройство ввода/вывода параллельного типавыполненного на микросхеме КР580ВВ55А. Содержит три канала ввода/вывода: А, В иС и может работать в одном из трех режимах:
1. Режим 0 – простой ввод/вывод;
2. Режим 1 – стробируемыйввод/вывод;
3. Режим 2 – двунаправленныйканал.
Необходимый режим задаетсяпредварительной записью в БИС управляющего слова. Режим работы каналов можноизменять как в начале, так и в процессе выполнения программы, что позволяетобслуживать различные периферийные устройства в определенном порядке с помощьюодной БИС К580ВВ55А. Режимы работы каналов А и В могут быть установленыразличными одновременно.
Рассмотрим каждый из ее узлов.Входные/выходные формирователи канала данных представляют собой двунаправленныебуферы, выходы которых имеют третье состояние “выключено”. Буферы предназначеныдля приема управляющих слов и данных на внутреннею магистраль КР580ВВ55А и длявыдачи на магистраль системы информации состояния и данных от внешнихустройств.
Содержание 7-разрядного регистрауправляющего слова определяет режим работы и направления передачи каждого изканалов ввода/вывода. В этом регистре можно только записывать информацию. Схемавыбора канала предназначена для формирования сигналов управления внутренними ивнешними передачами данных, управляющих слов и информации состояния. Регистрыканалов А, В, С и выходные формирователи предназначены для подключения внешнихустройств ввода/вывода к магистрали данных МП. Схемы управления каналом Споваляет программным способом изменять состояние любого разряда регистра С.[9]
          В нашем случаеустройство ввода/вывода работает в режиме 0. Простой ввод/вывод данных по трем8-разрядным каналам, причем канал С разбит на два 4-разрядных канала. Приработе схемы в этом режиме никаких дополнительных сигналов управления нетребуется.
          Управление микросхемойввода/вывода осуществляется ЭВМ через микросхемы КР1533ЛН1 и КР1355ЛА2. Свыхода КР1355ЛА2 на вход CS микросхем ввода/вывода подается логический 0 или 1,что включает или выключат ее.
          Транзисторные оптопары(АОТ123А) предназначены для управления выборкой адреса (U2…U8) с разъема (Х1) ипередачи информации поступающей по измерительному каналу (U1). Они осуществляюттак же полную развязку схемы от ЭВМ по питанию.
          Полная развязка попитанию предназначена для предотвращения перегорания дорогостоящих элементовсхемы и компьютера. При превышении напряжения предельно допустимого значениянапряжения или пробивания напряжения на корпус, автоматически прекращаетсявыборка адреса на мультиплексорах (К561КП1) или транзисторная оптопара перегорает,что приводит к автоматическому отключению платы сопряжения от сети питания.
          Устройство сопряженияподключается к компьютеру через штыревой разъем (Х2).
3.2 Электрический расчет устройства сопряжения
          В устройствесопряжения используется АЦП параллельного действия К1107ПВ2, имеющий в времяпреобразования 100 нс и максимальную частоту преобразования 20 МГц. Назначениявыводов приведены выше в таблице 5.1.
          Транзисторы VT2, VT3 служат для преобразования напряжения –12В до уровней необходимых для подачи на входы 47 – 50, 22 АЦП. Нужный уровеньнапряжения определяется положениям движков резисторов R17, R18. Ток,потребляемый микросхемой на входах 47 – 50 равный 35мА. Для этого в базах этихтранзисторах должен протекать ток:
/>,                                                     (3.1)
/> (мА),
/>,                                                (3.2)
/>.
для обеспечения такого тока /> ток через резисторы r16, r17 должен быть равен />, т. е. r16 = r17 = 12в//>. при таких условиях на эмиттеров этих транзисторовбудет повторяться напряжение, присутствующее на среднем выводе резисторов R16, R17.
          на вход ацп должно подаваться напряжение–2…0 в. это напряжение должно обеспечиваться операционным усилителем (оу) da3. коэффициент усиления da3 задается резисторами r20, r18. резистор r19выбирается равным10 ком исходя из технических условий по применению оу данного типа и служит для установки нулевого уровня.так как резистор r20 переменный, то мы можем плавнорегулировать коэффициент усиления данного усилителя. оу включен по неинвертирующей схеме. отсюда следует, чтокоэффициент усиления:
/>,                                        (3.3)
/>.

          Для работы оптопары необходимо обеспечить определенный ток.этот ток обеспечивается оу da2, в котором диод оптопары включен в цепьобратной связи. для компенсации влияния остаточного сопротивления аналоговых коммутаторов используетсякаскад на транзисторе vt1. аналоговый сигнал поступающий свыхода коммутатора усиливается на оу da1. для нормальной работы ацп необходимо аналоговый сигналусилить в к раз:
/>,                                                   (3.4)
          Данная микросхемаимеет
/> и />
исходя из этих данных выберем />:
/>,              (3.5)
/>.
/>,                                           (3.6)
/>.
Определим сопротивление R2:
/>,                                            (3.7)
/>(кОм)
          Исходя из формулы (3.4) определим сопротивление R1:
/>,                                                    (3.8)
/> (Ом)

4. выбор и обоснование конструкции устройства СОПРЯЖЕНИЯ
Конструированиеможет быть реализовано различными методами: геометрическим, машиностроительным,топологическим, проектирования моноконструкций, базовым, эвристическим и автоматизированногопроектирования. Дадим краткую характеристику некоторым из них.
Геометрическийметод. В основу метода положена структура геометрических и кинематических связеймежду деталями, представляющая собой систему опорных точек, число и размещениекоторых зависит от заданных степеней свободы и геометрических свойств тела.
Этот методявляется основным средством решения задачи во всех случаях, когда отконструкции требуется высокая точность взаимного перемещения деталей илидлительное и точное сохранение определенных параметров, зависящих отрасположения деталей.
Машиностроительныйметод. В основу этого метода положена структура геометрических и кинематическихсвязей между деталями, представляющая собой систему опорных поверхностей, числои размещение которых выбирается из минимизации массы и допустимой прочностиконструкции.
Метод нашелприменение при проектировании несущих конструкций ЭВА всех уровней, кинематическихзвеньев функциональных узлов, а также всех видов неподвижных соединений.
Топологическийметод. В основу его положена структура физических связей между ЭРЭ, т. е. Представлениеконструктивного вида электрической схемы и ее геометрической (топологической)связности, независимо от ее функционального содержания.
Базовый методконструирования. В основу метода положено деление аппаратуры на конструктивно исхемно-законченные части. Базовый метод конструирования и его разновидности(функционально-модульный, функционально-узловой и функционально-блочный методы)основываются на принципах агрегатирования, функциональной и размерной взаимозаменяемости,схемной и конструктивной унификации. Деление базового метода на разновидностисвязано с ограничениями схемной и конструкторской унификации структурныхуровней (модулей, функциональных узлов, блоков).
Конструкторскиерасчеты — один из основных разделов дипломного проекта. В данном разделе проверяетсясоответствие основных характеристик разработанного устройства, предъявляемымтехническим требованиям.
Выбираютсяспособы защиты от воздействия внешних факторов, таких, например, как вибрации иповышенная температура.
В процессерасчетов выбирается компоновочная схема устройства, метод и принцип егоконструирования.
Надежностьявляется одним из главных технических параметров, характеризующих ЭВА.Расчетные значения показателей надежности служат отправным моментом приокончательном выборе схемных и конструктивных решений.
Методикарасчетов надежности и приведена далее.
4.1 Выбор и обоснование элементнойбазы, унифицированных узлов
Критериемвыбора электро радиоэлементов (ЭРЭ) в любом радиоэлектронном устройствеявляется соответствие технологических и эксплуатационных характеристик ЭРЭзаданным условиям работы и условиям эксплуатации.
Основнымипараметрами при выборе ЭРЭ являются:
а)технические параметры:
-           номинальныезначения параметров ЭРЭ согласно принципиальной электрической схеме устройства;
-           допустимыеотклонения величин ЭРЭ от их номинальных значений;
-           допустимыерабочие напряжения ЭРЭ;
-           диапазонрабочих частот ЭРЭ;
-           коэффициентэлектрической нагрузки ЭРЭ;
б)эксплуатационные параметры:
-           диапазонрабочих температур;
-           относительнаявлажность воздуха;
-           давлениеокружающей среды;
-           вибрационныенагрузки;
-           другие(специальные) показатели.
Дополнительнымикритериями при выборе ЭРЭ являются: унификация ЭРЭ, масса и габариты ЭРЭ,наименьшая стоимость, надежность. Выбор элементной базы по вышеназваннымкритериям позволяет обеспечить надежную работу изделия при выборе ЭРЭ, а такжепри конструировании изделия в целом позволяет получить следующие преимущества:
1.        Значительносократить сроки и стоимость проектирования.
2.        Сократитьна предприятии-изготовителе номенклатуру применяемых деталей им сборочныхединиц, увеличить применяемость и масштаб производства.
3.        Исключитьразработку специальной оснастки и специального оборудования для каждого новоговарианта РЭА, т.е. упростить подготовку производства.
4.        Создатьспециализированные производства стандартных и унифицированных сборочных единицдля централизованного обеспечения предприятий.
5.        Улучшитьпроизводственную и эксплуатационную технологичность.
6.        Снизитьсебестоимость выпускаемого изделия.
Учитываявсе вышесказанное перейдем к выбору элементной базы разрабатываемого устройствасопряжения электрического кардиографа с компьютером.
Сравнительныйанализ по использованию элементной базы в данном приборе согласно схемеэлектрической принципиальной показал соответствие эксплуатационных итехнических характеристик ЭРЭ заданным условиям эксплуатации. Этими элементами являются:микросхемы KR140UD780 DA1..DA3, K1107PV2 DA4,KR580VV55A DD6, ILQ621 DA17, DA22, DD1..DD5серииК561, DD7…DD11 серии КR1533.Резисторы R1…R4, R6…R15, R18, R21, R22 типаС2-23, R5, R16, R17, R19, R20типа СП3-19. Оптопары транзисторныеU1…U8АОТ123A. Конденсаторы С1… С4,C6 типа К73-17, С5, С7 типа К10-17. Диоды VD1,VD2КД521А. Транзисторы VT1 типа КТ315, VT2,VT3типаКТ361. Разъемы Х1 на 45 входов, Х2 на 25 входов. Трансформатор питания не, т.к.питание блока осуществляет отэлектрического кардиографа.
Врезультате сопоставления условий эксплуатации разрабатываемого устройства иусловий эксплуатации применяемых в нем ЭРЭ произведен выбор элементной базы.Выбранная элементная база является унифицированной.
4.2 Выбор и обоснование компоновочныхсхем, методов и принципов конструирования
Основнаязадача решаемая при компоновке РЭА – это выбор форм, основных геометрическихразмеров, ориентировочное определение веса изделия и месторасположения впространстве радиоэлементов и элементов несущих конструкций. При компоновкеизделия необходимо учитывать электрические, магнитные, механические, тепловые идругие виды связей. Учет видов связей и оптимальное расположение радиоэлементовв конструкции позволяют обеспечить надежную работу устройства в целом привысокой его ремонтопригодности.
Подкомпоновкой понимается процесс размещения комплектующих модулей. ЭРЭ и деталейРЭА на плоскости или в пространстве с определением основных геометрических форми размеров. В зависимости от уровней модульности различают несколько уровнейкомпоновки аппаратуры: микросхем и ЭРЭ на плате, ячеек в блоке и т.д. Процесскомпоновки завершается получением компоновочного эскиза.
Компоновочныерешения должны удовлетворять требованиям:
-           междуотдельными узлами, приборами и блоками должны отсутствовать заметные паразитныеэлектрические и магнитные взаимности, влияющие на технические характеристикиизделия; тепловые и механические влияния элементов конструкции не должнызначительно ухудшать их технические характеристики;
-           взаимноерасположение элементов конструкции должно обеспечивать технологичность сборки имонтажа с учетом использования автоматов и полуавтоматов, легкий доступ кдеталям для контроля, ремонта и обслуживания;
-           расположениеи конструкции органов управления и отсчетных устройств должны обеспечиватьмаксимальные удобства оператора;
-           изделиедолжно удовлетворять требованиям технической эстетики;
-           габаритыи масса изделия должны быть минимальными.
Однакоследует отметить, что габариты и масса изделия в значительной мере зависят отпринятых схемных решений и используемых радиоэлементов. Мерой эффективностимероприятий по уменьшению габаритов аппаратуры является плотность монтажа –среднее количество радиоэлементов, умещающихся в единицу объема.
Удовлетворитьодновременно всем перечисленным требованиям в большинстве случаев не удается.Поэтому процесс компоновки, как и всякий процесс конструирования, сводится кнахождению оптимального решения.
Высокаясложность разрабатываемой в настоящее время РЭА, построенной с применениемразличного типа микросхем, микросборок и других современных ЭРЭ, вызваланеобходимость поиска таких конструкций и компоновочных решений, которыепозволили бы удовлетворять следующим требованиям:
-           высокаястепень микро миниатюризации аппаратуры в целом;
-           широкаяунификация элементов конструкции;
-           возможностьпараллельной сборки и регулировки составных частей РЭА;
-           обеспечениевысокой эксплуатационной надежности аппаратуры многоразового действия за счетбыстрой замены вышедших из строя составных частей;
-           возможностьпроведения модернизации отдельных частей при сохранении неизменными других.
Указанныетребования в значительной степени удается выполнить, применяяфункционально-модульный метод конструирования в сочетании с упорядоченнойструктурой деления аппаратуры на составные части.
4.3 Компоновочный расчет устройствасопряжения
Блоксопряжения с ЭВМ является определяющей конструкцией проектируемогоэлектрического кардиографа. От правильного его функционирования зависит работаостальных частей.
Всеэтапы создания электрического кардиографа проводятся с помощью системыавтоматизированного проектирования (САПР) P-CAD,программы схемотехнического моделирования PC-Spice и пакета машинной графики AutoCAD.Исключением не является и компоновка. Все вышеупомянутые требования ирекомендации необходимы только для правильного описания стратегии работысоставных частей САПР P-CAD(PC-Place, PC-Route). Процесстрассировки печатной платы полностью автоматизирован. Необходимо только«подсказывать» САПР как надо разместить некоторые элементы с учетом конкретныхтребований.
Преимуществатакого решения задачи очевидны: возрастает вероятность нахождения оптимальногорешения; снижается вероятность появления ошибок соединения печатной платы;происходит экономия материальных и людских ресурсов; появляется возможностьоперативного вмешательств в процесс изготовления печатной платы приизменяющейся номенклатуре ЭРЭ, а также в ходе модернизации схемы; значительносокращаются сроки разработки и суммарная себестоимость конструкторских работ.Одним из основных достоинств данного подхода к конструированию является то, чтосуществует возможность получить на выходе готовые программы управления станкамисверления с числовым программным управлением (ЧПУ), фотоплоттером и оборудованиемдля установки компонентов.
Полученныерезультаты анализируются с помощью математических расчетов на следующих этапахконструирования. При необходимости в рисунок печатной платы, а также врасположение элементов вносятся соответствующие коррективы и процесстрассировки повторяется.
Исходнымиданными для расчета являются перечень элементов схемы электрическойпринципиальной, необходимые типоразмеры и установочные размеры ЭРЭ:установочный объем Vуст.,установочная площадь Sустпредставлены в таблице 4.1.

Таблица4.1 – Исходные данные для компоновочного расчетаВид элемента и основная характеристика Тип, типономинал
Установочный объем, см3 Масса, не более, г 1 2 3 4 Диоды КД521А 0.46 0.31
Конденсаторы
0.1мкФ…100пФ
0.047мкФ…3.3мкФ
К10-17
К73-17
0.33
0.41
0.50
0.60
Микросхемы
Корпус 201.14-1
Корпус 2136.64-1
К1533
К1107ПВ2
0.80
1.1
1.50
15 Резисторы
С2-23
СП3-19
0.25
0.95
0.80
1.8 Оптопары АОТ123Б 0.4 1.7 Разъем
ДБ25М
ДБ45М
3.2
5.2
3.5
5 Транзисторы КТ315 0.55 1.00
Определяемсуммарный объем, занимаемый ЭРЭ, он равен 40.22 см3. Из конструктивныхсоображений выбираем коэффициент заполнения объема корпуса блока сопряженияравным Кз=0.4.
Ориентировочноопределяем реальный размер Vреалразрабатываемой конструкции по формуле:
/>,                                                          (4.1),
гдеVS=40.22 см3 – суммарный объем, занимаемый ЭРЭ.
Тогдаимеем:
/>.

Габаритныеразмеры блока равны следующим:
Длина–228 мм;
Ширина– 110 мм;
Высота– 28 мм.
Массаготового изделия с учетом всех составляющих прибора элементов (включая печатнуюплату и корпус) не превышает 0.4кг.
4.4 Расчет показателей надежности устройства сопряжения
Проблемаобеспечения надежности связана со всеми этапами создания изделия и всемпериодом его практического использования. Надежность изделия в основномзакладывается в процессе его конструирования и обеспечивается в процессе егоизготовления путем правильного выбора технологии производства, контролякачества исходных материалов, полуфабрикатов и готовой продукции, контролярежимов и условий изготовления. Надежность обеспечивается применением правильныхспособов хранения изделия и поддерживается правильной эксплуатацией,планомерным уходом, профилактическим контролем и ремонтом. В зависимости отназначения объекта и условий его эксплуатации, надежность может включать безотказность,долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость. Применительно к разрабатываемомуустройству наиболее часто употребляются следующие показатели надежности:
— вероятностьбезотказной работы /> - вероятность того, что впределах заданной наработки отказ объекта не возникнет;
— средняянаработка на отказ /> - отношение суммарной наработкиобъекта к математическому ожиданию числа отказов в течение этой наработки
— заданнаянаработка /> (заданноевремя безотказной работы) — наработка, в течение которой объект должен безотказноработать для выполнения своих функций;
— интенсивностьотказов /> -вероятность отказов неремонтируемого изделия в единицу времени после заданногомомента времени при условии, что до этого отказ не возникал. Другими словами — это число отказов в единицу времени отнесенное к среднему числу элементов,исправно работающих в данный момент времени.
Оперируя этимипонятиями можно судить о надежностных характеристиках изделия. Итак, произведемрасчет надежности, приняв следующие допущения:
— отказы случайныи независимы;
— учитываютсятолько внезапные отказы;
— имеет местоэкспоненциальный закон надежности.
Последнеедопущение основано на том, что для аппаратуры, в которой имеют место толькослучайные отказы, действует экспоненциальный закон распределения — законПуассона — и вероятность работы в течение времени /> равна:
/>.                      (4.2)
Учитывая точто с точки зрения надежности все основные функциональные узлы и элементы визделии соединены последовательно и значения их надежностей не зависят друг отдруга, т.е. выход из строя одного элемента не меняет надежности другого иприводит к внезапному отказу изделия, то надежность изделия в целом определяетсякак произведение значений надежности для отдельных /> элементов:
/>.                                               (4.3)
С учетомформулы (4.2) получим:
/>,                          (4.4)
где /> — интенсивностьотказов />-го элемента с учетом режима и условий работы, />.
Учет влияниярежима работы и условий эксплуатации изделия при расчетах производится спомощью поправочного коэффициента /> - коэффициента эксплуатации итогда /> вформуле (4.4) выразится как:
/>,                    (4.5)
где /> -интенсивность отказов /> — го элемента при лабораторныхусловиях работы и коэффициенте электрической нагрузки />.
Для точнойоценки /> нужноучитывать несколько внешних и внутренних факторов: температуру корпусовэлементов; относительную влажность; уровень вибрации, передаваемый на элементыи т.д. С этой целью может быть использовано следующее выражение:
/>,                (4.6)
где     /> — поправочныйкоэффициент, учитывающий /> — ый фактор;
/> — поправочныйкоэффициент, учитывающий влияние температуры;
/> — поправочныйкоэффициент, учитывающий влияние электрической нагрузки;
/> — поправочныйкоэффициент, учитывающий влияние влажности;
/> - поправочныйкоэффициент, учитывающий влияние механических воздействий.
Все /> определяютсяиз справочных зависимостей и таблиц, где они приведены в виде /> и />, как объединенные /> с /> и /> с />.
После этогоможно определить значение суммарной интенсивности отказов элементов изделия поформуле:
/> ,    (4.7)
 
где     /> — числоэлементов в группе, />;
/> - интенсивность отказаэлементов в />-ойгруппе, />;
/> - коэффициентэксплуатации элементов в />-ой группе;
/> - общее число групп.
Исходныеданные по группам элементов, необходимые для расчета показателей надежностиприведены в таблице 4.2.
Таблица 4.2 — Справочные и расчетные данные об элементах конструкции
/> гр.
Наименование
 Группы
/>
/>1/ч
/>
/>
/>/>
/>1/ч
/>
ч
/> 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 Конденсаторы 7 0.15 0.35 1.07 0.38 0.97 1.1 8.6 2
Аналоговые
Микросхемы 10 0.02 0.7 1.07 0.75 0.05 0.5 0.4 3 Цифровые микросхемы 2 0.02 0.7 1.07 0.75 0.50 0.5 14 4 Транзисторы 3 0.09 1 2 2 1.8 0.5 16 5 Диоды КД521А 2 0.04 1 2 2 0.8 0.5 7 6
Резисторы С2-23
СП3-19
14
7
0.01
0.05
0.4
0.4
2
2
0.8
0.8
0.08
0.4
1.1
1.1
0.7
3.5 7
Разъем
Многоштырьковый
(25,45 штырей) 2 3.2 0.7 1.07 0.75 4.8 1.2 42 8 Соединения пайкой 390 0.01 0.8 1.07 0.86 7.1 1.2 62.8 9 Плата печатная 1 0.2 0.6 1.07 0.64 0.13 3.2 28.3
Воспользовавшисьданными табл. 4.2 по формуле (4.7) можно определить суммарную интенсивностьотказов />, /> 1/час.
Далее найдемсреднюю наработку на отказ />, применив следующую формулу:
/> .                                             (4.8)
Итак, имеем:
/> часов.
Вероятностьбезотказной работы определяется исходя из формулы (4.4), приведенной кследующему виду:
/>,                                        (4.9)
где /> часов — заданное по ТЗ время безотказной работы.
Итак, имеем:
/> 
Среднее времявосстановления определяется последующей формуле:
/>,       (4.10)
где />/> — вероятность отказа элемента i-ой группы;
/> — случайноевремя восстановления элемента i-ой группы, приближенные значения которого указаны втаблице 4.2.
Подставивзначения в формулу (4.6), получим среднее время восстановления />=2.491ч.
Далее можноопределить вероятность восстановления по формуле:
 />,       (4.11)
где />=6.4ч.
 Следовательно,по формуле (4.11) определим />, что больше />.
Таким образом,полученные данные удовлетворяют требованиям ТЗ по надежности, так как призаданном времени непрерывной работы /> ч проектируемый блок будет работатьс вероятностью />. При этом он будет иметь среднююнаработку на отказ />ч и вероятность восстановления, /> следовательно,дополнительных мер по повышению надежности разрабатываемого устройства нетребуется.

5. Конструкторскаяразработка узлов УСТРОЙСТВА СОПРЯЖЕНИЯ с использованием САПР
В настоящее время во всеммире наблюдается резкое увеличение производства электронной аппаратуры (ЭА) иповышение ее возможностей. Особенно это связано с последними успехами в областимикроэлектроники.
Разработка и внедрение ЭАявляется одним из основных показателей современного научно-техническогоразвития общества. Прогресс в области создания ЭА определяется повышениемнадежности, экономичности, качества и эффективности устройств,совершенствованием схем, конструкций, технологии.
Сповышением сложности ЭА резко возросла трудоемкость процесса разработки ипроизводства устройств. Увеличение объемов конструкторско-технологических работпривело к необходимости создания систем автоматизированного проектирования(САПР), которые позволяют значительно уменьшить затраты труда при разработкеаппаратуры, тем самым уменьшая сроки проектно-конструкторских работ и снижаясебестоимость изделия в целом. При этом технологичность и надежностьразрабатываемых устройств не уменьшается, а наоборот возрастает.
В настоящее время наоснове современных вычислительных комплексов и средств автоматизации созданы инаходятся в промышленной эксплуатации САПР ЭА, позволяющие в значительнойстепени освободить конструктора-проектировщика от однообразной, трудоемкой иутомительной работы и повысить его интеллектуальные возможности на этапахпринятия решений.
Существующие САПР ЭАрешают комплекс вопросов по проектированию схем и конструкций аппаратуры,включая параметрический и статистический анализ и оптимизацию схем, расчетпараметров механических, электромеханических и электронных узлов и блоков ЭА сучетом производственных погрешностей, расчет общих компоновочных характеристикЭА и тепловых режимов, механической прочности и надежности конструкций.5.1 Особенности и назначения применяемых пакетов САПР
          Фирмой ACCELвыпускается два варианта системы PCAD 8.5: Master Design и Associate Design.Большими возможностями обладает вариант Master Design [10].
          Системаподдерживает широкий набор графических дисплеев, плоттеров, манипуляторов ицифровых планшетов различных типов.
Система PCAD позволяетвыполнять следующие проектные операции: создание символов элементовпринципиальной электрической схемы и корпусов; графический ввод принципиальнойэлектрической схемы и конструктивов плат проектируемого устройства; ручную иавтоматическую трассировку печатных проводников произвольной ширины; автоматизированныйконтроль результатов проектирования ПП на соответствие принципиальнойэлектрической схеме.
Программный комплекс PCADвключает в себя взаимосвязанные пакеты программ, образующих систему сквозногопроектирования ПП электронной аппаратуры. В ее состав входят следующие программы:
·          Schematic Editor– графический ввод и редактирование принципиальной электрической схемы;
·          Symbol Editor –графический ввод и редактирование символов радиоэлектронных компонентов напринципиальных схемах;
·          PCB Editor –графический ввод и редактирование конструктивов ПП, автоматическое или ручноеразмещение компонентов на плате;
·          Part Editor –графический ввод и редактирование корпусов компонентов РЭА и стеков контактныхплощадок.
Графический редакторпринципиальных схем и символов компонентов имеет два режима: Schematic Editor иSymbol Editor. После загрузки графического редактора экран дисплеяформатируется и разбивается на несколько зон. Зона меню подкоманд,предназначенная для команд графического редактора, расположена справа от окна ивнизу под ним. Команды выбираются щелчком левой кнопки мыши. Расположенныесправа команды имеют подкоманды, список которых выводится на экран после выбораосновной команды.
Построение чертежавыполняется с помощью манипулятора мышь, перемещаемого по горизонтальнойповерхности рабочего стола, при этом на экране дисплея синхронно перемещаетсякурсор в виде креста. Координатная сетка на экране упрощает процесс построениячертежа и повышает точность позиционирования. Шаг координатной сетки по осям Xи Y показан в поле Grd. Текущие координаты указываются в поле XY.
В схемном графическомредакторе полная информация о чертеже заносится в 18 — слоев, устанавливаемыхпо умолчанию. На каждой фазе работы с графическим редактором необходима не всяимеющаяся информация, поэтому часть слоев делают невидимыми. Информация о слояхвыводится по команде View Layer. Всего слоев поддерживается до 100. Слои могутбыть окрашены в любой из 16 цветов. Каждый слой имеет одно из трех состояний:OFF – слой невидим и недоступен, ON – слой видим но недоступен, ABL – слойвидим и может стать активным.
Также отличительнойособенностью PCAD является использование атрибутов. Атрибуты состоят из двухчастей: ключевого слоя и значения, разделенных знаком равенства “=”. Ключевоеслово должно начинаться с буквы и иметь длину до 23 символов. Значение атрибутапредставляет собой последовательность чисел или текстовых переменных,разделенных запятыми. После вода атрибута ключевое слово и знак равенствастановятся невидимыми на экране.
При использованииатрибутов можно значительно облегчить работу со схемой. В частности можноиспользовать автоматическое создание корпусов компонентов, автоматическоеприсвоение имени цепи и др.
При создании символов УГОэлементов дискретного типа есть своя специфика, которую следует помнить.
Для дискретныхкомпонентов не должны присутствовать имена и номера выводов на схеме. Имядискретного компонента на слое DEVICE не наносится. Номера выводов по командеEnter/Packing Data наносят на слое ATTR2, который в дальнейшей работе выключают.
Для резисторовдополнительно следует указать атрибут RVALUE=. Он необходим длядиагностики ошибок, связанных с отсутствием резистора в цепях для микросхем соткрытым коллектором.
Для дискретных компонентовцелесообразно создавать два УГО: для вертикального и горизонтального расположенияна схеме.
Для редактированиячертежей будет использован пакет AutoCAD.
Команды AutoCAD могутвыбираться из меню с помощью кнопок панелей управления, а так же набираться склавиатуры в текстовом окне. Независимо от способа набора команды для ееповторения необходимо нажать клавишу Enter. AutoCAD хранит чертежи в файлах срасширением “.dwg”. Кроме чертежа этот файл содержит ряд параметров. Присоздании нового чертежа эти параметры устанавливаются по умолчанию, либоберутся из чертежа прототипа.
В AutoCAD имеетсявозможность определения формата и точности представления чисел. Ввод координатс клавиатуры возможен в абсолютных и относительных координатах. Относительныекоординаты задают смещение относительно последней введенной точки. Для удобстваработы можно определить пользовательскую систему координат, которая может бытьсмещена относительно мировой и повернута под любым углом.
Чертежи в AutoCADсоздаются в примитивах, над которыми понимают элементы чертежа, которыеобрабатывают как единое целое, а не как совокупность точек и объектов. Системапозволяет ставить линейные, угловые, диаметральные, радиальные и координатныеразмеры. Составные элементы размера: размерная линия, выносная линия иразмерный текст. Имеется возможность ввода своего значения. Все линии, стрелки,элементы текста рассматриваются как один примитив.
Как и система PCADсистема AutoCAD поддерживает слойность чертежа. Слои обладают свойствамисходными со слоями PCAD, что дает возможность редактировать чертежи созданныеPCAD-ом. Слои в AutoCAD могут содержать имя слоя, состоящее из символов ицифр-букв, они могут переходить из включенного состояния в выключенное инаоборот. На каждом слое можно задавать свой цвет и тип линии, что помогает присоздании и редактировании чертежей.
Одной из особенностейAutoCAD, является то, что он поддерживает специфический язык программированияLisp. Этот язык ориентирован на обработку списков. Применение этого языка вAutoCAD дает ему широкие возможности.
5.2 конструкторскийрасчет устройства сопряжения
В качестве устройства, для которого необходиморазработать печатную плату, в соответствии с заданием к дипломному проекту,предложено устройство сопряжения с ЭВМ.
В состав блоков входят элементы серий К561, КР140, КР1533, микроконтроллеры: К1107ПВ2 и КР580ВВ55А, такжеоптопары транзисторные АОТ123Б. Также имеются резисторы, диоды, транзисторы иконденсаторы.
Для разработки платысопряжения выбираем способ монтажа — печатный. Основные размеры печатной платынеобходимо выбрать в соответствии со стандартом МЭК 297-3. Основные размерыпечатных плат, регламентируемые данным стандартом приведены в таблице 5.1.
В этой таблице значенияряда 1 рекомендуется применять для печатных плат, компонуемых в частичномкорпусе. Значения ряда 2 применяются для печатных плат, вставляемыхнепосредственно в комплектный корпус. Однако целесообразно из условийсовместимости принимать значения ряда 1 для печатных плат любых применений, азначения ряда 2 – для применения в частичном корпусе.
При разработке печатнойплаты шаг координатной сетки отверстий необходимо примем равным 1,25 мм.
Остальные характеристикиразрабатываемой печатной платы (шаг трассировки, шаг печатных проводников,диаметры контактных площадок и переходных отверстий) определим с использованиемметодик, описанных в [11].
 
Таблица 5.1-Основные размеры печатных плат по стандарту МЭК-297-3Высота Н, мм Ширина Ряд 1 Ряд 2 В, мм 55,55 67,31 100; 160; 220; 280 100,00 111,76 100; 160; 220; 280 144,45 156,20 100; 160; 220; 280 188,90 200,70 100; 160; 220; 280 233,35 245,10 100; 160; 220; 280 277,80 289,55 100; 160; 220; 280 322,25 334,00 100; 160; 220; 280 366,70 378,45 100; 160; 220; 280 411,15 422,90 100; 160; 220; 280 455,60 467,35 100; 160; 220; 280 500,05 511,80 100; 160; 220; 280
Минимальное число слоевпечатной платы примем равное не менее двух. Коэффициент заполнения должен бытьне менее 0,5.
В качестве предложенногопакета САПР печатных плат необходимо использовать пакет Pcad. С его помощью надо осуществить вводэлектрической принципиальной схемы, генерацию списка связей, компоновку, размещениеэлементов, а также трассировку печатных соединений.
Чертежи разработаннойпечатной платы необходимо выполнить с использованием средств пакета САПР AutoCAD.
5.3 Особенности применяемой элементной базы и материалов
В соответствии с полученным заданием в принципиальнойсхеме устройства, для которого необходимо разработать печатную плату,использованы микросхемы серий: К561, КР140, КР1533,микроконтроллеры: К1107ПВ2 и КР580ВВ55А, также оптопары транзисторные АОТ123Б.
Основные параметрымикросхем данных серий, необходимые для выполненияпоставленной задачи, взяты из справочников [12].
В качестве материала дляизготовления ПП выберем стеклотекстолит фольгированный СФ-2, толщиной 1,5 мм.Толщина слоя фольги 35 мкм. Этот материал обладает следующими характеристиками:
плотность..................................................................2.4*10-4кг/см;
модульупругости.....................................................3.3*105кг/см2;
коэффициенттеплопроводности................................0.34 Вт/м°С.
Толщина получаемой платы hП.П=1,07мм
5.4Расчет печатного монтажаразрабатываемой ПП
Конструкторско-технологическийрасчет ПП производится с учетом производственных погрешностей рисункапроводящих элементов, фотошаблонов, базирования и т.п. он наиболее оптимальныйвариант по технологичности.
Зададимся граничнымизначениями параметров печатного монтажа:
1) min ширина проводника: t=0,25 мм,
2) min расстояние между проводниками: S=0,25 мм
3) гарантированный поясокнаружного слоя: bН=0,1 мм
4) гарантированный поясоквнутреннего слоя: bb=0,05мм
5) отношение диаметраотверстия к толщине платы: j=0,33
          Произведемрасчет вычислительного блока аппарата:
Разрабатываемый печатныйузел содержит в себе:
5 корпус с размерами 30х9мм, (К561КР1);
3 корпус с размерами17,25x7,5 мм, ( К140УД708);
1 корпус с размерами51,5х15 мм, (КР580VV55А);
1 корпус с размерами 77,5х17мм, (K1107PV2);
1 корпус с размерами 19,5х7,5мм, (КР1533ЛН1);
1 корпуса с размерами19,5x7,5 мм, (КР1533ЛА2);
2 транзистора с размерами3x14 мм, (КТ301);
1 транзистор с размерами8x7 мм, (КТ315);
3 конденсатора сразмерами 4,5x7 мм;
4 конденсатора сразмерами 3x6,5 мм;
2 диода с размерами 3x4 мм;
6 резисторов сразмерами12x5мм;
15 резисторов сразмерами16x8мм;
8 оптопар с размерами 28х10 мм;
1 разъем с размерами190х26 мм;
1 разъем с размерами107х26 мм;
Общая площадь, занимаемаякомпонентами без учета зазоров равна 14817,75 мм2. В соответствии состандартом МЭК 237-3 приведенным в таблице 5.1 выбираем ближайшую по площадиплату с размером ПП-100х220.
Коэффициент заполненияопределяем по формуле:
/>,                                             (5.1)
где SЭ — площадь, занимаемая элементами; SТР — площадь трассировки.
Конструктивно-технологическийрасчёт печатных плат производится с учётом производственных погрешностейрисунка проводящих элементов, фотошаблонов, базирования, сверления,экспонирования и т.п. Граничные значения основных параметров печатного монтажа,которые могут быть обеспечены при конструировании и производстве для трехклассов плотности монтажа, приведены в таблице 5.2.
Таблица 5.2 — Граничныезначения основных параметров печатного монтажа.Наименование расчетного элемента Обозначение Размеры элементов для класса плотности печатного монтажа Ширина проводников, мм
bГпр 0,5 0,25 0,15 Расстояние между элементами печатного монтажа, мм
lГ 0,5 0,25 0,15 Отношение диаметра металлизированного отверстия к толщине платы
kД.Т. 0,4 0,33 0,33 Ширина пояска контактной площадки, мм
bГПО 0,05 0,05 0,025
Выбранные в соответствиис данной таблицей размеры необходимо согласовывать с технологическимивозможностями конкретного производства.
Минимальный диаметрпереходного отверстия определяется из соотношения:
/>,                                         (5.2)
минимальный диаметрмонтажного отверстия:
/>,                               (5.3)

где     hП.П – расчетная толщина печатной платы; dВ – диаметр вывода эрэ,микросхемы или соединителя; D – зазор между выводом и монтажным отверстием (наивысшаянадежность паяного соединения будет при D=0,4¸0,6 мм); hГ – толщина гальванически наращенной меди (обычно hГ=0,05¸0,06 мм)
Если вычисленный поформуле (5.3) диаметр dМ.О окажется меньше произведения kМ.О hП.П, то из технологических соображений dМ.О принимается равным dП.О .
Минимальный диаметрконтактной площадки dК.П металлизированных отверстий с учетомпогрешностей и подтравливания фольги:
/>,          (5.4)
где hФ – толщина фольги.
Сечение проводника цепейпитания и земли можно вычислить по формуле:
/>.                                (5.5)
Для современных сериймикросхем ток, выдаваемый в нагрузку не превышает 0,1А. Максимальную длинупроводника для платы 100´220 мм2 можно принять равной 22000 мм
Необходимаяширина проводника цепей питания и земли:
/>.                                               (5.6)
Необходимая ширинапроводника сигнальной цепи:
/>.                                           (5.7)
Минимальное расстояниемежду проводниками:
/>,                             (5.8)
/>,                                      (5.9)
/>.                             (5.10)
Наосновании приведенной выше методики и приняв третий класс плотности печатногомонтажа произведем расчет печатного монтажа для разрабатываемой двустороннейпечатной платы.
Минимальный диаметрпереходного отверстия
/>
Минимальный диаметрконтактной площадки dК.П.ПО переходного отверстия:
/>
Минимальный диаметрмонтажного отверстия:
а) Для DIP корпусов:
/>.
б)Для навесных элементов:
/>
Минимальный диаметрконтактной площадки dК.П.МО монтажного отверстия:
а) Для DIP корпусов:
/>
б)Для навесных элементов:
/>
Минимальныйразмер шины питания и земли:
Находим суммарный ток:
К561КР1 (1шт) – IПОТР=20 мА
К140УД708 (1шт) – IПОТР=15 мА
КР580VV55А (1шт) – IПОТР=80 мА
K1107PV2 (1шт) – IПОТР=35 мА
КР1533ЛН1 (1шт) – IПОТР=12 мА
КР1533ЛА2 (1шт) – IПОТР=15 мА
Iå=177мА
Требуемое сечение шиныпитания и земли:
Sпз=0,017*2,2*0,177/0,02*5»0,06мм2
Требуемое сечение шиныпитания 9В:

Sпз=0,017*2,2*0,177/0,02*9»0,05мм2
Требуемоесечение шины питания 12В:
Sпз=0,017*2,2*0,177/0,02*12»0,04мм2
Ширина дорожки питания иземли:
bп=0,06/0,035=1 ммШирина дорожки +9В:
bп=0,03/0,035=0,9 ммШирина дорожки +12В:
bп=0,025/0,035=0,8 мм
Необходимая ширинапроводника сигнальной цепи:
bпр=0,017*22*0,192/(0,4*0,035)=0,25
Минимальное расстояниемежду проводниками:
n=(2,5-(1,3+1,3)/2-0,15-0,03)/(0,15+0,15)=3,4мм
Используя полученныеданные можно приступать к трассировке платы.

5.5Решения задачитопологического синтеза ПП с помощью применяемого пакета САПР – PCAD-8.5
Основным инструментом приавтоматической трассировке ПП в пакете PCAD является файл стратегии. Поэтому опишем некоторые егоосновные установки для объяснения нашего способа разводки [10].
После выбора пункта Routing Parameters в основном меню программы Autorouter на экране появится меню, в которомможно устанавливать параметры.
Приведем основные из них:
·          первоначальноустанавливаем метрическую систему измерения, т.к. все наши элементы рисовалисьв ней;
·          устанавливаемосновную координатную сетку шагом 2,5 мм, как задано в ТЗ, также задаемвспомогательную сетку шагом 1,25 мм, что соответствует технологическимтребованиям;
·          устанавливаемколичество слоев для трассировки;
·          устанавливаем типтрассировки – наиболее целесообразным является тип Steiner, которая позволяет выполнять Т-образные соединения идругие соединения, которые минимизируют расстояния между точками;
·          устанавливаемпорядок трассировки – по рекомендациям авторов ставим порядок Short-Long, т.е. сначала будут трассироваться короткие цепи, азатем – длинные. Это дает меньшее количество не разведенных цепей;
·          на первоначальномэтапе произведем отключение диагональной трассировки, т.к. она может датьнесоблюдение допустимых зазоров, однако после первого этапа трассировкиокажется, что зазоры соблюдаются, то можно установить Diagonal Routing и повторить трассировку, что, возможно, даст улучшение;
·          проведемвключение режима минимизации количества переходных отверстий, сделав установку Via minimization;
·          установим режимсглаживания углов PerformBeveling. В этом случае будет производитьсязамена прямоугольных изгибов проводников, где это возможно на изгибы под углом45°. Установим здесь параметр During+After, т.к. оннаиболее эффективный;
·          установим параметр Jog Elimination которыйосуществляет ликвидацию выступов печатных проводников. Процедура заключается втом, что: 1. Ликвидируются выступы, остающиеся после перемещения переходныхотверстий; 2. Два или более сегмента проводника заменяются по возможности однимсегментом.
Наэтом заканчивается установка основных параметров трассировки, и переходим кустановке дополнительных параметров.
Войдя в режим Detailed Routing Parameters, у нас есть возможность произвестиследующие установки:
·          установим типпереходных отверстий (Via Type) Through который позволит создавать сквозныепереходные отверстия;
·          далее необходимоустановить параметр Via Sites который определяет размещениепереходных отверстий. Произведем установку All Grid Points, что предоставит возможность располагать переходныеотверстия во всех точках координатной сетки;
·          разрешимразмещение переходных отверстий на всей плате, произведя установку в пункте Via Lattice Region параметра Entire Board;
·          установим размерыобласти поиска пути для трассы в пункте Route Search Area Size. Следуя указаниям авторов, установим в этом пунктезначение 3;
·          определим числоосновных проходов алгоритма “лабиринт” – Number of Maze Router Passes. В связи с тем, что уже на третьем проходе размеробласти поиска увеличен в 4 раза, то установим количество проходов равное 3;
·          произведемоткрытие всей площади платы для трассировки, на последнем проходе установивпараметр Full Board;
·          согласнотехнологическим требованиям и, исходя из коэффициента заполнения, установимминимальное расстояние трасс от края платы равное 0,5;
·          в следующем окнеустановим только параметр Even Distribution,который позволит равномерно распределять проводники на всех парах слоев. Приотсутствии этой установки, будет поставлено значительно больше переходныхотверстий, и проводники будут располагаться неравномерно.
Перейдем к установкепараметров алгоритма Rip-Up. Этот параметр позволяет управлятьнаиболее мощным средством программы.
Произведем установкуследующих пунктов:
·          установимколичество проходов каждого алгоритма трассировки. Пункт Normal трогать не будем, т.к. там уженаходится значение установленное ранее. В пункте Rip-Upустановим количество проходов равное 2, что наиболее оптимально с точки зрениязагрузки памяти. В пункте Optimize установим количество попыток переразвести связи равное 3;
·          включим режимуплотнения трасс Trace Hugging, что дает нам уплотнение трасс иэкономию пространства на ПП;
·          отключим режим Penalize Corners уменьшающий количество изгибов проводника, т.к. онвступает в противоречие с предыдущим режимом.
Остальные установкиоставим без изменений.
Произведемопределение контактных площадок. Этим пунктом мы зададим размет и формуконтактных площадок.
В соответствии срассчитанными ранее параметрами площадок под контакты и переходные отверстияпроизведем установки. При этом необходимо учитывать, что первый вывод вмикросхеме должен быть отличной формы от других, поэтому установим егоквадратным. Так же надо установить отключение проводимости во внутреннем слое иустановить расположение контактных площадок в узлах координатной сетки.
Определим правилапрокладки проводников.
В этом пункте алгоритмавоспользуемся ранее рассчитанными параметрами проводников и внесли их в данныйпункт.
Определим классы цепей.
Этот раздел позволяетзадать определенные цепи, которые будут разводиться особым способом.
Здесь осуществляется вводпараметров цепей питания и земли. Установим для этих цепей высокий приоритет.
Произведем описаниеслоев.
 В этом пункте можнозадать количество трассируемых слоев отличных от общего количества слоев ПП,задать предпочтительное направление трассировки для каждого из трассируемыхслоев.
Далее проведем заполнениетаблицы слоев, в которой каждому слою укажем направление разводки.
Перейдем к конструкторуконтактных площадок. В данном пункте произведем только установку имен файловвходной базы данных ПП, входной файл стратегии трассировки и имя проекта. Отвнесения изменений можно отказаться, нажав Exit.
Таким образом, мы провеликонфигурирование файла стратегии. Оттрассировав плату по данной стратегии, мыполучим плату соответствующую нашим расчетным данным.
После того, как мырастрассировали плату, необходимо оформить ее как чертеж в соответствии стребованиями. Система PCADне позволяет полностью провести оформительскую работу, и поэтому воспользуемсясистемой AutoCAD. Для того чтобы AutoCAD смог прочитать чертежи слоев ипечатной платы преобразуем файлы с расширением “.pcb” в файлы формата “.dxf”. сделать это можно воспользовавшись функцией PCAD.
Послепреобразования мы загружаем файлы в AutoCAD.
5.6 Оценка качества разработанной конструкции
Оценку качества разрабатываемой конструкции можно проводить постепенно,по мере разработки конструкции [10].
После создания базыданных принципиальной электрической схемы целесообразно с помощью программы Electrical Rules Check (PC-Erc) выявить синтаксические ошибки,исправить их и затем приступить к моделированию или разработке ПП.
Выходным файлом программыPC-Erc служит файл списка электрических связей (.nlt) или (.xnl). Результаты проверки заносятся в текстовый файл с расширением.erc. Программа вызывается в разделе Schematic Tools.
В появившемся менюнеобходимо установить контроль всех параметров на наличие ошибок. Установкапараметров производится с учетом расчетов печатного монтажа печатной платыпредставленного в подразделе 5.4.
В выходном файлеприводится список количества ошибок каждого вида и их подробное описание:
·     Floating Pins – неподключенные связи. Это связано с тем, что вкомпонентах задействованы не все выводы;
·     Nets With One or No Connections – это связано с тем, что при проверке не учитывались атрибутыкомпонентов (PWGD);
·      Nets With No input/output Pins – цепикоторые не соединены с входами/выходами. Связано с наличием в схеме аналоговыхэлементов;
·     Nets With No Pull-Up Resistor – цепи подключенные к “открытомуколлектору”;
·     ComponentsWith All Input Pins Tied to Gather – компоненты у которыхсоединяются входы
После проведениятрассировки ПП целесообразно провести сравнение двух списков электрическихсвязей с целью выявления в них различий с помощью программы Netlist Comparison. Среди предложенных способовпроверки, целесообразнее выбрать сравнение списка связей, один из которыхизвлечен из файла .sch, а другой – изфайла .pcb.
Выходной файл содержитследующую информацию:
·          Number of Gates (Parts)– общее количество компонентов в каждом списке;
·          Number of Nets — общее количество цепей в каждом списке;
·          Number of Suspect Nets – общее количество цепей каждого списка, которые несогласуются с цепями другого списка;
·          Number of Spare (Parts)– общее количество компонентов которые не соединяются ни с одной цепью в каждомсписке;
·          Number of Floating Nets – общее количество цепей которые не соединяются ни содним компонентом в каждом списке.
Послеэтого приводится полная информация о сравниваемых списках.
Теперь осуществимпроверку платы на соответствие ее требуемому классу точности.
Утилита Design Rules Check (PC-DRC) проверяет разведенную базу данныхПП и выявляет не разведенные проводники, нарушение технологических требований кпроектированию ПП.
Программа PC-DRC вводит в базу данных ПП новые слои $CONT, $DRC и $ATT, на которых отмечаются ошибки.
После загрузки утилиты,для редактирования технологических ограничений, на панели Rule Name выбирается имя правила проверки из списка. Длясоздания нового правила следует выбрать команду ADD, ввести имя правила и затем задать минимальныеразмеры и зазоры для компонентов.
После выполнения утилитасоздает файл с расширением .drc, вкотором будет отчет по каждому из проверяемых слоев. Плата подходит по технологическимтребованиям, если в процессе проверки не было найдено ни одной ошибки.
Исходя из результатов проверок,можно сделать вывод, что наша плата полностью удовлетворяет всем требованиям.

6 Разработка методики проведения лабораторной работы
Лабораторная работапредназначена для специальности медицинская электроника на тему “Измерение принципов и методовдистанционной диагностики”. Лабораторная работа проводится на разработанном приборе“Дистанционном комплексе контролефункционального состояния”.Разработка методики проведения лабораторной работы позволит студентом болеетщательно изучить необходимые аспекты дистанционной диагностики. Лабораторнаяработа включает в себе следующие этапы:
1.   Изучение способов и устройствобеспечения дистанционного измерения параметров биологических объектов.
2.   Настройка дистанционного комплексаконтроля функционального состояния.
 3. Наблюдениепередаваемого сигнала:
— имитированного сигналаот эквивалентной антенны;
— от биологическогообъекта (сигнал поступает с передатчика).
          4. Измерениеразличных характеристик передаваемого сигнала.
          5. Измерениезависимости сигнала от изменения различных параметров.
6.1 Разработка структурной схемы проведения лабораторной работы1.  Подготовка к выполнению лабораторной работы.Прежде,чем приступить к выполнению лабораторной работы, необходимо выполнить следующиеподготовительные операции с дистанционным комплексам контроля функциональногосостояния:
-     включитьприбор в сеть питания 220В, 50Гц;-     при выключенной кнопке “ВЧ-коррекция” добитьсямаксимального отклонения стрелки индикатора, путем вращения ручки “Гетеродин” (находится на переднейпанели прибора).При этом мы настраиваем приемник на частоту приема сигнала27,12 МГц;-     включить кнопку “ВЧ-коррекция”, при этом стрелкаиндикатора должна отклониться примерно на половину шкалы. Дальнейшее отклонениестрелки при выполнении лабораторной работы показывает о приеме сигналаприемником.Есливсе вышеуказанные условия выполнены, тогда можно приступить к выполнениюлабораторной работы.
Структурную схемупроведения лабораторной работы условно можно разделить на части.
2.        Исследования проводятся при помощи имитации низкочастотного сигнала. Дляэтого применяем генератор стабильной частоты НЧ и высокочастотный генератор.
Высокочастотный генератор необходимо настроить начастоту 27,12 МГц – частота, на которой работает приемник. К нему подключаемгенератор стабильной частоты НЧ для имитации низкочастотного сигнала (10 –20Гц). Таким образом, высокочастотный сигнал промоделированный по частоте припомощи эквивалента антенны передаются на штыревую антенну приемника.
Амплитуда подаваемого сигнала не должна превышать 15 mВ. Для контроля необходимо использовать вольтметр.
В этой части лабораторной работы студентам необходимо:
-     пронаблюдать форму сигнала в различных точках аппарата (на выходеприемника, дешифратора, детектора и усилителя). Для этой цели в приборевыведены специальные отведения;
-     выявить зависимость принимаемого сигнала от изменения следующихпараметров: частота модуляции, амплитуда сигнала, расстояние до штыревойантенны приемника.
Наблюдения необходимо производить при помощиосциллографа.
3. Исследованияпроводятся с биологическим объектом (человеком). Для этих целей применяетсяпередатчик, который подключается к питанию />12 В. Передатчик имеет дваэлектрода: сигнальный и пассивный. Сигнальный электрод крепится в активнойзоне, а пассивный электрод является общим. Электроды снимают сигнал, которыйпередается по радиоканалу при помощи антенны на штыревую антенну приемника счастотой 27,12 МГц.
В этой части лабораторной работы студентам необходимо:
-     пронаблюдать форму сигнала на компьютере;
-     выявить зависимость принимаемого сигнала от изменения расстояния доштыревой антенны приемника;
-     проверить коэффициент стабилизации сигнала при действии автоматическойрегулировки усиления приемника.
После выполнения лабораторной необходимо отключить всеприборы от сети питания.

7 ТЕХНИКО–ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ДИПЛОМНОГО ПРОЕКТА
Определение ценынаучно-технической продукции: разработка лабораторной работы на тему “Дистанционный комплекс контроляфункционального состояния”.
В главе “Технико-экономическое обоснование дипломного проекта” осуществляется переход отмногочисленных отдельных технических параметров к оценке конструкции в целом,дается обобщенная оценка в денежном выражении разнообразных достоинств инедостатков каждого из вариантов новой техники. Отсутствие экономического обоснованияи расчетов приводит к экономическим ошибкам в проектировании, созданию неэффективныхконструкций. Экономическое обоснование дипломного проекта является завершающимэтапом. Новая техника должна быть не только технически совершенной, но иэкономически выгодной. На основе экономической оценки новой техники принимаетсярешение об инвестициях в данный проект [13]. В зарубежной практике такие расчеты относятся кчислу инвестиционных.
7.1 Характеристикапроекта
В настоящее времянепрерывно расширяется область применения методов регистрации параметровбиосигналов в практических и исследовательских задачах. Современный уровеньнаучных достижений и технологий открывает новые перспективы для созданияпортативных систем с дистанционным анализом. Исключение «привязки» обследуемогок диагностической аппаратуре обеспечивает естественную подвижность пациента привыполнении им функциональных проб, тестовых профессиональных операций и другихдиагностических, профилактических и лечебных мероприятий, улучшает качествожизни пациентов, и в то же время позволяет врачу оперативно получатьобъективную картину состояния системы.
Создание лабораторнойработы позволит студентам по специальности “Медицинская электроника”ознакомиться и изучить принципы и методы дистанционной диагностики.
7.2  Определяем материальные затраты на выполнение работ,включая стоимость покупных комплектующих изделий и полуфабрикатов на изготовлениемакетов и опытных образцов
В эту статьювключается стоимость основных и вспомогательных материалов, необходимых дляизготовления продукции по установленным нормам.
В нашем случаенеобходимо подключить электрический кардиографик компьютеру.
Формула расчетаследующая:
/>, (7.1)
где КТР — коэффициент, учитывающийтранспортно-заготовительные расходы при приобретении материалов;
НHI —норма расхода i–го вида материала на единицупродукции (кг, м, л и пр.);
ЦI —отпускная цена за единицу i–говида материала, руб.;
ОBI —возвратные отходы i–го видаматериала, руб.;
ЦOI —цена за единицу отходов материала i–го вида, руб.;
n — номенклатура применяемых материалов.

Цена приобретения материалов определяется по текущимсправочным материалам на момент выполнения дипломного проекта: даннымдоговоров, ценам бирж, информационным бюллетеням и пр. Коэффициенттранспортно–заготовительных расходов можно принять равным 1,1 — 1,2.
Дляупрощения расчетов возвратные отходы можно принять в размере 1 % от стоимостиматериалов с учетом транспортно–заготовительных расходов.
В таблице 7.1 приведеныматериалы, используемые при изготовлении платы сопряжения с компьютером.
Таблица 7.1– Расчетматериалов измерителя температуры.Наименование Единица измерения Норма расхода Цена за 1 кг (л), руб. Сумма, руб. 1. Припой ПОС–61 кг 0,15 2700 400 2. Канифоль кг 0,08 500 40 3. Лак ЭП–730 кг 0,01 1600 16 4. Клей кг 0,02 3200 64 5. Флюс глицериновый л 0,05 3000 150 Итого 670 Транспортно–заготовительные расходы (10%) 67 Отходы (1%) 7,37 Всего 730
7.3 Расчет затратпо статье «Топливно-энергетические ресурсы для научно-экспериментальных целей»
/> (7.2)

где Мцi –установочная мощность i-го объекта основных производственных фондов,используемых для выполнения работ по данной теме, кВТ;
tфi– время фактического использования i-гообъекта, час;
Цэл – тариф за 1вВт/ч энергии, руб.
Лабораторная работана тему “Дистанционный комплекс контроля функциональногосостояния” предназначена для специальности медицинская электроника. В таблице 7.2представлен расчет топливно-энергетических ресурсов при проведении однойлабораторной работы без использования компьютера по устаревшей программе.
          Лабораторныеработы проводятся для двух групп в количестве 64 часов в семестр. Время однойлабораторной работы составляет 4 часа.
Таблица 7.2 –Расчеттопливно-энергетических ресурсов.Наименование оборудования, используемого для научно- экспериментальных и технологических целей Установочная мощность, кВт Время использования, часов Тариф за 1 кВт/ч, руб . Сумма затрат, руб. 1 2 3 4 5 Передатчик 0.2 4 69 42 Приемник с осциллоскопом 4 4 69 1110 Генератор низкочастотный 5 4 69 1380 Осциллограф 3 4 69 830 Всего 3362 В течение года 215000
При проведениилабораторной работы по новой программе с использованием компьютера будет иметьместо экономический эффект, который описывается в разделе 7.5.

7.4 Расчет затратпо статье «Основная заработная плата научно-производственного персонала»
Величина затратисчисляется исходя из численности различных категорий исполнителей итрудоемкости выполнения отдельных видов, тарифных ставок за один день илимесячных должностных окладов, используемых премиальных систем оплаты трудаисполнителей по формуле:
/>,                                    (7.3)
где ТCi –тарифная ставка за день (месячный оклад) i-й категории работников;
Чi –количество работников i-й категории;
tфi –время фактической работы работника i-й категории по теме, дн. или мес.;
Кnp –коэффициент премий по премиальным системам, Кnp≈ от 1,10 до1,40.
В таблице 7.3произведен расчет основной заработной платы научно-производственного персонала.
Таблица 7.3 –Расчетосновной заработной платы. Разряд работ Часовая тарифная ставка, руб./ч Норма времени по операции, ч Основная зарплата, руб. 1 2 3 4 5 Заготовительные II 366 2 732 Сборочные V 415 4 1660 Контрольно–регулировочные VI 390 10 3900 Сборка и контроль V 375 3 1125 Исследовательские
II
без кат.
366
342 3
1100
1025 ИТОГО 9542 Премия (40%) 3817 Всего с премией 13360
Втаблице 7.4 произведем расчет цены научно-технической продукции [14].
 
Таблица7.4 Расчет цены научно-технической продукции. Статья расчета Методика расчета Расчет, руб. 1 2 3 1. Сырьё и материалы за вычетом отходов (без НДС)
МО
730
см. таблицу 7.1
2. Топливно-энергети-
ческие ресурсы
/>
/>
см. таблицу 7.2 3.Основная заработная плата производственных рабочих
/>
/>
см. таблицу 7.3 4. Дополнительная заработная плата производственных рабочих
/>,
/> —процент дополнительной ЗП (20%)
/> 5. Отчисление органам социальной защиты
/>,
/> — процент отчислений органам социальной защиты (35%)
/>/> 6. Чрезвычайный чернобыльский налог и в фонд занятости
/>,
/>
/> 7. Износ инструментов и приспособлений целевого назначения
/>,
/>
/> 8. Расходы на научные командиров по формуле
/>,
Нком≈ от 5 до 20%.
/> 9. Косвенные (накладные) расходы
/>Нкос ≈ от 50 до 100%.
/> 10. Полная себестоимость
/>/>
/> 11. Плановая прибыль единицы научно-технической продукции
/>,
Ур ≈ от 10 до 30 %
/> 12. Отчисления в местные бюджетные и внебюджетные фонды
/>
Нмц=5
/> 13. Отчисления в республиканские бюджетные и внебюджетные фонды
/>
Нрц=5
/> 14. Ориентировочная отпускная цена научно-технической продукции
/>
/> 15. Определяется налог
/>
Нндс = 20%
/> 16. Цена научно-технической продукции с учетом НДС
/>
/> /> /> /> /> Таким образом с расчета видно, чтоцена научно-технической продукции с учетом НДС составит 67800 рублей.

7.5Расчет экономического эффекта
На основе расчетов, проведенных ранее, определяется целесообразность внедренияинженерного проекта[15].
          Привнедрении в лабораторную работу “Дистанционное измерение биологических параметровчеловека” устройства сопряжения с компьютером получим улучшениепо следующим пунктам:
1.        Улучшиться качество получаемогосигнала.
2.        Уменьшиться расход электроэнергииза счет уменьшения времени проведения измерения по лабораторной работе (/>), так каккомпьютер позволяет быстрее обрабатывать и выводить информацию. Времявыполнения лабораторной работы уменьшится до 3 часов. При применении компьютераотпадет необходимость в использовании осциллоскопа и осциллографа.
Таким образомрасход топливно-энергетических ресурсов с применение компьютера приведен втаблице 7.5.
Таблица 7.5 –Расчеттопливно-энергетических ресурсов с применение компьютера.Наименование оборудования, используемого для научно- экспериментальных и технологических целей Установочная мощность, кВт Время использования, часов Тариф за 1 кВт/ч, руб . Сумма затрат, руб. 1 2 3 4 5 Передатчик 0.2 3 69 42 Компьютер 0.4 3 69 83 Генератор низкочастотный 5 4 69 1380 Принтер 0.2 0.4 69 42 Всего 1447 В течение года 92600

          Такимобразом без применения компьютера затраты топливно-энергетических ресурсов втечение года составят (см. таблицу 7.2)
Рэл1 =215 тыс. рублей, а с применением компьютером (см. таблицу 7.4) Рэл2=92,6 тыс. рублей.
Рэл1 – Рэл2= 215 – 92,6 = 122,4 тыс. рублей
3. При началевыполнения каждой лабораторной работы необходимо производитьконтрольно–регулировочные работы с приборам. Применение компьютера позволитпроизводить регулировку автоматически.
Лабораторную работутак же могут использовать другие учебные учреждения для ознакомления и изучитьпринципов и методов дистанционной диагностики.

8. ОХРАНА ТРУДА ИЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ
Обеспечение безопасных условийтруда при проведении экспериментальных и наладочно-регулировочных работэлектрического кардиографа
Рассматриваязадачи проектирования и разработки электрического кардиографа в первых двухразделах дипломного проекта, экономически их обосновывая в третьей, и в связи снепрекращающимся постом травматизма и профессиональными заболеваниями напроизводстве, необходимо рассматривать и вопросы по охране труда иэкологической безопасности.
Охрана труда – этосистема законодательных, социально-экономических организационных, технических илечебно-профилактических мероприятий и средств, обеспечивающих безопасность,сохранение здоровья и работоспособности человека в процессе труда.
При проведении работ потеме дипломного проекта производится дистанционная передача биосигналов наэлектрический кардиоскоп. При этом, внутренние каскады кардиографа должны быть настроены наопределенную частоту приема и передачи биосигнала. Настройка приборапроизводится при включенном питании сети 220 В 50 Гц.
При проведенииэкспериментальных и наладочно-регулировочных работ с прибором на персоналвозможно влияние следующих опасных и вредных производственных факторов [16]:
-       микроклимат в производственномпомещении;
-       повышенный уровень шума впроизводственном помещении;
-       электрическая безопасность,которой подвергается персонал производящий обслуживание прибора.
Микроклимат в помещении, где будут проводитьсяналадочно-регулировочные операции, должен соответствовать нормативнотехническим документам. Были получены следующие параметры:
— температура воздуха в рабочей зоне 19 — 23°С;
— величина относительной влажности не более 65% при температуре 26°С.
Согласно СанПиН 9-80 РБ 98 [17]нормирование микроклимата в рабочей зоне производится в зависимости от периодагода, категории работ по энергозатратам, избытка явного тепла. В данном случаеработу с кардиографам по интенсивности общих энерготрат можно отнести ккатегории Iб.
В СанПиН установлено два периода года: холодный,теплый. Теплый период года характеризуется среднесуточной температуройнаружного воздуха +10°Си выше; холодный период — ниже +10°С в течении пяти суток.
Приведем нормативные значения этих факторов, как одноиз средств обеспечения безопасности. В теплый период года необходимо обеспечитьследующие параметры микроклимата. Согласно СанПиН 9-80 РБ 98 «Гигиеническиетребования к микроклимату производственных помещений», устанавливающим оптимальныеи допустимые значения температуры, относительной влажности и скорости движениявоздуха для помещений, предназначенных для работы с контрольно-измерительнойтехникой. Согласно категории работ Iб оптимальныезначения температуры воздуха составляют 21 — 23°С.Рекомендуемая относительная влажность воздуха — 50%. Скорость движения воздуха не должна превышать0,1 м/с.
Для обеспечения требуемыхмикроклиматических параметров воздушной среды в рабочем помещении, гдевыполняются наладочно-регулировочные работы, необходимо применять общеобменнуюискусственную вентиляцию в сочетании с системами кондиционирования воздуха.Основной задачей кондиционирования является поддержание параметров воздушнойсреды в допустимых пределах. Система управления кондиционерами обеспечиваетработу, определяемую температурой и относительной влажностью воздуха в рабочейзоне.
Для отопления помещенийиспользуется водяное центральное отопление. Система центрального водяного отоплениягигиенична, надежна в эксплуатации и обеспечивает возможность регулирования температурыв широких пределах.
При анализе шумовой обстановки в помещении, где будут проводитьсяэкспериментальные и наладочно-регулировочные работы с кардиографам, имеет местоширокополосный шум с непрерывным спектром шириной более одной октавы. Дляориентировочной оценки допускается в качестве характеристики постоянногоширокополосного шума на рабочих местах принимать уровень звука в дБА.
Согласно СН 9-86 РБ 98 [18]выполняемые работы можно отнести к IV категории нормышума, так как работа с кардиографом требует концентрации внимания,сосредоточенности не должен превышать 75дБА, а при однообразной работе — 80дБА. Шум от отдельныхприборов не должен более чем на 5 дБ превышать фоновый шум.
Так как в лаборатории кроме электрического кардиографанаходятся другие приборы (осциллографы, автометр, генераторы низкочастотных иимпульсных сигналов, компьютеры), а так же система кондиционеров ивентиляторов, которые могут создавать дополнительный шум. При измеренииприборам ВШВ-003 в октавной полосе 1000 Гц уровень звукового давлениясоставляет 75 дБ. Согласно СН 9-86 РБ 98 необходимы меры защиты.
Наиболее рациональноймерой защиты от шума в производственном помещении, является уменьшение шума висточнике или изменение направленности излучения. Т.е. следует использоватьменее шумное оборудование, перед установкой или покупкой оборудования следуетобратить внимание на их шумовые характеристики.
Осциллограф, автометр,генераторы низкочастотных и импульсных сигналов, измеритель нелинейныхискажений можно устанавливать на мягкие коврики из синтетических материалов, апод ножки столов, на которых они установлены — прокладки из мягкой резины, войлокатолщиной 6-8 мм.
Еслиневозможно уменьшить шум в самом источнике, излучающем прямые звуковые волны, применяютмеры к уменьшению интенсивности отражения от поверхностей помещений, что достигаетсязвукопоглощением. Наиболее выраженными звукопоглощающими свойствами обладают волокнисто-пористыематериалы: фибролитовые плиты, стекловолокно, минеральная вата, полиуретановыйпоропласт и др. Варьируя звукопоглощающим материалом, его толщиной, размерамивоздушного зазора, а также параметрами перфорированного листа, можно взначительных пределах изменять частотную характеристику коэффициентазвукопоглощения.
В данной дипломнойработе рассматривается проведение экспериментальных и наладочно-регулировочныхработ. На этапах разработки, наладки электрического кардиографа и эксплуатации персонал,осуществляющий различные измерения, настройки и испытания, наиболееподвергается опасности поражения электрическим током связанное с однофазнымприкосновением не изолированного от земли человека к неизолированномтоковедущим частям электроустановок, находящимися под напряжением; содновременным прикосновением человека к двум токоведущим неизолированным частям(фазам, полюсам) электроустановок, находящих под напряжением; изолированного отземли человека, к металлическому корпусу электрооборудования, оказавшегося поднапряжением [19].
Из вышесказанногоможно сделать вывод, что большинство случаев поражения человека электрическимтоком связано с неаккуратным обращением с токоведущими частямиэлектроустановок, находящимися под напряжением, а также износу электроизоляции.Для устранения этих причин электропоражений весь персонал, осуществляющий своюработу в непосредственной близости от электроустановок, контрольно-измерительныхприборов должен быть ознакомлен с правилами техники безопасности (вводныйинструктаж, первичный инструктаж, периодический инструктаж, теоретическаяподготовка персонала). Плановые проверки технического состояния электрическогокардиографа позволяют вовремя заменить износившиеся элементы изоляции, чтотакже снижает вероятность поражения человека электрическим током [20].
Однако существуютпричины, которые не всегда поддаются контролю человека, например появлениенапряжения на металлических нетоковедущих частях корпуса электроприборов,вследствие случайного соединения с ними токоведущих проводов, пробоя на корпуси т.п. В данном случае наибольшая вероятность поражения электрическим током вслучае прикосновения к корпусу и другим нетоковедущим металлическим частям,оказавшимся под напряжением в следствие пробоя изоляции или замыкания накорпус.
          Исследовательприкоснулся к корпусу установки. Установка питается от трехфазной сети сзаземленной нейтралью. На корпус пробито фазное напряжение (рисунок 8.1).
/>

 
 
 Ich
Рисунок 8.1 — Прикосновение к корпусу, оказавшемуся под напряжением
Значение тока,проходящего через человека в указанных условиях определяется:

Uф
/>          Ih=                                    (8.1)
           Rch+ro
 
где Uф — фазное напряжение, 220 В;
 ro — сопротивлениезаземления нейтрали источника, 4 Ом;
Rch=Rh+Rоб+Rос,                     (8.2)
где Rh=1 кОм — сопротивление тела человека;
Rоб=0,5 кОм — сопротивление обуви;
Rос=0,9 кОм — сопротивление опорной поверхности.
Откуда определяем:
Rch=1+0,9+0,5=2,4кОм,
220
/>Ih=                                       » 91,5*10-3 A.
 2,4*103+4
         
          Так как такоезначение Ih=91,5 мА более чем в 9 раз превышает значение пороговогоне отпускающего тока Ihно, равное 10...15 мА, то для обеспеченияэлектробезопасности следует применить один из следующих способов защиты:защитное заземление, зануление, защитное отключение. Согласно ГОСТ 12.1.030-92“Электробезопасность. Защитное заземление, зануление.” [21] в электроустановках, питающихся от трехфазныхчетырехпроводных сетей с глухо заземленной нейтралью напряжением до 1000 В дляобеспечения электробезопасности применяется зануление.
          Расчетзануления производится с целью определения условий, при которых оно надежно ибыстро отключит поврежденную электроустановку от сети и одновременно обеспечитбезопасность прикосновения к зануленным частям измерительного стенда ваварийный период. Проектирование и расчет зануления включает: выбор средстваавтоматического отключения стенда от сети (предохранителя, электромагнитноговыключателя и т.п.); расчет тока однофазного короткого замыкания Iкз;расчет номинального тока срабатывания защиты.
          Ток однофазногокороткого замыкания в цепи зануления определяется по формуле:
                   Uф
/>          Iкз= ,                  (8.3)
          zп+zт/3
где Uф — фазноенапряжение сети;
zп — полноесопротивление петли “фаза-нуль”;
zт-сопротивление обмотки трансформатора сети, 3,11 Ом
/>         
          zп= (Rф+Rн.з)2+[(xф+xн.з+xп)*l]2, (8.4)
где Rф и Rн.з-активное сопротивление фазного и нулевого защитного проводников, Ом;
xф иxн.з-внутренние индуктивные сопротивления фазного и нулевого защитного проводников,0,0156 Ом/км;
xп — внешнееиндуктивное сопротивление петли “фаза-нуль”, 0,3 Ом/км;
l- длина сети, 77 м.
/>

           zп=(0,86+0,86)2+[(0,0156+0,0156+0,3)*10-3*77]2 =1,72Ом

220
/>          Iкз= =                             79,8 А
                    3,11/3+1,72
          Номинальный токсрабатывания устройства защиты определяется исходя из мощности установки поформуле:
                    Ny
/>Iн= Кн          , (8.5)
                   Uф
где Ny — мощностьустановки, 1000 Вт;
Кн-коэффициент надежности, 1,1;
 
1000
/>          Iн= 1,1            = 5 А
220
          В качествесредства автоматического отключения выбираем плавкую вставку с номинальнымтоком 5 А.
          Проверяемусловие надежности работы средства автоматического отключения установки отсети:
Iкз ³ кIн, (8.8)
         
где к- коэффициенткратности (для плавкой вставки к=3)
          79,8³3*5
Так как условиевыполняется, то выбранное устройство защиты обеспечивает требуемую безопасностьработы.
          При проведении экспериментальных иналадочно-регулировочных работ с электрическим кардиографам по программе,которую выдает начальник подразделения или лаборатории, имеющий V группу принапряжении выше 1000 В и IV группу при напряжении до 1000 В. Экспериментыосуществляет бригада не менее чем из двух человек, один из которых — инженерно-технический работник с IV группой, остальные с III.
          Требованиябезопасности при подготовке рабочего места для проведения экспериментальныхработ следующие:
¾ границы места эксперимента четкообозначают временными ограждениями; ¾ на площадке могут присутствовать только участникиэксперимента;
¾ на месте обязательны электрозащитныесредства (инструмент с изолированными рукоятками, диэлектрические перчатки, коврики).
Требования безопасностиво время проведения эксперимента следующие: подсоединение и отсоединениепроводников, замена оборудования и приборов разрешается при снятых рабочемнапряжении и остаточных зарядах. Незаземленные корпуса и оболочки оборудованияпри напряжении более 36 В переменного или 110 В постоянного тока должны бытьограждены. Запрещается эксплуатировать измерительный стенд при обрывах проводоввнешнего присоединения, проводить присоединения при подключенном напряжениипитания. В случаях возникновения аварийных ситуаций обесточить установку.
          Таким образом,в ходе проделанной работы по обеспечение безопасных условий труда при проведении экспериментальных иналадочно-регулировочных работ электрического кардиографа, были выявленыследующие опасные факторы: повышенный уровень шума, микроклимат впроизводственном помещении и опасность поражения электрическим током, ивыполнены вышеуказанные меры защиты для предотвращения травматизма человека.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе дипломногопроектирования на тему “ аппаратное и методическое обеспечение лабораторной работы подисциплине: дистанционный комплекс контроля функционального состояния”, было разработано устройствосопряжения с компьютером и методика выполнения лабораторной работы подистанционной диагностике. Разработка данного устройства и методикилабораторной работы велись по исходным данным в качестве которых являлись: техническое задание на проектированиеи электрический кардиограф.
          Основываясь наэти исходные данные провели анализ технического задания, в результате которогоокончательно выяснили назначение и общую характеристику прибора, а такжеопределили требования, которые будут предъявляться к устройству входе егоэксплуатации.
          Из анализаэлектрической принципиальной схемы выяснили, что при таком ее построении будутобеспечиваться стабильная передача данных от электрического кардиографа вкомпьютер.
В ходе конструкторскихрасчетов определили, что:
          — разработанное устройство сопряженияявляется функционально законченным устройством, состоящим из электронного блокавыполненного в отдельном корпусе, который по средствам шлейфов через разъемыподключается к диагностическому комплексу и к ЭВМ;
          — его размерыпри коэффициенте заполнения по объему />, на основании компоновочного расчета, следующие: />мм.
— корпус выполнен безперфорации и охлаждается путем естественной конвекции, при этом перегревкорпуса блока не будет превышать/>/>, а перегрев поверхности элемента — />.
— устройствоизготовленное на основе современной элементной базы обеспечит заданныепараметры надежности, при этом его средняя наработка на отказ равна T = 88495 час, а вероятность безотказнойработы Р(t) =0,99;
— печатная плата имеет размеры />мм, ивследствие того, что она двухсторонняя — изготавливается комбинированнымпозитивным методом по 2-му классу точности;
          На основании технико-экономическихрасчетов определили, что:
          — сметная стоимость НИОКР — 67 800руб.;
          В разделе охраны труда иэкологической безопасности рассмотрены действия по обеспечение безопасныхусловий труда при проведении экспериментальных и наладочно-регулировочных работс дистанционным комплексом контроля функционального состояния.
Созданная лабораторнаяработа по теме “Дистанционный контроль функционального состояния человека” позволитстудентам по специальности “Медицинская электроника” ознакомиться и изучить принципы и методы дистанционнойдиагностики.

Списокиспользуемых источников
1.   Гуреев М.И. и др. Импедансная реоплетизмография.– Киев: Наукова Думка, 1981. – 172 с.
2.   Сигаев А.Т. и др. Сцинтиграфическиеисследования в постановке диагноза кавериозного туберкулеза легких. – М.:Наука, 1992. — 290 с.
3.   Шевелев И.А., Кузнецова Г.Д., ЦыкаловЕ.Н. и др. Термоэнцефалоскопия. – М.: Наука, 1989.- 185 с.
4.   Barret A., Myers R.Subcutaneous temperature: a method of noninvasive sensing. – Science, 1975,v.190.
5.   Сельский А.Г., Фишер А.М., и др.Возможности применения динамического термокартирования в радио- и инфракрасномдиапазонах в онкологической клинике // Биомедицинская радиоэлектроника. – 1995.- №2. – С. 29 – 42.
6.   Справочник проектирования дискретныхустройств на и.с / Г.И. Пухальский. — М.: Радио и связь, 1990. — 270 с.
7.   Справочник по функциональнойдиагностике / Ред. И.А. Кассирский. — М.: Медицина, 1980. – 223 с.
8.  А. Марцинкевич, Э. Багданскис.Сверхбыстродействующие (20…100МГц) преобразователи формы информации:Справочник. — Вильнюс, 1985. — 135 с.
9.  С.В. Якубовский. Аналоговые ицифровые интегральные микросхемы: Справочное пособие. — Москва: Радио и связь,1985. — 171 с.
10. В.Д. Розевиг, С.М.Блохин. Система PCAD 8.5. Руководство пользователя. – М.: ДМК, ЗНАК, 1997. -288с.
11.       В.А. Шахнов. Микропроцессоры и микропроцессорныекомплекты интегральных микросхем:Справочник -М.: Радио и связь, 1985. – 201 с.
12. Романов Ф.И., ШахновВ.А. Конструкционные системы микро- и персональных ЭВМ. — М.: Высш. шк., 1991.–247 с.
13. Методические указания потехнико-экономическому обоснованию дипломных проектов. /Сост. Т.В. Елецких,Э.Н. Афитов, В.А. Палицин, А.К. Феденя.–Мн.: БГУИР, 1996. – 137 с.
14. Практическое занятие «Расчетплановой себестоимости и отпускной договорной цены единицы продукции» /НосенкоА.А., Старова Л.И.– Мн.: БГУИР, 1997. – 48 с.
15. Определение сметной калькуляциии цены на НИР и НИОКР /Носенко А.А. – Мн.: БГУИР, 1997. –37 с.
16. С.П. Павлов, З.И. Губонина.«Охрана труда в приборостроении» учебник для вузов. – Москва: ВШ, 1986. –215 с.
17. СанПиН 9-80 РБ 98.
18. СН 9-86 РБ 98
19.«Рекомендации по проектированиюзаземления и зануления электроустоновок и установок электросвязи. Молниезащитазданий.» /Михнюк П.И.–М.: Упраление Моспроект – 1, 1983. –180 с.
20.«Электробезопасность напромышленных предприятиях.»: Справочник /Сабарно Р.В., Степанов А.Г. и др.–Киев: Техника, 1985. –288 с.
21. Долин П.А. «Справочник потехнике безопасности. –М: Энергоиздат, 1985. –824 с.