Разработка процессорного модуля аппарата искусственной вентиляции лёгких

I

Режим СРАР ( Continuous Positive Airway Pressure ) - вентиля-ция с постоянным положительным давлением в дыхательных пу-тях .

В этом режиме осуществляется поддержка собственного спонтан-ного дыхания пациента постоянным положительным давлением в дыхательных путях.

Величину постоянного положительного давления устанавливает оператор.

Помимо перечисленных аппарат обеспечивает также следующие режимы :

- ВiF (Binary Flow)- вспомогательный поток газа ;

-SB (Spontaneus Breath) - режим спонтанного дыхания пациента через аппарат.

Режимы работы аппарата показаны на рисунках 3.2. и 3.3.

4. Разработка процессорного модуля

4.1. Алгоритм работы процессорного модуля

Процессорный модуль обеспечивает управление режимами работы ап-парата, а также осуществляет управление работой увлажнителя и системы аварийно-предупредительной сигнализации.

Параметры дыхания устанавливаются и отображаются на блоке управ-ления, а также определяются программой управления микропроцессором и выбранным режимом работы аппарата.

Для контроля за параметрами дыхания используются датчик давления и датчик температуры у тройника пациента и датчик температуры в увлажни-теле. Сигналы от датчиков поступают в устройство сопряжения с датчиками, а затем преобразованные сигналы выдаются в микропроцессор, расположен-ный в блоке управления.

Микропроцессор выдает сигналы управления, которые через схему управления исполнительными устройствами, выдаются на соответствующие исполнительные устройства (электропривод компрессора, клапан вдоха, клапан выдоха нагреватель в увлажнителе и нагреватель в шланге вдоха). Алгоритм работы процессорного модуля приведен на рисунке 4,1. Работа начинается при включении питания, вначале тестируется обо-рудование, а именно : проверяется ПЗУ, ОЗУ, процессор. Если обо-рудование не исправно, то выдается сообщение и аппарат останав-ливается, если тест прошел успешно, то далее автоматически уста-навливаются начальные параметры для проведения искусственной вен-тиляции, и в процессе работы их можно будет изменять с помощью клавиатуры блока управления.

Далее происходит проверка, включен или выключен режим про-ведения дезинфекции, если включен, то происходит дезинфекция дыхательного контура. При этом периодически происходит проверка .

истекло ли время отведенное на дезинфекцию, если время истекло, то происходит остановка аппарата. Если режим дезинфекции выклю-чен, то начинается рабочий цикл.

В течении одного рабочего цикла происходит отработка сигнала поступившего от нажатой клавиши, далее проверяется, истекло ли время вдоха или нет. Если истекло , то вырабатывается сигнал от-ключения двигателя и открытия клапана выдоха, иначе, сигнал включения двигателя и закрытия клапана выдоха. Потом происхо-дит выдача параметров на индикацию,

Затем проверяется включен ли увлажнитель, если включен, то проверяется температура увлажненной дыхательной смеси в ув-лажнителе и в тройнике пациента. Если температура выше нормальной, го поступает команда отключить нагреватель, при повышении темпе-ратуры выше 40°С срабатывает аварийная сигнализация. Когда темпера-тура ниже нормальной, то поступает команда включить нагреватель.

Далее выполняется проверка давления в дыхательном контуре, при отклонении давления вдоха более чем на 30% от установленного значения срабатывает аварийная сигнализация. После выполнения перечисленных выше действий начинается новый цикл.

4.2. Электрическая схема процессорного модуля

Процессорный модуль выполнен на основе восьмиразрядной однокри-стальной микроЭВМ (ОМЭВМ) семейства МК51. Через четыре программи-руемых порта ввода/вывода он взаимодействует со средой в стандарте ТТЛ-схем с тремя состояниями выхода. ОМЭВМ КР1816ВЕ51 может ис-пользовать до 64 Кбайт внешней постоянной или перепрограммируемой па-мяти. В модуле процессорном в качестве внешней памяти используется мик-росхема К573РФ6 с объемом памяти 8 Кбайт. Эта микросхема относится к

группе РПЗУ-УФ стирание информации которой производится источником УФ излучения.

ОМЭВМ КР1816ВЕ51 содержит встроенное ОЗУ памяти данных емко-стью 128 байт , а для расширения общего объема оперативной памяти дан-ных используется микросхема КР537РУ10 с объемом памяти 2 Кбайта. Па-мять данных предназначена для приема, хранения и выдачи информации в процессе выполнения программы.

Связь со средствами расширения осуществляется через системную магистраль образованную линиями порта Р0 ( шина адрес/данные ), порта Р2 ( старшая часть адреса ), сигналами АLЕ ( строб фиксации адреса ),

Р5ЕК ( строб чтения памяти программы ) , а также порта РЗ . Линии порта РЗ используется для последовательного ввода-вывода (РЗ.О. , Р3.1), ввода запроса на прерывание ( Р 3.3. ) , управления циклами обмена (Р3.6 , Р3.7).

При обращении к внешней памяти данных (КР537РУ10) формируется восьмиразрядный адрес, выдаваемый через порт РО ОМЭВМ. Возможно формирование шестнадцатиразрядного адреса, младший байт которого вы-дается через порт РО, а старший -- выдается через порт Р2. Байт адреса , вы-даваемый через порт РО фиксируется во внешнем регистре (микросхема ВГ34 КР1533ИР22) по отрицательному фронту сигнала АЬЕ, т.к. в дальнейшем линии порта РО используются как шина данных, через которую байт данных принимается из памяти (ОВ8 КР537РУ10) при чтении или выдается в память данных при записи. При этом сигнал чтение стробируется сигналом ОМЭВМ КГ) , а запись -- сигналом ОМЭВМ РУК. При работе с внутренней памятью

сигналы КО и №К не формируются.

Память программ предназначена для хранения программ и имеет от-дельное от памяти данных адресное пространство объемом до 64 Кбайт. Память программ расположена на микросхеме К573РФ6 емкостью 8 Кбайт. Чтение ич внешней памяти ппогпямм ГПП°Л птпобигтуетоя оигняттпм ОМЭВМ

Р8ЕЫ. При обращении к внешней памяти программ всегда формируется ше-стнадцатиразрядный адрес, младший байт которого выдается через порт РО, а старший -- через порт Р2. При этом байт адреса выдаваемый через порт РО фиксируется во внешнем регистре (ВВ4) по отрицательному фронту сигнала АЬЕ, т.к. в дальнейшем линии порта РО используются как шина данных, по которой байт из внешней памяти программ вводится в ОМЭВМ.. Когда младший байт адреса находится на выходах порта РО , сигнал АЬЕ защелки-вает его в адресном регистре (ВВ4). Старший байт адреса находится на вы-ходах порта Р2 в течение всего времени обращения к ППЗУ (ВВ9). Сигнал

РЖА" разрешает выборку байта из ППЗУ, после чего выбранный байт по-ступает на порт РО и вводится в ОМЭВМ (ВВ2).

Дешифратор ВВ5 (КР1533ИД7) вырабатывает сигналы обращения к внешним устройствам.

Сигналы:

АА--выборка внешней памяти данных

АОС-- выборка АЦП ВА7 К572ПВ4

АЕ-- выборка контроллера клавиатуры и индикации ВВЗ (КР580ВВ79А)

АР--выборка порта ВОЮ (КР580ВВ55А)

Микросхемы ВВ1(К1102ЛП1) и ВВ6(К1102АП15) выполняют роль буфера, предназначенного для согласования сигналов последовательного ин-терфейса при организации ввода-вывода последовательных потоков инфор-мации с внешними устройствами.

На микросхеме ВВ11 собрано устройство формирования сигнала сброса (КЕ8ЕТ) при включении питания процессорного модуля.

Через порт ВВ10 (КР580ВВ55А) происходит обмен информацией ОМЭВМ с внешними устройствами. КР580ВВ55А представляет из себя од-нокристальное программируемое устройство ввода/швода параллельной

информации . К порту А ВОЮ подключен цифроаналоговый преобра-зователь (ДАЛ) , построенный на микросхеме ВА1 (К572ПА1), которая представляет из себя десятиразрядный преобразователь двоичного кода в ток, который под управлением ОМЭВМ вырабатывает аналоговый сигнал . Этот сигнал через устройство выборки и хранения управляет исполнитель-ными механизмами подключаемыми к блоку управления. Через порт С ВВ10 принимаются сигналы прерывания, а через порт В происходит обмен информацией (8 разрядов) с внешними устройствами,

Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) ^А7 (К572ПВ4) преобра-зует сигнал с внешних датчиков в код (8 разрядов) и передает его на ОМЭВМ.

Программируемый интерфейс клавиатуры и индикации ОВЗ (КР580ВВ79) предназначен для реализации обмена информацией между ОМЭВМ и матрицей клавиш и индикацией. Клавиатура сканируется кодом с выходов интерфейса 80...83 и принимает информацию о нажатой клавише на входа К.ЕТО...К.ЕТ7.Код каждой клавиши передается по шине данных интер-фейса на ОМЭВМ. Интерфейс обеспечивает работу индикации в динамиче-ском режиме. Информация на индикаторы подается с выходов В8РАО...В8РАЗ и В8РВО...В8РВЗ.

4.3. Разработка системы памяти процессорного модуля 4.3.1. Общая характеристика микросхем памяти

Компактная микроэлектронная память находит широкое применение в самых различных по назначению электронных устройствах . Понятие "память" связывается с ЭВМ и определяется , как ее функциональная часть, предназначенная для записи , хранения и выдачи данных.

Микросхема памяти содержит выполненные в одном полупровод-никовом кристалле матрицу накопитель , представляющую собой сово-

купность элементов памяти , и функциональные узлы , необходимые для управления матрицей-накопителем , усиления сигналов при записи и считывании , обеспечения режима синхронизации .

По назначению микросхемы памяти делят на две группы : для оперативных запоминающих устройств ( ОЗУ ) и для постоянных запо-минающих устройств ( ПЗУ ) . Оперативные запоминающие устройства предназначены для хранения переменной информации : программ и чи-сел , необходимых для текущих вычислений . Такие ЗУ позволяют в ходе выполнения программ заменять старую информацию новой . По способу хранения информации ОЗУ разделяют на статические и дина-мические . Статические ОЗУ , элементами памяти в которых являются триггеры , способны хранить информацию неограниченное время , при условии ,что имеется напряжение питания . Динамические ОЗУ, роль элементов памяти в которых выполняют конденсаторы , для сохранения записанной информации нуждаются в ее периодической перезаписи . Оба типа ОЗУ являются энергозависимыми , при выключении питания информация разрушается .

Постоянные ЗУ предназначены для хранения постоянной информа-ции: подпрограмм, констант и т.п. Такие ЗУ работают только в режиме многократного считывания . По способу программирования , т.е. занесе-

*-

ния информации , ПЗУ разделяют на масочные ( заказные ), програм-мируемые пользователем ( ППЗУ ) и репрограммируемые ( РПЗУ ) . Пер-вые две разновидности ПЗУ программируют однократно , и они не допускают последующего изменения занесенной информации . По уст-ройству накопителя ПЗУ существенно отличаются от ОЗУ, прежде все-го тем , что место элементов памяти в накопителе ПЗУ занимают пере-мычки между шинами в виде пленочных проводников , диодов или транзисторов . Наличие перемычки соответствует 1 , ее отсутствие - 0 , либо наоборот , если выходы инверсные .

Репрограммирувмте ПЗУ дооуокагох пводпократттое

своего содержимого . Перепрограммирование производят с помощью специально предусмотренных в структуре РПЗУ функциональных узлов . Элементом памяти в РПЗУ является полевой транзистор со структурой МНОП или МОП с плавающим затвором , нередко называемый МОП транзистором с лавинной инжекцией заряда . Здесь будет уместным на-помнить о том, что эти транзисторы под воздействием программирующего напряжения способны запасать электрический заряд под затвором и сохра-нять его там много тысяч часов без напряжения питания . Указанный заряд изменяет пороговое напряжение транзистора: оно становится меньше того значения которое имеет транзистор без заряда под затвором . На этом свой-стве и основана возможность программирования матрицы РПЗУ . Однако время программирования довольно значительное, что делает практически невозможным использование РПЗУ в качестве ОЗУ ,

Для перепрограммирования такого ПЗУ необходимо предварительно стереть имеющуюся информацию .Эту операцию осуществляют по-разному : в РПЗУ на МНОП транзисторах стирание производит электрический сиг-нал, который вытесняет накопленный под затвором заряд : в РПЗУ на ЛИЗ-МОП транзисторах эту функцию выполняет ультрафиолетовое излучение, которое облучает кристалл через специально предусмотренное в корпусе ок-но.

Основные функциональные характеристики микросхем памяти - ин-формационная емкость , разрядность , быстродействие , потребляемая мощ-ность .

Т/Г ^Т

щихся в накопителе единиц информации - бит. Для характеристики ин-формационной емкости нередко используют более крупные единицы : байт , Кбайт .

Разрядность определяется количеством двоичных символов , т.е. разрядов , в запоминаемом слове . Под "словом " понимается совокуп-ность нулей и единиц .

Разрядность кода адреса т и информационная емкость М микро-схемы памяти связаны соотношением : М = 2^й * * Многие микросхемы памяти имеют по несколько входов и выходов и позволяют записывать и считывать информацию словами . Совокупность элементов памяти в накопителе , в которых размещается слово , называют ячейкой памяти . Число элементов памяти в ячейке памяти определяется числом входов ( выходов ) . Каждая ячейка памяти имеет свой адрес и для обращения к ней необходимо на адресные входы микросхемы подать код адреса этой ячейки памяти . Информационная емкость микросхемы со словар-ной организацией равна 2" ^х N , где N -разрядность ячейки памяти .

Быстродействие количественно характеризуется несколькими вре-менными параметрами , среди которых можно выделить в качестве обобщающего параметра время цикла записи ( считывания ), отсчиты-ваемое от момента поступления кода адреса до завершения всех про-цессов в ИС при записи ( считывании ) информации . В статических ОЗУ время цикла считывания практически равно времени выборки ад-реса , которое определяется задержкой выходного сигнала относительно момента поступления кода адреса . В динамических ОЗУ время цикла считывания больше времени выборки адреса , так как после заверше-ния считывания необходимо некоторое время на установление функ-циональных узлов в исходное состояние .

Динамические параметры характеризуют временные процессы в микросхемах памяти при записи , считывании , регенерации , програм-мирования . В систему динамических параметров включают длительность сигналов и пауз между ними , взаимный сдвиг между сигналами во

времени, который необходим для устойчивой работы микросхем .

Все многообразие этих параметров можно систематизировать , объ-единив их следующие группы : параметры характеризующие длитель-ность сигналов ; параметры характеризующие взаимный сдвиг сигналов во времени : время установления одного сигнала относительно другого , время удержания одного сигнала относительно другого , время сохра-нения одного сигнала после другого . Время установления - определяет-ся , как интервал времени между началами двух сигналов на разных входах микросхемы . Время удержания - определяется , как интервал времени между началом одного и окончанием другого сигнала на раз-ных входах микросхемы . Время сохранения - определяется , как интер-вал времени между окончаниями двух сигналов на разных входах мик-росхемы . Время цикла - интервал времени между началами ( окончания-ми ) сигналов на адресных или из управляющих входов , в течении ко-торого микросхема выполняет функцию записи или считывания . Время выборки - интервал времени между подачей на вход микросхемы задан-ного сигнала, например сигналов адреса, и получением на выходе счи-тываемых данных.

Потребляемая мощность может существенно различаться при хране-нии и при обращении , поэтому в таких случаях приводят два значе-ния этого параметра .

4.3.3. Выбор микросхем памяти

Память определяют , как функциональную часть ЭВМ , предназна-ченную для записи , хранения и выдачи команд и обрабатываемых данных. Комплекс технических средств , реализующих функцию памяти , называют запоминающим устройством .

Для обеспечения работы микропроцессора необходима программа , т.е. последовательность команд и данные над которыми процессор про-изводит предписываемые командами операции . Основная память состо-ит из ЗУ двух видов ОЗУ и ПЗУ .

ОМЭВМ КР1816ВЕ51 может использовать до 64 Кбайт внешней посто-янной или перепрограммируемой памяти программ . Для постоянного хране-ния информации, необходимой для работы процессорного модуля требу-ется немногим менее 8 Кбайт . Чтобы сохранялась возможность самостоя-тельного программирования и внесения изменений в содержимое по-стоянной памяти посредством перепрограммирования, нужно выбирать микросхему РПЗУ.

Выпускаемые ИС РПЗУ принято разделять на два класса по спосо-бу программирования: ИС с режимом записи и стирания электриче-скими сигналами и ИС с записью электрическими сигналами и стира-нием ультрафиолетовым излучением.

Основные требования предъявляемые к ПЗУ процессорного блока: РПЗУ УФ, емкость 8 Кбайт, 8 разрядов, напряжение питания 5В, ми-нимальное время считывания.

Таблица 4.1. Основные параметры микросхем серии К573

Выберем микросхему из серии К573РФ используя таблицу 4.1., в которой приведены основные параметры микросхем этой серии.

Приведенным выше требованиям удовлетворяет микросхема К573РФ6 , которую выберем в качестве микросхемы ПЗУ процессорно-го модуля.

Выводы микросхемы :

рис. 4.2. Графическое изображение микросхемы К573РФ6 .

1-ир

адрес А12