Разработка и конструирование пассивной акустической системы контроля дыхательной системы человека

,ц=ц, (2.17)

,

где,

для производных по нормали можно получить следующие выражения:

,

,

,

,

,

,

.

После того, как будет найден скалярный потенциал колебательной скорости давление p и колебательную скорость можно будет найти по следующим известным формулам:

, .



Рис. 2.3 - Геометрия задачи в аксонометрической проекции

Рис. 2.4 - Ортогональная система софокусных эллипсов и гипербол с фокусами F, -F. Эти кривые определяют систему координат вытянутого эллипсоида вращения т, ц, з (ось вращения - ось ОZ)

, ,

3. Расчет и выбор оборудования

Из рассмотренных выше, существующих методов диагностики существует лишь два метода пассивного акустического контроля. Совершенно очевидно, что данные методы нуждаются в дальнейшей доработке и обеспечении современными системами приборостроения. Современные медицинские структуры обязаны соответствовать ритму крупного города, при этом не проигрывая в качестве обслуживания, поэтому не могут позволить себе таких серьезных недостатков.

Поставленной задачей данной дипломной работы служит проектирование и разработка такой пассивной акустической системы, которая бы позволила осуществлять сбор информации в реальном времени, из нескольких контрольных точек единовременно.

Так же акустическая система должна обладать такими качествами, как портативность, мобильность и совместимость с современными компьютерными системами. В свою очередь процесс сбора информации и дальнейшей ее обработки не должен нести высокой интеллектуальной нагрузки на управляющий медперсонал, иными словами должен быть прост в применении.

Термин «пассивный акустический контроль» не подразумевает никакого вмешательства в биомеханику исследуемых органов пациента, так как в решением задач, поставленных перед системами пассивного акустического контроля, является чистый сбор информации, излучаемой объектом. Такой же принцип применяется в системах гидроакустического шумопеленгования. Сбор акустической информации производится электроакустическими преобразователями - микрофонами.

3.1 Принцип работы прибора

Проектируемый прибор состоит из восьми акустических датчиков, соединенных через операционный усилитель с модулем преобразования и передачи сигнала, поступившего с акустических датчиков. Синхронизация прибора с периферийным ПК осуществляется через СОМ порт.

Модуль преобразования содержит аналого-цифровой преобразователь, собственный усилитель, преобразование сигнала для передачи в интерфейс RS-232 и RS-232 TTL - RS-232 COM преобразователь.

3.2 Классификация и выбор микрофона. Обоснование

Микрофоны подразделяются на несколько архетипов:

ѕ Электродинамические (МД- катушечные, МЛ- ленточные).

ѕ Электростатические ( конденсаторные МК).

ѕ Электромагнитные ( аппаратура связи ).

ѕ Пьезоэлектрические ( используется в слуховых аппаратах).

ѕ Угольные (телефония, переговорные устройства).

Катушечные и ленточные микрофоны относятся к динамическим микрофонам. Динамический микрофон -- наиболее распространенный тип конструкции микрофона. Он представляет собой мембрану соединённую с лёгкой катушкой индуктивности, которая помещена в сильное магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом. Колебания давления воздуха (звук) воздействуют на мембрану и приводят в движение катушку. Когда катушка пересекает силовые линии магнитного поля, в ней наводится ЭДС индукции. ЭДС индукции пропорциональна как амплитуде колебаний мембраны, так и частоте колебаний.



Рисунок 3.1 - Структурная схема катушечного микрофона

Динамический микрофон практически аналогичен по конструкции динамической головке (динамику, громкоговорителю). Это, в сущности, «обращение» динамика: вместо подачи напряжения на катушку динамика для создания звука, мы снимаем с этой катушки напряжение, созданное внешним звуком. В ранней радиолюбительской практике динамики нередко использовались в качестве динамического микрофона. Конечно, настоящий динамический микрофон конструктивно несколько отличается от динамика: у него другая конструкция мембраны, катушка содержит большее количество витков и намотана гораздо более тонким проводом. В отличие от конденсаторных, динамические микрофоны не требуют фантомного питания.

Угольный микрофон -- один из первых типов микрофонов. Угольный микрофон содержит угольный порошок, размещённый между двумя металлическими пластинами и заключённый в герметичную капсулу. Стенки капсулы или одна из металлических пластин соединяется с мембраной. При изменении давления на угольный порошок изменяется площадь контакта между отдельными зёрнышками угля, и, в результате, изменяется сопротивление между металлическими пластинами. Если пропускать между пластинами постоянный ток, напряжение между пластинами будет зависеть от давления на мембрану. Угольный микрофон практически не требует усиления сигнала, сигнал с его выхода можно подавать непосредственно на высокоомный наушник или громкоговоритель. Из-за этого свойства угольные микрофоны использовались до недавнего времени в телефонных аппаратах, их использование освобождало телефонный аппарат от дорогостоящих и дефицитных в то время полупроводниковых деталей либо громоздких, хрупких и энергоёмких усилителях на радиолампах. Классический телефонный аппарат с дисковым номеронабирателем почти наверняка содержит угольный микрофон. Однако угольный микрофон отличается плохой амплитудно-частотной характеристикой (он нечувствителен к слишком низким и слишком высоким частотам). Кроме того, в отличие от наиболее распространённого динамического микрофона, угольный требует питания постоянным током. Сейчас появились дешёвые и доступные полупроводниковые устройства, которые позволяют использовать микрофоны других типов. Поэтому в современных устройствах угольные микрофоны практически не применяются.

Конденсаторный микрофон -- тип конструкции микрофона. Представляет собой конденсатор, одна из обкладок которого выполнена из эластичного материала (обычно полимерная плёнка с нанесённой металлизацией), которая при звуковых колебаниях изменяет ёмкость конденсатора. Если конденсатор заряжен, то изменение ёмкости конденсатора приводит к изменению напряжения, которое и является полезным сигналом с микрофона. Для работы такого микрофона между обкладками должно быть приложено поляризующее напряжение (обычно 48 вольт). Конденсаторный микрофон имеет очень высокое выходное сопротивление. В связи с этим, в непосредственной близости к микрофону (внутри его корпуса) располагают предусилитель с высоким (порядка 1 ГОм) входным сопротивлением, выполненный на электронной лампе или полевом транзисторе. Как правило, напряжение для поляризации и питания предусилителя подаётся по сигнальным проводам (фантомное питание). Конденсаторные микрофоны обладают весьма равномерной амплитудно-частотной характеристикой и обеспечивают высококачественное звучание, в связи с чем широко используются в студиях звукозаписи, на радио и телевидении. Недостатками их являются высокая стоимость, необходимость во внешнем питании и высокая чувствительность к ударам и климатическим воздействиям -- влажности воздуха и перепадам температуры, что не позволяет использовать их в полевых условиях. Существует тип конденсаторного микрофона -- электретный микрофон, который свободен от большинства перечисленных недостатков [10].

Рисунок 3.2 - Структурная схема конденсаторного микрофона

Электретные микрофоны являются разновидностью конденсаторных микрофонов, но им не нужен поляризирующий автономный источник напряжения, так как мембрана выполняется из электретной пленки. Электрет, это материал способный сохранять электрический заряд после его электризации. Наибольший эффект дают пленки толщиной 10 мкм из фторопласта, пропилена, поликарбоната. Структурная схема электретного микрофона показана на рисунке 3.3 и рисунке 3.4.



Рисунок 3.3 - Структурная схема электретного микрофона

В таком микрофоне сама гетероэлектретная плёнка служит мембраной. При её деформации на её поверхностях возникают разноимённые заряды, которые можно зарегистрировать, расположив электроды непосредственно на поверхности плёнки (на поверхность напыляют тонкий слой металла (алюминий, золото, серебро и т.п.). Электрический заряд мембраны (предположим положительный) индуцирует в основании капсюля отрицательный заряд. Мембрана под действием электрических сил F притягивается к основанию и находится на некотором расстоянии h от основания. При воздействии звукового сигнала мембрана совершает колебания, и расстояние h меняется. А следовательно меняется величина заряда и через сопротивление нагрузки Rн протекает ток заряда-разряда равный по частоте звуковому сигналу. Конденсатор C1 разделяет постоянную составляющую от переменной и на зажимах микрофона возникает напряжение звуковой частоты. Питание микрофонного усилителя осуществляется по фантомной схеме, т.е. электропитание подается по тем же проводникам, которые служат для передачи звукового сигнала. Пример обозначения электретных микрофонов МКЭ-13, МКЭ-17, МКЭ-19 являются нагрудными микрофонами. В конструкцию некоторых электретных микрофонов входит предусилитель («преобразователь сопротивления», «согласователь импеданса») на полевых транзисторах или на миниатюрных радиолампах с выходным сопротивлением в единицы кОм. Однако, такие микрофоны требуют внешнего источника электропитания [10].

Рисунок 3.4 - Схема подключения электретного микрофона.

Обозначение микрофонов:

МД-281А: МД - микрофон динамический, цифра «2» -класс качества (0,1,2,3), число «81» - № конструкторской разработки, буква «А» - вариант конструкции (А,Б,В,Г,С). Например С - стереофонический микрофон. МД-52А - корпус алюминиевый. МД-52Б - корпус пластмассовый. МКЭ - микрофон конденсаторный электретный. Для высококачественной передачи звука используются электродинамические микрофоны и электростатические.

Так же независимо от типа микрофона существует другая классификация - по рабочим параметрам и характеристикам. Так как микрофоны представляют собой электроакустический преобразователь, их основной задачей является преобразование колебания давления и механического напряжения в соответствующие пропорциональные колебания электрического напряжения. Эти преобразования характеризуются основными рабочими параметрами микрофона.

Чувствительность микрофона S - это отношение напряжения U на выходе микрофона к звуковому давлению P, действующему на диафрагму микрофона, при заданной частоте(как правило 1000 Гц):

S=U/P(мВ/Па);

Чем выше это значение, тем выше чувствительность микрофона.

S = 1?2 мВ/Па у электродинамических микрофонов.

S =10?40 мВ/Па у электростатических(конденсаторных микрофонов).

Выходное сопротивление микрофона, это электрическое сопротивление Z на выходе микрофона на частоте 1000 Гц. По ГОСТу Z=50, 100, 200 Ом. Допускается Z= 2000 Ом для речевых микрофонов бытовой аппаратуры.

Частотная характеристика, изображенная на рисунке 3.5, это зависимость величины чувствительности микрофона S от частоты ?.

Рисунок 3.5 - График частотная характеристики

По частотной характеристике можно определить:

а) Номинальный диапазон частот от ?нч до ?вч Гц - диапазон частот, в котором микрофон воспринимает колебания и в котором нормируются его параметры:

1) 20?20000 Гц -для конденсаторных (электростатических) микрофонов.

2) 63?12500 Гц -для электродинамических микрофонов.

3) 300?3000 Гц - для угольных микрофонов.

б) Величину частотных искажений:

1) ДL = (2?4) дБ - для конденсаторных (электростатических) микрофонов.

2) ДL = (8?12) дБ -для электродинамических микрофонов.

3) ДL = (30?40) дБ - для угольных микрофонов.

в) Перепад «фронт-тыл»

ДLфт= Lmаx + Lmin

1) ДLфт = (10?12)дБ - для электродинамических микрофонов.

2) ДLфт = (18?20)дБ - для конденсаторных (электростатических) микрофонов.

Уровень собственного шума микрофона - выраженное в децибелах отношение эффективного значения напряжения, обусловленного флуктуациями давления в окружающей среде и тепловыми шумами различных сопротивлений в электрической части микрофона, к напряжению, развиваемым микрофоном на нагрузке при давлении равном одному Па при воздействии на микрофон давления полезного сигнала равного 0.1 Па [12].

Неравномерность частотной характеристики - разность между максимальным и минимальным значением чувствительности микрофона в номинальном диапазоне частот.

Характеристика направленности Г, это зависимость чувствительности микрофона от угла и^о - падения (вектора направления распространения) звуковой волны относительно акустической оси микрофона. Характеристика строится в полярной системе координат, как на рисунке 3.6.



Рисунок 3.6 - Полярная система координат для построения характеристики направленности

Г - называется коэффициентом направленности Г=S/So, где S -чувствительность микрофона измеренная под любым углом и^о.

So - чувствительность микрофона измеренная под углом и=0^о. Иначе - осевая чувствительность (по направлению акустической оси).

А-ненаправленный микрофон (всенаправленный); Б - двунаправленный микрофон; В - Направленный «кардиоида»; Г - Остронаправленный «бикардиоида».

Рисунок 3.7 - Характеристики направленности, основные типы

По свойствам направленности:

ѕ Ненаправленные (диаграмма направленности - окружность, рисунок 3.7, А).

ѕ Двухсторонне направленные (диаграмма направленности в виде восьмерки, рисунок 3.7, Б).

ѕ Направленные (диаграмма в виде «кардиоида», рисунок 3.7, В).

ѕ Остронаправленные (форма диаграммы «бикардиоида» -лепесток, рисунок 3.7, Г).

Микрофоны - приемники давления. У этих микрофонов чувствительная диафрагма открыта для доступа звука только с одной стороны, т.е. один акустический вход.

Рисунок 3.8 - Характеристика направленности микрофонов-приемников давления

Микрофоны давления считаются не направленными, согласно рисунку 3.8. Однако на ВЧ, когда длина волны становится меньше размеров микрофона, характеристика приобретает направленный вид. Эту нестабильность характеристики направленности можно ослабить за счет уменьшения размеров микрофона. Микрофоны этого типа используют в тех случаях когда необходимо по звуковому каналу передать звуковые волны действующие со всех сторон. Например, случай когда нужно прослушивать звуки со всех направлений.

Микрофоны - приемники градиента давления. У этих микрофонов чувствительная диафрагма открыта для доступа звука с обеих сторон. Характеристика направленности показана на рисунке 3.9.

Рисунок 3.9 - Характеристика направленности микрофона-приемника градиента давления

Такой микрофон реагирует на разность давлений (градиент давления) ДР = Р1 - Р2.

Характеристика направленности у этих микрофонов в виде восьмерки. Такой микрофон имеет максимальную чувствительность с двух сторон, как показывает диаграмма направленности. Акустическая ось перпендикулярна к плоскости чувствительного элемента (мембрана).

Микрофоны комбинированного приема. Они представляют собой сочетание двух приемников (микрофонов): давления и градиента давления.

Рисунок 3.10 - Характеристика направленности микрофона-приемника комбинированного приема

Результирующая характеристика - кардиоида, согласно рисунку 3.10. Односторонняя направленность комбинированного микрофона объясняется тем, что при падении звуковой волны с фронта (0^о) электрические сигналы обеих микрофонов совпадают по фазе и суммируются.

А при падении звуковой волны с тыла (180^о) электрические сигналы противоположны по фазе и вычитаются (гасят друг друга). Комбинированные микрофоны самые популярные, так как очень удобные в эксплуатации [13].

Для наблюдения и снятия шумов организма предусмотрено полное прилегание микрофона к поверхности тела исследуемого. В случае применения стетофонендоскопа врач может слышать характерный звук, относящийся к тому или иному заболеванию. Исходя из всего выше перечислено, лучше всего подойдут микрофоны электретные комбинированные. Электретные микрофоны обладают хорошей чувствительностью, небольшими размерами, невысокой ценой. Исходя из того, что спектр излучаемого организмом шума располагается в области средних и высоких частот, так же целесообразным является выбор электретного типа микрофона. Их номинальный диапазон частот составляет 20?20000 Гц, как в пункте а,1. Они обладают относительно ровной частотной характеристикой, это позволит получать одинаковые уровни сигнала на различных частотах. Так как в любой системе преобразования и усиления сигнала всегда присутствуют собственные шумы, а микрофон является начальным звеном такой системы, то величина создаваемого им полезного сигнала определяет соотношение "сигнал/собственный шум" всей системы. Поэтому снижение чувствительности микрофона является нежелательным фактором. Следует также иметь в виду, что стремление к увеличению ширины воспроизводимого микрофоном диапазона частот приводит к уменьшению абсолютной величины его чувствительности. С другой стороны, чем шире диапазон частот микрофона, тем труднее получить в его пределах стабильную ХН. Комбинированные микрофоны позволяют получить сигнал из одной полуплоскости, при этом не будут воспринимать окружающий шум, это обеспечит необходимую помехозащищенность. Но тип приемника не обязательно должен быть комбинированным, главное, чтобы он был однонаправленным. Всем этим характеристикам можно соотнести отечественный электретный микрофон МКЭ-378В.

Рисунок 3.11 - График АЧХ электретного микрофона МКЭ-378В

Электретный микрофон МКЭ-378В имеет показанную на рисунке 3.11 частотную характеристику, напряжение питания U_пит = 2,5?6 В., номинальный диапазон частот Дf = 30?18000 Гц., чувствительность S = 10-20 мВ/Па, уровень собственных шумов не более 30 дБ. Корпус микрофона представлен на рисунке 3.12.

Рисунок 3.12 - МКЭ-378В

Для увеличения чувствительности микрофона предложено следующее конструктивное улучшение: капсюль электретного микрофона помещается в специальную акустическую систему, представляющую собой, закрытую пластиковой мембраной, диафрагму. Такой звукоулавливатель выглядит, наподобие диафрагмы у фонендоскопа. Такое конструкторское решение позволит увеличить чувствительность и сохранить необходимую характеристику направленности.

В связи с данным конструктивным решением, передаточная характеристика акустического датчика, капсюля в закрытой диафрагме, изменится.

3.3 Расчет акустического датчика

Акустический датчик состоит из металлической диафрагмы, к которой жестко крепится круглая мембрана с одной стороны и электретный микрофон МКЭ-378В с другой. В связи с малым объемом и удельным весом воздуха массой воздуха можно пренебречь, но так как диафрагма закрытая, необходимо учесть упругость воздушной полости. Так же необходимо учесть массу и упругость самой мембраны. Принципиальная схема акустического датчика представлена на рисунке 3.13.

Рисунок 3.13 - Электроакустическая аналогия акустического датчика

m_м - масса мембраны, С_м - упругость мембраны, С_возд - упругость воздуха, Р - давление, действующее на мембрану.

- формула упругости, (3.1)

Где Д - прогиб;

F-сила.

,(3.2)

Где Р - давление;

R - радиус мембраны;

D - жесткость мембраны;

m - масса мембраны.

(3.3)

Жесткость мембраны, жестко закрепленной по контуру:

,(3.4)

Где E - модуль упругости;

h - толщина мембраны;

µ - коэффициент Пуассона.

Подставим (3.4) в (3.2), получим:

;(3.5)

Подставив (3.3) и (3.5) в (3.1), давление P сокращается в правой части уравнения и получается окончательное выражение упругости круглой мембраны, жестко закрепленной по контуру [11]:

(3.6)

Колеблющаяся масса мембраны будет определяться по формуле:

, (3.7)

Где S - площадь мембраны;

h - толщина мембраны;

- плотность мембраны.

Упругость воздушного объема:

, (3.8)

Где V_возд - объем воздушной полости;

- площадь соединения с микрофоном;

- адиабатическая постоянная;

_возд - статическое давление воздуха в полости.

Численные значения для диафрагмы с мембраной:

Е = 5000, модуль юнга для пластиков;

h = 0.3 мм = 0.0003 м, толщина мембраны;

µ = 0.45, коэффициент Пуассона для пластиков;

R = 28.9 мм = 0.0289 м, радиус по которому закрепляется мембрана;

S = рR² = 0.0026 м², колеблющаяся площадь мембраны;

= 700 кг/м³, плотность пластика;

= рr² = 0.0002 м², площадь контакта с микрофоном;

= 5/3, адиабата воздуха;

Н = 1.5 мм = 0.0015 м, глубина диафрагмы;

r = 8.5 мм = 0.0085 м, радиус капсюля микрофона;

= 0.18*10^-6 м³, объем усеченного конуса ( воздушной полости).

Значения материалов и размеров диафрагмы взяты из соображений применения данной конструкции в медицинских фонендоскопах.

Общее сопротивление схемы с входной стороны, изображенной на рисунке 3.13:

;(3.9)

Сопротивление со стороны приемника:

;(3.10)

Отношение воздействия на выходе, к воздействию на входе является передаточной функцией. Соответственно передаточная функция данной системы будет равна отношению акустического сопротивления со стороны приемника к общему акустическому сопротивлению:

,

; (3.11)

;(3.11)`

АЧХ такой схемы будет иметь вид, как на рисунке 3.14:

Рисунок 3.14 - График АЧХ диафрагмы с мембраной

Как видно из графика, изображенного на рисунке 3.14, передаточная функция акустической системы на низких частотах велика и уменьшается в сторону высоких частот. Это в первую очередь объясняется размерами диафрагмы и свойствами системы, анализ которых можно произвести, взглянув на рисунок 3.13 и формулу (3.11)`. Акустическое сопротивление мембраны складывается из массы и упругости мембраны, к нему добавляется акустическое сопротивление воздушной полости. Передаточная функция обратно пропорциональна массе мембраны и обратно пропорционально квадрату частоты.

АЧХ мембраны несомненно будет оказывать влияние на весь акустический датчик целиком. График АЧХ акустического датчика изображен на рисунке 3.15.

Общая передаточная функция находится как произведение передаточной функции закрытой диафрагмы с мембраной (3.10)` на передаточную функцию электретного микрофона МКЭ-378В, рисунок 3.11. Результат получен графически.

Рисунок 3.15 - График АЧХ акустического датчика



Рисунок 3.16 - Акустический датчик, разрез

3.4 Расчет усилителя микрофона

Сигнал поступающий с выхода электретного микрофона имеет малую амплитуду и всегда нуждается в усилении, хотя внутри уже есть транзистор, который выполняет предварительное усиление сигнала. Усилитель выполнен на основе маломощного счетверенного операционного усилителя LM-124.

ОУ LM-124 выполнен из четырех независимых операционных усилителей с внутренней частотной коррекцией и высоким коэффициентом усиления, спроектирован специально для работы от одного источника питания в широком диапазоне напряжений питания.

Характерные особенности:

ѕ Наличие внутренней частотной коррекции;

ѕ Большой коэффициент усиления по постоянному напряжению К_пн=100 дБ;

ѕ Большая частота единичного усиления f=1 МГц;

ѕ Широкий диапазон напряжений питания

при однополярном 3?30 В;

при двуполярном ±1,5?±15 В;

ѕ Очень маленький ток потребления, практически не зависящий от напряжения питания (1 мВт/ОУ при +5 В) 800 мкА;

ѕ Малый входной ток I_вх=40 нА;

ѕ Небольшая разность входных токов Д=5 нА;

ѕ Малое напряжение смещения U_см=2 мВ;

ѕ Диапазон синфазных входных сигналов включает напряжение заземления;

ѕ Диапазон дифференциального входного напряжения соответствует напряжению питания;

ѕ Большой размер выходного напряжения U_вых=0?V⁺ - 1,5 В.

Схема включения типовая для неинвертирующего усилителя, представлена на рисунке 3.17. Коэффициент усиления для такой схемы равен:

;

Рисунок 3.17 - Типовая схема включения LM-124, неинвертирующий усилитель

3.5 Проектирование передающего модуля

Исходя из условий портативности прибора, а так же наличие большого числа акустических датчиков, было предложено исполнить связь с периферийным ПК с помощью микроконтроллера по интерфейсу RS-232. Использование микроконтроллера позволит усовершенствовать конструкцию, дополнив ее возможностью записи на флэш карту. Так же использование микроконтроллера значительно уменьшает стоимость прибора и позволяет использование прибора со всеми персональными компьютерами.

Интерфейс RS-232 поддерживается на любом компьютере и синхронизируется через COM порт. RS-232 - интерфейс передачи информации между двумя устройствами на расстоянии до 20 м. Информация передается по проводам с уровнями сигналов, отличающимися от стандартных 5В, для обеспечения большей устойчивости к помехам. Асинхронная передача данных осуществляется с установленной скоростью при синхронизации уровнем сигнала стартового импульса.

Устройства для связи по последовательному каналу соединяются кабелями с 9-ю или 25-ти контактными разъемами типа D. Обычно они обозначаются DB-9, DB-9, CANNON 9, CANNON 25. Максимальная скорость передачи потока информации до 20000 бод, но современные устройства способны работать и на больших скоростях. Не имеет значения на сколько быстрое (медленное) ваше соединение - максимальное число чтения за секунду можно установить с помощью используемого программного обеспечения.

При передаче по последовательному каналу контроль четности может быть использован для обнаружения ошибок при передаче данных. При использовании контроля четности посылаются сообщения подсчитывающие число единиц в группе бит данных. В зависимости от результата устанавливается бит четности. Приемное устройство также подсчитывает число единиц и затем сверяет бит четности.

Для обеспечения контроля четности компьютер и устройство должны одинаково производить подсчет бита четности. То есть, определиться устанавливать бит при четном (even) или нечетном (odd) числе единиц. При контроле на четность биты данных и бит четности всегда должны содержать четное число единиц. В противоположном случае соответствует для контроля на нечетность.

Часто в драйверах доступны еще две опции на четность: Mark и Space. Эти опции не влияют на возможность контроля ошибок. Mark означает, что устройство всегда устанавливает бит четности в 1, а Space - всегда в 0.

Проверка на четность - это простейший способ обнаружения ошибок. Он может определить возникновение ошибок в одном бите, но при наличии ошибок в двух битах уже не заметит ошибок. Также такой контроль не отвечает на вопрос какой бит ошибочный. Другой механизм проверки включает в себя старт и стоп биты, циклические проверки на избыточность, которые часто применяются в соединениях Modbus.

Сигнальная линия может находится в двух состояниях: включена и выключена. Линия в состоянии ожидания всегда включена. Когда устройство или компьютер хотят передать данные, они переводят линию в состояние выключено - это установка старт бита. Биты сразу после старт бита являются битами данных.

Стоп бит позволяет устройству или компьютеру произвести синхронизацию при возникновении сбоев. Например, помеха на линии скрыла старт бит. Период между старт и стоп битами постоянен, согласно значению скорости обмена, числу бит данных и бита четности. Стоп бит всегда включен. Если приемник определяет выключенное состояние, когда должен присутствовать стоп бит, фиксируется появление ошибки.

Управление потоком представляет управлять передаваемыми данными. Иногда устройство не может обработать принимаемые данные от компьютера или другого устройства. Устройство использует управление потоком для прекращения передачи данных. Могут использоваться аппаратное или программное управление потоком. Аппаратный протокол управления потоком RTS/CTS. Он использует дополнительно два провода в кабеле, а не передачу специальных символов по линиям данных. Поэтому аппаратное управление потоком не замедляет обмен в отличие от протокола Xon-Xoff. При необходимости послать данные компьютер устанавливает сигнал на линии RTS. Если приемник (модем) готов к приему данных, то он отвечает установкой сигнала на линии CTS, и компьютер начинает посылку данных. При неготовности устройства к приему сигнал CTS не устанавливается.

Программный протокол управления потоком Xon/Xoff использует два символа: Xon и Xoff. Код ASCII символа Xon - 17, а ASCII код Xoff - 19. Модем имеет маленький буфер, поэтому при его заполнении модем посылает символ Xoff компьютеру для прекращения посылки данных. При появлении возможности приема данных посылается символ Xon и компьютер продолжит пересылку данных. Этот тип управления имеет преимущество в том, что не требует дополнительных линий, т.к. символы передаются по линиям TD/RD. Но на медленных соединениях это может привести к значительному замедлению соединения, т.к. каждый символ требует 10 битов.

Два типа устройств RS-232, 1488 и 1489, используются и сейчас. Это ранние представители этого стандарта. Устройства того времени питались мощными источниками питания, поскольку согласно стандарту RS-232 передатчики должны были обеспечивать минимальный +5В сигнал низкого уровня и минимальный -5В сигнал высокого уровня. Эти уровни сигналов обеспечивали устойчивость к помехам после передачи по проводам к приемнику. Но это требовало наличие двуполярного источника питания, и поэтому многие материнские платы включали в себя источник отрицательного напряжения исключительно для питания устройств типа 1488 или 1489. Модуль связи построен на микроконтроллере AТ mega 8535. Включение этого микроконтроллера типовое, показано на рисунке 3.18 с использованием АЦП с внешним опорным 5В на выводе AREF. Назначение выводов:

ѕ Выводы 1 - 8 порт В, могут назначаться на ввод или на вывод. Если задействовать интерфейс SPI (интерфейс, обеспечивающий полный дуплексный обмен данных между двумя контролерами), то вывод 5 (SS) предназначен для выбора ведомого контролера. Контролер является ведомым при SS = 0. Вывод 6 (MISO) - вход ведущего - выход ведомого. Вывод 7 (MOSI) - выход ведущего - вход ведомого.

ѕ Вывод 8 (SCK) синхронизирующий;

ѕ Вывод 9 (RESET) - вход предназначенный для осуществления Внешнего сброса управляется сигналом низкого уровня;

ѕ Вывод 10 (UCC) - плюс напряжение питания;

ѕ Вывод 11 (GND) - общий (минус напряжения питания);

ѕ Выводы 12,13 (XTAL2, XTAL1) - предназначены для подключения внешнего резонатора, при использовании внешнего генератора сигнал тактирования подается на выход 12 (XTAL2);

ѕ Выводы 14 - 21 - порт D, могут назначаться на ввод или на вывод. При использовании интерфейса RS - 232 выводы 14,15 являются соответственно RXD и TXD TTL уровня. Выводы 16,17 (INT0,INT1) могут служить как источниками внешнего прерывания;

ѕ Выводы 22 - 29 - порт С, могут программно назначаться на ввод или на вывод. Если задействовать 2-проводно последовательный интерфейс то выводы 22, 23 (SCL, SDA) предназначены для синхронизации и данных соответственно;

ѕ Вывод 30 (AVCC) - плюс аналоговое напряжение питания;

ѕ Вывод 31 (GND) - общий;



Рисунок 3.18 - Типовое включение AT mega 8535

ѕ Вывод 32 (AREF) - выход опорного напряжения для АЦП и компаратора;

ѕ Выводы 33 - 40 - порт А, могут программно назначаться на ввод или на вывод. При включении АЦП или компаратора все выводы являются входами мультиплексора;

В схеме типового включения емкости С1, С2 керамические и включены в непосредственной близи от микроконтроллера для подавления помех.

Задачи AT mega 8535:

ѕ Принимать сигнал поступающий с выхода усилителя, при необходимости усиливать;

ѕ Оцифровывать акустический сигнал;

ѕ Преобразовывать оцифрованный сигнал для интерфейса RS-232;

ѕ Управлять записью сигнала и пунктом назначения, при необходимости записывать сигнал на флэш карту ММС.

В модуле связи к микроконтроллеру подключен преобразователь уровней RS 232 TTL - RS 232 COM, который выполнен на микросхеме MAX232CPE. Типовая схема включения показано на рисунке 3.19.

Назначение выводов:

ѕ Вывод 16 (UCC) - плюс напряжение питания;

ѕ Вывод 15 (GND) - общий (минус напряжения питания);

ѕ Выводы 10,11 - вход TTL уровня;

ѕ Выводы 7,14 - выход COM уровня;

ѕ Выводы 8,13 - вход СOM уровня;

ѕ Выводы 9,12 - выход TTL уровня;

ѕ Вывод 9 (RESET) - вход предназначенный для осуществления внешнего сброса управляется сигналом низкого уровня;

Рисунок 3.19 - Типовое включение MAX232CPE

4. Расчет экономических показателей

Целью планирования стоимости производства прибора пассивного акустического контроля дыхательной системы человека является экономически обоснованное определение величины затрат на его выполнение. Так же в экономический раздел включен сравнительный анализ затрат на различные варианты проектируемого прибора оп статье «материалы». В плановую себестоимость прибора включаются все затраты, связанные с ее выполнением, независимо от источника финансирования. Так же нужно учесть стоимость разработки программного обеспечения необходимого для функционирования данного прибора корректно.

Определение затрат на изготовление опытного экземпляра путем составления плановой калькуляции себестоимости.

Смета затрат проекта определяется по следующим статьям:

ѕ Материалы;

ѕ Основная и дополнительная заработная плата;

ѕ Единый социальный налог;

ѕ Амортизационные отчисления;

Расчет затрат на проектирование и изготовление макета

Материалы

В эту статью включается стоимость оборудования и материалов, необходимых для выполнения проектных работ.

Таблица 1 Расчет затрат по статье «Материалы»

№	Материалы	Цена с НДС, руб.
1	Фонендоскоп медицинский ? 8	800
2	Печатная плата	160
3	Расходные материалы на крепеж	100
4	Информация в Internet	250
5	Операционный усилитель LM-124 ? 2	200
6	Резисторы ? 83	996
7	Кнопка КЗ ? 8	120
8	Диоды ? 6	30
9	ТрансформаторТПП237-127/220-50 ОЮО.470.001 ТУ	160
10	Гнездо COM ? 2	90
11	Микрофоны МКЭ-378В ? 8	280
12	Диодный мост КЦ405 ТТ3.362.096 ТУ	30
13	AT mega 8535	55
14	MAX 232 CPE	45
15	Корпус	300
16	Провода двужильные 4 м	120
17	Конденсаторы ? 50	500
18	Жилет	300
19	Гнездо ММС	300
20	Карта ММС 64 Mb	230
21	Шнур СОМ	120
22	Экран ЖК	50
ИТОГО	5136

Основная и дополнительная заработная плата

К данной статье относится основная заработная плата исполнителей проекта.

Зная затраты труда по фазам исследования и сроки выполнения работ, можно рассчитать заработную плату. При этом считается, что разработкой проекта занимался один человек один месяц (166 часов). Руководитель работает над проектом 15% времени и занимается планированием и анализом проекта.

Размер заработной платы устанавливается, исходя из трудоемкости отдельных видов работ и средней заработной платы участников проекта. Учитывается районный коэффициент в размере 30% и дальневосточная надбавка 30%.

дыхательный акустический датчик эллипсоидальный

Таблица 2Расчет расходов по статье «Основная заработная плата»

Исполнитель	Трудоемкость, час	Оклад с РК и ДВ в месяц, руб.	Затраты по з/п, руб.
Руководитель проекта	25	20000	3012
Инженер	141	15000	12741
ИТОГО	15753

Расходы на дополнительную заработную плату рассчитываются по формуле:

,

где - основная заработная плата, , получаем:

Принимая руб.

Единый социальный налог

Единый социальный налог (ЕСН) - это отчисления во внебюджетные социальные фонды. Единый социальный налог рассчитывается как процент от основной заработной платы и состоит из следующих статей:

1. Пенсионный фонд;

2. Социальное страхование;

3. Медицинское страхование.

Соответственно отчисления составляют 26,2% от основной заработной платы. Расчет отчислений на социальные нужды производится по формуле:

В итоге получаем руб.

Амортизационные отчисления

С учетом износа используемого оборудования необходимо включить в смету амортизационные отчисления, вычисленные линейным методом.

Амортизационные отчисления рассчитываются по формуле:

,

Где П - первоначальная стоимость, руб;

На - ежемесячная норма амортизации, %;

А - амортизационные отчисления.

Таблица 3Расчет затрат по статье расходов «Амортизация»

Наименование оборудования	Период амортизации	Ежемесячная норма амортизации, %	Отчисления (руб/мес)
ПЭВМ	5 лет	1,67	250
ИТОГО			250

Сметная стоимость проектных работ

Таблица 4Сметная стоимость проектных работ

Статья затрат	Сумма, руб.
Материалы Основная заработная плата Дополнительная заработная плата Единый социальный налог Амортизационные отчисления	5436 15753 2363 4746 250
ИТОГО	28575?28580

Расчет затрат на разработку программы для согласования прибора с ПЭВМ и дальнейшей обработкой собранной информации

Материалы

В эту статью включается стоимость оборудования и материалов, необходимых для выполнения проектных работ.

Таблица 5Расчет затрат по статье «Материалы»

№	Материалы	Цена с НДС, руб.
1	Бумага для принтера	200
2	Картридж	150
3	Принтер	4500
5	Информация в Internet	500
6	Электроэнергия	280
ИТОГО	5186

Основная и дополнительная заработная плата

К данной статье относится основная заработная плата исполнителя проекта.

Считается, что разработкой проекта занимался один человек один месяц (166 часов).

Размер заработной платы устанавливается, исходя из трудоемкости отдельных видов работ и средней заработной платы участников проекта. Учитывается районный коэффициент в размере 30% и дальневосточная надбавка 30%.

Таблица 6 Расчет расходов по статье «Основная заработная плата»

Исполнитель	Трудоемкость, час	Оклад с РК и ДВ в месяц, руб.	Затраты по з/п, руб.
Инженер	166	15000	15000
ИТОГО	15000

Расходы на дополнительную заработную плату рассчитываются по формуле:

,

где - основная заработная плата, , получаем:

Принимая руб.

Единый социальный налог

Единый социальный налог (ЕСН) - это отчисления во внебюджетные социальные фонды. Единый социальный налог рассчитывается как процент от основной заработной платы и состоит из следующих статей:

4. Пенсионный фонд;

5. Социальное страхование;

6. Медицинское страхование.

Соответственно отчисления составляют 26,2% от основной заработной платы. Расчет отчислений на социальные нужды производится по формуле:

В итоге получаем руб

Амортизационные отчисления

С учетом износа используемого оборудования необходимо включить в смету амортизационные отчисления, вычисленные линейным методом.

Амортизационные отчисления рассчитываются по формуле:

,

где П - первоначальная стоимость, руб;

На - ежемесячная норма амортизации, %;

А - амортизационные отчисления.

Таблица 7Расчет затрат по статье расходов «Амортизация»

Наименование оборудования	Период амортизации	Ежемесячная норма амортизации, %	Отчисления (руб/мес)
ПЭВМ	5 лет	1,67	250
Принтер	3 года	2,78	125
ИТОГО	375

Сметная стоимость проектных работ

Таблица 8Сметная стоимость проектных работ

Статья затрат	Сумма, руб.
Материалы	5186
Основная заработная плата	15000
Дополнительная заработная плата	2250
Единый социальный налог	4520
Амортизационные отчисления	375
ИТОГО	27330

Сравнительная характеристика различных вариантов, предложенных к проектированию

Были предложены следующие варианты реализации проектируемого прибора:

ѕ Два микрофона, соединены через усилитель с линейным входом звуковой карты ПЭВМ (упрощенный макет);

ѕ Восемь микрофонов соединены через четыре усилителя с четырьмя линейными входам звуковой карты ПЭВМ;

ѕ Восемь микрофонов соединены через усилительный каскад с микроконтроллером AT mega 8535 MAX 232CPE (проектируемый вариант) и с СОМ портом ПЭВМ;

Таблица 9 Сравнительная характеристика различных реализаций проектируемого прибора.

Наименование деталей, с учетом их количества	Реализация 1 Стоимость, руб	Реализация 2 Стоимость, руб	Реализация 3 Стоимость, руб
Микрофон	40	160	160
Фонендоскоп	200	800	800
Операционный усилитель	44	172	200
Дополнительная звуковая карта для ПК	-	11500	-
Карта ММС 64 Mb	-	-	230
Батарейка 9V	40	80	-
Макетная плата	160	300	160
Резистор	106	424	996
Конденсатор	32	128	500
49Микро-контроллер	-	-	100
Гнездо jack 3,5 stereo	60	160	-
Шнур СОМ	-	-	120
Корпус	150	300	300
Экран ЖК	-	-	50
Гнездо ММС	-	-	45
Кнопки	-	-	120
Гнездо СОМ	-	-	90
Провод двужильный	30	120	120
Жилет	-	300	300
Адаптер питания	50	50	300
Материалы на крепеж	150	150	100
ИТОГО	1062	14644?14650	4911?4910

5. Проведение эксперимента

В качестве эксперимента был собран упрощенный макет. Данный макет представляет собой акустический тракт «акустический датчик - ПЭВМ». В изготовленный макет заложены основные принципы работы проектируемого прибора.

Сигнал поступающий с двух акустических датчиков, через усилитель К574УД2 поступает на линейный вход звуковой карты ПЭВМ, где оцифровывается и записывается в файл формата WAV. После чего легко обрабатывается программными средствами.

Целью эксперимента является проверка основных положений при проектировании прибора пассивного акустического контроля дыхательной системы человека, отработка алгоритмов анализа собранной информации, проверка акустических датчиков, определение свойств сигнала и определение необходимого коэффициента усиления сигнала, снятого микрофонов.

Эксперимент проходил в виде процедуры замера интенсивности излучаемого легкими звука при дыхании. В область грудной клетки устанавливалась пара акустических датчиков и через усилитель сигнал поступал на линейный вход звуковой карты ПЭВМ. Для усиления использовался неинвертирующий усилитель на базе операционного малошумящего двуканального усилителя К574УД2. Коэффициент усиления составил 1667,7.

В результате эксперимента было выяснено, что спектр шума легких располагается в низком диапазоне частот, верхняя граница которого не превышает 2000 Гц. Сам сигнал представляет собой сложный нестационарный случайный процесс.

Так же в результате эксперимента очень практично и эффективно проявили себя разработанные в дипломе акустические датчики. Исходя из расчетов их передаточная характеристика в диапазоне 30-2000 Гц практически ровна 1 и имеет незначительный перепад, что и было подтверждено практически. Специфическая конструкция позволила достигнуть необходимой характеристики направленности и улучшить соотношение сигнал/шум, по сравнению с использованием одиночного микрофона.

Результаты записи показаны на рисунке 5.1

Рисунок 5.1 - Спектральная плотность мощности шума легких при дыхании

Заключение

В результате дипломного проектирования был смоделирован прибор пассивного акустического контроля дыхательной системы человека. Был собран экспериментальный опытный макет и проверены основные принципы действия всей системы. Так же были разработаны и опробованы на практике специализированные акустические датчики.

Было предложено несколько вариантов реализации прибора и выбран наиболее актуальный и оптимальный вариант, как с точки зрения экономических показателей, так и технических характеристик.

В целом смоделированный прибор обладает более эффективной способностью к диагностированию, чем его предшественники, одновременно в принцип действия заложен огромный потенциал. Сокращено время аускльтации и увеличено Так же прибор не представляет абсолютно никакой физиологической опасности, так как не оказывает ни малейшего воздействия на организм.

Тема дипломного проекта весьма актуальна. Необходимо продолжать работу в данном направлении и поиск новых методик диагностики, основанных на этом же принципе действия.

Список литературы

1. Ройтберг Г.Е., Струтынский А.В. - Лабораторная и инструментальная диагностика заболеваний внутренних органов - М. Бином-пресс, 1999.

2. Ройтберг Г.Е., Струтынский А.В. - Внутренние болезни. Система органов дыхания - М. Бином-пресс, 2005.

3. Скотт М. Г., Гроновский А.М. - Прикладная лабораторная медицина - М. Медицина, 2007.

4. Курс лекций под редакцией Судакова К.В. - Физиология. Основы и функциональные системы - М. Медицина, 2000.

5. Диссертация Шевкун С.А. под руководством Короченцова В.И. - Разработка методов анализа волновых полей в замкнутых объемах - 2006.

6. Шевкун, С. А. Исследование распространения суммы гармонических сигналов в морской среде. Молодежь и научно-технический прогресс: Материалы региональной научной конференции. - Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2002.

7. Короченцев, В. И. Расчет поля точечного излучателя, расположенного в замкнутом объеме. Доклады IX научной школы-семинара академика Л. М. Бреховских "Акустика океана", совмещенной с XII сессией Российского акустического общества. - М.: ГЕОС.- 2002.

8. Короченцев, В. И. Определение координат акустических точечных источников в неоднородных средах. Доклады IX научной школы-семинара академика Л. М. Бреховских "Акустика океана", совмещенной с XII сессией Российского акустического общества. - М.: ГЕОС, 2002.

9. Касаткин, Б. А. Неклассическое решение классических задач акустики. Ин-т проблем морских технологий. - Владивосток: Изд-во Дальнаука, 2000.

10. Современные микрофоны. http://www.chipinfo.ru/

11. Римский-Корсаков А.В. - Электроакустика - М. Связь, 1973.

12. Акустика для техникумов. Характеристики микрофонов. http://kazakiy.h11.ru

13. Руководство по выбору микрофонов. Электретные микрофоны. http://chem.net

14. Лепендин Л.Ф. Акустика: Учеб. Пособие для вузов - М. Высш. Школа. 1978.

15. Скучик, Е. Основы акустики - М.: Мир, 1976.

16. Селезнев П.И. Современные аналоговые микросхемы - М. Мир, 2003.

17. Операционные усилители и аналоговые микросхемы. Приложение к журналу «Радио» №7/1999.

18. Мячин Ю.А. Справочник по аналоговым микросхемам. 180 аналоговых микросхем - М. «Патриот», 1993.

19. Дж.М. Эванс, Б. Берман. Маркетинг. - М. Экономика, 1993

20. Семенов В.М. Экономика предприятия: Учебник.- М.: Центр экономики и маркетинга, 2000.

Размещено на Allbest.ru