Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

акселерометр связь мониторинг

По результатам опросов специалистов, падения считается одним из наиболее серьезных рисков для здоровья пожилых людей, затрагивая большее число людей, чем инсульт и инфаркт, вместе взятые.

Особенно это касается:

- пожилых людей, живущих отдельно;

- людей, имеющих ограниченную подвижность (инвалиды, нарушения в опорно-двигательном аппарате, атеросклероз, остеопороз и т.д.);

- людей с нарушениями памяти;

- людей с расстройствами нервной системы (эпилептики, болезнь Паркинсона, церебральный паралич);

- людей с нарушениями зрения;

- больных, соблюдающих медицинский режим (после инсульта, инфаркта, проходящих лечение в реабилитационных центрах и т.д.);

- людей с сердечно - сосудистымизаболеваниями (гипертония, гипотония и т.д.);

- страдающих сахарным диабетом;

- людей, работающих на опасных работах (электрики, профессии связанные с работой на высоте, удаленных от социума, охрана).

Падение может быть опасно для человека вдвойне. Помимо травм от самого падения, ситуация может усугубиться из-за осложнений, если медицинская помощь не оказана своевременно.

Статистика демонстрирует, что большинство серьезных осложнений не являются прямым следствием падения, а связаны с задержкой в помощи и лечении.

Падения в случае неоказания своевременной помощи являются основной причиной смертности в результате травм среди выше перечисленных категорий людей.

Поэтому актуальна задача обнаружения падения и оповещения о нем.

Решить эту задачу можно с помощью акселерометров, объединенных в систему c микроконтроллерами, обрабатывающими полученную от акселерометров информацию и передающему затем с помощью GPS сигнал тревоги о точном местонахождении близким родственникам.

Цель: разработка устройства контроля движения и определения момента падения пациентов.

Задачи:

· проанализировать рынок акселерометров, GPS-маячков и микроконтроллеров;

· выбрать вышеперечисленные элементы с нужными для реализации нашей цели техническими характеристиками;

· разработать способ объединить все элементы и интегрировать в носимое устройство.



1 Аналитический обзор существующих устройств

1.1 Акселерометры

Акселерометр - прибор, измеряющий проекцию кажущегося ускорения (разности между истинным ускорением объекта и гравитационным ускорением). Акселерометр представляет собой чувствительную массу, закреплённую в упругом подвесе. Отклонение массы от её первоначального положения при наличии кажущегося ускорения несёт информацию о величине этого ускорения.

По конструктивному выполнению акселерометры разделяются на однокомпонентные, двухкомпонентные, трёхкомпонентные. В соответствии с этим, они позволяют измерять ускорение вдоль одной, двух и трёх осей.

Некоторые акселерометры еще имеют интегрированные системы сбора и обработки данных. Это позволяет создавать завершённые системы для измерения ускорения и вибрации со всеми необходимыми элементами.

Основными параметрами акселерометра считаются:

· Масштабный коэффициент-коэффициентпропорциональности между измеряемым кажущимся ускорением и выходным сигналом (электрическим сигналом, частотой колебаний (для струнного акселерометра) или цифровым кодом);

· Пороговая чувствительность(разрешение) - величина минимального изменения кажущегося ускорения, которое способен определить прибор;

· Смещение нулевой отметки - показания прибора при нулевом кажущемся ускорении;

· Случайное блуждание - среднеквадратичное отклонение от смещения нуля;

· Нелинейность - изменения зависимости между выходным сигналом и кажущимся ускорением при изменении кажущегося ускорения[1].

Виды акселерометров

Пьезоэлектрические акселерометры.

Считается многоцелевым вибродатчиком, в настоящее время используемый практически почти во всех областях измерения и анализа механических колебаний. Эксплуатационная характеристика пьезоэлектрических акселерометров в общем лучше характеристики любого другого вибродатчика. Пьезоэлектрические акселерометры различными широкими рабочими частотным и динамическим диапазонами, линейными характеристиками в этих широких диапазонах, прочной конструкцией, надежностью и долговременной стабильностью его характеристик.

Так как пьезоэлектрические акселерометры считаются активными датчиками, генерирующими пропорциональный механическим колебаниям электрический сигнал, при их эксплуатации не нужен источник питания. Отсутствие движущихся элементов конструкции исключает возможность износа и гарантирует исключительную долговечность пьезоэлектрических акселерометров. Отметим, что отдаваемый акселерометром сигнал, пропорциональный ускорению, можно интегрировать с целью измерения и анализа скорости и смещения механических колебаний.

Главным составляющим пьезоэлектрического акселерометра считается диск из пьезоэлектрического материала, в качестве которого очень хорошо используется искусственно поляризованная ферроэлектрическая керамика. Подвергаемый действию силы (при растяжении, сжатии или же сдвиге) пьезоэлектрический материал генерирует на собственных поверхностях, к которым прикреплены электроды, электрический заряд, пропорциональный воздействующей силе.

Конструкция пьезоэлектрических акселерометров.

Пьезоэлемент практических пьезоэлектрических акселерометров сконструирован так, что при возбуждении механическими колебаниями предусмотренная в корпусе акселерометра масса воздействует на него силой, пропорциональной ускорению механических колебаний. Это соответствует закону, согласно которому сила равна произведению массы и ускорения (рис. 1.1).

Рис. 1.1 Конструкция пьезоэлектрических акселерометров

На частотах, значительно меньших резонансной частоты совместной системы масса - пружина ускорения массы акселерометра идентично ускорению его основания и, отсюда следует, что отдаваемый акселерометром электрический сигнал пропорционален ускорению воздействующих на него механических колебаний.

Основные варианты конструкции пьезоэлектрических акселерометров:

§ Вариант сжатия, в котором масса воздействует силой сжатия на пьезоэлектрический элемент;

§ Вариант сдвига, характерным для которого является работа пьезоэлемента под действием срезывающего усилия, обусловленного внутренней массой акселерометра.

IEPE-акселерометры.

Пьезоэлектрические акселерометры с интегральными предусилителями, которые выдают в линии питания выходной сигнал в виде модуляции напряжения. IEPE-акселерометры специально предусмотрены для измерения вибраций в небольших структурах (например, малогабаритных). Их высочайшая выходная чувствительность, высочайшее отношение сигнал/шум и широкая полоса пропускания дают возможность применить их и как прибора общего назначения, и для измерения высокочастотных вибраций. Эти дешевые и легкие акселерометры считаются инструментами с довольно хорошими рабочими характеристиками, имеющими наиболее высокую выходную чувствительность, чем стандартные пьезоэлектрические акселерометры. Они герметизированы для защиты от загрязнений окружающей вокруг среды, имеют невысокую восприимчивость к электромагнитному излучению на радиочастотах и невысокое выходное абсолютное сопротивление благодаря наружному источнику постоянного тока. Низко импедансный выход разрешает применить дешевые коаксиальные кабели. IEPE-акселерометры считаются недемпфированными высокочастотными акселерометрами. При измерениях следует принимать меры, чтобы избежать «звона» акселерометра и появлений критерий перегрузки.

Пьезорезистивные акселерометры

Датчики деформации пьезорезистивных акселерометров изменяют электрическое сопротивление пропорционально приложенному механическому напряжению. Целый датчик акселерометра хранит в себе встроенные механические ограничители и обладает довольно высокой прочностью при очень высоком соотношении сигнал/шум. Акселерометры этого типа безупречно подходят для измерения перемещения, низкочастотной вибрации и ударного воздействия и предусмотрены для тестирования на столкновение с препятствием, на флаттер, а еще и для биодинамических измерений и аналогичных приложений, требующих небольшой нагрузки массы и широкой частотной характеристики. Их возможно также применить для ударных испытаний легких систем или конструкций.

Имея частотную характеристику, которая распространяется до постоянного тока, т.е. до установившегося ускорения, эти акселерометры безупречно подходят для измерений длительных переходных процессов, а еще и кратковременных ударных воздействий. Во множествах случаях чувствительность как оказалась достаточно высокой и усиления выходного сигнала не требуется (рис. 1.2).

Рис. 1.2 Строение пьезорезистивных акселерометров

Пьезорезистивные акселерометры имеют малое демпфирование, в следствии этого, не создают фазового сдвига на низких частотах.

Впрочем им присущи сложности при измерениях на низких частотах, и для преодоления этих дефектов требуется принимать специальные меры [6].

Акселерометры переменной емкости

В акселерометрах переменной емкости уникальный микродатчик переменной емкости создает емкостный прибор с параллельным расположением пластин. В итоге получается датчик с реакцией на входные ускорения постоянного тока, со стабильной характеристикой демпфирования, которая максимизирует частотную характеристику, и с необходимой прочностью, чтобы противостоять очень высоким ударным и ускорительным нагрузкам. Эти low-g акселерометры безупречно подходят для измерения движения и низкочастотных вибраций и предназначены для как мониторинга траектории.

Газовое демпфирование и интегрированные ограничители на выход за пределы диапазона дают возможность микродатчикам акселерометра противостоять ударным и ускорительным нагрузкам, присущим обычно всем highg - приложениям.

Интегральные акселерометры.

Акселерометры представляют собой датчики линейного ускорения и в данном качестве широко применяются для измерения углов наклона тел, сил инерции, ударных нагрузок и вибрации. Они находят обширное применения в транспорте, в медицине, в промышленных системах измерения и управления, в инерциальных системах навигации. Промышленность изготавливает много разновидностей акселерометров, имеющих различные принципы действия, диапазоны измерения ускорений, массу, габариты и цены.

Современные технологии микрообработки дают возможность изготовить интегральные акселерометры, имеющие малые габариты и невысокую цену. В данное время изготавливаются ИМС акселерометров трех типов: пьезопленочные, объемные и поверхностные.

Пленочные пьезоэлектрические акселерометры

Пленочные пьезоэлектрические датчики ускорения производятся на основе многослойной пьезоэлектрической полимерной пленки. Многослойная пленка зафиксирована на подложке из окиси алюминия, и к ней присоединена инерционная масса из порошкового металла. При изменении скорости движения датчика в результате действия инерционных сил происходит деформация пленки. Благодаря пьезоэффекту возникает разность потенциалов на границах слоев пленки, зависящая от ускорения. Чувствительный элемент датчика обладает чрезвычайно высочайшим выходным сопротивлением, вследствии этого на подложке датчика ACH-01 компании Atochem Sensors также имеется полевой транзистор с малым током затвора, который представляет собой подобие усилителя напряжения. Это позволяет измерять переменные ускорения со сравнительно низкой частотой. Датчики этого типа имеют плохую повторяемость характеристик в серийном производстве, высокую чувствительность к изменению температуры и давления. Они не могут контролировать постоянные ускорения и гравитационные силы [9].

Объемные интегральные акселерометры.

Микросхема датчика не имеет схемы обработки сигнала измерительного моста. Варианты датчика выделяются тем, что NAC-203 имеет интегрированные толстопленочные схемы, позволяющие произвести лазерную настройку чувствительности и температурной коррекции в процессе изготовления, а в NAC-201 реализация этих функций предоставляется пользователю. Входное и выходное сопротивления измерительного моста модели NAC-201 равны 2 кОм. Полоса пропускания по уровню 3 дБ составляет 500 Гц. Резонансная частота устройств, смонтированных в полном согласии с рекомендациями изготовителя - не менее 10 кГц.

Интегральные датчики ускорения объемной системной конструкции имеют ряд недостатков. Во-первых, они сложны в производстве, потому что операции формирования довольно больших структур не очень просто сочетаются со стандартными поверхностными интегральными технологиями. Во-вторых, желательно использовать датчик как можно минимально возможных размеров на схемном кристалле также минимально возможных размеров. Уменьшение размеров кристалла дает повышение его механической прочности и снижение стоимости. В то же время в датчике объемной конструкции только на размещение чувствительного элемента потребуется от 6,5 до 16 мм площади кристалла. Размещение на кристалле схем формирования сигнала возможно увеличить эту площадь еще в два раза. Вследствии этого, в частности, один из датчиков ускорения компании Motorola содержит двухкристаллическую конструкцию. На одном кристалле выполнен объемный чувствительный элемент, а на другом - схема обработки сигнала.

Поверхностные интегральные акселерометры.

Целый кристалл акселерометра размером 3,05 3,05 мм занят ключевым образом схемами формирования сигнала, которые находятся вокруг миниатюрного датчика ускорения размером 1Ч1 мм, находящийся в его центре. Датчик представляет собой дифференциальную конденсаторную структуру с воздушным диэлектриком, обкладки которого вырезаны (вытравлены) из плоского кусочка поликремниевой пленки толщиной 2 мкм. Недвижные обкладки данного конденсатора представляют собой обычные консольные стержни, находящихся на высоте 1 мкм от поверхности кристалла в воздухе на поликремниевых столбиках-анкерах, приваренных к кристаллу на молекулярном уровне

На рис. 1.3 показан главный конструктивный блок элементарной ячейки датчика. практически датчик содержит 54 элементарных ячейки для измерения ускорения, но для простоты рисунок демонстрирует только одну ячейку. Инерционная масса датчика ускорения при изменении скорости перемещения кристалла смещается относительно остальной части кристалла. Ее пальцеобразные выступы образуют подвижную обкладку конденсатора переменной емкости [2].

Рис. 1. 3 Основной конструктивный блок элементарной ячейки датчика ускорения



С каждого конца данная структура опирается на столбики-анкеры, подобные по конструкции держателям неподвижных обкладок. Растяжки по концам инерционной массы, удерживающие ее на весу, считаются как бы механическими пружинами неизменной упругости, ограничивающими перемещение пробной массы и ее возврат в изначальное положение. Говоря иными словами, сила инерции при воздействии ускорения

F = ma (1.1)

уравновешивается силой упругости пружины

F = kx,(1.2)

Где m - масса, a - ускорение, k - жесткость пружины, x - перемещение массы относительно исходного состояния. Отсюда следует, что a = x (k / m), причем k/m - конструктивный параметр датчика.

Так как перемещение инерционной массы обязано происходить именно в плоскости поли кремниевой пленки, ось чувствительности датчика лежит в данной плоскости, и, значит, она параллельна плоскости печатной платы, к которой припаивается датчик (рис. 1.4).

Рис. 1.4 Использование акселерометра для измерения наклона



Любой из наборов неподвижных обкладок конденсатора (Y и Z) электрически объединен параллельно внутри схемного кристалла. В итоге получается пара независимых конденсаторов X-Y и X-Z, подвижная обкладка которых образована всей совокупностью пальцеобразных выступов инерционной массы. Внутри кристалла эти три обкладки подключены к интегрированным схемам формирования сигнала акселерометра. В состоянии покоя (движение с постоянной скоростью) все «пальцы» подвижной обкладки Х благодаря растяжкам находятся на одном и том же расстоянии от пар пальцев неподвижных обкладок. При любом ускорении подвижные пальцы приближаются к одному из наборов неподвижных пальцев и удаляются от другого набора. В итоге, относительного перемещения соответствующие расстояния становятся неодинаковыми, и емкости между подвижной обкладкой и каждой из неподвижных обкладок меняются.

Емкости CS1 и CS2 между неподвижными и подвижной обкладками при полном отсутствии ускорения схожи, вследствии этого на подвижную обкладку передаются сигналы одинаковой амплитуды. Разностный сигнал, передающихся на вход повторителя, равен нулю. При ускорении датчика разностный сигнал не равен нулю, при этом его амплитуда зависит от величины смещения подвижной обкладки, а фаза определяется знаком ускорения.

Фазочувствительный демодулятор конвертирует этот сигнал в низкочастотный (полосой от 0 до 1000 Гц), характеризующий величину и знак ускорения. Это напряжение поступает на предусилитель, с выхода которого сигнал идет на наружный вывод ИМС.

Для того чтобы убавить влияние температуры окружающей среды, кратковременные изменения параметров, уменьшить нелинейность переходной характеристики акселерометра, разработчики разработали отрицательную обратную связь по положению инерционной массы. Для данного напряжение с выхода предусилителя через резистор 3 МОм переходит в подвижные обкладки датчика. Это напряжение дает электростатические силы между подвижной и неподвижной обкладками, которые стремятся установить инерционную массу в начальное состояние. Так как мы имеем в данном случае следящую систему с высокой добротностью, инерционная масса никак не будет отклоняться от собственного исходного положения более чем на 0,01 мкм. В отсутствии ускорения выходное напряжение предусилителя будет равно VO = 1,8 В, при полном ускорении ±50 g VO = 1,8±1,5 В.

В более поздних моделях ИМС акселерометров инженеры компании Analog Devices категорически отказались от обратной связи по положению инерционной массы. С одной стороны, это позволило почти в два раза уменьшить площадь кристалла датчика, увеличить его экономичность, повысило размах выходного напряжения, практически исключить внешние компоненты, уменьшить стоимость, но с другой стороны, увеличилось смещение инерционной массы, что привело к небольшому но реальному ухудшению линейности [4].

Акселерометры семейства ADXL также снабжены системой самотестирования. Это вызывает колебания инерционной массы, подобны тем, которые вызываются действием инерционных сил. Выходное напряжение исправного датчика также будет меняться с той же самой частотой.

В моделях без обратной связи по положению лишь только 42 ячейки датчика применяются в схеме измерения ускорения. Другие 12 входят в схему самотестирования. Самотестирование исполняются подачей высокого логического уровня на вывод «SELF-TEST» микросхемы. При этом на подвижную часть датчика воздействует электростатическая сила, соответствующая около 20% ускорения полной шкалы. Выходное напряжение ИМС исправного датчика пропорционально значительно уменьшится. Благодаря этому и проверяется функциональность полной механической структуры и электрической схемы акселерометра.

Именно для того чтобы понизить уровень требования к стабильности источника питания и сделать возможным питание акселерометров напрямую от батарей, их выходное напряжение делают пропорциональным произведению ускорения на напряжение питания. В этом случае его следует включать по логометрической схеме. В данной схеме следует применить АЦП, который будет использовать питающее напряжение в качестве опорного. Стоит заметить, что между выходом акселерометра и входом УВХ АЦП обязан быть буферный усилитель, из за того что выходной ток акселерометра изменяется в диапазоне ±100 мкА, и при достаточно высокой частоте выборок конденсатор УВХ никак не будет успевать заряжаться до напряжения на выходе акселерометра.

В настоящее время Analog Devices выпускает некоторое количества моделей интегральных акселерометров: одноосные ADXL105, ADXL150, ADXL190 на наибольшее ускорение ±5 g, ±50 g, ±100 g следовательно, и двухосные ADXL202, ADXL210 и ADXL250 на наибольшее ускорение по обеим осям ±2 g, ±10 g и ±50 g соответственно. Датчики производятся в основном в плоских керамических корпусах QC-14 с планарными выводами, при этом оси, по которым измеряется ускорение, направлены параллельно плоскости выводов (параллельно плоскости печатной платы). Вариант ADXL202Е производится в миниатюрном без выводном кристаллоносителе LCC-8 размером 5ґ5ґ2 мм. Для удобства сопряжения с микроконтроллерами выходные сигналы ИМС ADXL202 и ADXL210 представляют собой прямоугольные импульсы постоянной частоты. Информация об ускорении отображается относительной длительностью импульсов g [7].

Интересное применение акселерометров с малым значением максимального измеряемого ускорения (и, соответственно, высокой чувствительностью) - определение угла наклона относительно горизонта (рис. 1.5).



Рис. 1.5 График зависимости разности емкостей конденсаторов из ячейки датчика ускорения от перемещения подвижной пластины

Выходное напряжение акселерометра пропорционально синусу угла наклона оси его чувствительности относительно горизонта. Для того чтобы определить этот угол однозначно, необходимо использовать двухосный акселерометр. Для этой цели почти идеально подходит ADXL202. Зависимости выходных сигналов этого датчика, приведенных к 1 g, от угла его наклона (рис. 1.6).

Рис. 1.6 Блок-схема двухосного акселерометра ADXL202

Рисунок 6 демонстрирует упрощенную блок-схему двухосного акселерометра ADXL202. Его выходными сигналами считаются импульсы, относительная длительность которых пропорциональна ускорению. Подобный тип выхода гарантирует повышенную помехоустойчивость, передачу сигнала лишь по одной линии и прием его любым микроконтроллером, имеющим таймер (необходимость в АЦП отсутствует). Сигнал на выходе каждого канала датчика содержит форму ускорение в единицах g рассчитывается по формуле:

(1.3)

Стоит обратить внимание, на то что относительная длительность = 0,5 соответствует нулевому ускорению. Период импульсов Т2 не надо измерять на каждом импульсе. Его нужно уточнять лишь только при изменении температуры. Так как частота выходных импульсов одинакова для обоих каналов, период Т2 достаточно измерить только на одном канале. Данная величина устанавливается в пределе от 0,5 до 10 мс внешним резистором RSET.

Недоработкой акселерометров с ШИМ - выходом считается необходимость применения весьма быстродействующих микроконтроллеров для получения высочайшей разрешающей возможности при широкой полосе пропускания. [2]

Завершая описание акселерометров компании Analog Devices, приведем несколько интересных цифр, характеризующих конструкцию и уровень технологии производства этих микросхем.

· Масса инерционного грузика -0,1 мкг.

· Емкость каждой части дифференциального конденсатора -0,1 пФ.

· Минимальное обнаруживаемое отклонение емкости -20 aФ (10-18 Ф);

· Изменение емкости, соответствующее ускорению полной шкалы - 0,01 пФ;

· Расстояние между обкладками конденсатора -1,3 мкм.

· Минимальное обнаруживаемое отклонение подвижных обкладок конденсатора -0,2 ангстрема (пятая часть диаметра атома) [7].

Акселерометры семейства XMMA компании Motorola.

Акселерометры рода XMMA компании Motorola состоят из планарной емкостной ячейки датчика ускорения и КМОП - схемы нормализации сигнала, произведенных в отличие от более ранних моделей, на одном кристалле. Чувствительный элемент (G-ячейка) занимает значительно большую площадь части кристалла. Он сформирован из поликристаллического кремния при помощи поверхностной микрообработки и состоящих из двух неподвижных пластин, между которыми размещена пластина, зафиксированная на упругом подвесе и способная передвигаться под действием инерционных сил (рис. 1.7).

Рис. 1.7 Упрощенная конструкция датчика ускорения микросхемы семейства XMMA

Когда центральная пластинка отклоняется от среднего положения из за выполненного ускорения, расстояние от нее до одной из неподвижных пластинок возрастет на ту же самую величину, на которую расстояние до другой пластины снизится. Изменение расстояний охарактеризует ускорение. Ось чувствительности к ускорению ориентирована перпендикулярно поверхности пластинки кремния (чипа), из-за этого датчики, производимые в DIP-корпусе, измеряют ускорение, направленное нормально к печатной плате. Для того чтобы сделать возможным измерение ускорений, направленных параллельно печатной плате, фирма выпускает эти датчики еще и в корпусах SIP, в которых чип расположен перпендикулярно печатной плате.

Пластинки G-ячейки создают два противоположно включенных конденсатора. При перемещении датчика с ускорением, направленным перпендикулярно плоскости пластинок, подвижная пластинка отклонится по направлению, противоположном ускорению, и произойдет перераспределение расстояний между пластинками. Емкости обоих конденсаторов изменятся в соответствии с формулой

C = S / x, (1) (1.4.)

где S - площадь пластин, e - диэлектрическая постоянная и x - расстояние между пластинами. Как видно, эта зависимость не линейна. На рис. 7 приведен график зависимости разности емкостей этих конденсаторов (С1-С2) от перемещения подвижной пластины.

Схемы определения рассогласования емкостей конденсаторов G-ячейки измеряют изменение напряжения на подвижной пластине (MMAS40G, MMAS250G, MMAS500G) или заряда на ней (XMMA1000, XMMA2000). Напряжение измеряется электрометрическим усилителем, а заряд - усилителем заряда. Судя по техническим описаниям этих микросхем, представленным фирмой-изготовителем, постоянное ускорение они не воспринимают. На рис. 1.8 приведена блок-схема акселерометра XMMAS500G, имеющего диапазон измеряемых ускорений 500 g. Сигнал с выхода электрометрического усилителя поступает на фильтр нижних частот 4-го порядка, а с него - на схему температурной компенсации [9].

Рис. 1. 8. Блок-схема акселерометра MMAS500G

Точность интегральных акселерометров.

Статическая точность.

Точность преобразования ускорения в электрический сигнал акселерометрами например, как и точность датчиков другого типа, измеряются величинами смещения нуля, погрешностью полной шкалы (или чувствительности), а еще и температурным и временным дрейфом этих параметров. Актуальными элементами погрешности считаются также погрешности линейности (нелинейность) и поперечная чувствительность. Смещение нулевой отметки и чувствительность акселерометров при нормальных условиях корректируются при изготовлении. Остаточная погрешность возможна быть уменьшена путем калибровки и записи калибровочных констант в памяти микроконтроллера. Калибровка акселерометра возможна двумя способами: на вибростенде с образцовым датчиком ускорения и с помощью силы тяжести. (рис1.9)

Рис. 1.9 Графики ускорения и скорости интегрального акселерометра

Использование вибростенда имеет следующие преимущества:

· возможность калибровки, в том числе и датчиков, восприимчивых только к переменному ускорению;

· возможность калибровки датчиков с ускорениями, многократно превышающими g;

и недостатки:

· требуется дорогостоящий вибростенд;

· проблема закрепления датчика при калибровке на высоких g.

Преимущества применения силы тяжести для калибровки:

· не требуется дорогостоящее оборудование;

· метод мало чувствителен к погрешности установки датчика;

и недостатки:

o можно применить только для датчиков, восприимчивых к постоянному ускорению;

o нельзя калибровать полную шкалу датчиков, способных преобразовывать большие ускорения.

Температурный дрейф смещения нуля и чувствительности еще возможно скомпенсирован. Для данной цели некоторые модели (например, XMMA1000, ADXL105) снабжаются встроенными датчиками температуры.

Одной из причин нелинейности характеристики преобразования интегральных акселерометров с датчиками емкостного типа является нелинейная зависимость емкости конденсатора от расстояния между обкладками. При использовании усилителя заряда, как это сделано в XMMA1000, потенциал подвижной пластины постоянен и равен половине напряжения питания, которое мы будем считать равным 2V.В этом случае из формулы q = CV с учетом (1) следует, что приращение заряда подвижной обкладки при ее перемещении на расстояние x составит

(2) (1.5)

Как видно, зависимость приращения заряда от изменения расстояния между пластинами не линейна. Если в акселерометре применяется усилитель напряжения (электрометрический), то заряд конденсаторов датчика меняться не будет. Тогда приращение напряжения на подвижной пластине будет линейно зависеть от изменения расстояния между пластинами:



(1.6)

По указанным причинам акселерометр XMMA1000 (усилитель заряда) име

ет типичную погрешность линейности 1% от полной шкалы против 0,5% у MMAS40G (усилитель напряжения). Акселерометры семейства ADXL имеют емкостный датчик дифференциального типа, неподвижные пластины которого питаются равными, но противофазными напряжениями возбуждения V1 и V2 с частотой 1 МГц. Поэтому комплексное действующее значение напряжения на средней пластине, согласно методу двух узлов, определяется формулой:

(3) (1.7)

где - круговая частота возбуждения. С учетом того, что V1 = - V2, а

(1.8)

из (3) получим

(4) (1.9)

Таким образом, зависимость напряжения на подвижных пластинах датчика от перемещения получается линейной. Акселерометры семейства ADXL имеют типовую погрешность линейности 0,2%.

В (4) в качестве еще одного источника погрешности указывается гистерезис (то есть неполная восстанавливаемость) при вибрациях и ударах. В фирменном описании микросхем практически никаких сведений о гистерезисе нет, но эксперименты по применению интегральных акселерометров семейства ADXL для определения скоростей и перемещений, показали, что при наличии вибраций большой амплитуды погрешность, обусловленная, по всей видимости, гистерезисом, возможно достигать совершенно недопустимых значений. Этот гистерезис обусловлен тем, что при значительных ускорениях деформация растяжек, играющих роль пружин, возможно неупругой и при снижении ускорения инерционная масса либо медленно возвращается в исходное состояние (вязкая не упругость), либо не возвращается вообще. Из за упругости стержня это перемещение сопровождается вибрацией довольно высокой амплитуды с частотой приблизительно 300 Гц. График ускорения получен именно непосредственным считыванием сигнала акселерометра 12-разрядным АЦП с частотой выборки 80 кГц. График скорости считается результатом численного интегрирования этих данных методом трапеций. В начале и в конце интервала наблюдения (0-0,9 с) скорость датчика равна нулю.

Поперечная чувствительность

Поперечная чувствительность характеризует непосредственно способность датчика преобразовывать в электрический сигнал ускорение, направленное под углом 90° к оси чувствительности датчика (поперечное). У безупречного акселерометра поперечная чувствительность равна нулю. В паспортных данных датчика указывается часть (в процентах) поперечного ускорения, которая проходит на выход.

Шум акселерометров.

Шум, содержащийся в выходном сигнале акселерометра, определяет разрешающую способность устройства, важную при определении незначительных ускорений. Максимальное разрешение в основном определяется уровнем шума измерения, который и включает внешний фоновый шум и шум собственно датчика. Уровень шума непосредственно связан с шириной полосы пропускания датчика. Уменьшение полосы пропускания путем включения ФНЧ на выходе датчика и приводит к снижению уровня шума. Это и улучшает отношение сигнал/шум и увеличивает разрешающую способность, так же вносит амплитудные и фазовые частотные искажения. Некоторые модели акселерометров содержат на кристалле ФНЧ (семейство XMMA -4-го порядка, ADXL190 -2-го). Двухосные датчики ADXL202/210 содержат выводы для подключения двух внешних конденсаторов, образующих с двумя внутренними резисторами по 32 кОм два ФНЧ первого порядка.

Пример: Микросхема ADXL150 содержит типичное значение спектральной плотности шума 1мg/ Гц в полосе 10-1000 Гц. При включении ФНЧ с частотой среза 100 Гц действующее значение шума на выходе фильтра составит 10 мg, а амплитудное, с вероятностью 0,997, - в пределах 30 мg. Так как полная шкала этого датчика составляет 50 g, динамический диапазон равен 20lg (50/0,03) = 64,4 дБ. Это вполне неплохо, но по этому показателю интегральные акселерометры очень сильно уступают пьезоэлектрическим. Например, пьезоэлектрический акселерометр типа 4371 компании Bruel & Kjaer имеет динамический диапазон 140 дБ [6].

Акселерометр ADXL345.

Акселерометр ADXL345 - это небольшой и маломощный 3-х осевой акселерометр с высоким разрешением (13 бит) и с диапазоном измерения ускорения до ±16 g, диапазон измерений можно выбрать из ряда: ±2 g, ±4 g, ±8 g и ±16 g. Результат измерений возможно прочитать по интерфейсам SPI или I2C в виде 16-ти бит данных.

ADXL345 обладая узкой полосой пропускания (0,05…1600 Гц), идеален для измерения низкочастотных вибраций, статического ускорения, движения и угла отклонения (менее 1.0°).

Полоса пропускания дают способность датчика «замечать» изменения ускорения (движения), происходящие с высокой частотой (например, вибрация с частотой 1000 Гц). На эту характеристику имеет влияния частота дискретизации встроенного АЦП акселерометра, которая, для возможности обнаружения кратковременного воздействия на датчик, обязана быть как минимум в два раза больше охватываемой полосы пропускания. И для ADXL345 максимальная частота дискретизации составляет 3200 Гц [8].

Описание компонента ADXL345

ADXL345 - это 3-осевой датчик ускорения с возможностью программирования диапазона ускорений из ряда: ±2; ±4; ±8; ±16g.

Кроме того, у ADXL345:

- диапазон рабочих напряжений питания: 2,0…3,6 В;

- ток потребления в рабочем режиме 40…150 мкА, в зависимости от частоты опроса;

- разрешающая способность 10-13 разрядов (при измерении ускорения ±16g);

- рабочий диапазон температур: -40…85°С;

- интерфейс SPI или I2C;

- корпус LGA размером 3Ч5Ч1 мм.

Также датчик имеет несколько следующих функциональных особенностей.

- Детектирование и индикация событий:

- толчок;

- двойной толчок;

- свободное падение;

- наличие активности (ускорения), с выбором осей;

- отсутствие активности, с выбором осей.

- Два программируемых выхода событий.

- Буфер FIFO глубиной 32 уровня.

- Интерфейс может сигнализировать о событиях: наличие данных, заполнение буфера и переполнение буфера.

Примеры применения.

Мониторинг состояния персонала или пациентов.

В случае размещения акселерометра на теле человека, возможно реализовать датчик падения, происшедшего, например, в результате потери сознания человеком, нападения, если это охранник, или другого несчастного случая.

Пример кривых, отражающих величину ускорения при падении, показан на рис. 1.10. в этом случае падение является не совсем свободным: тело «валится», поэтому характер изменения ускорения по осям различается от случая свободного падения.

Рис. 1.10 Характер изменения ускорений при не совсем свободном падении

В процессе падения можно выделить несколько стадий.

1. Начало падения. При свободном падении эта стадия охарактеризуется состоянием невесомости. Величина векторной суммы ускорений по всем трем осям близка к нулю. При падении отличном от свободного величина векторной суммы ускорений по трем осям не близка к нулю, но меньше 1g. Это первый признак падения (зона 1 на рис. 1.10).

2. Столкновение с поверхностью. По окончании падения происходит столкновение с поверхностью, что наблюдается на графике как резкое увеличение ускорения, вплоть до перегрузки датчика. Это второй признак падения (зона 2 на рис. 1.10).

3. Неподвижность. Человек не может подняться после падения немедленно - какое-то время он неподвижен. Это третий признак падения (зона 3 на рис. 1.10).

4. Изменение положения тела после падения. В результате того, что тело человека изменяет положение после падения, вектор ускорения свободного падения меняет направление по отношению к датчику. Это четвертый признак падения (сравните величины проекций ускорений на оси в зонах 3 и 4 на рис. 1.10).

В результате анализа достоинств и недостатков представленных нами выше для проектируемого устройства выбран акселерометр ADXL345 [8].

1.2 Системы связи: GPS, ГЛОНАСС для обнаружения местонахождения, ГЛОНАСС и GPS-мониторинг

Первоначально разработки ГЛОНАСС и GPS-мониторинга были разработаны для военных целей, однако теперь они служат мирных целях. Системы слежения очень широко используются в повседневной жизни, GPS-мониторинг позволяет определить местонахождения объекта, где бы он не находился.

Мониторинг объекта слежения заключается в передаче радиосигнала от трекера к серверному центру и обратно. В качестве связующего звена информационной цепи применяется одна из глобальных сетей (Navstar GPS, ГЛОНАСС). Координатные данные от трекера через установленные промежутки времени передаются на один или несколько спутников, находящихся в зоне приема. Затем информация передается на сервер и обрабатывается аналитическим программным обеспечением. Из общего объема данных мониторинга составляется отчет о точном местонахождении наблюдаемого объекта, направлении движения и показателях его состояния.

В техническом плане главным отличием ГЛОНАСС от GPS является то, что спутники ГЛОНАСС в своем движении по орбите не синхронизированы с вращением Земли. Это обеспечивает им более лучшую стабильность и не требует корректировок в течение всего срока эксплуатации каждого спутника. Но, спутники ГЛОНАСС имеют гораздо более короткий срок службы GPS мониторинг и мониторинг ГЛОНАСС хотя и имеют схожие технические показатели, но и имеют отличия систем заключаются в возможностях диспетчерского ПО, а также в качестве и наборе дополнительных функций.

По своей сути системы ГЛОНАСС и GPS-мониторинга используются для одних и тех же целей предоставляют достоверную информацию о местонахождении и состоянии объекта наблюдения.

Спутниковый мониторинг.

Спутниковый мониторинг - это постоянное централизованное дистанционное наблюдение за текущим местоположением и состоянием объектов наблюдения. Система предназначается для слежения за движением и состоянием частных лиц, а также оперативного реагирования в случае возникновения тревожных случаев.

Основные возможности спутникового мониторинга физических лиц:

* Мониторинг местоположения объекта наблюдения в режиме реальноговремени;

* Отображение местоположения и состояния объекта наблюдения на электронной карте, в виде передачи данных видеонаблюдения, в виде информационныхсообщений;

* Определение состояния объекта наблюдения, на основе показанийдатчиков;

* Отображение сигналов «тревоги» и многоедругое.

Система мониторинга - это аппаратно-программный комплекс, основанный на использовании следующих информационно-телекоммуникационных технологий:

* спутникового позиционирования ГЛОНАСС иGPS;

* сотовой связиGSM;??

* УКВ-связи;??

* интернет;??

* вычислительной техники и микроэлектроники.??

Как работают системы спутникового позиционирования ГЛОНАСС и GPS.

Идея создания спутниковой навигации появилась ещё в 50-е годы. В тот момент, когда СССР был запущен первый искусственный спутник Земли, учёные обнаружили, что частота принимаемого сигнала увеличивается при приближении спутника и уменьшается при его отдалении. Суть данного открытия заключалась в том, что если точно знать свои координаты на Земле, то становится возможным измерить положение и скорость спутника, и наоборот, точно зная положение спутника, можно определить свою скорость и координаты.

Реализована эта идея была через 20 лет. В 1973 году была разработана программа DNSS, позже переименованная в Navstar - GPS и затем в GPS (Global Positioning System). Первый тестовый спутник выведен на орбиту 14 июля 1974 г. США. Крайний из 24 спутников, необходимых для полного покрытия земной поверхности, был выведен на орбиту в 1993 г., после этого стало возможным использовать систему GPS для слежения и точного позиционирования неподвижных, а затем и подвижные объектов в воздухе и на земле. 24 спутника обеспечивают 100% работоспособность системы в абсолютно любой точке Земли, но к сожалению не всегда могут обеспечить уверенный прием и хороший расчет позиции. Для увеличения точности и на случай отключения общее число спутников поддерживается в большем количестве - 30-32 спутника. Информация в C/A коде (стандартной точности) распространяется абсолютно бесплатно. Военное применение (точность выше на порядок) обеспечивается зашифрованным кодом.

ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система (ГЛОНАСС) - российская спутниковая навигационная система. Основой системы считаются 24 спутника, движущихся над поверхностью Земли. Первый спутник ГЛОНАСС был выведен Советским Союзом на орбиту 12 октября 1982 года. 24 сентября 1993 года система была официально принята в эксплуатацию с орбитальной группировкой из 12 спутников. Для точного определения пространственных координат и точного времени принимается и обрабатывается навигационные сигналы не менее чем от 4-х спутников ГЛОНАСС. По состоянию на 01.04.2011 г. в составе орбитальной системы ГЛОНАСС насчитывается 26 космических аппаратов «Глонасс-М», из них 22 используются по целевому назначению и четыре временно выведены на техобслуживание.

Распоряжением Президента Российской Федерации от 18 февраля 1999 г. №38-рп система ГЛОНАСС определена как система двойного назначения, применяемая не только в интересах обороны и безопасности РФ, но так же и в социально-экономических целях. Благодаря этому, было положено начало «гражданской» ГЛОНАСС. Федеральное космическое агентство (Роскосмос) считается координатором, вместе с другими министерствами и ведомствами выступает в качестве государственного заказчика по Федеральной Целевой Программе «Глобальная навигационная система». Данная программа направлена на дальнейшее эффективное развитие и использование глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС благодаря внедрению передовых технологий спутниковой навигации в интересах социально-экономического развития страны и обеспечения национальной безопасности, и еще сохранения Россией лидирующих позиций в области спутниковой навигации. В последнее время происходит активная коммерциализация технологий ГЛОНАСС. Заинтересованность руководства РФ в развитии отечественной навигационной системы способствует разработке массового навигационного рынка услуг и оборудования.

Спутники системы ГЛОНАСС, как и GPS, непрерывно излучают навигационные сигналы двух типов: навигационный сигнал стандартной точности (СТ) и навигационный сигнал высокой точности (ВТ). Информация, предоставляемая навигационным сигналом СТ, доступна всем потребителям и позволяет определять:

* горизонтальные координаты с точностью 50-70 м

* вертикальные координаты с точностью 70 м

* составляющие вектора скорости с точностью 15 см/с

* точное время с точностью 0,7 мкс

По своим характеристикам построения системы GPS и ГЛОНАСС схожи, но имеют немного разные технологии в основе, что позволяет говорить об отсутствии заимствования. В настоящее время система GPS - это 29 активных спутников, ГЛОНАСС - 22, в сумме 51 спутник. Приемники, использующие данные всех спутников будут точнее наиболее надежнее - в этом и состоит практический результат применения двух систем - ГЛОНАСС и GPS [3].

Как система ГЛОНАСС/ GPS мониторинга работает.

На объект наблюдения устанавливается специальное навигационное ГЛОНАСС/GPS оборудование (GPS-маячок, GPS - трекер, портативный бортовой терминал, GPS-контроллер). Терминал автоматически определяет точное местоположение, состояния объекта наблюдения состояние подключенных датчиков с помощью приемника спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС или GPS. Далее терминал в автоматическом режиме или по запросу пользователя передает собранную информацию по беспроводным каналам связи. Это возможно как и сотовый канал системы GSM стандарта GPRS/SMS, так и УКВ канал. Весь объем навигационной и технической информации поступает на сервер системы ГЛОНАСС/ GPS слежения, там и обрабатывается и сохраняется в базе данных.

На рабочее место диспетчера устанавливается специальное программное обеспечение, в котором используются электронные векторные многослойные карты местности, с высокой точностью отображающие текущее местоположение и перемещения объекта.

Мониторинг местоположения через систему GPS.

GPS - система глобального позиционирования. GPS представляет из себя набор из 29 спутников, находящихся над Землей. Для гражданского применения система открыта с 1980-ых годов. GPS позволяет с большой точность определять местоположение скорость подвижных объектов.

Именно на определении координат по спутникам основана работа устройств по определению местоположения - трекеров. Принцип заключается в следующем. На каждом из спутнике находятся высокоточные атомные часы. Они постоянно передают радиосигнал со своим идентификационным кодом. Трекеры принимают сигнал от 5 до 12 спутниковых каналов. Трекер сравнивает время излучения сигнала спутником со временем его приема. Именно на основе разности во времени вычисляется расстояние до спутника. А так как номинальное расстояния до конкретных спутников известны, GPS трекер вычисляет свои собственные координаты. Наиболее точные координаты (долготу, широту) трекеры получают, принимая сигнал от трех спутников.

Непосредственно на точность определения местоположения GPS-трекером воздействует расположение видимых спутников, еще и ряд атмосферных и других факторов.

Устройство слежения могут быть персональные (переносные). Такие трекеры применяются для определения местоположения людей, пожилых людей, детей, в крупных компаниях для отслеживания перемещения курьеров. Полезно применение персональных трекеров при отправлении в какие-либо поездки или в отпуск за границу. Так как отслеживание координат объекта ведется везде, где имеется сотовая связь.



2. Разработка системы контроля движения для пациентов

2.1 Носимый браслет

Нами изучались различные носимые устройства для контроля медико-биологических функций организма.

Мы остановили свой выбор на браслете, который еще не имеет практического применения. Перед разработчиками стояла задача - сделать носимое устройство именно медицинской направленности. Такие девайсы нужны пожилым людям, беременным женщинам, инвалидам, спортсменам, военным, спасателям, людям других опасных профессий. Вообще всем тем, кто заботится о своем здоровье (рис. 2.1).

Рис. 2.1 Чертеж браслета

Планировка носимого устройства, состоящего из модулей. Базовая платформа зеленая часть - будет носиться постоянно и фиксировать самые важные показатели. Дополнительные модули будут одеваться рядом, соединяться с базовой частью по принципу конструктора и расширять функционал браслета (рис. 2.2).

Рис. 2.2 Прототип устройства браслета

Размеры браслета малогабаритны. В этом одна из главных сложностей разработки - браслет должен быть компактным. Одним из самых объемных элементов является аккумулятор, поэтому для решения задачи нужно бороться за снижение энергопотребления. Требуется, чтобы браслет мог работать не менее суток (а лучше двое - трое) без необходимости подзарядки.

Архитектура.

Базовыймодуль:

· контроллером

· Съемныйflash-накопитель

· Контрольпитания

· Дисплей

· Базовые интерфейсысвязи

· Базовыйаккумулятор

· Вибромотор (дляуведомлений)

· Пьезодинамик (для уведомлений)

· Температурныйдатчик

· Процессорная плата

Используемые датчики.

Температура. Одной из важнейших проблем для температурного датчика является необходимость плотного контакта с кожей. Потребовался данный датчик (рис. 2.3).

Рис. 2.3 Температурный датчик

Встроенный в браслет с гибким ремешком с застежкой. Контакт он почти не терял (только при резких движениях), что, в принципе, легко фильтруется. При измерении температуры стоит учесть два соображения. Во-первых, температура - достаточно медленный показатель, из за этого частые измерения не нужны. В таком случае температура снимается с кожи запястья руки, и поэтому принимать во внимание абсолютные значения не имеет значительного смысла, полезной информацией может оказаться только изменение температуры. Во-вторых, температуру человека на руке измеряется не для клинической диагностики - поэтому конкретное ее значение не столь важно, важна динамика изменения. И, от сюда следует что, обработка строится вокруг этого.

Электродермальная реакция (ЭДР, кожно-гальваническая реакция, сопротивление кожи). Упрощенно, может оценить мгновенный (текущий) уровень стресса. Датчики данного плана применяются в полиграфах (детекторах лжи) (рис. 2.4).

В таком случае будет более лучшим отслеживать возникновение сильных эмоциональных, болевых реакций, уровень стресса и так далее. Базовых применений при: тревожное сообщение оператору при резком появлении боли у пользователя, определение стрессовых состояний организма (например, браслет может подсказать, что пора перестать слушать орущего начальника и пойти прогуляться), в определение опасных состояний (например, при информационной перегрузке при частых переключениях внимания, риске потери внимания, засыпании в опасных ситуациях).

Мониторинг ЭДР считается одним из важнейших для представителей опасных профессий и для профессий, связанных с повышенной ответственностью. Возможно фиксировать состояние сниженной реакции после стресса и ухудшения когнитивных способностей - это важно для летчиков, переночевавших в самолете, охранников и так далее.

Рис. 2.4 Датчик электродермальная реакция (ЭДР, кожно-гальваническая реакция, сопротивление кожи)

Электрокардиограмма.Получаем одно отведение ЭКГ, для чего используем емкостные датчики. Обычный медицинский кардиограф позволяет снимать 12 отведений. Это необходимо для получения точной клинической картины. Одного же отведения достаточно для мониторинга общей активности сердца и выявления нетипичных состояний. То есть задача этой группы датчиков - мониторинг ЭКГ в естественных условиях и отправка предупреждений (от проведения дополнительных измерений и до необходимости посещения врача), но никак не самостоятельная диагностика. Для регистрации сигнала требуется два датчика: один на внутренней стороне браслета, а второй на внешней. Нам нужна установка пальца на внешний датчик и удержание контакта около 3-5 минут. Браслет при этом анализирует полученные данные, и при помехах либо продляет процедуру, либо предлагает сделать заново. Аналогично делается мониторинг - браслет раз в полчаса может напоминать про процедуру (рис. 2.5).

Рис. 2.5 Емкостные датчики для снятия одного отведения ЭКГ

Экран

Цветные OLED или TFT дисплеи потребляют огромное количество энергии. Самым подходящим стал e - ink дисплей, причем из наименее потребляющих питание. Достаточно обновить его состояние и забыть на несколько минут, пока пользователь не запросит новый статус либо не произойдет событие, требующее перерисовки. Работа с экраном была относительно простой, хотя оборотной стороной явилась сложность подготовки графики для этого экрана (2.6).