Аппаратно-программный компьютерный комплекс автоматизированного измерения параметров автономных электростимуляторов желудочно-кишечного тракта на базе IBM PC

Кокорин Владимир Васильевич

Чарыков Николай Андреевич

НОУ ВПО ИГУПИТ

E-mail: info@igupit.ru

 

Аппаратно-программный компьютерный комплекс автоматизированного измерения параметров автономных электростимуляторов желудочно-кишечного тракта на базе IBM PC

 

Аннотация: Предложен метод измерения параметров электронного стимулятора на базе разработанного аппаратно-программного компьютерного комплекса AES-test с использованием компьютера IBM PC. Автоматизация измерения позволит существенно снизить трудоемкость процессов, исключит субъективные ошибки, существенно повысит производительность труда операторов в процессе измерения параметров электронного стимулятора, а также может принести значительный экономический эффект.

Ключевые слова: Электронный стимулятор, автоматизация, измерения.

The Abstract: A method of measuring electronic stimulator parametres on the basis of developed hardware-software computer complex AES-test using IBM PC computer is put forward. Measurement automation will make it possible to considerably lower labour intensivity, to exclude subjective errors, to significantly raise operators labour productivity in the course of measurement of the electronic stimulator parameters; it may also bring forth a considerable economic effect.

The Keywords: Electronic stimulator, automation, measurements.

 

***

 

При измерении параметров автономных электростимуляторов желудочно-кишечного тракта и слизистых оболочек (АЭС ЖКТ и СО, сокращенно АЭС) при проведении исследований и в процессе производства возникает ряд проблем. Основная часть проблем связана с временной диаграммой функционирования АЭС ЖКТ и СО, приведенной на рис.1, где представлена зависимость выходного тока АЭС Iout от времени [1,2]. Значения временных параметров одной их модификаций АЭС представлены в табл. 1.

 

Рис.1. Временные диаграммы выходного тока АЭС: общий вид (а),

вид стационарной пачки импульсов (б)

 

Таблица 1

Измерение временных параметров АЭС с помощью аналоговых осциллографов имеет много недостатков. Измерения параметров стационарной пачки импульсов (в частности времен tи, Tи) возможно с помощью практически любого низкочастотного осциллографа. Наблюдение же общего вида долговременной временной диаграммы требует применения аналоговых запоминающих или шлейфовых осциллографов, так как времена наблюдения могут составлять десятки секунд и более. В таком случае крайне трудно обеспечить требуемую точность измерений. Таким образом, приходится использовать два типа осциллографов. Трудоемкость и время измерений очень велики. Невозможно обеспечить автоматизацию экспериментов. Значения измеренных параметров необходимо заносить в протоколы измерений от руки. Документирование измерений необходимо проводить вручную, при этом велика вероятность ошибок. Требуются высококвалифицированные операторы.

Применение современных цифровых осциллографов с памятью снимает только часть проблем. В связи с этим возникла проблема автоматизации измерений временных параметров АЭС ЖКТ и СО на базе персональных компьютеров типа IBM PC.

Решение этой проблемы возможно различными аппаратно-программными способами. При разработке такой автоматизированной системы были поставлены два основных условия: система должна быть предельно простой и дешевой. В работе [3] описана разработана нами автоматизированная система измерения параметров временных диаграмм АЭС на базе IBM PC. Проводилось измерение логических сигналов, измерение уровней токов не было предусмотрено. Аппаратное решение поставленной задачи связано с нестандартным использованием параллельного порта принтера LPT (LinePrinTer). При этом не возникает необходимости вскрытия компьютера (который к тому же может находиться на гарантийном обслуживании) для установления специальной платы в слот расширения.

Рассмотрим возможности параллельного интерфейса LPT-портов для решения поставленной нами задачи. Основное назначение - реализация интерфейса принтера [4]. Порты LPT1-LPT4 поддерживаются BIOS-прерыванием INT 17h. Функции прерывания INT 17h: 00h – вывод символа без аппаратных прерываний; 01h - инициализация интерфейса и принтера; 02h - опрос состояния принтера. Используемые ячейки BIOS DATA AREA: 0:0408, 040A, 040C, 040E - адреса портов LPT1-LPT4. Стандартные базовые адреса и прерывания: BASE = 3BCh, 378h, 278h, IRQ7, IRQ5. Стандартная карта портов ввода-вывода для различных IBM PC компьютеров имеет вид. представленный в табл. 2

Таблица 2

.tab-1

Здесь обозначено: MDA - Monocrome Display Adapter, монохромный видеоадаптер; адреса даны в шеснадцатиричном представлении.

Cтандартный интерфейс представлен регистром данных (DR), регистром состояния (статуса) SR и регистром управления (CR). Назначение выводов принтерного порта и функции битов представлены в табл. 3.

Регистр данных DR: addr=BASE. Это 8-битный порт вывода с возможностью чтения выходных линий; выходной буфер может отключаться перемычкой на плате - превращение в порт ввода.

Регистр состояния (статуса) SR: addr=BASE+1. Это 5-и битный порт ввода (биты 3-7). Биты 3 и 7 инвертируется.

Регистр управления CR: addr=BASE+2. Это 4-х битный порт ввода-вывода (биты 0-3); выходы с открытым коллектором позволяют использовать биты как входы при программировании их в высокий уровень. Биты 0, 1, 3 инвертируются - единичному значению соответствует низкий уровень сигнала.

Таблица 3

tab-2

Назначение выводов разъемов параллельного интерфейса предс тавлено в табл.2, где обозначено: EPP - Enhanced (Fast) Parralel Port, расширенный (скоростной) порт, скоростной двунаправленный интерфейс, распространенный в современных AT-машинах; PC – разъем адаптера 25-pin D-Shell Female ("мама"); \ - бит инвертирован ("1" = низкий логический уровень; * - вход соединен резистором с шиной + 5 В.

Разработанный нами аппаратно-программный компьютерный комплекс (АПКК AES-test) автоматизированного измерения параметров АЭС на базе IBM PC содержит внешний блок модуля сопряжения (БМС) с компьютером через принтерный порт LPT. Электрическая принципиальная схема блока модуля сопряжения с компьютером представлена на рис.2.

Проведем описание принципиальной электрической схемы. Выбран базовый адрес параллельного порта 378h (888d), логическое имя его LPT1. Для компьютеров IBM PC AT параллельный порт LPT1 с базовым адресом 378h. расположен на плате Multi I/O Card или на интегрированной материнской плате компьютеров IBM PC AT/486 и выше.

Измеряемая капсула АЭС с произвольной полярностью включается в специфическую диодную мостовую схему, образованную диодами VD8,VD9 и эмиттерными переходами биполярных транзисторов VT1,VT2. Такое оригинальное построение схемы диодного моста позволяет совместить функции произвольности включения капсулы в контактирующее устройство и передачи токового сигнала капсулы на схему сравнения через коллектора биполярных транзисторов VT1,VT2.

рис-2_

 

Рис.2. Схема блока модуля сопряжения

 

На основе резисторов R1-R8 построена схема сравнения токов, представляющая собой простейший аналого-цифровой преобразователь (АЦП).

Включение капсулы АЭС на соответствующую нагрузку задается программно подачей сигнала высокого уровня напряжения на разрядную шину CD0\ или CD1\ по адресу 37Аh (890d). При задании логического нуля "0" на шину CD0 (вывод 1) напряжение на этой шине имеет высокий уровень, примерно равный +5 В (бит CD0 инвертирован), биполярный ключевой транзистор VT3 (ключ К1) полностью открывается, что обеспечивает включение АЭС на короткозамкнутую нагрузку. Аналогично, при задании значения бита CD1="0" отпирается транзистор VT4 (ключ К2), включающий капсулу на нагрузку R9=100 Ом.

Рассмотрим алгоритм работы системы. Для определенности будем рассматривать режим, когда капсула включается на сопротивление нагрузки Rx=R9=100 Ом. Включение АЭС задается программно путем подачи бита CD1="0" на вывод 14. При этом отпирается ключевой транзистор VT4 (ключ К2), замыкающий цепь АЭС, R9. В зависимости от полярности включения капсулы в контактирующее устройство ток импульса протекает по цепи - эмиттерный переход VT2, VD8, R9, K2, либо по цепи - эмиттерный переход VT2, VD8, R9, K2. Предположим для определенности, что ток протекает по цепи - эмиттерный переход VT2, VD8, R9, K2. Напряжение на коллекторе транзистора VT2 зависит от того, какой набор битов D0-D7 задан.

В зависимости от набора битов D0-D7 будем различать 2 режима работы схемы сравнения токов: режим детектирования тока капсулы и режим оцифровки тока капсулы.

В режиме детектирования тока капсулы по адресу 378h (888d) регистра данных задается значение байта 1, то есть на вывод 2 задано высокое значение потенциала +5 В, а на выводах 3-9 установлено напряжение логического нуля, диоды VD1-VD7 закрыты и ток в цепях этих диодов отсутствует. Максимальный ток через резистор R1 может составлять IR1 = 5 B/18 K = 0.28 мА. Для нормально работающей капсулы при прохождении импульса тока капсулы IK > IR1 транзистор VT2 находится в режиме насыщения, на его коллекторе низкий потенциал. Этот потенциал является выходным сигналом АЭС, формируя значение бита SD3. Выходной сигнал АЭС поступает в ЭВМ на вывод 15 по адресу 379h (889d) и анализируется программой ЭВМ. По окончанию очередного импульса капсула формирует паузу, при этом имеем IK=0 < IR1, транзистор переходит в активный режим, напряжение на его коллекторе имеет высокое значение, близкое к 5 В. При этом значение бита SD3=1. Таким образом, при отсутствии капсулы в контактирующем устройстве, при отсутствии импульсов тока капсулы (брак капсулы) и в режиме паузы для нормально работающей капсулы SD3=1.

В режиме оцифровки тока капсулы в порт данных по адресу 378h (888d) программно задаются различные значения байта, определяющие значения выходного тока IA АЦП.

В любом случае, если IA < IK то транзистор VT2 находится в режиме насыщения и выходной сигнал SD3=0. При IA > IK выходной сигнал SD3=1. Перебирая значения набора битов и соответственно значения IA по определенному алгоритму можно определить значение байта BA, при котором происходит смена значения бита SD3. Этому граничному значению байта BA соответствует определенный ток АЦП IA равный току капсулы IK.

Светодиоды VD10 (красный) и VD11 (зеленый) во время тестирования капсулы горят одновременно. По окончанию теста для капсулы, соответствующей техническим условиям (ТУ) зажигается только зеленый светодиод, а для не соответствующей ТУ - красный светодиод.

Программное обеспечение АПКК AES-test написано на алгоритмическом языке С++. Ряд модулей компьютерной программы, определяющих ввод/вывод информации с блока модуля сопряжения написаны на ассемблере. Программное обеспечение построено так, что АПКК AES-test может работать практически на любых моделях компьютеров IBM PC.

Результаты обработки результатов измерений отображаются на экране дисплея. Результаты измерений отображаются на экране дисплея графически в виде временных диаграмм выходного сигнала АЭС. Временные параметры АЭС выводятся на экран дисплея, как показано на рис. 3. а также пишутся в файл. Напряжение источника питания капсулы, как и граничные значения параметров АЭС задаются в специальном файле с расширением .ini.

В режиме опции ТЕСТ программа запрашивает номер (код) капсулы После набора указанного номера необходимо нажать клавишу {ENTER}.

Начиная с этого момента начинается тестирование капсулы АЭС в автоматическом режиме. При наличии функционирующей капсулы звонок пьезоэлектрический (ЗП), установленный в блоке модуля сопряжения (БМС) начнет подавать звуковые сигналы в такт с прохождением импульсов тока капсулы. По завершению теста на экране появится осцилограмма зависимости тока капсулы от времени, значения измеренных параметров капсулы АЭС и заключение о соответствии этих параметров нормам ТУ. В случае положительного заключения загорится зеленый светодиод на передней панели БМС, в противном случае - красный светодиод.

рис-3_

Рис.3. Интерфейс АПКК AES-test

Результаты измерения будут записаны в выходной файл результатов независимо от результатов тестирования с соответствующим заключением. Выходной файл результатов является протоколом измерений параметров капсулы. По умолчанию имя файла задано датой операционного дня в виде: ддммггхх.dat, где дд - день месяца, мм - месяц, гг - год, хх - число, определяющее очередной запуск программы AES-test в данный день.

Длительность процесса тестирования для работоспособной капсулы определяется временем, необходимым для параметризации заданной пачки импульсов с номером Npp, заданным в файле с именем test1.ini. Там же занесены граничные значения параметров АЭС в соответствии с ТУ.

На основании проведенной научно-исследовательской работы можно сделать выводы, что разработана интеллектуальная система - аппаратно-программный компьютерный комплекс AES-test автоматизированного измерения параметров АЭС на базе IBM PC. Эта автоматизированная система измерения параметров АЭС ЖКТ в процессе исследований, серийного производства и реализации существенно снижает трудоемкость процессов измерений, исключает субъективные ошибки измерений, существенно повышает производительность труда операторов. Использование данной автоматизированная система измерения параметров АЭС ЖКТ может принести значительный экономический эффект. Существенными достоинствами системы является ее простота и низкая стоимость.

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Автономные электростимуляторы организма человека и животных / Пекарский В.В., Агафонников В.Ф., Дамбаев Г.Ц. и др. -Томск:Изд-во ТПУ, 1995. -132 с.

2. Кокорин В.В., Чарыков Н.А. Автономные электростимуляторы желудочно-кишечного тракта и слизистых оболочек // Материалы докладов н.-т. семинара "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах". .: МНТОРЭС им. А.С. Попова, 1997, С. 425-433.

3. Горюнов Н.Н., Макаров В.А., Назаркин Д.В., Чарыков Н.А. Автоматизированная система измерения параметров временных диаграмм АЭС ЖКТ и СО на базе IBM PC // Материалы докладов н.-т. семинара "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах". .: МНТОРЭС им. А.С. Попова, 1997, С. 434-438.

4. Гук М. Аппаратные средства IBM PC. СПб: Питер, 1996. -220с.

 

Мир науки - научный журнал
Транспортные сооружения - научный журнал
Отходы и ресурсы - научный журнал