Разработка телеметрической системы для измерения параметров, характеризующих состояние здоровья пациента

Разработка телеметрической системы для измерения параметров, характеризующих состояние здоровья пациента

Курсовая работа

по дисциплине «Биотелеметрия»

на тему:

«Разработка телеметрической системы

для измерения параметров, характеризующих состояние здоровья пациента»

Содержание

Введение

. Анализ технического задания

. Многоканальные системы с временным разделением каналов (ВРК)

. Структурная схема системы с ВРК

4. Информационный расчет системы с ВРК

4.1 Расчет частот опроса источников информации

.2 Расчет шумовых погрешностей

.3 Расчет междуканальных помех

5. Разработка функциональной схемы

6.       Минимизация загрузки группового тракта системы

Заключение

Список использованных источников

Введение

телеметрический многоканальный шумовой погрешность тракт

Биотелеметрией называется специальное научно-техническое направление, разрабатывающее вопросы отбора, преобразования, хранения, передачи, приема, обработки и представления информации о биологических объектах, расположенных на расстоянии от регистрирующего устройства.

Комплекс аппаратуры, предназначенной для решения перечисленных выше задач, именуется биотелеметрической системой (БТМС). В более узком смысле под БТМС иногда понимают систему, осуществляющую только передачу на расстояние и прием результатов измерения биологических параметров[1].

При биотелеметрии на изучаемом объекте (животном или человеке) укрепляют соответствующие датчики, сигналы которых, характеризующие те или иные биологические или физиологические процессы (движение, пульс, дыхание и др.), передают по каналам связи и регистрируют на пункте приёма информации. Исследуемый процесс, если он неэлектрической природы, предварительно преобразуют в какие-либо электрические сигналы.

Передача измерительной информации в системах телеметрии может осуществляться по проводной линии связи или по радиолинии. В первом случае телеметрические системы называют проводными, во втором - радиотелеметрическими.

Для построения многоканальной биотелеметрической системы используют методы линейного разделения каналов (т. е. разделение посредством линейных цепей). При этом разделение канальных сигналов можно осуществить на основе различия их по форме, по времени появления, по занимаемой полосе частот. Наибольшее распространение в системах телеизмерений получили два последних вида разделения каналов, их называют соответственно временным разделением каналов (ВРК) и частотным разделением каналов (ЧРК)[2].

1. Анализ технического задания

Целью данной курсовой работы является разработка телеметрической системы для измерения параметров, характеризующих состояние здоровья пациента. Согласно техническому заданию, принцип построения системы - временное разделение каналов (ВРК). Контролируемые сигналы: температура (ТТ - 1 канал), частота дыхания (ЧД - 1 канал), частота пульса (ЧП - 1 канал), кожно-гальвоническая реакция (КГР - 1 канал), электроплетизмограмма (ЭПГ-1 канал), электрокардиограмма (ЭКГ - 3 канала). Затухание сигнала в линии связи - 20дБ. Суммарная погрешность системы - 0.015. Способ регистрации выходных сигналов - интерполяционный. Дополнительные требования: обеспечить минимальную загрузку группового тракта системы.

На основе исходных данных необходимо разработать структурную и функциональную схемы многоканальной системы телеметрии, дающие представления об общем принципе многоканального сбора и передачи информации о состоянии пациента и позволяющая выявить источники погрешностей, возникающих при этом.

Далее необходимо провести информационный расчет системы, включающий в себя расчет временных параметров отдельных блоков и узлов и системы в целом.

2. Многоканальные системы с временным разделением каналов (ВРК)

При временном разделении каналов сигналы, принадлежащие отдельным каналам, не перекрываются по времени. Канальные сигналы в системах телеметрии с ВРК представляют собой дискретные отсчеты сигналов сообщений [2], следующие поочередно во времени (рисунок 1).

Рисунок 1- Временное разделение каналов

Чтобы осуществить многоканальную систему с ВРК, необходимо исходные непрерывные сообщения U₁(t),U₂(t),...,U_N(t) преобразовать в импульсные сигналы, т.е. провести дискретизацию непрерывных сигналов, а затем поочередно передать эти импульсные сигналы S_K1(t),S_K2(t),…, S_KN(t) в линию связи. Дискретизация непрерывных сигналов осуществляется в соответствии с известной теоремой В.А.Котельникова. Дискретные отсчеты берутся из непрерывного сигнала через интервалы времени, называемые периодом дискретизации или периодом опроса T_опр (рисунок 1), который рассчитывается исходя из максимальной частоты в спектре дискретизируемого сигнала, способа последующего восстановления непрерывного сигнала по дискретным отсчетам и заданной погрешности восстановления.

Синхронизирующие (кадровые) сигналы задают начало кадра, включающего в себя последовательность всех канальных импульсных сигналов S_К(t).

Если система телеметрии содержит N каналов для передачи сигналов сообщений и во всех каналах одинаковый период опроса, то время Т_К, отводимое на передачу в линии связи сигнала одного канала, определяется как

 (1)

где n_c - число канальных интервалов, занимаемых синхросигналом.

Канальный сигнал S_Ki,(t) в общем случае может иметь длительность Т_u, меньшую, чем длительность канального интервала Т_к. Кроме этого, амплитуда канального сигнала S_Ki,(t) изменяется не от нуля, а от некоторого начального значения U_п (пьедестала) (рисунок 1). Введение пьедестала и сокращение длительности канального сигнала по сравнению с длительностью канального интервала обеспечивает возможность осуществления канальной синхронизации передающей и приемной частот, так как даже при нулевых значениях информационных сигналов па приемную сторону поступает последовательность импульсов с периодом Т_к и амплитудой U_п, из которых можно сформировать сигналы переключения счетчика каналов приемной части системы телеметрии.

Ритм работы всей системы задает генератор тактовых импульсов (ГТИ).

Частота следования тактовых импульсов определяется из условия

 (2)

где  - частота опроса источников информации (частота опроса каналов).

Из сравнения (2) и (1) следует, что частота F_TИ следования тактовых импульсов и длительность Т_к одного канального интервала связаны соотношением :  (3)

3. Структурная схема многоканальной телеметрической системы

Для оценки состояния здоровья пациента система биотелеметрии должна обеспечивать одновременную передачу целого комплекса биофизических параметров, то есть биотелеметрическая система должна быть многоканальной.

Биотелеметрическая система называется многоканальной, если она обеспечивает взаимонезависимую передачу нескольких сообщений по одному общему каналу связи. Структурная схема многоканальной телеметрической системы изображена на рисунке 2.

Измеряемые неэлектрические величины с помощью устройств, называемых датчиками (Д₁ Д₂,..., Д_n), преобразуются в электрические колебания. Полученные колебания поступают в устройство уплотнения, обеспечивающее их одновременную передачу по одной линии связи. С выхода устройства уплотнения колебание, содержащий информацию обо всех измеренных величинах, поступает на вход передающего устройства, где образуется сигнал, промодулированный колебанием. В приемном устройстве принятые сигналы усиливаются и демодулируются. В результате демодуляции на выходе приемника образуется колебание, подобное тому, которое поступает на вход передатчика.

Оно поступает на вход устройства разделения, в котором выделяются отдельные колебания, соответствующие переданным сообщениям от каждого датчика. Полученные сообщения поступают на регистрирующее устройство.

Для правильной количественной расшифровки полученных результатов с телеметрического объекта, помимо измеряемых величин, передается информация о контрольном параметре, который может принимать лишь ряд заранее известных значений.

Рисунок 2 - Структурная схема телеметрической системы с ВРК

Контролируемые сигналы снимаются с помощью датчиков Д1_экг-Д3_экг, Д_ТТ, Дчд, Д_ЧП, ДКГР, Дэпг. Для реализации системы с временным разделением каналов сигналы необходимо переключать при помощи аналогового коммутатора. На выходе коммутатора образуется многоканальное сообщение, в виде последовательности прямоугольных импульсов, и передается по радиоканалу на приемную сторону.

Для синхронизации приемной и передающей части в многоканальное сообщение водят синхронизирующие импульсы, вырабатываемые генератором тактовых импульсов ГТИ. Затем полностью сформированное сообщение поступает в линию связи ЛС.

Линия связи - среда, используемая для передачи сигналов от передатчика к приемнику. Сигнал может передаваться как по проводной линии связи, так и по радиоканалу.

После приема сигнала и выделения суммарной импульсной последовательности многоканальное сообщение поступает на селектор для разделения измерительных и синхронизирующих импульсов. СК - селектор канальных импульсов. ССИ - селектор синхроимпульсов. Селектор канальных импульсов (СКИ) вырабатывает сигналы канальной синхронизации (тактовые импульсы), которые обеспечивают переключение счетчика каналов приемной части через те же интервалы времени, через которые переключается счетчик каналов на передающей стороне. Этим обеспечивается синхронная работа счетчиков каналов передающей и приемной сторон телеметрической системы.

Селектор синхроимпульса (СИ) выделяет сигнал кадровой синхронизации (синхроимпульс), который устанавливает счетчик каналов на приемной стороне в то же состояние, в котором находится счетчик каналов на передающей стороне в момент формирования синхроимпульса. Благодаря сигналу кадровой синхронизации, обеспечивается синфазная работа передающей и приемной сторон телеметрической системы.

Синхросигнал запускает коммутатор 2, с помощью которого отдельные каналы разделяются, и в последствии в демодуляторах ДМ1_экг-ДМ3_экг, ДМ_тт, ДМ_чд, ДМ_чп, ДМ_кгр, ДМ_эпг восстанавливаются непрерывные значения измеряемых параметров по их мгновенным выборкам.

Далее восстановленные сигналы поступают на регистрирующее устройство.

4. Информационный расчет системы с ВРК

Информационный расчет включает в себя определение шумовой погрешности системы при заданном отношении сигнал/шум или определение требуемого отношения сигнал/шум при заданной шумовой погрешности, определение пороговых сигналов, расчет полос пропускания линии связи, расчет частот опроса источников информации, длительности канальных интервалов.

.1 Расчет частот опроса источников информации, длительности канального интервала, частоты тактовых импульсов

Согласно техническому заданию, способ регистрации выходных сигналов - интерполяционный. Задавшись погрешностью  восстановления непрерывных сигналов по дискретным отсчетам и считая спектры сигналов сообщений близкими к прямоугольным с максимальной частотой , определим частоты опроса по следующей формуле для линейной интерполяции:

 (1)

F_maxЭКГ = 100 Гц, F_maxТТ = 0.1 Гц, F_maxЧД = 2 Гц, F_maxЧП = 10 Гц, F_maxКГР = 0.5 Гц, F_maxЭПГ = 5 Гц, [4], так как F_maxТТ,F_maxКГР находятся в одном частотном диапазоне, объединим эти два сигнала в одну группу, аналогично F_{maxЧД и} F_maxЭПГ также объединим в одну группу, тогда

Вычислим информативность системы при заданном числе каналов:

где N - число каналов, по которым передается ЭКГ, ТТ, ЧД, ЧП, КГР, ЭПГ.

N_ЭКГ=3, N_ТТ,КГР=2, N_ЧД,ЭПГ=2, N_ЧП=1, тогда

Теперь рассчитаем длительность информационного импульса. Она определяется как разность между длительностью канального интервала и длительностью защитной паузы:

, (3)

где  - длительность канального интервала, - длительность защитной паузы.

Длительность канального интервала найдем по следующей формуле:

, (4)

где I - рассчитанная выше информативность системы при заданном числе каналов N.

Теперь вычислим длительность паузы, которая составляет ¼ часть от длительности канального интервала:

 (5)

Находим длительность информационного импульса:

 (6)

4.2 Расчет шумовых погрешностей

Согласно техническому заданию расчет шумовой погрешности системы будет производиться для интерполяционного способа восстановления [1].

Мощность шума на выходе декоммутатора каналов:

, (7)

где F_В - полоса пропускания видеоусилителя; N₀ - спектральная плотность мощности шума, N₀= e_ш², в свою очередь e_ш = 9[нВ/√Гц] из справочных данных для операционного усилителя AD620.

Мощность сигнала на выходе декоммутатора каналов:

 (8)

Из (7) и (8) определим шумовую погрешность:

, (9)

где  - мощность немодулированной поднесущей, которую принимают за мощность модулирующего сигнала при m=1(m - коэффициент глубины модуляции).

Минимальная полоса видеоусилителя, при которой импульс проходит через видеоусилитель без искажений его амплитуды находится по следующей формуле:

, (10)

где  - длительность импульса.

Пусть длительность отсчета сигнала  связана с длительностью канального интервала соотношением:

 (11)

В свою очередь , а

, (12)

где  - коэффициент, показывающий во сколько раз частота опроса, рассчитанная по формуле (1), больше, чем требуется по теореме В.А. Котельникова; F_cmax - максимальная частота в спектре сигнала сообщения, передаваемого по i-ому каналу.

Коэффициент избыточности:

, (13)

где  - частота опроса, рассчитанная по формуле (1);  - частота опроса, рассчитанная по теореме В.А. Котельникова.

Частота опроса по теореме В.А. Котельникова рассчитывается следующим образом:

 (14)

Теперь находим :

Таким образом, полоса пропускания видеоусилителя должна быть не менее чем

N=N₁+N₂+N₃+N₄ (15)

N=8.

С учетом формулы (11)

С учетом (15) шумовая погрешность при АИМ-АМ определяется как:

 (16)

Полоса частот, занимаемая передаваемыми сигналами:

 (17)

Учитывая, что средняя за канальный интервал мощность сигнала , представим (16) в виде:

, (18)

 (19)

Вычислим мощность сигнала на выходе декоммутатора каналов:

.

4.3 Расчет междуканальных помех

Прохождение дискретизированных сигналов разных каналов через групповой тракт системы телеметрии включающей в себя общие для всех каналов системы узлы и линию связи, сопровождается переходными процессами. Эти переходные процессы искажают первоначальную форму импульсных сигналов, вызванные переходными процессами называют переходными или перекрестными искажениями. В системах телеметрии с временным разделением каналов искажения являются причиной междуканальных помех [1].

Различают два вида переходных искажений:

1. Искажения, возникающие из-за ограничения полосы пропускания группового тракта в области высоких частот; их называют ещё искажениями I рода;

2.       Искажения, возникающие из-за нелинейности фазовой и неравномерности амплитудно-частотных характеристик группового тракта в полосе частот, которую занимает спектр сигнала сообщений (модулирующего сигнала первой степени модуляции), то есть в области нижних частот; их называют искажениями II рода.

Переходные искажения I рода

Из рассмотрения шумовых погрешностей систем телеметрии с временным разделением каналов следует, что для уменьшения этих погрешностей желательно уменьшать полосу пропускания у видеоусилителя F_В и уменьшать коэффициент α, который характеризует отношения длительности канального интервала Т_К к длительности информационного импульса Т_И. Чем ближе α к единице, тем меньше защитная пауза между двумя соседними информационными импульсами и тем меньше шумовая погрешность. Однако при уменьшении полосы пропускания группового тракта и уменьшении длительности защитной паузы между информационными импульсами соседних каналов переходные процессы от импульсов предыдущих каналов накладываются на импульсы последующих каналов.

При обработке разделенных канальных сигналов (восстановлении непрерывных сигналов) это наложение проявляется как помеха от действия на обрабатываемый сигнал с сигнала предыдущих каналов. Обычно принимают во внимание действие на к-й канал только предыдущего (к-1)-го канала, пренебрегая действием остальных (к-2) каналов.

Максимальное абсолютное значение погрешности от междуканального влияния будет в случае, когда по (к-1)-му каналу передается сигнал с нулевой амплитудой.

, (20)

где  - постоянная времени апериодического звена, связанная с полосой пропускания F_В соотношением

 (21)

Задний фронт импульса (к-1)-го канала после разделения канальных импульсов будет воспринят устройством обработки к0го канала как информационный импульс, хотя на самом деле сигнал к0го канала имеет нулевую амплитуду.

Если устройство обработки к-го канала представляет собой интерполирующее устройство, то сигнал помехи на выходе этого устройства будет иметь амплитуду .

Оценить погрешность от междуканальных помех I рода, при интерполяционном способе восстановления непрерывных сигналов по дискретным отсчетам, можно следующим образом:

 (22)

Из выражения (22) можно определить относительную приведенную погрешность:

 (23)

,

Переходные искажения II рода

Если одна из составляющих спектра модулирующего сигнала одного из каналов имеет частоту F₁, на которой коэффициент передачи группового тракта  меньше номинального значения К₀, то амплитуда этой составляющей на выходе группового тракта уменьшается в  раз. Фаза этой составляющей изменяется на угол  из-за нелинейности фазовой характеристики группового тракта. Эти изменения в процессе передачи составляющей с частотой F₁ и амплитудой .

Значение  определяется соотношением:

, (23)

где U_F1 - амплитуда неискаженной составляющей на частоте F₁.

 (24)

Пусть К₀=1, =0, то модуль коэффициента передачи линии связи на частоте  можно определить из выражения:

 (25)

При восстановлении сигналов интерполяционным способом относительная приведенная погрешность от действия переходных искажений II рода равна:

 (26)

Для оценки нижней границы погрешности от действия переходных искажений II рода получим:.

Суммарная погрешность системы рассчитывается по следующей формуле:

, (30)

Подставляя полученные ранее значения, получим:

 (31)

Согласно техническому заданию, суммарная погрешность системы составляет 0,015. Полученное значение не превышает указанное в задании.

5. Функциональная схема системы с временным разделением каналов (ВРК)

Функциональная схема 8-канальной системы для измерения параметров, характеризующих состояние здоровья пациента представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Функциональная схема системы с временным разделением каналов

Генератор тактовых импульсов формирует импульсы, которые переключают счетчик 1. Емкость счетчика равна отношению длительности канального интервала к периоду следования тактовых импульсов. Выходные разрядные сигналы счетчика 1 используются для формирования строба, обеспечивающую деление канального интервала на защитную паузу и информационный импульс. Сигналы с выхода «перенос» счетчика 1 переключают счетчик каналов. Выходные разрядные сигналы счетчика каналов поступают на выходы дешифратора, на выходах которого поочередно во времени формируются сигналы управления ключами К1…К9. На выходные ключи подают сигналы с датчиков и сигнал кадровой сигнализации.

Сигналы канальной сигнализации, выделяемые селектором канальных импульсов С, поступают на счетный ход счетчика каналов на приемной стороне в то же состояние, в котором находится счетчик каналов на передающей стороне в момент формирования синхроимпульса. Благодаря сигналу кадровой синхронизации обеспечивается работа счетчиков каналов передающей и приемной сторон телеметрической системы.

Селектор синхроимпульса ССИ выделяет сигнал кадровой синхронизации (синхроимпульс), который устанавливает счетчик каналов на приемной стороне в то же состояние, в котором находится счетчик каналов на передающей стороне в момент формирования синхроимпульса. Благодаря сигналу кадровой синхронизации, обеспечивается синфазная работа передающей и приемной сторон телеметрической системы.

6. Минимизация загрузки группового тракта системы

·  Рассчитаем относительные периоды опроса

Рассчитанная ранее информативность - является минимальной из допустимых, поэтому для расчетов возьмем .

 (32)

·  Определим относительную длительность кадра как наименьшее общее кратное всех относительных периодов опроса

Θ=[ Θ₁,Θ_2, Θ_3, Θ₄],

Θ= 800.

·  Определим число n 12осн основных подмножеств М1, запрещающих позиции в кадре опроса всех датчиков для подмножеств М2

где d₁₂ - наибольший общий делитель относительных периодов Θ₃ и Θ_2.

·  Определим число запрещенных для сигналов опроса с периодом Θ₂ позиций в кадре, образуемых сигналами с периодом Θ₁

,

где d12-наименьший общий делитель относительных периодов (33)

·  Определим число реализуемых сигналов опроса с периодом Θ₂

 (34)

Сравним реализуемое число сигналов опроса с необходимым по заданию n_2реал>N₂

·  Определим число запрещенных для сигналов опроса с периодом Θ₃ позиций в кадре, образуемых сигналами с периодом Θ₁ и Θ₂

 (35)

 (36)

 (37)

·  Определим число реализуемых сигналов опроса с периодом Θ

 (38)

·  Определим число запрещенных для сигналов опроса с периодом Θ₄ позиций в кадре, образуемых сигналами с периодом Θ₁,Θ₂ и Θ₃

 (39)

·  Определим число реализуемых сигналов опроса с периодом Θ

 (40)

Сравним реализуемое число сигналов опроса с необходимым по заданию n_4реал>N_4.

·  Определим реальные периоды опроса каждой группы каналов

 (41)

Теперь составим кадр опроса всех каналов: сигналы опроса с периодом Θ₁ разместим на соответствующих позициях, номера которых образуют подмножества М₁, причем первые члены подмножеств отличаются на d₁₂, сигналы опроса с периодом Θ₂ разместим на оставшихся свободных позициях таким образом, чтобы номера этих позиций образовывали подмножества М₂, сигналы опроса с периодом Θ₃ разместить на оставшихся свободных позициях таким образом, чтобы номера этих позиций образовывали подмножества М_3, сигналы опроса с периодом Θ₄ разместить на оставшихся свободных позициях.

Заключение

В данной курсовой работе была разработана телеметрическая система для измерения параметров, характеризующих состояние здоровья пациента. Данная система производит регистрацию 3 каналов ЭЭГ, температуры, частоты дыхания, частоты пульса, кожно-гальвонической реакции и электроплетизмограммы.

В ходе работы разработана функциональная схема телеметрической системы, а также была обеспечена минимальная загрузка группового тракта системы.

Произведен информационный расчет системы и расчет суммарной погрешности, которая составляет 1,3%, что вполне удовлетворяет заданию.

Список использованных источников

1. Михеев А.А. Биотелеметрия: Методические указания к курсовому проектированию. Рязань: РГРТА, 2000. - 32с.

. Борисов Ю.П., Пенин П.И. Основы многоканальной передачи информации. М.: Связь, 1967. - 435с.

.Михеев А.А. Биотелеметрия: Методические указания к лабораторным работам. Рязань: РГРТА, 1999. - 44с.

.Бакалов В.П. Основы биотелеметрии. - М.: Радио и связь, 2001. - 352с.

.Тепляков И.М. Радиотелеметрия. М.: Сов. радио, 1966. - 311с