Микропроцессорные средства и системы 1987 №3 1986 г.

Семенов П. А.г Федоров С. Н., Миронова Э. М., Егорова Э. В. - микрокомпьютерная система на базе МПК БИС КР580 для автоматической обработки биосигналов глаза.


П. А. Семенов, С. Н. Федоров, Э. М. Миронова, Э. В. Егорова

микрокомпьютерная система на базе
мпк бис кр580 для автоматической
обработки биосигналов глаза

Микрокомпьютерная система пред-
назначена для полностью автомати-
ческой обработки электроокулографи-
ческих биосигналов глаза [1], ис-
пользуемых в офтальмологии для ди-
агностики ранних стадий заболева-
ний сетчатки глаза. По сравнению с
лучшими зарубежными образцами
[2], систему отличает: полная авто-
матизация процесса обработки био-
сигналов (это позволяет в 8 раз под-
нять производительность этой мето-
дики); высокая достоверность резуль-
татов и их «устойчивость» к наличию
помех благодаря методам цифровой
фильтрации, оптимальной фильтра-

ции, обнаружению и распознаванию
информативной компоненты биосиг-
налов в режиме реального времени
по двум каналам; возможность связи
с внешним компьютером информаци-
онной диагностической системы; прос-
тота и удобство в эксплуатации и
обучении благодаря развитым сер-
висным функциям и графическому
программному обеспечению.

Пример. Выборка биосигнала,
регистрируемого от пациента (рис. 1).
Основные компоненты биосигнала:
узкополосная стационарная когерент-
ная помеха высокой амплитуды; не-
стационарные помехи, вызванные мор-

ганием, вращением головой и дрей-
фом глаза; ложный биосигнал; ин-
формативный биосигнал. Именно
наличие в регистрируемом сигнале
нестационарных помех и ложной ком-
поненты не позволяло полностью ав-
томатизировать электроокулографиче-
ские обследования с помощью суще-
ствующей аппаратуры зарубежных
фирм, которая по своей сути — это
лишь автоматические регистраторы
при сохранении оператора в качест-
ве «селектора и распознавателя» ин-
формативной компоненты.

Полная автоматизация об-
работки электроокулографических сиг-
налов возможна с помощью методов
цифровой оптимальной фильтрации,
обнаружения и распознавания обра-
зов при условии их реализации в ре-
жиме реального времени. Это обес-
печивается только применением мик-
ропроцессоров (МП). Малая величи-
на верхней граничной частоты сигна-
ла позволяет использовать МПК
БИС КР580.

Основа структурной схемы микро-
компьютерной электроокулогр'афиче-
ской системы (рис. 2) — одноплат-
ный микрокомпьютер на базе МП
(CPU) КР580ИК80А. Микрокомпью-
тер служит для управления процес-
сами измерений, цифровой обработ-
ки биосигналов глаза и отображения
результатов и имеет развитую сеть
ввода-вывода, определяемую особен-
ностями автоматизации методики об-
следования.

Контроллер клавиатуры и индика-
ции (KDC) КР580ВГ79 выводит на
7-сегментные индикаторы результаты
измерений и системные сообщения,
отражающие текущее состояние циф-
ровой обработки биосигналов и вы-
явленные при этом ошибки, сканиру-
ет основную клавиатуру системы (см.
цв. фото на вкладке) и клавиатуру
кодера, служащего для ввода кода
пациента с целью идентификации пе-
ресылаемых сообщений во внешний
компьютер. При записи кода нажа-
той клавиши во внутренний стек
KDC формирует сигнал KEYB запро-
са прерываний. Интегральный кон-
троллер КР580ВГ79 позволил реали-
зовать автономную динамическую ин-
дикацию из внутреннего буфера

Рис. 2. Структурная схема микрокомпьютерной системы
G _ генератор; CPU — микропроцессор; RAM — оперативная память; PROM — программируемая постоянная память; Р 1С — контрол-
лер прерываний- KDC — контроллер клавиатуры и дисплея; USART — последовательный приемопередатчик; Ть Т2 — программируе-
мые таймеры- РР1-1,2 — параллельные интерфейсы; KDU — блок клавиатуры и индикации; KEYB — клавиатура; DU — индикато-
ры; DC1, DC2 — дешифраторы; !> F — формирователи; DAC-X, DAC-Y — цифро-аналоговые преобразователи напряжений Ux и UY;
CAL — калибратор; IMUX — входные мультиплексоры; DA — дифференциальные усилители; LBF-1, -2 — фильтры нижних час-
тот; А — усилитель; CHMUX — канальный мультиплексор: SHC — схема выборки — хранения; ADC — аналого-цифровой преобра-
зователь; т — одновибратор; SCAN — счетчик сканирования каналов; ADU — аналого-цифровой блок

Рис. 2. Структурная схема микрокомпьютерной системы
G _ генератор; CPU — микропроцессор; RAM — оперативная память; PROM — программируемая постоянная память; Р 1С — контрол-
лер прерываний- KDC — контроллер клавиатуры и дисплея; USART — последовательный приемопередатчик; Ть Т2 — программируе-
мые таймеры- РР1-1,2 — параллельные интерфейсы; KDU — блок клавиатуры и индикации; KEYB — клавиатура; DU — индикато-
ры; DC1, DC2 — дешифраторы; !> F — формирователи; DAC-X, DAC-Y — цифро-аналоговые преобразователи напряжений Ux и UY;
CAL — калибратор; IMUX — входные мультиплексоры; DA — дифференциальные усилители; LBF-1, -2 — фильтры нижних час-
тот; А — усилитель; CHMUX — канальный мультиплексор: SHC — схема выборки — хранения; ADC — аналого-цифровой преобра-
зователь; т — одновибратор; SCAN — счетчик сканирования каналов; ADU — аналого-цифровой блок

(16 байт), загружать, начиная с лю-
бой матрицы в любом направлении
цифровую и алфавитную информа-
цию, автоматически подавлять дре-
безг клавиатуры, разделять и от-
дельно кодировать клавиши при их
одновременном нажатии. Это значи-
тельно разгружает процессор, упро-
щает ПО и аппаратную реализацию.

Последовательный универсаль-
ный приемопередатчик (USART)
КР580ВВ51 связывает микрокомпью-
тер с внешним компьютером через
дуплексный канал RS-232C. Внешний
компьютер может принимать код па-
циента и результаты измерений, а
также передавать в микрокомпью-
терную систему условия проведения
обследования. Скорость асинхронной
передачи по каналу RS-232C про-
граммируется таймером (Т1#1)
КР580ВИ53 и устанавливается при
включении системы в соответствии с
состоянием кодера SCF^s.232C на
задней панели прибора,

Таймеры (Т1#0 и Т1#2) задают
период стимуляции STIMPER глаза
пациента, приводящей к появлению
биосигнала, и частоту квантования
fq аналогового сигнала.

Таймер Т2 формирует в режиме
одновибратора прерывание по перио-
ду циклов стимуляции CYCLEPER и,
в режиме делителя частоты,— два
аудиосигнала, передаваехмых через
формирователь [> F на динамик и
соответствующих подтверждению об-
работки системой команд с клавиа-
туры («2 кГц) и обнаружения сис-
темных ошибок ( ^600 Гц).

Длительность пачек звуковых сиг-
налов и их период находятся под
программным управлением оператив-
ной задачи DPAUSE и задаются
двумя битами параллельного интер-
фейса PPI-2.

Программируемые периферийные ин-
терфейсы PPI 1 и PPI-2 КР580ИК55
сопрягают микрокомпьютер системы
с цифро-аналоговыми преобразовате-

лями DAC-X, DAC-Y и формировате-
лем сигнала PEN для управления
двухкоординатным самописцем, а так-
же с параллельным интерфейсом циф-
рового графопостроителя, со стиму-
лятором и аналого-цифровым трак-
том ADU.

Программируемый контроллер пре-
рываний (PIC) КР580ВН59 обраба-
тывает запросы прерываний, посту-
пающих из различных устройств сис-
темы, и, в зависимости от их прио-
ритета и установленной маски, фор-
мирует сигнал INTR запроса преры-
ваний в CPU,

Аналого-цифровой измерительный
тракт (ADU) проводит усиление био-
сигналов. их фильтрацию и аналого-
цифровое преобразование для ввода
в микрокомпьютер. Динамический
диапазон биосигнала (2 мкВ...8 мВ)
согласуется со шкалой преобразова-
ния аналого-цифрового преобразова-
теля ADC с помощью входных вы-
сокоимпедансных буферных малошу*

мяших дифференциальных усилите-
лей DA, работающих непосредствен-
но от датчиков биосигнала в виде
посеребренных дисковых электродов,
и промежуточных усилителей А.

Высокочастотное ограничение спек-
тра биосигнала в полосе до 12 Гц
реализуется с помощью двухкаскад-
ного НЧ-фильтра состоящего из
фильтров LBF-1 третьего порядка
структуры Рауха и LBF-2 второго
порядка структуры Саллен-Ки. Для

обоих фильтров выбрана аппрокси-
мация Бесселя—Баттерворта, обеспе-
чивающая оптимальное соотношение
гладкости импульсной характеристи-
ки и крутизны в полосе заграж-
дения.

Двухканальное аналого-цифровое
преобразование реализуют канальный
мультиплексор CHMUX, а также ин-
тегральные схемы выборки-хранения
(SHC) КР1100СК2 и АЦП (ADC)
К1ПЗПВ1. ADC и SHC запускаются

архоя.атически при считывании мик-
рскфйцеесором результата предыду-
щего преобразования из интерфейса
PPI-2. Одновибратор т формирует
сигнал выборки, по окончании кото-
рого запускается ADC и счетчик ска-
нирования каналов SCAN переключа-
ет CHMUX на следующий входной
канал.

Для повышения точности и ста-
бильности результатов, а также для
снижения требований к электронным
компонентам измерительного канала
в системе производится программная
коррекция погрешностей измерений
типа нелинейности, масштаба и сдви-
га нуля передаточной характеристи-
ки. Погрешности нелиней-
ности и масштаба корректи-
руются калибровкой сквозного изме-
рительного тракта несколькими зна-
чениями переменного калибровочно-
го напряжения Ucal с последую-
щей соответствующей нормировкой
результатов измерения биосигнала,
для чего на входе каждого канала
включен входной мультиплексор
IMUX. Тракт калибруется в начале
каждого цикла стимуляции. П о-
грешность сдвига нуля в
связи с переменным характером сиг-
налов на входе CHMUX определяет-
ся только каналом CHMUX-SHC-
ADC. Она может быть скорректиро-
вана программным вычитанием ре-
зультата преобразования нуля на
входе CHMUX из результатов преоб-
разования Ul и Ur в каждом цик-
ле квантования с частотой fq.

Программное обеспечение микро-
компьютерной системы — это много-
режимная фоново-оперативная систе-
ма реального времени, обеспечиваю-
щая оптимальное управление прибо-
ром благодаря временному распарал-
леливанию операций ввода-вывода г
функций контроля. Система распола-
гается в Г1ПЗУ (14К байт на семи
микросхемах К573РФ5) и использу-
ет для работы ОЗУ (1К байт на
двух микросхемах КР541РУ2А).

Многорежимная фоновая задача
включает в себя два независимых
монитора READY (рис. 3) и JOB и
выполняет взаимную инициализацию
мониторов READY и JOB, а затем
цифровую обработку, распознавание
и измерение биосигналов (в режиме
JOB), управляет обменом по после-
довательному каналу RS-232C с
внешним компьютером, выводит ре-
зультаты в графической и тексто-
вой форме на двухкоординатиый са-
мописец или графопостроитель, уп-
равляет стимулятором.

Алгоритм цифровой обработки био-
сигналов глаза (рис. 4) — это часть
фоновой задачи JOB и выполняется
при калибровке сквозного измери-
тельного тракта системы и при непо-
средственной обработке биосигналов
глаза. В структуре алгоритма можно
выделить три основных этапа (см.
рис. 3): аналого-цифровое преобра-
зование сигнала и подавление коге-

рентной помехи нерекурсивным циф-
ровым фильтром при установленном
бите подавления; обнаружение коге-
рентной помехи (с помощью цифро-
вой рекурсивной селективной филь-
трации и анализа дисперсии выход-

ной кодовой последовательности филь-
тра); цифровая оптимальная филь-
трация, обнаружение и распознава-
ние информативной компоненты био-
сигнала.

Этапы обнаружения и подавления

когерентной помехи включены в со-
став алгоритма цифровой обработки
биосигналов в соответствии с высо-
кими требованиями к точностным
характеристикам микрокомпьютерной
системы. На этих этапах помеха еди-
ничной амплитуды по шкале кванто-
вания обнаруживается и подавляет-
ся до нуля при постоянстве фазы и
амплитуды помехи в течение одного
периода. При обнаружении помехи
оператору выдается соответствующее
сообщение об ошибке типа DF ини-
циализацией оперативных задач
KEYB и DPAUSE управления KDC,
Наличие помехи в сигнале, как пра-
вило, связано с плохим контактом
датчиков биосигнала с кожей пациен-
та, однако данная система позволяет
получать высокочастотные результа-
ты даже в этом случае,

Биосигнал обрабатывается и изме-
ряется на этапе 3 по адаптивным ал-
горитмам оптимальной цифровой
фильтрации, обнаружения и распо-
знавания. В случае отсутствия ин-
формативной компоненты сигнала хо-
тя бы в одном из каналов форми-
руется системное сообщение об ошиб-
ке типа SCR и инициализируются
оперативные задачи KEYB и DPAUSE
для ее индикации. Адаптивный ха-
рактер алгоритма обработки сигна-
лов позволяет автоматически на-
страивать систему под конкретного
пациента, обеспечить высокую досто-
верность результатов и определить
ряд индивидуальных характеристик
глазодвигательного аппарата.

Управление обменом (по каналу
RS-232C) с внешним компьютером
для запроса параметров обследова-
ния и передачи результатов — одна
из основных функций фоновой зада-
чи. Обмен пнициализируется загруз-
кой сообщения внешнему компьюте-
ру в i-й буфер TRB(i) приоритетной
очереди TRANSQ, постановкой за-
проса в очередь и запуском опера-
тивной задачи HOSTTRANS. Наи-
высший приоритет в очереди имеют
запросы фонового монитора JOB,
требующего внеочередной передачи
для установки параметров обследо-
вания,

Графический монитор GDM [3],
выводящий результаты в графиче-
ской и текстовой формах, также под-
держивается фоновой задачей в ре-
жимах READY и JOB. GDM имеет
два принципиально различных по
структуре, но неразличимых для про-
граммиста раздела, управляющих вы-
водом на цифровой графопостроитель
и двухкоординатный самописец и
переключаемых программно коман-
дой PLOTTER IS. Драйвер самопис-
ца (рис. 3) включает знакогенератор
программы формирования линий раз-
личного типа. Это позволяет фоновой
задаче непосредственно формировать
последовательность кодов для уп-
равления пером и цифро-аналоговы-
ми преобразователями DAC-X и
DAC-Y. В случае применения графо-

построителя со встроенным МП фо-
новая задача формирует и загружа-
ет в кольцевой буфер РСМВ после-
довательность команд в соответствии
со входным языком графопостроите-
ля (например, HP-GL [4]) и ини-
циализирует оперативную задачу
PLOTTER их вывода.

В оперативном режиме могут на-
ходиться следующие задачи (в со-
ответствии с приоритетом): приемник
канала RS-232C HOSTRECY; пере-
датчик канала HOSTTRANS; много-
режимный монитор клавиатуры
KEYB; управление временными ин-
тервалами при индикации и стимуля-
ции DPAUSE/STIMPER; вывод на
графопостроитель PLOTTER; форми-
рование периода стимуляции и паузы
задачи HOSTTRANS (CYCLEPER/
/TPAUSE).

Задача HOSTTRANS (рис, 5) за-
пускается новыми мониторами и
совместно со всегда активной зада-
чей HOSTRECY (рис. 6) инициали-
зирует обмен и передачу данных
между системой и внешним компью-
тером. Возможная большая загрузка
внешнего компьютера делает необхо-
димым анализ его готовности обме-
ном синхронизирующими сообщения-
ми HOSTATTW (из системы в
компьютер) и HOSTRDY (из компью-
тера в систему). При каждой ини-
циализации задачи HOSTTRANS или
при переходе к следующему элемен-
ту очереди TRANSQ, анализируется
обменник состояния COMRDY готов-
ности канала. При отсутствии готов-
ности задача HOSTTRANS перево-
дится в состояние ожидания и ини-
циализируется задача TPAUSE фор-
мирования паузы 10 с, Если в тече-
ние этого времени было принято под-
тверждение готовности компьютера,
то производится установка обменни-
ка COMRDY и реактивизируется за-
дача HOSTTRANS. В противополож-
ном случае — по концу TPAUSE
повторно передается сообщение
HOSTATTN. Окончание приема под-
тверждается компьютером (переда-
чей сообщений АСК). Это дополни-
тельно повышает надежность связи.

При передаче информации из внеш-
него компьютера прием сообщения
конца передачи MSGEND вызывает
установку обменника состояния
MSGRDY, анализируемого фоновым
монитором JOB. При готовности ин-
формация считывается из кольцевого
буфера приемника RB.

Многорежимная оперативная зада-
ча KEYB всегда активна в системе.
Она считывает код нажатой клави-
ши из внутреннего стека и распозна-
ет задаваемую оператором функцию.
При запросе на смену содержимого
индикационного буфера производит-
ся его перезагрузка и инициализация
задачи (DPAUSE) формирования
аудиосигнала для подтверждения от-
работки команды. При нажатии
функциональных клавиш (вывод на
графопостроитель, останов измерений

УДК 612.822.3




СОДЕРЖАНИЕ:


  Оставте Ваш отзыв:

  НИК/ИМЯ
  ПОЧТА (шифруется)
  КОД



Темы: Игры, Программное обеспечение, Пресса, Аппаратное обеспечение, Сеть, Демосцена, Люди, Программирование

Похожие статьи:
Обзор игрушек - Обзор новых игровых программ: СТАЛКЕР
Говорят дети - 8 фенечек...
Смеходром - Анекдоты. Завихрень.

В этот день...   2 июля