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
