Архитектура микроконтроллера AduC 816

Роль и место микропроцессоров в медико-биологической                          практике

Микропроцессор (МП) играет такую же роль в вычислительной технике, а в частности в медико-биологических исследованиях, как и центральный процессор ЭВМ. Высокая серийность и надежность МП при малых габаритных размерах и низ­кой стоимости аппаратуры, разработанной на их основе, делает возможным их широкое распространение в медицинских приборах и системах.

На основе МП могут быть построены вычислительные и управ­ляющие устройства, позволяющие автоматизировать практически все процессы в медицине:

 - прием больного на учет в поликлинике и выделение места в больнице;

 - ведение истории болезни;

 - обра­ботка данных осмотра и опроса больного;

 - проведение функци­ональной диагностики и клинико-лабораторного анализа; 

-  контроль за состоянием больных и их лечением.

Среди многочисленных применений МП в медицинских прибо­рах и системах можно выделить два основных направления, ока­завшихся наиболее плодотворными.

Первое направление заключается в усовершенствовании меди­цинских диагностических приборов с целью уменьшения объема рутинных операций и упрощения взаимодействия с прибором не­квалифицированного персонала. Для этого в приборах автомати­зируется функции управления, улучшается формы представления выходных данных за счет применения отображения текста и гра­фиков на дисплее прибора, осуществляется контроль корректно­сти ввода данных и обеспечивается самоконтроль неисправностей. Это направление затронуло практически все виды медицинских диагностических приборов.

Второе направление связано с автоматизацией сбора, обработ­XXXи, передачи и анализа биологических сигналов. Автоматический анализ биологических сигналов находит применение в клиничес­кой медицине для функциональной диагностики и автоматизиро­ванного наблюдения за больными, профилактической медицине при профосмотрах и массовых обследованиях населения, авиакосмической и спортивной медицине для контроля состояния человек, находящегося в экстремальных условиях, и т. П.

Большинство медицинских сигналов по своей природе являются непрерывными (аналоговыми). Широкое применение цифровых устройств и компьютеров для обработки медико-биологических сигналов невозможно без применения устройств преобразования аналоговых сигналов в цифровые, то есть без преобразователей биоэлектрических сигналов.

Измерительный преобразователь биоэлектрических сигналов используется для регистрации физиологических параметров пациента и передачи их в ПК для последующей реализации методик лечения по методу биологической обратной связи (БОС) в центрах реабилитации и профилактики, в учебных заведениях. Диапазоны измерения: ЧСС от 20 до 200 1/мин, погрешность 1 1/мин; ЧД от 10 до 120 1/мин, погрешность 1 1/мин; сопротивления кожного покрова от 10 до 500 кОм, погрешность 5%; температуры от 34 до 40⁰С, погрешность 0,1⁰С.

Архитектура микроконтроллера AduC 816

AduC816 является законченным препроцессором интеллектуального датчика (преобразователя), включающим в себя: два сигма-дельта АЦП высокого разрешения, 8-разрядное микропроцессорное устройство управления, встроенную неразрушаемую FLASH/EE память программ/данных. Это малопотребляющее устройство принимает сигналы низкого уровня непосредственно с первичного преобразователя.

Кроме двух независимых АЦП (основного и дополнительного ) в составе имеется датчик температуры и усилитель PGA, что позволяет выполнять прямые измерения сигналов низкого уровня. АЦП с встроенным цифровым фильтром предназначены для измерения низкочастотных сигналов в широком динамическом диапазоне таких, как сигналы с устройств взвешивания, тензометров или сигналы с температурных датчиков. Частота (поток) данных на выходе АЦП программируется, и его выходное разрешение будет меняться в зависимости от установленных усиления и частоты.

Устройство работает с кварцем 32 Кгц, а встроенная система ФАПЧ образует требуемую частоту 12.58 МГц. Эта частота подаётся на программируемый делитель, на выходе которого и образуется рабочая тактовая частота ядра. Ядро представляет собой микроконтроллер 8052, поэтому система команд совместима с набором 8051. машинный цикл ядра состоит из 12 циклов рабочей тактовой частоты. На кристалле содержится 8Кб неразрушаемой FLASH/EE памяти программ, 640 байт FLASH/EE памяти данных и 256 байт оперативной памяти данных с произвольным доступом (RAM).

В составе AduC816 имеются дополнительные аналоговые элементы: 12-разрядный ЦАП, источники тока, монитор источника питания. Встроенная цифровая периферия кристалла включает в себя: сторожевой таймер, счётчик временного интервала, три таймера/счётчика и последовательные порты. Заводское ПЗУ поддерживает режимы последовательной загрузки и отладки (через UART). Устройство работает от источника питания от +3В до +5В.

 Подробная блок-схема AduC816 показана на рис. 1.

Структурная схема

X – измеряемая величина

Y – выходная величина

Блок предварительной обработки  производит усиление, фильтрацию и аналого-цифровое преобразование сигнала. Цифровой сигнал поступает в общую магистраль, связанную с МПС и внеш­ними устройствами. Микропроцессорная система осуществляет обработку цифрового сигнала, сравнение его с пороговыми величинами и отображение результатов обработки посредством периферийных устройств.

Функциональная схема

                                                                                                                          Схема преобразователя, разрабатываемая в данной курсовой работе, носит название 4-проводного подключения. Она включает в себя основной сигма-дельта АЦП, предназначенный для преобразования сигналов первичных датчиков.

Сигма-дельта АЦП являются преобразователями интегрирующего типа. Основным принципом их работы является усреднение результатов измерения на большом интервале времени для уменьшения погрешности, вносимой шумами, и увеличения разрешающей способности.

В составе AduC816 имеются так же два одинаковых источника постоянного тока 200мА. Они оба подают ток с AVDD на вывод #3 (IEXC1) или вывод #4(IEXC2). Источники тока программируемы и их можно сконфигурировать как отдельные токи по 200мкА на оба вывода микросхемы, либо объединить в один ток 400 мкА и подать на любой из выводов. Эти токи можно использовать для возбуждения внешнего резистивного моста либо резистивного датчика температуры.

Основной АЦП имеет четыре связанных с ним входных вывода, обозначаемых как AIN1-AIN4, которые можно сконфигурировать как два полных дифференциальных канала. Схема для выполнения аналогового измерения, в данном случае - интерфейс к термопреобразователю сопротивления (ТС), использует два вывода AIN1 и AIN2. Внешнее дифференциальное опорное напряжение создаётся током, протекающим через резистор R1. Этот же ток протекает непосредственно через ТС, на котором создаётся дифференциальное напряжение, пропорциональное температуре. Это дифференциальное напряжение подаётся непосредственно на положительный и отрицательный входы основного АЦП (AIN1 и AIN2 соответственно). Второй внешний резистор,R2, используется для гарантии того, чтобы абсолютная величина аналогового напряжения на отрицательном входе не стала ниже предельного значения, специфицированного для AduC816, т.е., AGND+100мВ.

Вход канала можно программировать на один из восьми диапазонов входных сигналов от ±20мВ до ±2.56В.

Аналоговые входы AduC816 могут принимать однополярные (униполярные) либо биполярные входные сигналы. Наличие диапазонов для обработки биполярных сигналов не означает подачу на вход отрицательного напряжения относительно системной земли AGND. Однополярные и биполярные сигналы на входе AIN(+) основного АЦП являются таковыми только по отношению к напряжению (относительно) на входе AIN(-). Например, если на входе AIN(-) присутствует напряжение 2.5 В, а АЦП сконфигурирован для работы с однополярным напряжением, в диапазоне 0мВ-+20мВ, то допустимый диапазон напряжений на входе AIN(+) составит 2.5-2.52. Если на входе AIN(-) присутствует напряжение 2.5В, и AduC816 сконфигурирован для работы с напряжением в диапазоне ±1.28В, то допустимый диапазон напряжений на входе AIN(+) составит 1.22-3.78В, т.е. 2.5В±1.28В.

Входной мультиплексор подключает выбранный входной канал к внутреннему буферному усилителю. Буферный усилитель – каскад с высоким входным импедансом. Это означает, что устройство может работать с источниками сигнала значительного импеданса на аналоговом входе и, если потребуется, непосредственно на этом входе может выполняться RC-фильтрация для уменьшения шумов и наводок.

Выход буфера АЦП подаёт на встроенный усилитель с программируемым коэффициентом усиления PGA. Диапазон усиления PGA может быть запрограммирован на восемь поддиапазонов однополярных и биполярных входных сигналов. Диапазон PGA устанавливается с помощью бит выбора диапазона в регистре управления основным АЦП ADC0CON SFR. При установленном бите внешнего источника опорного напряжения и его величине V_REF=2.5В поддиапазонами входного однополярного напряжения будут: 0мВ-+20мВ, 0мВ-+40мВ, 0мВ-+80мВ, 0мВ-+160мВ, 0мВ-+320мВ, 0мВ-+640мВ, 0В-+1.28В, 0В-+2.56В. Поддиапазоны для биполярных сигналов:±20мВ, ±40мВ, ±80мВ, ±160мВ, ±320мВ, ±640мВ, ±1.28В, ±2.56В. Данные поддиапазоны напряжений являются номинальными, которые должны присутствовать на входе PGA.

Сигма-дельта АЦП обычно состоит из двух основных блоков: аналогового модулятора и цифрового фильтра. Сигма-дельта модулятор даёт поток 1-битных данных (со стабилизирующим прерыванием) на цифровой фильтр. Скважность импульсов в потоке несёт информацию о входном преобразуемом напряжении. Фильтр AduC816 представляет собой низкочастотный фильтр с функцией передачи вида SINC3 или (sinx/x)3, основной задачей которого является подавление шумов квантования, порождаемых модулятором. Поток данных (частота преобразования) и полоса фильтра программируются через регистр фильтра SF.

Как отмечалось, АЦП использует схему стабилизации прерыванием, посредством которой АЦП непрерывно реверсирует, т.е. меняет полярность, свои входы. По этой причине обработанные цифровые слова данных на выходе фильтра содержат включённые компоненты положительного и отрицательного смещения.

В результате, в каждом АЦП содержится оконечный суммирующий каскад с тем, чтобы каждое последующее выходное слово с фильтра суммировалось и усреднялось с предыдущим для получения корректного результата, который и будет записан в SFR данных АЦП.

Прежде чем стать результатом преобразования выходное слово с цифрового фильтра предварительно нормируется на калибровочные коэффициенты.

После аналого-цифрового преобразования сигнал сохраняется в энергонезависимой FLASH/EE памяти. Микроконтроллер осуществляет обработку этого сигнала и результат выводит на внутренний 12-битный ЦАП с выходом в виде напряжения. ЦАП имеет на выходе буферный усилитель напряжения с размахом сигнала от –питания-до-питания, способный управлять нагрузкой 10Ком/100пФ.

8Кбайт FLASH/EE памяти программ располагаются в младших 8К байтах из наличных 64К байтов адресуемой памяти программ, и используются для размещения пользовательского кода типовых приложений. Массив памяти программ можно программировать путём последовательной загрузки через стандартный последовательный порт UART. Если загрузка кода производится с PC, то эта возможность реализуется путём подключения к UART AduC816 с использованием ИС согласования уровней с RS-232.

В дополнение к подключению через UART пользователь должен иметь средство установить устройство в режим загрузки. Таким средством является подключённый на землю резистор 1Ком, который можно перемычкой соединять с выводом PSEN/. Для установки AduC816 в режим загрузки, необходимо только замкнуть перемычку и «щёлкнуть» питанием(или, если есть ручной сброс, нажать кнопку ручного сброса) и устройство будет готово принять последовательно новую программу. Если перемычку удалить, то устройство возвратится в режим обычной работы, как только выполнится «щелчок» питанием или подастся сигнал RESET.

Принципиальная схема

Для управления входом RESET AduC816 используется внешняя схема управления по выработке сброса при включении питания (POR – power on reset). Схема должна удерживать контакт RESET в высоком состоянии до тех пор, пока источник питания (DV_DD) имеет напряжение ниже 2.5В. Более того, V_DD должно оставаться выше 2.5В в течение, по крайней мере 10мс, до снятия сигнала RESET, в течение этого времени напряжение источника питания должно установиться на уровне не менее 2.7В. внешняя схема POR должна оставаться работоспособной до напряжения питания 1.2В или менее.

Указанным выше требованиям удовлетворяет специально разработанная для этой цели ИС POR ADM810  с высоким активным уровнем в корпусе SOT-23 от Analog Devices.

Номинальная частота микроконтроллера 8051 – 12.58 МГц. Тактовая частота для AduC816 получается с помощью встроенной системы ФАПЧ, умножающей частоту 32768КГц в 384 раза. Данная частота создаётся внутренним генератором. Для запуска внутреннего генератора необходимо установить кварцевый резонатор 32768КГц между выводами XTAL1 и XTAL2. Для случая типового подключения кристалла уже имеются два внутренних конденсатора по 12 пФ. Вследствие этого во многих случаях дополнительных внешних конденсаторов не требуется.

Возможность загрузки кода с РС реализуется путём подключения к UART AduC816 ИС ADM202.

AV_DD=+2.7B до +3.6B или +4.75В до +5.25 Вж

DV_DD=+2.7В до +3.6В или +4.75В до +5.25В;

REFIN(+)=+2.5B; REFIN(-)=AGND;

AGND=DGND=0B;