Приведём структурную схему устройства, рисунок 2.1.
Рисунок 2.1 – Структурная схема стетоскопа
Чувствительным элементом устройства является микрофон, который преобразует звук в электрический сигнал. С микрофона сигнал поступает на каналы фильтров высокой и низкой частоты. Микроконтроллер измеряет сигналы по обоим каналам при помощи АЦП и передаёт данные измерения на персональный компьютер по USB интерфейсу для дальнейшего анализа или наблюдения осциллограмм в реальном времени.
Для измерения пульса сердца используется компаратор, который выделяет удары сердца, вырабатывая импульсы, которые анализирует микроконтроллер.
Стетоскоп предлагает возможность выбора пользователю выслушивания звуков низкой и высокой частоты по отдельности. Микроконтроллер получает сигнал от блока управления и воздействует на коммутатор, который включает нужный канал.
Для отображения информации, а именно пульса сердца и уровня громкости применяется ЖК индикатор.
Для обеспечения интерфейса передачи данных USB будем использовать стандартную микросхему преобразования USART/ USB.
Исходя из вышеперечисленных решений синтезируем функциональную схему устройства.
Рисунок 2.2 – Функциональная схема стетоскопа
Блок управления представляет собой три кнопки:
- «Громкость выше» - увеличение громкости звука;
- «Громкость ниже» - уменьшение громкости звука;
- «НЧ/ВЧ» - выбор канала выслушивания.
Для выделения частотных каналов звука применяются активные фильтры второго порядка.
Супервизор питания предназначен для пуска микроконтроллера, а также для безопасной его перезагрузки в следствие сбоев электропитания.
Выбор элементной базы
Микроконтроллер
Для управления устройством выбираем микроконтроллер PIC 16 F 877. На рисунке 2.3 приведена схема расположения выводов, на рисунке 2.4 – структурная блок-схема микроконтроллера.
Основные технические характеристики:
- все инструкции исполняются за один такт, кроме инструкций перехода, выполняемых за два такта;
- скорость работы: тактовая частота до 20 МГц; минимальная длительность такта 200 нс;
- FLASH память программ до 8Kб x 14 слов;
- память данных (ОЗУ) до 368 x 8 байт;
- ЭСППЗУ память данных до 256 x 8 байт;
- совместимость распиновки с PIC 16C73/74/76/77;
- механизм прерываний (до 14 внутренних/внешних источников прерываний);
- восьмиуровневый аппаратный стек;
- прямой, косвенный и относительный режимы адресации;
- сброс при включении питания (POR);
- таймер включения (PWRT) и таймер запуска генератора (OSC);
-сторожевой таймер (WDT) с собственным встроенным RC -генератором для повышения надежности работы;
- программируемая защита кода;
- режим экономии энергии (SLEEP);
- выбираемые режимы тактового генератора;
- экономичная, высокоскоростная технология КМОП FLASH /ЭСППЗУ;
- полностью статическая архитектура;
-программирование на плате через последовательный порт с использованием двух выводов;
-для программирования требуется только единственный источник питания 5В;
- отладка на плате с использованием двух выводов;
- доступ процессора на чтение/запись памяти программ;
- широкий диапазон рабочих напряжений питания: от 2,0В до 5,5В;
- сильноточные линии ввода/вывода: 25 мА;
- коммерческий и промышленный температурные диапазоны;
- низкое потребление энергии:
< 2 мА при 5 В, 4 МГц;
20 мкА (типичное значение) при 3 В, 32 кГц;
< 1 мкА (типичное значение) в режиме STANDBY;
Периферия:
- timer 0: 8-разрядный таймер/счетчик с 8-разрядным предварительным делителем;
- timer 1: 16-разрядный таймер/счетчик с предварительным делителем, может вести счет во время спящего режима от внешнего генератора;
- timer 2: 8-разрядный таймер/счетчик с 8-разрядным регистром периода, предварительным и выходным делителем;
- 2 модуля захвата, сравнения, ШИМ:
захват 16-ти разрядов, максимальное разрешение 12,5 нс;
сравнение 16-ти разрядов, максимальное разрешение 200 нс;
- ШИМ с максимальным разрешением 10 разрядов;
- 10-битный многоканальный аналого-цифровой преобразователь;
- синхронный последовательный порт (SSP) с интерфейсами SPI (с Master -режимом) и I2C (с режимами Master/Slave);
-универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик (USART/SCI) с обнаружением 9-разрядного адреса;
- встроенный генератор опорного напряжения;
-параллельный 8-битный Slave -порт (PSP) со внешними сигналами управления RD, WR и CS (только в 40/44-выводных корпусах);
-программируемая схема сброса при падении напряжения питания (BOR).
Рисунок 2.3 – Расположение выводов микроконтроллера PIC 16 F 877[4]
Рисунок 2.4 – Структурная схема микроконтроллера PIC 16 F 877[4]
Таблица 2.1 – Назначение выводов PIC 16 F 877[4]
| №выв. | Обозн. | Назначение |
| MCLR/ Vpp | Вход аппаратного сброса Вход напряжения программирования | |
| 2-7 | RA0-RA7/ AN0/AN5 | Порт ввода/вывода Вход АЦП |
| 8-10 | RЕ0-RЕ2 | Порт ввода/вывода |
| 12,31 | Vss | Общий |
| 11,32 | Vdd | Питание |
| 13,14 | OSC1,2 | Подключение внешнего генератора тактовых импульсов |
| 15-18 23-26 | RC0-RC7 | Порт ввода/вывода |
| 19-22 27-30 | RD0-RD7 | Порт ввода/вывода |
| 33-40 | RB0-RB7 /PGM /PGC /PGD | Порт ввода/вывода Вход напряжения программирования Программирование МК. Синхроимпульс Программирование МК. Линия данных |
Входной блок
На операционных усилителях DA 1- DA 2 собраны активные фильтры с коэффициентом усиления К=24. Такое усиление позволит получить на выходе каналов напряжение в требуемом диапазоне в собственной полосе частот.
С ростом порядка фильтра его фильтрующие свойства улучшаются. На одном ОУ достаточно просто реализуется фильтр второго порядка. Для реализации фильтров нижних частот, высших частот и полосовых фильтров широкое применение нашла схема фильтра второго порядка Саллена-Ки. На рисунке 2.5 приведен ее вариант для ФНЧ. Отрицательная обратная связь, сформированная с помощью делителя напряжения R 8, R 9 обеспечивает коэффициент усиления K=24. Положительная обратная связь обусловлена наличием конденсатора C5. Передаточная функция фильтра имеет вид:
(2.1)
Рисунок 2.5 – Схема ФНЧ второго порядка
В качестве ОУ выбираем микросхему National Semiconductor LMC 6001. На рисунке 2.6 приведена цоколевка микросхемы.
Рисунок 2.6 – Цоколевка LMC 6001[5]
Назначение выводов:
1,5,8. NC – не используются;
2. – IN – инверсный вход;
3. + IN – прямой вход;
4,5. V -, V + - питание;
6. OUT – выход.
Параметры:
- напряжение питания, 4,5…15,5В;
- максимальный входной ток, 10мА;
- коэффициент усиления, 85дБ;
- температурный режим, -65…+1500С.
Расчет схемы существенно упрощается, если с самого начала задать некоторые дополнительные условия. Коэффициент усиления К=24. Тогда, приняв сопротивление резистора R 9=10кОм:
(2.2)
Выбираем R 8 = 240кОм.
Частота среза определяется из формулы:
(2.3)
Для низкочастотного канала частота среза составляет 1кГц.
Расчеты можно упростить, положив R 1 = R 2 = R и С4 = С5 = С. Тогда:
(2.4)
Приняв R 1 = R 2 = R = 10кОм определяем значение ёмкости конденсатора.
Выбираем ёмкости С4 = С5 = С = 1,6мкФ.
Поменяв местами сопротивления и конденсаторы, получим фильтр верхних частот. Его передаточная функция имеет вид:
(2.5)
Коэффициент усиления К=24. Тогда, приняв сопротивление резистора R6=10кОм:
(2.6)
Выбираем R 5 = 240кОм.
Рисунок 2.7 - Активный фильтр верхних частот второго порядка
Частота среза определяется из формулы:
(2.7)
Для высокочастотного канала частота среза составляет 1кГц.
Расчеты можно упростить, положив R 3 = R 4 = R и С2 = С3 = С. Тогда:
(2.8)
Приняв R 3 = R 4 = R = 10кОм определяем значение ёмкости конденсатора.
Выбираем ёмкости С2 = С3 = С = 1,6мкФ.
Для преобразования полученного сигнала в импульс применяем компаратор DA 3. В качестве порогового устройства используется сверхбыстрый компаратор LT 1016.
На рисунке 2.8 приведена цоколевка LT 1016[6].
Рисунок 2.8 – Цоколевка LT 1016[6]
Назначения выводов:
1. + Vs – напряжение питания, положительный вывод
2. + IN – прямой вход компаратора
3. – IN – инверсный вход компаратора
4. – Vs – напряжение питания, отрицательный вывод
5. LATCH – вывод защёлки. При высоком уровне напряжения (логическая «1») напряжение на выходе не изменяется (сохраняется)
6. GND – общий
7. QOUT – прямой выход
8. ~ QOUT – инверсный выход
Параметры микросхемы:
- напряжение питания, однополярное +5В, двухполярное ±5В (макс);
- максимальное входное напряжение 3,5В;
- уровни выходного сигнала: логический «0» - 0,3В; логическая «1» - 4,6В;
- задержка сигнала 10нс.
На выходе каналов активных фильтров напряжение в диапазоне 0,1…2,5В. Для компаратора, минимальное пороговое значение напряжения установим на уровне 1В, согласно осциллограмме 1.2 это достаточный уровень для формирования импульсов по пикам ударов. Выбрав сопротивление резистора R 14=10кОм получим:
R 11+ R 13 = K∙R 14- R 14 (2.9)
R 11+ R 13 = K∙R 14- R 14 = 2,5∙10-10 = 15(кОм)
Выбираем R 13 = 10кОм±5%, R 11 = 10кОм±10%.
На стадии отладки устройства необходимо установить движок резистора R 11 в такое положение, при котором компаратор DA 3 будет безошибочно формировать импульсы биений сердца.
Выходной блок
Для связи с внешними устройствами по USB применяем микросхему FT232RL [7].
На рисунке 2.9 приведена схема расположения выводов микросхемы.
Рисунок 2.9 – Микросхема FT232RL [7]
Назначение выводов:
- TXD,RXD – выводы модуля USART микросхемы;
- Usbdm,Usbdp – выводы USB микросхемы;
- DVcc, GND – питание микросхемы;
- Vccio – уровень напряжения USART;
- 3 V 3 out – внутренний стабилизатор напряжения 3,3В.
Параметры микросхемы:
- напряжение питания +3,3…5В;
- поддержка USART +1,8…5B.
Для индикации информации предназначен ЖК индикатор HG 1 WH 1602 J [8], который состоит из БИС контроллера управления и ЖК-панели. Контроллер управления HD 44780. Модуль выпускается со светодиодной подсветкой.
Контроллер HD 44780 потенциально может управлять 2-мя строками по 40 символов в каждой, при матрице символа 5 х 7 точек.
Символьные жидкокристаллические индикаторы со встроенными контроллерами получили широкое распространение в бытовых приборах благодаря низкому энергопотреблению, удобству и простоте применения. Двустрочные символьные индикаторы на 8, 16 символов в строке являются наиболее дешевыми и достаточно функциональными для реализации многих задач.
Рассмотрим контроллер ЖК-панель WH 1602 J с контроллером HD 44780 (рисунок 2.10).
Рисунок 2.10 -Жидкокристаллический модуль под управлением контроллера HD 44780[8]
Назначение выводов:
VSS - общий;
VDD – питание 5В;
Vo - напряжение контрастности индикатора;
RS - переключение типа данные/инструкции (0 - данные, 1 -инструкции);
R/W - выбор режима запись/чтение, (0 - запись, 1 - чтение);
E - сигнал разрешения чтения/записи;
DB 0- DB 7 - информационные входы/выходы.
Вход/выход DB 7 используется для проверки состояния флага шины(BF).
Если BF = 1 - выполняется предыдущая инструкция, BF = 0 - контроллер может принимать следующую инструкцию. Чтение BF выполняется при RS = 0, R/W = 1.
Первым этапом работы с HD 44780 является инициализация.
Вывод на экран символа производится записью его кода в регистр DR. При этом символ размещается в DDRAM по текущему адресу, указываемому АС, а значение АС увеличивается или уменьшается на 1. Чтобы произвести переустановку курсора на нужную позицию, необходимо присвоить АС соответствующее значение.
Выбираем двустрочный символьный индикатор по 8 символов.
На рисунке 2.11 приведена схема узла подключения наушников.
Рисунок 2.11 - Схема узла подключения наушников
Микросхема DD 2 – цифровой потенциометр, играет роль регулятора громкости звука. Применяем цифровой резистор DS 1805-100[9].
Микросхема представляет собой резистор, управляемый цифровым кодом. Его сопротивление изменяется 256 шагами по линейной шкале. В состав микросхемы входит последовательный интерфейс I2С, через который можно производить установку сопротивлений резистора. На рисунке 2.12 показана внутренняя структура микросхемы DS 1805. Напряжение питания микросхемы от 2,7 до 5,5 В (предельно допустимое 6 В).
Рисунок 2.12 – Структурная схема DS 1805[9]
Рисунок 2.13 – Цоколевка DS 1805[9]
Назначение выводов:
- A 0- А 2 – адрес микросхемы;
- SDA – линия данных I2C;
SCL – синхролиния I2C;
Vcc – питание;
GND – общий;
H 1 – выход резистора;
L 1 – выход резистора;
W 1 – внешняя счётка;
Параметры микросхемы:
- напряжение питания 2,7…5,5В;
- максимальное значение сопротивления DDRmax =10кОм;
- минимальное значение напряжения DDRmin =39,625Ом;
- количество ступеней 256 (39,625Ом на ступень).
На схеме, рисунок 2.11, входное напряжение от источника аудиосигнала подаётся через конденсатор С6, устраняющий постоянную составляющую на регулятор громкости DD 2.
Гнездо для подключения наушников XS 1 включено через развязывающий конденсатор С8. Конденсатор С7 является фильтрующим.
В качестве усилителя звукового сигнала применяем микросхему DA 6 LM 386[10].
Основные технические характеристики микросхемы LM 386:
- выходная мощность, Pвых = 250…500 мВт,
- сопротивление нагрузки, R н = 8 Ом,
- коэффициент усиления, Ku = 26…46 дБ,
- полоса частот, B = 20 Гц...60 кГц,
- входное сопротивление, R вх = 50 кОм,
- коэффициент гармоник, Kг = 0,2%,
- напряжение питания, U п = 4…12 В,
- ток покоя, I o=4 мА.
Выводы микросхемы 1 и 8 соответственно предназначены для установки требуемого коэффициента усиления, который может варьироваться в диапазоне от 20 до 200. При отсутствии резистора нагрузки между выводами, коэффициент усиления минимален, К=20.
Для переключения источников сигнала (НЧ/ВЧ) используем интегральный ключ DA 5 – ADG 419.
Рисунок 2.14 – Структурная схема и цоколевка аналогового ключа ADG419[10]
Технические параметры:
- уровень логической единицы >2,4В;
- уровень логического нуля <0,8;
- напряжение питания 0,3…24В;
- ток коммутации 10А.
Назначения выводов:
1. D – ключ, общий вывод
2. S 1 – ключ, прямой вывод
3. GND – Общий
4. VDD – питание.
5. VL – опорное напряжение логической «1»
6. IN – управляющий вход
7. Vss – уровень логического «0»
8. S 2 – ключ, инверсный вывод
В качестве супервизора электропитания DA 4 выбираем микросхему MCP 100-475. МСР 100/101 - супервизоры питания фирмы Microchip с двухтактным включением транзисторов на выходе. В МСР 100 сброс осуществляется низким уровнем напряжения, а в МСР 101 - высоким. Данные серии супервизоров имеют 7 номинальных точек переключения. Технические характеристики супервизора представлены в табл. 2.2.
Таблица 2.2 - Технические характеристики супервизора MCP 100-475[11]
| Параметр | Об. | Мин. | Тип | Макс | Условие |
| Диапазон питающих напряжений, В | VDD | 5,5 | |||
| Потребляемый ток, мкА | Icc | VDD = 5,5 В | |||
| Напряжение переключения, В | VTRIP | 4,50 | 4,625 | 4,75 | |
| Низкий уровень выходного напряжения, В (MCP10Х-Х) | VOL | 0,6 | IOL = 8,5 мА | ||
| Высокий уровень выходного напряжения, В (MCP10Х-Х) | VOH | VDD-0,7 | IOH = 3 мА | ||
| Пороговый гистерезис, мВ | VHYS | ||||
| Время выхода из состояния сброса, мс | tRPU | ||||
| Время обнаружения пропадания питающего напряжения, мкс | tRPD | ||||
| Диапазон рабочих температур, ºС | TA | -40 | +85 |
Для непосредственного детектирования звука применяем сверхчувствительный микрофон электретный ECM-30A, 5 В, 10 мм.
Технические параметры:
- тип микрофона, электретный;
- рабочее напряжение, 1,5…10 В;
- шум, 40дБA;
- диапазон частот, 50…13000 Гц;
- чувствительность, 55 мВ/Па.
Описание работы схемы
На чертеже представлена принципиальная электрическая схема стетоскопа.
Работа устройства основана на анализе электрического сигнала, поступающего с микрофона М1 по двум частотным каналам. Низкочастотный канал построен на операционном усилителе DA 1. Высокочастотный канал представляет собой активный фильтр второго порядке на операционном усилителе DA 2. При помощи АЦП микроконтроллера сигнал измеряется и результаты измерения отправляются по USB интерфейсу, при помощи микросхемы DD 3, на персональный компьютер, где в реальном режиме можно анализировать полученные данные.
Сигнал с низкочастотного канала поступает на компаратор DA 3, который предназначен для формирования импульсов, которые свидетельствуют об ударе сердца. Для определения пульса, микроконтроллер считаем количество импульсов за 15 секунд и умножает результат на 4.
На ЖК индикаторе HG 1 отображаются следующие данные:
- количество ударов сердца в формате ХХ (в первой строке);
- уровень громкости во второй строке, где чистая строка соответствует минимальному уровню звука, полная строка соответствует максимальному уровню звука.
Кнопки SB 1- SB 3 предназначены для управления работой устройства. Кнопки SB 1- SB 2 изменяют громкость выходного звука. Непосредственным регулятором звука является цифровой резистор DD 2, который управляется по I2C интерфейсу микроконтроллером. Диапазон сопротивлений DD 2 разбит на 16 интервалов, при включении устройства (нажатия любой кнопки) микроконтроллер устанавливает среднее значение громкости звука.
Наушники подключаются к разъёму XS 1. Выходной каскад собран на звуковом усилителе DA 6, включенном на минимальное усиление.
Нажатием кнопки SB 3 можно установить частотный канал выходного сигнала. Микроконтроллер DD 1 управляет электронным ключом DA 5, который, в свою очередь, включает канал сигнала, низкочастотный или высокочастотный.