Реферат: Программно-аппаратная реализация аппаратов электростимуляции

Необходимо разработать интерфейс пользователя, т.е. обеспечить возможность ввода параметров процедуры и получения информации о работе устройства. При этом используется широкий спектр приборов, начиная от кнопок, и заканчивая сенсорными экранами, от светодиодов до ЖК мониторов. Кроме того, необходимо обеспечить связь с персональным компьютером (протоколы RS232, USB, TCP/IP). Это позволяет быстро задавать параметры терапевтических процедур, делает возможным применение терапевтического аппарата в комплексе с другими устройствами, позволяет легко анализировать диагностические данные.

Практически, возможны две концепции построения медицинской аппаратуры: однопроцессорное и мультипроцессорное решение. При сравнении этих вариантов необходимо учитывать следующие параметры: независимые каналы терапевтического воздействия, интерфейс пользователя, связь устройства с ПК, внутренняя память устройства.

Рисунок 9. – Однопроцессорная терапевтическая система

При разработке однопроцессорной системы (рис.9) необходимо корректно выбрать процессор. Высокопроизводительные процессоры являются дорогостоящими. Системы со слабыми процессорами сложно модифицировать. Кроме того, есть риск, что эти процессоры снимут с производства. Выбранный интерфейс связи с персональным компьютером (ПК) должен быть аппаратно реализован в процессоре. Это экономит процессорное время для решения более важных задач. Определив требования к системе, необходимо продумать структуру программного обеспечения (ПО). Разработчиксталкивается с проблемой задержек в работе процессора (при отсчете временных интервалов и обработке прерываний, при одновременной работе двух таймеров для одного независимого канала, один для отсчета длительности импульса и второй для отсчета полуволны). Кроме того, при реализации связи с ПК, необходимо исключить возможность переполнения буфера. Дополнительные проблемы возникают при необходимости расширении возможностей системы (например, вместо трех, необходимо четыре канала). При увеличении количества задач, возникает необходимость в многозадачной операционной системе. Программа может быть разбита на более понятные, независимые задачи, и может быть легко дополнена дополнительными заданиями. Однако при этом требования к производительности процессора возрастают на два порядка. Кроме того, такая система не может работать в режиме реального времени, что необходимо для генерации терапевтических сигналов. Для устранения этих проблем, необходимо использовать операционную систему реального времени, а так же подходящий процессор.

Идея мультипроцессорной системы (рис.10) заключается в распределении задач между несколькими микропроцессорами или микроконтроллерами. Небольшие (низкопроизводительные и дешевые) процессоры выполняют задачи реального времени, такие как генерация терапевтических сигналов, прием и обработки диагностической информации. Центральный процессор используется для реализации интерфейса пользователя и связи с ПК, для задания начальных условий работы и обработки поступающих данных. Так как задачи реального времени решаются другими устройствами, центральный процессор может быть гораздо менее мощным, по сравнению с однопроцессорными решениями и не требует операционной системы реального времени. Важным этапом при создании мультипроцессорных систем является разработка шины данных. Необходимо разработать структуру подобную шинам SPI или I² C с возможностью передачи данных от ведущего к ведомому и наоборот. Обычно центральный процессор контролирует процесс передачи данных. Иногда возникает необходимость в дополнительном контроллере передачи данных. В таком случае необходимо использовать шины с возможностью работы нескольких ведущих (подобно I² C). Аппаратная поддержка шины может сэкономить время на разработку программы и процессорное время.

Рисунок 10 – Многопроцессорная терапевтическая система

Таким образом, при создании систем обоих типов, могут возникнуть трудности. При однопроцессорном варианте необходимо разработать операционную систему, работающую в режиме реального времени. Системы являются более надежными, однако расширение такой системы может быть ограничено аппаратными мощностями процессора. Для мультипроцессорной системы в свою очередь возникают проблемы с взаимодействием центрального и периферических процессоров. Необходимо устранять ошибки передачи данных, разработать шину передачи, выбрать и реализовать протокол обмена. Однако разработать такую систему обычно проще. Дополнительный терапевтический или диагностический канал может быть реализован простым добавлением к шине еще одного процессора. Если рассматривать безопасность пациента, можно отметить что в случае сбоя в однопроцессорной системе, стимуляция прекращается по всем каналам. Это хорошо, например, для систем электростимуляции периферической мускулатуры, однако, в случае кардиостимуляции или электростимуляции дыхания это может привести к смерти пациента. В случае сбоя одного из процессоров многопроцессорной системы, выходит из строя только один канал.

ЛИТЕРАТУРА