5.61M

Category:

electronics

Вводная лекция. Этапы проектирования. Техническое задание. Лекция 1

1.

МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«Национальный исследовательский университет
«Московский институт электронной техники»
Институт биомедицинских систем
Дисциплина: «Проектирование медицинских электронных устройств»
Семестр 1. Схемотехника
Лекция 1. Вводная лекция.
Этапы проектирования. Техническое задание
Литинская Евгения Львовна

2.

План лекции
1. Цели и задачи курса
2. Что такое медицинское электронное устройство
3. Этапы проектирования и реализации продукта
4. Техническое задание
5. Анализ технического задания
Для углублённого изучения:
П.Хоровиц, У.Хилл «Искусство схемотехники»
К. Том. Хейс, П.Хоровиц. Искусство схемотехники. Теория и практика.
У.Титц, К.Шенк «Полупроводниковая схемотехника», том 1,2.
Наглядные симуляции многих схем:
http://www.falstad.com/circuit/e-index.html
2

3. Цель и задачи курса

Цель дисциплины: познакомить студентов с основными шагами проектирования электронных устройств,
включая разработку аппаратной и программной составляющей, на примере электронных устройств
медицинского назначения.
Задачи:
– познакомиться с основами проектирования и разработки электронных устройств;
– получить представление об этапах проектирования устройства и реализации продукта;
– изучить основные электронные компоненты;
– изучить базовые схемы, применяемые при проектировании устройств;
– получить навыки формирования требований к проектируемому устройству;
– получить навыки разработки электрической схемы устройства;
– изучить устройство микроконтроллера и его основных периферийных модулей;
– получить навыки программирования микроконтроллеров;
– получить навыки разработки блок-схемы алгоритма устройства и его программной реализации;
– изучить структуру программной документации и получить навыки её разработки.
3

4. Преподаватели

Литинская
Евгения Львовна
Жило
Никита Максимович
к.т.н.
к.т.н.
доцент БМС, МИЭТ
ассистент БМС, МИЭТ
ассистент БМС, МИЭТ
(ведёт лекции и семинары,
консультирует по БДЗ)
(ведёт лабы во II семестре,
злобно БДЗ во всех семестрах)
(ведёт семинары, лабы во II семестре,
норм. принимает БДЗ во всех семестрах)
Почта: litinskaia.bms@yandex.ru
Почта: nikitazhilo@gmail.com
Почта: nikita.kiryutochkin@mail.ru
ВК: https://vk.com/id24393434
Кирюточкин
Никита Сергеевич
ВК: https://vk.com/nikiryu
4

5. Биотехническая система

Медицинские электронные устройства: исполнительные устройства, датчики обратной связи,
интерфейсы как отдельные электронные модули (не ПО)

6. Этапы разработки устройства

Анализ ТЗ
Идея устройства
• Цели и задачи
• Литературный обзор
• Формализация метода
• Изготовление
деталей корпуса
Техническое
задание (ТЗ)
Структурная
схема
• Топология печатной платы
• Изготовление
• Монтаж
Выбор
элементной базы
Конструкторская документация (КД):
электрическая схема
чертёж деталей корпуса (3D-модель)
чертёж механических деталей
Разработка
программного
обеспечения (ПО)
• Изготовление мех.
деталей
Готовый макет
Тестирование
Моделирование
схем. решений
Программная
документация
(ПД)
Корпусирование
Отладка ПО
Не будем делать
Будем делать
Затронем

7. Цикл реализации продукта

8. Цикл реализации продукта

НИР
1. Эскизный / макетный (Э)
ПЗ + эскизы
Макет – реализует идеи, технические решения, функционал
8

9. Цикл реализации продукта

10. Цикл реализации продукта

НИР
1. Эскизный / макетный (Э)
ПЗ + эскизы
Макет – реализует идеи, технические решения, функционал
НИОКР
2. Технический /экспериментальные образцы (Т)
ПЗ + схемы, чертежи
ЭО – +масса, габариты, базовая эргономика
ОКР3. Рабочий / опытный образец, прототип (О)
Полный комплект
ОО – +эргономика, материалы, ЭД, ТД
10

11. Цикл реализации продукта

НИР
1. Эскизный / макетный (Э)
ПЗ + эскизы
Макет – реализует идеи, технические решения, функционал
НИОКР
2. Технический /экспериментальные образцы (Т)
ПЗ + схемы, чертежи
ЭО – +масса, габариты, базовая эргономика
ОКР
3. Рабочий / опытный образец, прототип (О)
Полный комплект
ОО – +эргономика, материалы, ЭД, ТД
ОП 4. Опытная партия (О1..)
Полный комплект
… ∞ пока не будет зарегистрирован РЗН
11

12.

Техническое задание
Техническое задание (на разработку и изготовление электронного устройства, ТЗ)
– это документ, содержащий требования заказчика к техническим характеристикам и функционалу устройства, составу
сопутствующей технической документации, определяющий условия и порядок выполнения, контроля и приёмки работ
по разработке и изготовлению электронного устройства (или комплекта устройств).
Основные разделы ТЗ:
1. Общие сведения
(цель работы, назначение, область применения, состав устройства)
2. Технические требования
3. Состав и содержание работ
(содержание работ, перечень документации «по ГОСТ…»)
4. Порядок сдачи и приёмки результатов разработки
(Согласно Плану-графику)
Технические требования:
требования к параметрам и техническим характеристикам
(масса, габариты, параметры и технические характеристики основных
электронных компонентов);
требования к функционированию
(что оно должно делать, требования к разрабатываемому ПО).
12

13.

Анализ технического задания
– представляет собой разбор основных технических требований к разрабатываемому устройству с
целью определения его структуры, функциональных блоков, принципов взаимосвязи между ними и
подходящих комплектующих.
«Исходя из п.2.Х.Y следует, что ….»
«Согласно п. 2.Х.Y необходимо…»
13

14.

Анализ технического задания
Выбор элементной базы
АЦП
Производитель
Напряжение
питания
Количество
каналов
AD7738
Analog Devices
AS – 5В
DS – 3В или 5В
AD7689
Analog Devices
AD7888
Analog Devices
2.3В – 5В
2.7В – 5В
8
8
8
Скорость
2700 us – 65 us
250 квыборок/с (4us)
125 квыборок/с (8us)
Разрешение
21 бит – 18 бит
ИОН
Внешний 2,5В
или 5В
SPI
16 бит
Внешний или
внутренний 2,5В или
VDD
SPI
12 бит
Внешний или
внутренний 2,5В или
VDD
SPI
28
20
16
28-Lead TSSOP
1770 р
20-Lead LFCSP
1653,22 р
16-Lead TSSOP
1558,34 р
Интерфейс
Количество
выводов
Корпус
Цена
14

15.

Анализ технического задания
Структура устройства
Структурная схема
определяет необходимые для работы устройства функциональные блоки, каналы управления и
линии передачи данных
Пример простой структурной схемы
(будем делать посложнее)
Пример структурной схемы аккумуляторной батареи
(будем делать попроще)
15

16. Большое домашнее задание

17.

Индивидуальное задание
Глобальная задача: разработать прототип медицинского электронного устройства (МЭУ)

18.

МЭУ для индивидуального задания
1.
Датчик температуры (аналоговый/цифровой датчик + визуал);
2.
Датчик уровня жидкости (задача референса + измерение наличия напряжения + светодиоды);
3.
Датчик нитратов (задача референса + измерение напряжения + визуал);
4.
Ph-метр (задача референса + измерение напряжения + куча светодиодов);
5.
Блок управления гидравлической системы (насосы, клапаны) – автоматическое задание заданной концентрации раствора;
6.
Драйвер гидравлической системы (насосы, клапаны) – управление по командам оператора с «ПК»;
7.
Дозатор лекарственных препаратов (мотор + концевики + энкодер);
8.
Датчик глюкозы оптический (источник + приёмник + визуал);
9.
Фотоплетизмограф (несколько источников-светодиодов + приёмник + визуал);
10. Блок управления тонометра (насос + клапан регулируемый + датчик давления) – насос накачивает/откачивает воздух,
клапан регулирует скорость откачивания воздуха, датчик измеряет сигнал;
11. Модуль индикации (более сложное меню пользователя + дисплей + клавиатура + протокол обмена данными);
12. Имитатор ЭКГ (задаём частоту с/с и патологию + пищалка + визуал);
13. Медицинский манипулятор лазерный (серва или шаговик с энкодером + энкодер/переменник + лазер) – серва или шаговик
поворачивают влево вправо манипулятор на определённый угол, энкодер или переменник задают направление и угол
поворота, на которые надо поворачивать, по нажатию на кнопку зажигается лазер.

19.

20.

Большое домашнее задание (БДЗ)
Содержание БДЗ:
1) ТЗ на устройство (по шаблону из лекции);
2) Анализ ТЗ (сплошным текстом на страницу А4 13 шрифтом);
3) Структурная схема устройства (или схема деления);
4) Электрическая принципиальная схема;
5) + схемы электрические соединений, подключений (доп. баллы).
Важно
Не пишите в ТЗ конкретику по выбранным запчастям».
Оставьте это для «размышлений на тему» в анализе (пример про индикацию).
Внимательно изучите файл «Структура ТЗ», который будет вам выслан, и в частности раздел рекомендаций.
20

21.

Подробнее про индивидуальные задания
Важно!!
Далее будут представлены рекомендуемые характеристики и функционал МЭУ из индивидуальных заданий
– то, от чего вы должны отталкиваться при продумывании идеи устройства и подготовке ТЗ и его анализа.
Описание – это то, как видит устройство заказчик (то есть преподаватель).
Требования – это то необходимое и достаточное количество функционала, которое обязательно должно быть
реализовано в устройстве (делая больше учитывайте нарастающую сложность индивидуального задания, ваше
время и уровень понимания дисциплины).
Вопросы – ответы на них позволят вам сделать ТЗ более продуманным (настоятельно рекомендуется задать себе
намного больше вопросов при составлении требований ТЗ).
Вы можете представить себе эти устройства иначе.
Или вообще придумать свое устройство.
В этом случае для начала согласуйте
свою идею с преподавателем!!

22.

1. Датчик температуры
Описание
Погружаемый, контактный или бесконтактный датчик, предназначенный для измерения температуры окружающей
среды с функцией мониторинга.
Требования:
измерение посредством датчика (терморезистор/цифровой датчик/аналоговый датчик);
отображение информации (дисплей/семисегментники);
возможность запуска мониторинга и сохранение измеренных значений в память;
Передача сохранённых данных на внешнее управляющее устройство по запросу.
Вопросы
Какие единицы измерения? Какой диапазон? Какая точность? Как инициируется измерение? Как часто проводится
измерение, если это мониторинг?

23.

2. Датчик уровня жидкости
Описание
Сосуд постепенно наполняется жидкостью. Задача – измерить уровень жидкости в сосуде
посредством N-го количества электродов. На один из них (далее – задающий) подаётся задающий
сигнал, на других он измеряется и соответствует уровню жидкости. Уровень три, например,
означает: что на трёх последовательных электродах снизу есть напряжение.
Требования:
более трёх измерительных электродов (уровень напряжения не важен, только его наличие);
импульсный сигнал на задающем электроде (постоянный ток может привести к более быстрому образованию
ржавчины на электродах);
отображение информации (светодиоды, семисигментники, дисплей – считаю избыточным).
Вопросы
Сколько уровней? Как измерять сигнал? Есть ли индикация ошибок (светодиоды горят не последовательно)?
Есть ли регистрация превышения уровня и к чему оно ведёт?

24.

3,4. Датчик нитратов и PH-метр
Описание
Датчик нитратов – устройство для измерения количества нитратов в продукте (достаточно
нитратов в продукте или нет) либо для определения продукта по количеству нитратов.
Ph-метр – индикатор кислотности исследуемой среды.
Требования:
измерение по двум электродам (один задающий, другой измерительный) или иначе (что найдёте);
ВАЖНА величина регистрируемого сигнала (необходимо измерять напряжение – АЦП);
отображение информации (дисплей или семисегментники или интерфейс на ПК или куча
светодиодов разного цвета для ph-метра).
Вопросы
Какой диапазон измерения? Какая точность? Как инициируется измерение? Как часто проводится
измерение, если это мониторинг? Куда передаются данные?

25.

5,6. Управление гидравлической системой
Описание
Устройство, которое обеспечивает наличие определённого раствора в месте
проведения каких-то лабораторных исследований.
5. Блок управления гидравлической системой – с внешнего устройства задаётся целевая
концентрация раствора, устройство рассчитывает параметры и режимы работы насосами
и клапанами.
6. Драйвер гидравлической системы – параметры работы насосов и клапанов
устанавливается на внешнем устройстве, драйвер по команде с внешнего устройства
включает/выключает насосы и клапаны в заданных режимах.
Требования:
обработка сигналов внешнего модуля управления (целевая концентрация (БУГС) либо
команды для управления насосами/клапаном (ДГС) – как долго качать воду в бак, с какой
скоростью запускать насос для передачи раствора в кювету, когда вкл/выкл клапан);
минимальные требования: два насоса
(мембранный – управляется ШИМ и роликовый – вкл/выкл) и один клапан (вкл/выкл);
индикация работы моторов (светодиоды);
отображение какой-либо информации – НЕ НУЖНО.
Вопросы
Кто управляет и как?
Какой протокол команд?
Какие выбраны насосы/клапаны?
Какое питание?
Какой диапазон скоростей/мощностей
насосов?

26.

7. Дозатор лекарственных препаратов
Описание
Имеется шприц с лекарством.
Задача – выдавливать их него заданное количество
лекарства передвинув толкатель на определённое
расстояние, чтобы тот надавил на поршень шприца.
Требования:
должен быть мотор (и соответственно драйвер мотора);
ВАЖНО мочь остановить мотор, если он куда-то упирается (концевики-кнопки и/или
датчик тока);
обратная связь по перемещению толкателя – измеряем расстояние, на которое
передвинули толкатель вперёд (магнитный энкодер), и когда передвинулись на
заданное расстояние – останавливаем мотор;
отображение информации – НЕ НУЖНО;
связь с внешним устройством управления – задаёт сколько выдавливать.
Вопросы
Какая точность выдавливания?
Какие допустимые размеры шприцов?
Сколько концевиков?
Откуда приходит управление?
Какая защита от поломки в связи с упором?
Есть ли процедура замены резервуара с
лекарством (шприца)?

27.

8. Датчик глюкозы оптический
Описание
Датчик для измерения концентрации глюкозы в крови неинвазивно.
По умолчанию оптический метод (можно выбрать другой): есть лазер – он светит,
есть фотодиод – он измеряет прошедшее или отражённое излучение.
Требования:
нужно задавать разную мощность лазера (ЦАП);
ВАЖНА величина регистрируемого сигнала (необходимо измерять напряжение – АЦП);
отображение информации (дисплей/семисегментники/интерфейс на ПК);
необходима модель расчёта концентрации глюкозы на основе данных с АЦП.
Вопросы:
Какой диапазон измерения? Какая точность? Как инициируется измерение? Как часто проводится измерение, если это
мониторинг? Куда передаются данные? Какая мощность/длина волны лазера?

28.

9. Фотоплетизмограф
Описание
Также основанный на фотометрии, датчик для измерения насыщения крови кислородом (при желании с
возможностью измерения ЧСС).
Есть несколько источников (как правило разной длины волны), которые светят импульсами последовательно, есть
фотодиод – он измеряет отражённое излучение.
Требования:
нужно управлять последовательно несколькими светодиодами в импульсном режиме;
ВАЖНА величина регистрируемого сигнала (необходимо измерять напряжение – АЦП);
отображение информации (дисплей/семисегментники/интерфейс на ПК).
Вопросы
Какая длина волны светодиодов? Возможно ли регулирование интенсивности свечения? Какая точность измерения?
Как инициируется измерение? Как часто проводится измерение, если это мониторинг? Куда передаются данные?

29.

10. Блок управления тонометра
Описание
Измеритель артериального давления и пульса.
УПРОЩЕННЫЙ блок управления обычным тонометром.
Насос накачивает (и затем откачивает) воздух в манжету, регулируемый
клапан меняет скорость откачивания воздуха, датчик давления измеряет
собственно давление (по динамике которого потом определяется верхнее,
нижнее давление и пульс).
Требования:
Вопросы
Как инициируется измерение?
Есть ли возможность продолжительного
мониторинга давления?
Какой диапазон измерения давления, пульса?
Как осуществляется индикация?
насос двунаправленный (работает в режиме вкл/выкл);
клапан регулируемый (управляется ШИМ);
ВАЖНА величина регистрируемого сигнала датчика давления (необходимо
измерять напряжение и сохранять его в течение одного измерения – АЦП);
отображение верхнего, нижнего, пульса (светодиоды/дисплей/интерфейс на ПК).

30.

11. Модуль индикации
Описание
Устройство, для обеспечения управления пользователем каким-то устройством и
индикации каких-нибудь данных о состоянии этого устройства.
Каким устройством? – Любым, лишь было имело много функций и данных для
отображения.
Требования:
меню пользователя (более сложное, многоуровневое);
связь с основным устройством (протокол обмена данными);
активная работа с дисплеем и клавиатурой (± 4 кнопки);
прочие (в зависимости от основного устройства) средства индикации (светодиоды, пищалки, вибромотор и др.).
Вопросы
Каким устройством собственно управляем? Какими функциями устройства управляем (какие команды передаём)?
Если задаём какие-то параметры, то в каком диапазоне и с какой точностью? Какую информацию отображаем на экране
(диапазоны, точность)?

31.

12. Имитатор ЭКГ
Описание
Устройство для ИМИТАЦИИ снятия сигнала ЭКГ (то есть реально не
снимаем) и моделирования различных его форм с последующим
отображением.
Предназначена для обучения студентов-медиков, например.
Требования:
задаём ЧСС (энкодер или переменный резистор или иной способ);
моделируем отклонения от нормы, патологий и т.п. (по возможности);
звуковая индикация сердечного ритма (пищалка, ШИМ – частота регулирует частоту, скважность – громкость);
отображение информации (дисплей или интерфейс на ПК).
Вопросы
Как задаём частоту? Как управлять устройством? В каком диапазоне задаём частоту с/с? Какие патологии моделируем?
Какой диапазон громкости сигнала звуковой индикации? Можно ли регулировать громкость?

32.

13. Медицинский лазерный манипулятор
Описание
Устройство позволяет управлять некоторым подвижным элементом (типа штифта) с лазером на
конце, который крепится к двигателю. Двигатель перемещает (поворачивает) штифт
влево/вправо и/или вверх/вниз (упрощённый вариант – берём только одну ось) на строго
заданное небольшое расстояние. По команде пользователя зажигается лазер (светодиод),
инициируя, например, сварку или разрез ткани (в зависимости от области применения).
Требования (в нашей упрощённой системе):
Вопросы
Какие диапазоны углов, перемещений и прочего
возможны?
Какова точность задания угла?
Какая мощность, длина волны лазера?
Можно регулировать его мощность и как?
Нужна/не нужна внешняя ОС?
сервопривод (встроенная ОС) или шаговый двигатель (внешняя ОС)
поворачивают манипулятор влево/вправо на заданный угол;
для шаговика нужна внешняя обратная связь по углу (энкодер);
задаём угол и направление (энкодер или переменный резистор или кнопки);
команды управления лазером (кнопки или внешний модуль управления);
собственно зажигаем светодиод (вкл/выкл или ЦАП/ШИМ).

English Русский Rules