Исследование возможности применения акселерометра для управления медицинским прибором с автономным питанием
Возможности применения акселерометра для управления медицинским прибором, анализ существующих для данной цели моделей. Проведение испытаний на исследовательском стенде. Ликвидации влияния ускорения свободного падения. Регистрация одинарного постукивания.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 29.06.2017 |
| Размер файла | 1,2 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
НТЦ «Техноцентр» ЮФУ
Исследование возможности применения акселерометра для управления медицинским прибором с автономным питанием
А.А. Горбунов, В.В. Кириенко
Аннотация
В данной статье рассмотрен вопрос возможности применения акселерометра для управления медицинским прибором. Произведен анализ существующих для данной цели моделей. После чего произведены все необходимые испытания на исследовательском стенде.
Ключевые слова: акселерометр, taping, tap-tap, LIS2DM, ADXL345, MMA8450Q, медицинское оборудование, автономное питание.
Для современных медицинских устройств с автономным питанием применение новых типов управления является актуальной задачей. Помимо управления при помощи сенсорных кнопок, сенсорного экрана, обеспечивающих одновременно и электробезопасность и износостойкость, сегодня стали использовать tap-tap акселерометры, которые фиксируют последовательности легких постукиваний по корпусу устройства. Постукивание (англ. tapping) представляет новый тип интерфейса для мобильных медицинских устройств, который обеспечивают tap-tap акселерометры. Отличительной особенностью данных акселерометров является аппаратная реализация распознавания события одиночного и двойного постукивания по корпусу с заданием его параметров[1, 2], а также генерация прерывания по этому событию. К акселерометрам такого типа относятся MMA8450Q фирмы Freescale Semiconductor, LIS2DM фирмы STMicroelectronics и ADXL345 фирмы Analog Devices [3-5]. Рассмотрим сравнительную таблицу 1 данных акселерометров.
Таблица 1. Сравнительная таблица акселерометров управления
|
Название акселерометра |
MMA8450Q |
LIS2DM |
ADXL345 |
|
|
Напряжение питания, В |
1,71-1,89 |
1,71-3,6 |
2-3,6 |
|
|
Диапазон измерения ускорения |
±2g/±4g/±8g |
±2g/±4g/±8g/±16g |
±2g/±4g/±8g/±16g |
|
|
Количество осей |
3 |
3 |
3 |
|
|
Максимальная частота опроса, Гц |
1563 |
5376 |
3200 |
|
|
Разрядность выходных данных |
12 |
8 |
10 |
|
|
Программируемые прерывания событий click/double-click |
есть |
есть |
есть |
Из сравнительной таблицы видно, что рассмотренные акселерометры являются аналогами для реализации задачи управления мобильным медицинским устройством.
Регистрация событий. Рассмотрим более подробно, как выглядит событие постукивания по корпусу медицинского устройства [3]. На рис.1 представлен график ускорения a(t) в единицах измерения g, при легком ударе пальцем по корпусу мобильного прибора. Видно, что после легкого удара по корпусу происходит высокочастотный всплеск сигнала значительной амплитуды.
Рис.1. Высокочастотный всплеск сигнала при легком ударе по оси Z
Именно при помощи регистрации этих всплесков ускорения, за каждым из которых стоит легкий удар, и осуществляется управление. Встроенная автоматика рассмотренных tap-tap акселерометров MMA8450Q, LIS2DM, ADXL345 позволяет задавать параметры таких всплесков: амплитуда всплеска, время всплеска, задержка после всплеска, окно всплеска [2-5]. Амплитуда всплеска представляет собой границу по абсолютной величине для ускорения. В свою очередь время всплеска, задержка после всплеска, окно всплеска являются границами по времени для сигнала кратковременного всплеска ускорения. Такие параметры, как амплитуда всплеска и время всплеска используются для регистрации события одинарного постукивания [3]. Если сигнал ускорения превысил порог амплитуды всплеска в период, заданный временем всплеска, то событие будет зафиксировано[6-9], как это отражено слева на рис.2 Если в период, заданный временем всплеска, сигнал превысил порог, но так и не стал меньше него, то событие одинарного постукивания не будет зафиксировано, как изображено справа на рис.2.
Рис.2. Регистрация одиночного легкого удара по оси X
Событие двойного постукивания фиксируется несколько сложнее. Если сигнал ускорения превысил порог амплитуды всплеска в период заданный временем всплеска, после чего данное событие повторилось после периода задержки всплеска и новый всплеск укладывается в окно всплеска, то событие будет зафиксировано, как это отражено слева на рис.3. Если будет отклонение по времени или амплитуде первого или второго постукивания, то регистрации события не будет.
акселерометр медицинский стенд постукивание
Рис.3. Регистрация двойного легкого удара
Для проведения экспериментов по изучению управления мобильным медицинским прибором при помощи постукивания был разработан стенд (рис.3). В качестве основы данного стенда был взят акселерометр LIS2DM [1]. Акселерометр LIS2DM несмотря на сравнительно низкую разрядность, является более экономически целесообразным для реализации интерфейса взаимодействия с пользователем, поскольку имеет гораздо меньшую цену в сравнении с MMA8450Q и ADXL345.
Рис.3. Исследовательский стенд для изучения акселерометра LIS2DM
Рассмотрим более подробно состав и взаимодействие элементов стенда. Плата с акселерометром LIS2DM была подключена по интерфейсу SPI к отладочной плате с микроконтроллером STM32L152VBT6 [7-10]. Питание платы с микроконтроллером и опосредовано платы с акселерометром осуществлялось при помощи лабораторного источника питания MASTECH HY3002D-2. Выдача данных в ПК, обработанных микроконтроллером, происходила при помощи преобразователя интерфейсов UART2USB. Программирование и отладка работы встраиваемой программы осуществлялась при помощи аппаратного JTAG-отладчика J-LINK.
Для того чтобы настроить акселерометр на требуемый режим работы и опрашивать сигнал акселерометра с необходимой частотой, была написана встраиваемая программа для микроконтроллера STM32L152VBT6 в среде разработки IAR Embedded Workbench for ARM. Для мониторинга информации отсылаемой микроконтроллером в ПК была написана программа в среде Microsoft Visual Studio 2010.
При помощи рассмотренного стенда после первого тестового удара по плате с акселерометра был получен следующий график сигнала ускорения в квантах (рис.4). Как видно из рисунка сигнал поимо всплеска содержит постоянную составляющую, обусловленную ускорением свободного падения. Это смещение является препятствием при реализации управления. Т.к. в зависимости от положения прибора, это может влиять на порог всплеска и как результат на регистрацию события одинарного постукивания.
Рис.4. Одинарный удар по акселерометру LIS2DM по оси Z и смещение обусловленное ускорением свободного падения
Для ликвидации влияния ускорения свободного падения был использован встроенный в акселерометр ФВЧ фильтр. После его включения в сигнале график принял вид изображенный на рис.5.
Рис.5. Одинарный удар по акселерометру LIS2DM по оси Z и отсутствие смещения
Полученный график был использован для формирования настроек регистрации события одинарного постукивания. Исходя из амплитуды графика, порог всплеска был установлен 20 квантов, а время всплеска 50 мс. Прерывание фиксировалось по выводу INT1 микросхемы. Тестирование показало, что одинарное постукивание не очень подходит для управления т.к. существует большой процент ложных срабатываний.
После реализации регистрации одинарного постукивания было реализовано событие двойного постукивания. Для при помощи стенда был зарегистрирован его график (рис.6). Исходя из амплитуды графика, порог всплеска был установлен также как и для одинарного 20 квантов, а время всплеска 50 мс. Задержка после всплеска была выбрана 100 мс, а окно всплеска 400 мс. Фиксирование прерывания INT1 микросхемы, при данных настройках показало хороший результат. Ложных срабатываний при настройке на двойное постукивание практически не было.
Рис.6. Двойной удар по акселерометру LIS2DM по оси Z
Заключение
Из вышеописанных данных следует, что для портативных медицинского устройств самым целесообразным подходом является использование tap-tap акселерометров только в режиме регистрации двойного постукивания (англ. double tap).
Результаты исследований, изложенные в данной статье, получены при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках реализации госзадания №213.01-11/2014-47 «Разработка систем диагностики состояния биологических и технических объектов с использованием алгоритмов анализа нестационарных сигналов».
Литература
1. Ломакин М.А. Особенности построения модели погрешности МЭМС-датчиков при решении навигационной задачи // Инженерный вестник Дона 2014, №2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2014/2398
2. Леонова А.В., Зиновкин П.К., Болдырев Е.Б. Аппаратно-программный комплекс регистрации нагрузки для функционоальной диагностики //Инженерный вестник Дона 2012, №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p1y2012/1130
3. LIS2DH, LIS2DM - акселерометры со сверхнизким энергопотреблением STMicroelectronics URL: mt-system.ru/news/stmicroelectronics/lis2dh-lis2dm-akselerometry- so-sverhnizkim-jenergopotrebleniem-stmicroelectr
4. 3-осевые микромеханические акселерометры ADXL345 и ADXL346 с микропотреблением и детектором событий URL: terraelectronica.ru/images/notes/EK2010_02_5.pdf
5. LIS2DM Data sheet URL: st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/DM00043231.pdf
6. ADXL345 Quickstart Guide URL: sparkfun.com/tutorials/240
7. ADXL345 Data sheet URL: analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADXL345.pdf
8. MMA8450Q Data Sheet URL: freescale.com/webapp/sps/site/prod_summary.jsp?code=MMA8450Q
9. How to use GY80 -ADXL345 Accelerometer [Электронный ресурс] URL: http://blog.oscarliang.net/use-gy80-arduino-adxl345-accelerometer/
10. Коноплев Б.Г., Лысенко И.Е., Шерова Е.В. Интегральный сенсор угловых скоростей и линейных ускорений // Инженерный вестник Дона 2010, №3 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2010/240
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Изучение кинематики материальной точки и овладение методами оценки погрешностей при измерении ускорения свободного падения. Описание экспериментальной установки, используемой для измерений свободного падения. Оценка погрешностей косвенных измерений.
лабораторная работа [62,5 K], добавлен 21.12.2015Косвенные методы измерения ускорения свободного падения при помощи математического и оборотного маятников. Изучение колебательных процессов при наличии сил трения. Коэффициент затухания, логарифмический декремент и добротность крутильного маятника.
лабораторная работа [1,1 M], добавлен 07.02.2011Последовательность проведения опыта, применяемое оборудование и материалы. Свободное падение как движение под действием силы тяжести, при отсутствии сопротивления воздуха. Первое исследование свободного падения тел ученым Галилеем, расчет ускорения.
презентация [544,7 K], добавлен 25.02.2014Сравнительный анализ существующих методов построения моделей малых движений точки вблизи положения равновесия. Особенности применения математического аппарата операционного исчисления к построению таких моделей, алгоритм построения в в программе MatLab.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 20.03.2012Ядерное оружие - совокупность ядерных боеприпасов, средств их доставки к цели и средств управления. Конструкция, мощность боеприпасов; последовательность событий при военном и мирном ядерном взрыве. Экологические последствия применения данного оружия.
презентация [2,4 M], добавлен 17.01.2015Исследование методов формирования полупроводниковых квантовых точек. Анализ возможности их применения в электронных приборах: лазерах, одноэлектронных транзисторах, элементах памяти наноразмеров. Размерное квантование энергии электронов. Квантовые ямы.
статья [143,0 K], добавлен 28.11.2013Понятие периода колебаний маятника как времени, в течение которого он совершает одно полное колебание и возвращается в исходную точку, порядок его измерения. Определение ускорения свободного падения тела. Вычисление погрешности измерений и расчетов.
лабораторная работа [126,5 K], добавлен 27.05.2015Фундаментальные понятия гравитационного поезда. Зависимость ускорения свободного падения от высоты. Понятие прямого тоннеля, типы тоннелей. Задачи о гравитационном поезде. Расчеты для Луны и Марса. Технические трудности, достижения гравитационного поезда.
курсовая работа [3,7 M], добавлен 30.07.2011Основные цели проведения пуско-наладочных работ. Объемы, нормы и методика испытаний. Проверка возможности включения электродвигателей в работу без предварительной ревизии и сушки. Снятие электрических характеристик на холостом ходу и под нагрузкой.
отчет по практике [23,1 K], добавлен 13.11.2016Явление тяготения и масса тела, гравитационное притяжение Земли. Измерение массы при помощи рычажных весов. История открытия "Закона всемирного тяготения", его формулировка и границы применимости. Расчет силы тяжести и ускорения свободного падения.
конспект урока [488,2 K], добавлен 27.09.2010Задача на определение ускорения свободного падения. Расчет начальной угловой скорости торможения вентилятора. Кинетическая энергия точки в момент времени. Молярная масса смеси. Средняя арифметическая скорость молекул газа. Изменение энтропии газа.
контрольная работа [468,3 K], добавлен 02.10.2012Рівняння руху маятникового акселерометра. Визначення похибок від шкідливих моментів. Вибір конструктивної схеми: визначення габаритів та маятниковості, максимального кута відхилення, постійної часу, коефіцієнта згасання коливань. Розрахунок сильфону.
курсовая работа [139,8 K], добавлен 17.01.2011Построение и исследование математической модели реактивной паровой турбины: назначение, область применения и структура системы. Описание физических процессов, протекающих в технической системе, её основные показатели: величины, режимы функционирования.
курсовая работа [665,8 K], добавлен 29.11.2012Применение машины Атвуда для изучения законов динамики движения тел в поле земного тяготения. Принцип работы механизма. Вывод значения ускорения свободного падения тела из закона динамики для вращательного движения. Расчет погрешности измерений.
лабораторная работа [213,9 K], добавлен 07.02.2011Общие характеристики перезаряжаемых источников электрического тока. Конденсаторы с двойным электрическим слоем. Конструкция экспериментальных образцов ионисторов, технология их изготовления. Сравнительная характеристика экспериментальных образцов.
дипломная работа [1,7 M], добавлен 21.06.2012Метрологические характеристики средств измерений. Термопары: понятие и принцип действия, конструкция, достоинства и недостатки, условия и возможности применения. Методы улучшения метрологических характеристик и исключения погрешностей термопары.
контрольная работа [222,8 K], добавлен 29.10.2014Расчет параметров настройки синхронизатора СА-1 для генератора G2, обеспечение его синхронной устойчивости. Выбор и обоснование трехфазного автоматического повторного включения, допустимость его применения на двухцепной линии L3 c двусторонним питанием.
курсовая работа [1,4 M], добавлен 06.12.2012Сверхпроводники и возможности их применения в электротехнике. Зависимость пробивного напряжения в твердом диэлектрике от температуры и частоты. Поляризация диэлектриков и диэлектрическая проницаемость. Нагревостойкость твердых и жидких диэлектриков.
реферат [968,8 K], добавлен 12.02.2013Определение высоты и времени падения тела. Расчет скорости, тангенциального и полного ускорения точки окружности для заданного момента времени. Нахождение коэффициента трения бруска о плоскость, а также скорости вылета пульки из пружинного пистолета.
контрольная работа [95,3 K], добавлен 31.10.2011Повышение интереса к нетрадиционным, экологически чистым источникам энергии – ветру, солнцу, волнам. Ветроэнергетические установки малой мощности, их преимущества использования, перспективы и возможности применения, опыт реализации в странах мира.
реферат [575,5 K], добавлен 17.03.2009
