Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

• Список условных сокращений
• Введение
• 1. Теоретическое рассмотрение вопроса
• 1.1 Анализ движения человека
• 1.2 Анализ существующих аналогов
• 1.3 Постановка задачи
• 2. Концептуальный план создания автоматизированной системы контроля физиологических показателей в циклических видах спорта
• 2.1 Информационное обеспечение
• 2.2 Математическое обеспечение
• 2.3 Программное обеспечение
• 2.4 Техническое обеспечение
• 2.5 Метрологическое обеспечение
• 2.5.1 Оценка погрешностей
• 2.5.2 Обеспечение тарировки
• 2.6 Организационное обеспечение
• 2.7 Методическое обеспечение
• 3. Проектные решения по созданию АСУ
• 3.1 Синтез программой реализации АСУ
• 3.1.1 Выбор языка программирования и среды разработки
• 3.1.2 Выбор СУБД
• 3.1.3 Структура базы данных
• 3.1.4 Реализация программ
• 3.1.5 Защита информации
• 3.2 Техническая реализация
• 3.2.1 Датчик дыхания
• 3.2.2 Выбор микроконтроллера
• 3.2.3 Переносное устройство
• 4. Организационно-экономическое обоснование разработки
• 4.1 Оценка экономической эффективности разработки
• 4.2 Меры безопасности работы с системой, экологичность работы
• 4.2.1 Анализ условий труда пользователя
• 4.2.2 Основные требования безопасности при работе с ЭВМ
• 4.3 Руководство пользователя
• Заключение
• Список литературы


Список условных сокращений

АГУ - Адыгейский Государственный Университет

АС - автоматизированная система

АСУ - автоматизированная система управления

АЦП - аналого-цифровой преобразователь

БД - база данных

ВСУ - вертикальная составляющая ускорения

ИФК и дзюдо - институт физической культуры и дзюдо

МК - микроконтроллер

НИР - научно-исследовательская работа

ПЗУ - постоянное запоминающее устройство

ПК - персональный компьютер

САПР - система автоматизированного проектирования

СУБД - система управления базами данных

ЧСС - частота сердечных сокращений

ЭВМ - электронная вычислительная машина

ЭКГ - электрокардиограмма

LSB - least significant bit (младший значащий бит)

MS - Microsoft

SPI - Serial Peripheral Interface

UART - universal asynchronous receiver/transmitter



Введение

Актуальность темы исследования. Для повышения спортивного мастерства и получения оздоровительного воздействия при занятиях физическими упражнениями и спортом большое значение имеют проблемы адаптации и оптимальности задаваемой физической нагрузки. Только оптимальная физическая нагрузка развивает и поддерживает функциональные резервы организма, способствующие дальнейшему стабильному росту спортивного мастерства. Крупным шагом в развитии методов дозирования тренировочных нагрузок стал метод программированного регулирования частоты сердечных сокращений. Привлечение методов автоматизации к решению проблемы индивидуального дозирования нагрузок оправдано тем, что именно на основе теории автоматического регулирования эта проблема может быть решена наиболее точно. Практическая же реализация принципов теории регулирования тренировочных нагрузок требует применения специальных технических средств, оснащенных современными и универсальными электронными вычислителями для экспресс-анализа текущего состояния спортсмена [11].

В видах спорта с преимущественным проявлением выносливости, управление нагрузкой должно осуществляться по объективно установленным данным непрерывного проявления физиологических параметров по ходу движения. А средства, создающие управляющее воздействие, должны работать на основе принципа прямой и обратной связи.

Оптимальное управление заключается в выборе наилучших, по некоторому критерию эффективности, управляющих воздействий из множества возможных в соответствии с установленной целью управления, с учетом ограничений и на основе информации о состоянии управляемого объекта и внешней среды.

Таким образом повысить эффективность тренировочного или реабилитационного процесса можно используя технологии оптимального управления биомеханическими и физиологическими параметрами. Для этого требуется применение технических устройств, которые позволяют по заложенному алгоритму осуществлять заданное управление. Область применения подобных устройств, управляющих параметрами человека, не достаточно развита, что обуславливает актуальность исследования и разработки устройств оптимального управления параметрами человека.

Степень разработанности проблемы. Перспективным направлением рационализации системы подготовки спортсменов является использование средств срочной информации и тренажерных устройств с обратной связью. В работах И.П. Ратова были сформулированы основные положения концепции "искусственной управляющей среды" [9]. Им осуществлено широкое обобщение возможностей и перспектив повышения эффективности обучения движениям и развития двигательных способностей, а также была высказана мысль о возможности сопряжения физической и интеллектуальной деятельности в условиях искусственной управляющей среды.

Для управления тренировочным процессом также применяется устройство программирования сердечного ритма (кардиолидер). Если ЧСС не соответствует заданному уровню, прибор дает сигналы, побуждающие изменить интенсивность упражнений, чтобы частота совпадала с запрограммированной частотой.

В последнее время в приложении к области спорта ведутся разработки автоматизированных систем, позволяющих расширить возможности учебно-тренировочного процесса [4]. В разное время в лаборатории биомеханики ИФК и дзюдо АГУ были разработаны устройства управляющего воздействия и методики их применения для различных видов спорта высших достижений [5, 7]. автоматизация физиологический спорт метрология

Целью данной работы является разработка и создание системы автоматизированного управления физиологическими показателями в тренировочном и реабилитационном процессе с целью поддержания функциональных ресурсов организма.

Объект исследования - автоматизация тренировочного процесса в циклических видах спорта. Предмет исследования - автоматизированная система управления физиологическими показателями в циклических видах спорта. Задачи исследования:

1) изучить специальную литературу по теме исследования и провести сравнительный анализ существующих аналогов;

2) разработать концептуальный план создания системы, управляющей параметрами в процессе бега на основе обратной связи, разработать все виды обеспечения;

3) представить и реализовать проектные решения по созданию автоматизированной системы;

4) произвести оценку качества системы, провести метрологическую экспертизу, апробацию и доработку АСУ;

5) создать базу первичных материалов и внедрить АСУ, составить отчетную документацию по НИР.

Методы исследования:

1) анализ научной, технической и методической литературы;

2) методы теории управления;

3) методы математической статистики и др.

Новизна работы заключается в разработке методики, позволяющей в процессе движения получать физиологические и биомеханические данные об объекте исследования для формирования управляющего воздействия и с целью дальнейшего анализа и в разработке алгоритмов и схемных решений, являющихся новыми в данной области применения.

Практическая значимость состоит в возможности использования разработанного устройства и предложенной методики с целью повышения эффективности тренировочного и реабилитационного процесса, а также в применении созданной системы для научных исследований в области биомеханики.



1. Теоретическое рассмотрение вопроса

1.1 Анализ движения человека

Органы опоры и движения человека составляют его двигательную систему. Мышцы, сокращаясь, обусловливают движения человека. Для выполнения работы, т.е. для сокращения, мышцам необходима энергия, которая образуется путем химических реакций, поступающих с пищей в организм веществ.

В марафонском беге (как и в беге на дистанцию 10000 м, полумарафоне, спортивной ходьбе и беге на лыжах на длинные дистанции) результат спортсмена зависит в значительной степени от количества кислорода, подводимого в единицу времени к мышечным волокнам, и от количества кислорода, которое может быть эффективно использовано мышцами [13, 1]. Процесс дыхания обеспечивает поступление кислорода в организм. Кровь, выполняя транспортную функцию, доставляет кислород воздуха к работающим мышцам. Во время сокращения напряженная мышца препятствует притоку большого объема крови к ней в отличие от расслабленной мышцы. Если же синхронизовать частоту сокращения мышц и частоту дыхания, то можно добиться оптимального снабжения мышц кислородом.

Основное противоречие при достижении высокого результата в беге на средние и длинные дистанции заключается, с одной стороны, в желании спортсмена обеспечить поступление в свой организм достаточного количества кислорода воздуха и иметь, вследствие этого, комфортный режим работы сердечнососудистой и мышечной систем на протяжении всей дистанции, и невозможность, с другой стороны, осуществления контроля над дыхательным центром, автоматически увеличивающем частоту дыхания для снижения концентрации углекислого газа до нормы.

Отслеживание и контроль этого процесса является довольно сложной задачей для спортсмена и для тренера. Разрабатываемая автоматизированная система призвана решить эту задачу в автоматическом режиме для экономии энергии спортсмена на длинных дистанциях и для улучшения качества тренировочного процесса. В случае неоптимального соотношения частот дыхания, шагов и ЧСС система должна навязывать соответствующую частоту шагов с помощью внешнего управляющего воздействия.

Основными недостатками методик обучения спортсменов, основанных на подобном информационном обеспечении, является сложность восприятия информации в виде ее недостаточной расшифровки, которая требует значительных затрат времени, а при использовании компьютерной техники срочность теряется из-за осмысления количественных показателей и перевода их в качественные оценки [6].

1.2 Анализ существующих аналогов

В изученной нами литературе описываются многочисленные устройства для решения различных задач тренировочного процесса, а также для использования в области медицины. Так, в области медицины группой авторов запатентован способ контроля и ограничения внешних нагрузок [3]. Способ предназначен для увеличения точности определения индивидуально допустимых границ внешних нагрузок и своевременного их ограничения и заключается в непрерывной диагностике состояния организма человека, в котором контролируют отношение частоты пульса к частоте дыхания и дисперсию этого отношения или информационный показатель Фишера этого отношения. При значении этого отношения меньше 3 или больше 5 и увеличении дисперсии или информационного показателя Фишера больше чем на 20% относительно исходного состояния нагрузку уменьшают или прекращают. Способ позволяет точно определить индивидуально допустимые границы внешних нагрузок для своевременного их ограничения. Изобретение относится к области медицины, в частности к способам контроля, дозирования и ограничения внешних нагрузок, включая спортивные, медикаментозные, экологические, физиотерапевтические, психологические и другие нагрузки, влияющие на функциональное состояние человека и его здоровье. Однако данный способ не позволяет задавать оптимальную физическую нагрузку применительно к процессу тренировки спортсменов, то есть, система управления, реализующая этот способ, не может быть адаптивной.

В процессе тренировки важно знать, каким образом спортсмены реагируют на тренировочные нагрузки с тем, чтобы проводить тренировочный процесс наиболее эффективно. В тренировочном процессе находят применение телеметрические системы [2], а также разрабатываются системы физиологического мониторинга. Английской компанией Hidalgo предложена система мониторинга физиологических функций спортсмена Equivital [14]. Данная система, благодаря 10 высокотехнологичным датчикам, которые достаточно комфортно размещаются в районе грудной клетки, позволяет в течение длительного времени регистрировать ЭКГ, частоту сердцебиений и дыхания, температуру кожи и внутренних органов, а также параметры ориентации тела в пространстве и характер физического воздействия. Включение и выключение датчиков может быть запрограммировано. Накопленные физиологические параметры немедленно готовы к загрузке на стационарный или портативный компьютер. Гибкая архитектура системы позволяет подключать, в случае необходимости, неограниченное количество датчиков.

Широкое распространение получила группа приборов для беговых тренировок - так называемых спортивных часов [8]. Наручные часы с GPS-навигатором и спортивными функциями рассчитаны как на профессиональных спортсменов, так и на любителей. Один из таких беговых компьютеров - монитор Polar RS800, включает множество разнообразных функций. Обеспечивает точное измерение частоты сердечных сокращений, а так же скорости бега и пройденное расстояние с последующим перенесением сохраненных данных в компьютер. Измерение частоты и средней длины шагов Running Cadence & Average Stride Length, помогает найти баланс между скоростью и экономичностью бега. Измерение R-R интервалов и определение вариабельности сердечного ритма "на ходу" позволяет точно отслеживать состояние организма и не допускать перетренированности. Функция Polar sport zones помогает планировать и контролировать интенсивность тренировки в зависимости от максимальной частоты пульса. При этом задаются отдельные зоны тренировки: очень легкая нагрузка (50-60% от максимальной ЧСС), слабая (60-70%), умеренная (70-80%), высокая (80-90%), максимальная (90-100%). Такие беговые компьютеры хотя и многофункциональны, но не учитывают частоту дыхания и не позволяют синхронизировать частоту шагов и вместе с тем довольно дорогостоящие: стоимость достигает нескольких десятков тысяч рублей.

Из автоматизированных систем управления параметрами движения в биомеханике можно отметить разработанную в лаборатории биомеханики АГУ автоматизированную исследовательскую систему управления силового воздействия, позволяющую задавать величину нагрузки в зависимости от скорости движения штанги. Автоматизированная система основана на принципе выполнения движения в любой ситуации и построена таким образом, что управление тренировочным силовым воздействием осуществляется при помощи двигателя, который определяет величину и характер нагрузки. Она зависит от текущих параметров движения. В качестве устройства управления применяется ЭВМ, что позволяет программно формировать параметры движения с учетом предыдущего результата спортсмена, осуществлять не только автоматическое регулирование величины нагрузки, но и задавать ее индивидуально каждому спортсмену, помещать в базу данных результаты каждого выполненного упражнения.

В системе используется нагрузочное устройство, позволяющее изменять величину тренировочной нагрузки. В состав системы также входят датчики, блок управления нагрузкой; устройство, обеспечивающее работоспособность двигателя при внештатной ситуации; схема, формирующая управляющий сигнал при уменьшении скорости движения штанги до минимального значения для запуска антитравмирующей системы.

1.3 Постановка задачи

Рост спортивного мастерства требует расширения круга средств и методов подготовки, повышающих эффективность тренировочных занятий без значительного возрастания объема и интенсивности тренировочной работы, позволяющих полнее раскрыть функциональные резервы организма спортсмена.

В этом вопросе может помочь использование технических средств:

1) снижает трудоемкость процесса обработки данных;

2) обнаружение, анализ и устранение технических ошибок выполнения спортивных упражнений.

Разрешить выявленные проблемы возможно при помощи разработки тренажеров с многоконтурной обратной связью и срочной информацией, которые позволяют задавать оптимальную нагрузку с учетом индивидуальных возможностей спортсмена. Получение срочной (текущей) информации непосредственно в ходе выполнения упражнения значительно расширяет методические возможности учебно-тренировочного процесса.

В данной дипломной работе предлагается разработать переносное устройство, которое позволяло бы задавать оптимальную нагрузку с использованием адаптивного алгоритма. Предлагаемое устройство управления темпом шагов будет задавать тренирующемуся спортсмену резонансный режим бега, т.е. такой режим, при котором частота шага и дыхание согласованы между собой. Бег в режиме биомеханического и физиологического резонанса позволит повысить эффективность тренировки и параллельно совершенствовать функциональные возможности дыхательной системы и опорно-двигательного аппарата.

Выводы. В первой главе проанализирован процесс бега и выявлены проблемы, рассмотрены аналоги и прототипы разрабатываемой системы.

По технической сущности наиболее близким к предлагаемому в данной работе устройству является способ контроля и ограничения внешних нагрузок, заключающийся в вычислении отношения частоты пульса к частоте дыхания. Однако данный способ не позволяет задавать оптимальную физическую нагрузку в зависимости от состояния спортсмена в процессе бега на длинные дистанции для тренировки выносливости.



2. Концептуальный план создания автоматизированной системы контроля физиологических показателей в циклических видах спорта

Автоматизированная система разрабатывается таким образом, чтобы получить возможность исследовать сам процесс бега, то есть, как изменяется состояние испытуемого во время движения. В устройстве управления предполагается применить микроконтроллер, позволяющий запрограммировать функции управления, что сделает прибор небольшим по размеру и удобным в использовании.

Устройство предназначается для оптимизации физиологических процессов путем обеспечения синхронизации частот дыхания, пульса и частоты шагов в циклических движениях человека. Устройство может использоваться в оздоровительном беге или ходьбе для обеспечения большего эффекта от лечебного упражнения, или для навязывания более рационального темпа и дыхания при выполнении спортивных упражнений. Например, в беге, ходьбе, велоспорте, гребле и других видах спорта, где используются циклические движения. Синхронизация физиологических процессов с темпом движения должна обеспечить экономичность работы.

Еще одно назначение устройства - для научных исследований, позволяющих получить ответы на то, как влияет синхронность темпа движения с темпом дыхания и ЧСС на эффективность тренировочного или оздоровительного процесса.

Система будет состоять из носимой части - это датчики и устройство управления, находящиеся при испытуемом всегда при выполнении движений, и стационарной части - компьютера с программой, которая осуществляет анализ полученных результатов, планирование работ, принятие решений и настройку носимой части.

Предложенный программно-аппаратный комплекс имеет структуру, представленную на схеме (см. рис. 2.1).



Рисунок 2.1 - Структурная схема АСУ физиологическими показателями: АЦП - аналого-цифровой преобразователь; ФНЧ - фильтр низких частот; БД - база данных

2.1 Информационное обеспечение

В состав информационного обеспечения разрабатываемой системы входят: текущая информация о состоянии спортсмена в процессе бега, то есть о его ритме дыхания и темпе шагов; антропометрические и физиологические параметры испытуемого; сведения об уровне мастерства спортсмена и другие необходимые исследователю параметры.

При изучении предметной области можно выделить следующие сущности.

Стержневая сущность:

1) Испытуемый - анкетные данные об испытуемом: фамилия, имя, дата рождения, пол, специализация и год, когда спортсмен начал заниматься спортивной деятельностью по данной специализации.

Ассоциативные сущности:

2) Упражнение - данные об упражнении, выполняемом во время тренировки: испытуемый, который выполнял данное упражнение; дата проведения тренировки; информация о движении (изменении ВСУ) и дыхании, полученная с датчиков; тип упражнения; дистанция, пройденная спортсменом.

3) Параметры испытуемого - антропометрические и физиологические параметры испытуемого: тип телосложения, рост, вес, длина ног, жизненная емкость легких, максимальное потребление кислорода, а также дата регистрации параметров.

4) Тренировка - данные о изменении физиологических показателей спортсмена: частоте дыхания и частоте пульса. Регистрируются с целью выявить динамику изменения результатов тренировок.

Обозначения:

5) Тип упражнения представляет собой справочник по выполняемым упражнениям или двигательным действиям, например, марафонский бег или спортивная ходьба.

6) Тип телосложения - справочник по типам телосложения.

Логическая модель данных представлена на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 - Даталогическая модель базы данных



2.2 Математическое обеспечение

Для выделения шага в процессе движения человека из последовательности значений вертикального ускорения измеряемого акселерометром требуется находить глобальные максимум и минимум значения ускорения. Особенность состоит в том, что последовательность значений ускорения заранее не известна, а дискретные значения получаются при оцифровке аналогового сигнала в режиме реального времени. Исходя из вышесказанного, был найден алгоритм, который решает данную задачу. Блок-схема алгоритма показана на рисунке 2.3.



Рисунок 2.3 - Алгоритм поиска максимума и минимума



2.3 Программное обеспечение

Программное обеспечение автоматизированной системы контроля физиологических параметров реализует описанный метод управления и состоит из программы микроконтроллера и программы для исследователя.

Функциональная схема программной части системы изображена на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 - Функциональная схема программной части системы

1. Блок "Регистрация ускорения" получает информацию об изменении ВСУ от акселерометра через АЦП, преобразует ускорение в единицы g и сохраняет значение в оперативной памяти МК.

2. Блок "Регистрация периода дыхания" выполняет измерение длительности сигнала от датчика дыхания и также сохраняет в оперативной памяти МК.

3. "Блок принятия решений". На входе период дыхания , период шагов . На выходе, если и не кратны, то найти оптимальную частоту шагов. Если и кратны, то продолжить анализировать соотношение.

4. "Модуль работы с флэш-памятью" осуществляет чтение и запись во флэш-память устройства текущей информации о состоянии испытуемого во время выполнения упражнений, т. е. записывает данные о ВСУ и процессе дыхания в режиме реального времени, а так же осуществляет передачу всех данных, записанных во флэш-память на ПК.

5. "Интерфейс сопряжения с ПК" реализует протокол обмена устройства с компьютером через COM-порт.

6. "Обработка данных" необходима для выявления динамики изменений результатов в тренировке спортсмена за какой-то период времени. Реализуется посредством методов математической статистики.

7. "Модуль работы с БД" обеспечивает ведение информационной базы, то есть обеспечение хранения, накопления данных, своевременного исключения устаревших данных, внесения и контроля изменений.

Алгоритм работы программы микроконтроллера представлен на рисунке 2.5.



Рисунок 2.5 - Алгоритм программы микроконтроллера

2.4 Техническое обеспечение

В состав технического обеспечения системы входят датчики, переносной прибор контроля движения с памятью, звуковой сигнализатор, персональный компьютер для исследователя и устройство согласования с ПК. Датчики регистрируют биомеханические и физиологические параметры - движение, дыхание, пульс.

В качестве датчика движения используется трехосевой акселерометр ADXL105EM-3 от производителя ANALOG DEVICES, который позволяет путем измерения вертикальной составляющей ускорения (ВСУ) относительно ускорения свободного падения определить шаг спортсмена. Акселерометр позволяет регистрировать величину ускорения в диапазоне от -4g до +4g, что вполне достаточно для регистрации любых спортивных движений.

Датчик дыхания предполагается разработать самостоятельно.

Датчики подключаются к прибору контроля движения через соответствующие разъемы.

В приборе контроля движения управляющим модулем служит запрограммированный микроконтроллер AT mega88 фирмы ATMEL. Программа выполняет предварительную обработку информации и управляющие функции.

В качестве постоянной памяти устройства для записи информации использована карта памяти стандарта SD (Secure Digital) объемом 512 Мб. Карта памяти вставляется в специальный разъем для карт.

Звуковой сигнализатор необходим для подачи управляющего сигнала. Для этого используются наушники, которые подключаются к прибору контроля движения.

Для связи прибора с ПК используется преобразователь USB<-->RS-232, собранный на чипе PL2303 фирмы Prolific.

Персональный компьютер исследователя для нормального функционирования программы должен отвечать следующим системным требованиям:

Минимальные требования:

- процессор с тактовой частотой не ниже 1 GHz;

- оперативная память объемом 1 Гб;

- 500 Мб свободного места на жестком диске;

- COM-порт, USB-порт.

Номинальные требования:

- процессор с тактовой частотой 1 GHz и выше;

- оперативная память объемом 2 Гб;

- 500 Мб свободного места на жестком диске;

- COM-порт, USB-порт.

Схема технической части системы изображена на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6 - Схема технической части системы



2.5 Метрологическое обеспечение

2.5.1 Оценка погрешностей

Общая погрешность системы состоит из нескольких составляющих. Это погрешности датчиков, погрешность, образующаяся в результате работы компаратора и погрешность аналого-цифрового преобразователя при дискретизации сигнала.

Погрешность акселерометра указана в технической документации и составляет ±5%, погрешность нелинейности датчика равна ± 0.2% [15].

Инструментальная погрешность датчика дыхания связана с несовершенством данного средства измерения вследствие недостаточно высокого качества его исполнения. Источником погрешности является пружина, возвращающая средний вывод переменного резистора в начальное положение, которая со временем может растянуться.

Погрешность дискретности АЦП является неустранимой ошибкой. Так как входное непрерывное текущее напряжение квантуется по уровням, то величина этого кванта и есть эта погрешность. Ее величину определяем, зная разрядность АЦП. В микроконтроллере AT mega88 10-разрядный АЦП, значит количество квантов равно 2¹⁰. Входное напряжение 5В, величина кванта 4,88мВ. Общая погрешность преобразования, включающая погрешность квантования, погрешность нелинейности шкалы, равную ±0.5LSB, дифференциальную погрешность, составляет по спецификации ±2.5LSB.

Для уменьшения рассмотренной погрешности применяют специальные меры. Прежде всего, для минимизации погрешности самого АЦП, необходимо правильно выбрать тактовую частоту преобразования. С этой же целью на входе АЦП рекомендуется устанавливать фильтр низких частот. Если аналоговая часть МК питается от того же источника, что и цифровая, то аналоговое питание следует также фильтровать установкой LC- или RC-фильтров. Не рекомендуется использовать свободные выводы порта, к которому подсоединен АЦП, для обработки цифровых сигналов во время преобразования. Для сведения к минимуму электромагнитных помех, наводимых ядром процессора, в МК имеется специальный "спящий" режим ADC Noise Reduction (режим снижения шумов АЦП). В этом режиме из всех периферийных устройств функционирует только АЦП и некоторые другие, а CPU останавливается [10].

Ещё одним источником погрешности является нестабильность блока питания. Так как датчик дыхания фактически является реостатом, который питается от напряжения в данном случае +5 вольт, а положение среднего вывода реостата определяет изменение обхвата грудной клетки при дыхании в виде части напряжения питания на выходе. Если блок питания обеспечивает стабильное напряжение в пределах 2%, то есть 5 вольт ±2%, то соответственно эти же 2% являются погрешностью, которая получается на выходе датчика дыхания.

Если подвести итог, общая погрешность системы приблизительно составляет 10-12% что для систем с участием биологического звена вполне приемлемо.

2.5.2 Обеспечение тарировки

В обычных случаях калибровка датчиков осуществляется с помощью измерительного усилителя и компенсационного потенциометра. Если же в измерительной системе присутствует микроконтроллер, то коррекция ошибки реализуется на программном уровне [12].

Нелинейность характеристики акселерометра составляет ±0.2%, которой пренебрежем и представим характеристику линейной, которая схематично изображена на рисунке 2.7.



Рисунок 2.7 - Нормальная и фактическая характеристики датчика

На практике процесс калибровки реализуется в три этапа.

1. Для определения смещения вход измерительного прибора замыкается накоротко, то есть устанавливается . При этом искомому смещению соответствует выходное числовое значение .

2. Для определения максимального измеряемого значения на входе измерительного прибора устанавливается максимальная входная величина . При этом определяемое с помощью АЦП числовое значение соответствует конечному значению .

3. Поправочный коэффициент (ПК), на который необходимо умножить измеренные величины, чтобы получить корректное усиление, можно получить из уравнения

ПК можно также найти из уравнения:



При завершении калибровки значения и сохраняются в памяти МК. При последующих измерениях фактические величины легко вычислить, используя измеренные величины :

Тарировка датчика дыхания несколько отличается от вышеизложенной схемы. Выход датчика следует подключить к входу АЦП, то есть через разъем акселерометра. Далее реализуются три вышеизложенных этапа по той же схеме. Поправочный коэффициент рассчитывается также по формуле:

Затем выход датчика обратно подключается к своему разъему и полученное при измерении значение периода следует умножить на поправочный коэффициент:

Поскольку смещение за счет поправочного коэффициента увеличивается до (см. рис. 2.8), то для получения фактического результата из каждого измеренного значения необходимо вычесть числовое значение нового смещения.

2.6 Организационное обеспечение

Для использования системы ассистент должен правильно закрепить на теле испытуемого акселерометр, датчик дыхания и при необходимости датчик ЧСС.

Акселерометр вместе с устройством управления надевается на пояс. Лента с датчиком дыхания надевается на грудь испытуемого в покое. При этом датчик должен располагаться в центре груди. Длина ленты должна быть отрегулирована с помощью ремешка на спине так, чтобы лента плотно прилегала к телу. После этого датчик подключается к устройству управления. Также подключаются и надеваются наушники.

В процессе бега испытуемый должен обращать внимание на управляющие сигналы. Если темп движения не соответствует оптимальному, то будет подаваться звуковой сигнал с определенной частотой. Испытуемый должен подстроить свою частоту шагов под частоту звукового сигнала.

После выполнения упражнений прибор подключается к компьютеру с помощью устройства согласования. На компьютере предварительно должно быть установлено программное обеспечение системы и запущена программа. Следует нажать на кнопку "Старт" на приборе и все данные из памяти прибора автоматически будут перенесены на компьютер. Появится запрос сохранить данные в базе. Следует ввести все сведения о выполненном упражнении. Результаты тренировки или исследования можно просмотреть в окне "Результаты".

2.7 Методическое обеспечение

В основе разработанной АСУ лежит метод управления тренировочной нагрузкой спортсмена, основанный на адаптивном алгоритме управления.

Алгоритм управления заключается в следующем. До начала тренировки с учетом физической подготовленности испытуемого, его здоровья или исходя из предстоящих задач, тренером выбирается соотношение частот пульса, дыхания, шагов. Предположим, информация о пульсе не существенна и учитываются только частота дыхания и частота шагов. Допустим, выбрано соотношение 1:4, то есть на 4 шага в беге делается 1 вдох-выдох. Задача устройства управления с помощью датчиков отслеживать это соотношение и поддерживать его постоянно 1:4. В случае отклонения с помощью звукового сигнала навязывать испытуемому такой темп шагов, или как вариант - темп дыхания, чтобы соотношение опять было 1:4. Информация о частоте дыхания, о частоте шагов и об их фазовом соотношении записывается в память и затем может быть проанализирована. Можно получить, например ответы на такие вопросы: какую часть тренировки испытуемый был в благоприятном состоянии, каков диапазон отклонений от нормы, как утомляемость влияет на процесс управления, чем легче управлять - частотой шагов или частотой дыхания и др.

Постоянная подача сигналов при каждом отклонении не очень удобна для восприятия их спортсменом, поэтому в разработанном нами алгоритме управление реализовано таким образом, что сигнал подается, когда испытуемый несколько раз подряд нарушает соотношение частот. Если же имеется тенденция нарушения заданного ритма выполнения упражнения, то возможно наступило утомление. Тогда испытуемому задается более легкий темп, скажем не 1:4, а 1:3.

Так как результаты каждой тренировки сохраняются в базе данных, и используются в дальнейшем для управления частотой шагов в беге, то эту систему можно отнести к адаптивным автоматическим системам управления.

В зависимости от внутреннего состояния организма спортсмена (усталость, стресс, и т.д.), от длительности тренировки, результаты, которые проявляет спортсмен, будут изменяться. На основе этих результатов, будет проводиться дальнейшее регулирование величины нагрузки. В том случае, когда спортсмен проявляет высокую скорость движения, тренировочная нагрузка увеличивается. В процессе выполнения упражнения спортсмен проходит стадию врабатывания, характеризующуюся ростом проявляемых им результатов. В этот период скорость выполнения им движений возрастает, и программа управления постепенно увеличивает тренировочную нагрузку. Ближе к концу дистанции, мышцы тренируемого постепенно утомляются, что приводит к уменьшению скорости выполнения движений, и тогда тренировочная нагрузка будет снижена.

Таким образом, данный метод управления тренировочной нагрузкой описывает работу системы управления, отличающуюся главным образом тем, что изменение нагрузки происходит с учетом индивидуальных возможностей тренируемого. В процессе тренировки данная АСУ не допускает превышения нагрузки для человека, приводящего к "перетренировке", и, соответственно, к падению спортивных результатов.

Выводы. В данной главе дипломной работы были описаны все виды обеспечений автоматизированной системы управления физиологическими показателями в циклических видах спорта. Разработаны функциональные схемы системы.



3. Проектные решения по созданию АСУ

3.1 Синтез программой реализации АСУ

3.1.1 Выбор языка программирования и среды разработки

Для микроконтроллеров AVR существуют различные языки программирования, но, пожалуй, наиболее подходящими являются ассемблер и Си, поскольку в этих языках в наилучшей степени реализованы все необходимые возможности по управлению аппаратными средствами микроконтроллеров.

Ассемблер - это низкоуровневый язык программирования, использующий непосредственно набор инструкций микроконтроллера. Создание программы на этом языке требует хорошего знания системы команд программируемого чипа и достаточного времени на разработку программы. Ассемблер проигрывает Си в скорости и удобстве разработки программ, но имеет заметные преимущества в размере конечного исполняемого кода, а соответственно, и скорости его выполнения.

Процесс написания программы на языке ассемблера требует особой осторожности и внимания, а также большого количества строк программного кода для выполнения относительно маленькой несложной задачи. Тем не менее, язык ассемблера был и остается достаточно востребованным, когда речь идет об оптимизации используемых ресурсов (скорость выполнения программы, экономия памяти данных, памяти программ и т.д.), либо когда алгоритм является достаточно простым.

Для разрабатываемого устройства алгоритм функционирования управляющей программы довольно прост и при этом нет необходимости в построении сложного структурного проекта с использованием библиотечных функций. Однако функции подсистемы сбора информации о движении и подсистемы контроля движения должны выполняться в режиме реального времени. Несмотря на простоту алгоритма сама по себе программа будет критична ко времени, так как ей необходимо постоянно опрашивать несколько датчиков, вовремя реагировать на события и выдавать управляющий сигнал. Поэтому для разработки управляющей программы был выбран язык низкого уровня - ассемблер.

В качестве среды разработки программы МК выбрана AVR Studio v4.18. AVR Studio - это интегрированная отладочная среда разработки приложений для 8-разрядных RISC - микроконтроллеров семейств AVR (Tiny, Classic, Mega). Среда является бесплатно распространяемой, ее можно скачать с сайта Atmel.

AVR Studio работает под управлением операционных систем Windows NT/2000/XP/Vista/7.

В состав AVR Studio входит ассемблер и эмулятор, позволяющий тестировать программы непосредственно в среде разработки, который поддерживает различные типы микроконтроллеров. При этом программа может выполняться последовательно или с учетом точек прерывания, а на экране может быть отображено и, в случае необходимости, изменено содержимое ячеек памяти, регистров и портов ввода-вывода. Пользователь может непрерывно контролировать ход выполнения программы, наблюдая за состоянием переменных в окне Watch.

3.1.2 Выбор СУБД

Выбор СУБД является важнейшим шагом при разработке информационного обеспечения. Она должна наиболее полно удовлетворять назначению задачи, характеру и объему используемой информации.

В качестве системы управления базой данных использована СУБД Access из пакета MS Office Professional 2003. Эта система вполне подходит для создания базы данных, обслуживающей проектируемую систему, а именно:

1) MS Access - высокопроизводительная (32-разрядная) система управления реляционными базами данных;

2) специфической особенностью СУБД MS Access является то, что вся информация, относящаяся к одной базе данных, хранится в едином файле.

3.1.3 Структура базы данных

При изучении предметной области были выделены следующие сущности.

Стержневая сущность:

Испытуемый (Id_ Ispy'tuemy'j, Familija, Imja, Data rozhdenija, Pol, Specializacija, God nachala dejat). Атрибут God nachala dejat указывает год начала занятия спортивной деятельностью.

Ассоциативные сущности:

Упражнение (Id_Uprazhnenie, Id_ Ispy'tuemy'j, Data provedenija, Dvizhenie, Dy'hanie, Pul's, Id_Tip_upr, Distancija, Rukovoditel', Komentarii)

Параметры испытуемого (Id_Parametry, Id_ Ispy'tuemy'j, Data registracii parametrov, Kvalificacija, Id_Tip_teloslozhenija, Rost, Ves, Dlina nog, Zhizn emk legkih, Maks potr kisloroda)

Обозначения:

Тип упражнения (Id_Tip_upr, Tip). Представляет собой справочник по выполняемым упражнениям или двигательным действиям, например, марафонский бег или спортивная ходьба.

Тип телосложения (Id_Tip_teloslozhenija, Tip).

Даталогическая модель данных разработанная средством концептуального моделирования баз данных ERWin представлена на рисунке 2.2.

Физическая модель базы данных зависит от СУБД, в которой реализуется база данных. Для каждого атрибута всех сущностей были определены типы данных в соответствии с СУБД Access.



3.1.4 Реализация программ

При написании программ для МК обязательно должны учитываться схемотехнические особенности конечного устройства, поэтому разрабатывать программу лучше параллельно с проектированием самого устройства.

Программа микроконтроллера реализована по принципу обработки прерываний от периферийных устройств МК - таймеров, АЦП, компаратора.

Вначале происходит инициализация всех необходимых периферийных устройств МК: портов, модулей SPI и UART, Flash-карты, таймеров 0 и 1, аналогового компаратора и АЦП.

Подпрограмма обработки прерывания по завершении преобразования АЦП выполняет преобразование значения полученного от акселерометра в ускорение в единицах g и сохраняет его во временной памяти.

Для измерения длительности цикла вдох-выдох используется специальный режим работы таймеров с "захватом" внешнего перепада уровней. В режиме работы с "захватом" может функционировать 16-разрядный Timer1. Событие "захвата" состоит в том, что в момент, когда оно происходит, содержимое счетных регистров Timer1 переносится в специальный 16-разрядный регистр, после чего генерируется запрос на прерывание.

Источником сигнала "захвата" служит аналоговый компаратор. Выход датчика дыхания подключается к инвертирующему входу компаратора. К неинвертирующему входу подключен внутренний источник опорного напряжения величиной вольт. В момент, когда напряжение на инвертирующем входе становится больше напряжения на неинвертирующем входе, происходит "захват". В обработчике прерывания по "захвату" измеренный период преобразуется в единицу времени.

Процедуры "Write_block" и "Read_block" выполняют соответственно запись и чтение блока данных объемом 512 байт с флэш-карты. Процедура "Send_7seg" выполняет вывод числа на блок семисегментных индикаторов.

3.1.5 Защита информации

Одним из основополагающих факторов при разработке АСУ является защита и безопасность хранимой и обрабатываемой информации. Защита информации - процесс, организуемый и обеспечиваемый с целью предупреждения несанкционированного разрушения, получения или модификации данных в процессе их хранения и обработки.

В разработанной системе ограничить пользователям доступ к программе можно с помощью задания пароля. Задать или изменить пароль можно вызвав пункт меню "Доступ к системе".

В случае ввода неверного пароля система не допустит пользователя, пока не будет введен верный пароль.

3.2 Техническая реализация

3.2.1 Датчик дыхания

К датчику дыхания предъявляются следующие требования:

1) датчик должен позволять регистрировать цикл вдох-выдох;

2) удобство использования в процессе бега, то есть не затруднять процесс дыхания, не вызывать сопротивления потоку воздуха;

3) при эксплуатации не предполагается санитарная обработка.

В результате поиска были найдены несколько вариантов конструкций датчиков дыхания.

Тонкая эластичная трубка заполнена угольным порошком. С торцов трубки вмонтированы электроды. Через уголь можно пропускать ток от внешнего источника. При растяжении трубки увеличивается длина и уменьшается площадь сечения столбика угля и увеличивается сопротивление. Трубка закрепляется вокруг грудной клетки человека. Сила тока в цепи будет изменяться с изменением обхвата грудной клетки при дыхании, что можно зафиксировать, используя соответствующую измерительную схему. Как вариант, трубку можно заполнить электролитом. Однако при использовании такого датчика свойства угольного порошка со временем ухудшаются.

Еще один вариант - использовать вертушку небольшого размера, которая будет вращаться вокруг оси под воздействием потока воздуха, падающего на лопасти. Недостаток в том, что выдыхаемый воздух должен точно попадать на лопасти и, соответственно, нужна маска, что неудобно в применении.

В конечном итоге был выбран следующий наиболее подходящий вариант. Датчик дыхания сконструирован на основе резистора с переменным сопротивлением.

Один из концов резистора соединен пружиной со средним выводом. К ним же закреплены концы ленты. Лента с датчиком надевается на грудь человека. На вдохе с увеличением обхвата грудной клетки средний вывод будет передвигаться. На выдохе пружина возвращает его в исходное положение. Соответственно изменяется сопротивление резистора.

Выход датчика подключается ко входу компаратора. Ко второму входу компаратора подключено опорное напряжение, с которым компаратор сравнивает напряжение с вывода датчика. Если напряжение с вывода датчика больше опорного напряжения, то на выходе компаратора присутствует логическая единица, в противном случае - логический ноль. Измеряя время между фронтом и спадом, получаем период дыхания.

3.2.2 Выбор микроконтроллера

Выбор микроконтроллера зависит от функций, которые должно выполнять готовое устройство.

Основными критериями выбора микроконтроллера являются:

1) наличие требуемого числа контактов, портов ввода/вывода;

2) наличие требуемых периферийных устройств, такие как последовательные порты ввода/вывода, RAM, ROM, АЦП, ЦАП;

3) производительность ядра процессора. Слишком много - расточительно, слишком мало - не будет работать;

4) доступность;

5) поддержка разработчика: ассемблеры, компиляторы, средства отладки;

6) внутрисхемные эмуляторы;

7) отладчики программ в исходных текстах;

8) информационная поддержка;

9) утилиты, в том числе "бесплатные" ассемблеры;

10) примеры исходных текстов;

11) поддержка применений у поставщика;

12) надежность производства, т.е. качество продукции.

Требования, предъявляемые к микроконтроллерам в автономных устройствах, несколько отличаются от стандартных требований. Тогда как в стационарных устройствах требования к пониженному энергопотреблению микроконтроллеров не являются определяющими, в автономных устройствах они выходят на передней план. Также не следует забывать и про надежность микроконтроллеров, а, следовательно, и всей системы, ведь зачастую, автономная аппаратура вынуждена работать в полевых условиях. Зачастую автономные устройства это системы с автономным питанием, то есть с питанием от батареек или аккумуляторов. В данном случае, желательно использовать микроконтроллер с расширенным, либо с пониженным диапазоном питания. Микроконтроллеры с расширенным диапазоном питания относительно неприхотливы к напряжению питания и подходят как для устройств с сетевым, так и с автономным питанием. Микроконтроллеры с пониженным диапазоном питания предназначены для изделий с автономным питанием, т.к. их ток потребления в несколько раз меньше тока потребления других микросхем. В то же время следует помнить, что микроконтроллеры с пониженным диапазоном питания обычно имеют меньшую максимальную частоту тактирования. Поэтому сначала надо рассчитать требуемую тактовую частоту микроконтроллера, а только затем выбирать его тип.

Также следует не забывать про режимы пониженного энергопотребления микроконтроллера. В данных режимах микроконтроллер не выполняет часть своих функций, однако потребляет намного меньше тока. Наиболее распространенными являются восьмиразрядные микроконтроллеры, поэтому рассмотрим особенности построения средних семейств восьмиразрядных микроконтроллеров ведущих фирм, таких как Microchip (PIC-контроллеры), Motorola и Atmel (AVR), применительно к автономным устройствам.

Микроконтроллеры фирмы Motorola семейства HC08 имеют 2 режима пониженного энергопотребления. В режиме ожидания (Wait mode) останавливается тактовый генератор центрального процессора, однако продолжается тактирование периферийных модулей и разрешаются прерывания. Также существует возможность программно отключать неиспользуемые периферийные модули, что приводит к меньшему энергопотреблению. Выход из этого режима может быть осуществлен по сигналу внешнего сброса, по переполнению сторожевого таймера, по запросу внешних прерываний и прерываний от периферийных модулей. В режиме останова (Stop mode) прекращается тактирование всей схемы микроконтроллера, и разрешаются прерывания. Выход из этого режима также может быть осуществлен по сигналу внешнего сброса и по запросу внешних прерываний.

У микроконтроллеров фирмы Microchip среднего семейства существует один режим энергосбережения - Sleep mode. В данном режиме выключается тактовый генератор микроконтроллера, сбрасывается сторожевой таймер, порты ввода/вывода свое состояние не изменяют. Выход из режима Sleep mode происходит при подаче сигнала внешнего сброса, при переполнении сторожевого таймера (если он разрешен) и при периферийном прерывании.

Для микроконтроллеров семейства ClassicAVR предусмотрено 2 режима пониженного энергопотребления. При работе микроконтроллера в режиме холостого хода (Idle mode) центральный процессор останавливается, но продолжается тактирование таймеров/счетчиков и сторожевого таймера. Если прерывание от аналогового компаратора не требуется, то он может быть программно отключен. Выход из режима холостого хода происходит как от внешних прерываний, так и по переполнению таймеров/счетчиков или по сбросу сторожевого таймера. Когда микроконтроллер работает в экономичном режиме (Power-Down Mode) останавливается генератор тактовых импульсов. Если разрешена работа сторожевого таймера, то выход из экономичного режима может произойти при его переполнении. В противном случае, выход произойдет только по сигналу внешнего сброса или внешнего прерывания.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что с точки зрения пониженного энергопотребления, микроконтроллеры фирм Motorola и AVR являются более предпочтительными, чем PIC-контроллеры. Это обусловлено наличием у данных микроконтроллеров двух режимов пониженного энергопотребления, тогда как у PIC-контроллеров он только один.

Основной целью выбора микроконтроллера является нахождение такой микросхемы, которая полностью бы удовлетворяла техническому заданию на устройство, но в тоже время была бы наименее дорогой. Прежде всего, следует определиться какой набор функций должен выполнять микроконтроллер.

Как для автономных, так и для стационарных систем, одним из основных критериев выбора микроконтроллера является его производительность, которая напрямую зависит от производительности процессорного ядра. В настоящее время применяются 2 принципа построения ядра: с полной системой команд (CISC) и с сокращенной системой команд (RISC). По первому принципу построены микроконтроллеры таких производителей, как Motorola, Philips, Dallas, часть продукции Atmel. Микроконтроллеры с RISC архитектурой производятся фирмами Microchip, Scenix, Atmel.

Кроме того, у каждого типа микроконтроллера существует свой набор команд: семейство ClassicAVR насчитывают 120 инструкций; система команд микроконтроллеров Motorola семейства HC08 включает 90 инструкций; среднее семейство PIC-контроллеров содержит 35 инструкций. Чем больше инструкций "понимает" процессор, тем меньше получается размер программы, а, следовательно, экономится память программ и увеличивается быстродействие.

...