SoundCardScientificKit - засіб цифрової обробки та генерації сигналів звукової та ультразвукової частоти для навчально-дослідницької роботи

Размещено на http://www.allbest.ru/

SoundCardScientificKit - засіб цифрової обробки та генерації сигналів звукової та ультразвукової частоти для навчально-дослідницької роботи

Винник Олександр Федорович, старший викладач; Комісова Тетяна Євгенівна, кандидат біологічних наук, доцент; Кратенко Роман Іванович, кандидат біологічних наук, доцент Харківський національний педагогічний університет імені Г.С. Сковороди

Анотація

Проаналізовано найбільш розповсюджене безкоштовне та умовно безкоштовне програмне забезпечення для аналізу та генерації звукових сигналів, робота якого ґрунтується на використанні АЦП (аналогово-цифровий перетворювач) та ЦАП (цифро-аналоговий перетворювач) звукової карти комп'ютера. Показано, що практично відсутнє вітчизняне україномовне програмне забезпечення для роботи з АЦП та ЦАП звукової карти.

На кафедрі хімії та фізики ХНПУ ім. Г.С. Сковороди розробляється програмно-методичний комплекс SchoolKit (ПМК), одним із застосунків якого є SoundCardScientificKit.

Він включає аналізатор звукових сигналів, генератор сигналів спеціальної форми та спектрометр-частотомір. Даний програмний засіб є універсальний. Тому може бути застосований, як в науково-дослідницькій роботі, так і для демонстрації фізичних, явищ, що пов'язані зі звуковими або електричними коливаннями низької частоти від 20 до 20000 Гц. Описано основні функції та інтерфейс застосунку SoundCardScientificKit.

Проведено тестування генератора сигналів спеціальної форми додатку SoundCardScientificKit із застуванням звукової карти Realteck High Definition Audio. Показано, що відтворення запрограмованої частоти відбувається з високою точністю.

Проаналізовано принципові схеми підсилювачів потенціалів що використовувалися при розробці електрокардіографів, міографів тощо. Розроблено просту схему підсилювача біопотенціалів на основі трьох мікросхем TL082, що включає високоефективний фільтр перешкод частотою 50Гц. Показано, що даний підсилювач може бути використаний для отримання ЕКГ (електрокардіограми).

Особлива увага звертається на екологічні аспекти творчої діяльності учнів. Пропонується при розробці електронних пристроїв, за можливістю, використовувати техніку, що потребує утилізації. Повторне використання непридатної до застосування за своїм призначенням техніки, не тільки знімає проблеми пов'язані з її переробкою, а й дозволяє учням ознайомитись із принципами її роботи та конструктивними особливостями.

Ключові слова: SchoolKit, SoundCardScientificKit звукова карта, осцилограф, генератор, біопотенціали, електрокардіограф, TL082, STEM.

Abstract

The authors analyse the most common free and shareware software for analysis and generation of sound signals, which is based on the use of ADC (analogue-to-digital converter) and DAC (digital-to-analogue converter) of a computer sound card. With the accordance to the present paper, there is practically no domestic Ukrainian-language software for working with ADC and DAC sound cards.

The authors propose to use affordable personal mobile cardiographs, both for the study of biopotentials and the processing of other low-frequency signals.

The staff of Chemistry Department of G.S. Skovoroda KhNPU has been developing a software and methodological complex of SchoolKit, one of the applications of which is called SoundCardScientificKit. It includes an audio signal analyzer, a special shape signal generator, and a frequency spectrometer. This software is universal and widely used. Therefore, it can be used both in research, and to demonstrate physical phenomena associated with sound or electrical oscillations of low frequency from 20 to 20,000 Hz. The main functions and interface of the SoundCardScientificKit software are described.

The authors conducted testing the special form signal generator of the SoundCardScientificKit application with Realteck High Definition Audio sound card. The results showed the reproduction of the programmed frequency to be occuring with high accuracy.

The principle circuits of potential amplifiers used in the development of electrocardiographs, myographs, etc., were analyzed.

A simple circuit of the biopotential amplifier based on three TL082 chips has been developed, which includes a high-efficiency noise filter with a frequency of 50 Hz. The paper shows this amplifier to have been used to obtain an ECG (electrocardiogram).

Particular attention is paid to the environmental aspects of the creative activity of students. The authors suggest that, when developing electronic devices, if possible, one can use the equipment that requires disposal. Reusing unusable equipment not only removes the problems associated with processing, but also allows students to learn about the principles of operation and design features.

Keywords: SchoolKit, SoundCardScientificKit, sound card, oscilloscope, generator, electrocardiograph, TL082, STEM.

Постановка й обґрунтування актуальності проблеми

STEM освіта неможлива без цифрових лабораторій та вимірювальних комплексів. Проте, у більшості навчальних закладів виникають складності з придбанням такого обладнання, що обумовлено його високою вартістю.

Як показує світовий досвід, альтернативою дорогим ґаджетам можуть стати смартфони, комп'ютери, побутова комп'ютерна периферія, робочі модулі зіпсованої або застарілої техніки, тощо. Для цього необхідна інформаційна підтримка та відповідне програмне забезпечення. Крім того, повторне застосування техніки непридатної для використання за призначенням знімає проблеми пов'язані з її утилізацією.

На сьогоднішній день не існує вітчизняного україномовного програмного забезпечення для роботи з АЦП та ЦАП звукової карти. Розробка ПМК SchoolKit, та зокрема додатку SoundCardScientificKit дозволяє розширити можливості типового обладнання STEM лабораторій [1] з мінімальними фінансовими вкладеннями або й взагалі безкоштовно. Додаток SoundCardScientificKit дозволяє перетворити звичайний комп'ютер на осцилограф, частотомір, генератор сигналів спеціальної форми, вимірювач біопотенціалів.

Метою проєкту SoundCardScientificKit є розробка вітчизняного навчального програмного забезпечення і периферії для візуалізації, обробки та генерації низькочастотних сигналів. Завдання:

- аналіз безкоштовного та умовно безкоштовного програмного забезпечення для роботи з АЦП та ЦАП звукової карти призначеного для створення віртуальних осцилографів, аналізаторів спектру, частотомірів, кардіографів, генераторів сигналів;

- ознайомлення з бюджетними мобільними цифровими кардіографами;

- розробка підсилювача біопотенціалів;

- ознайомлення із застосунком SoundCardScientificKit програмно-методичного комплексу SchoolKit.

- валідація комп'ютерного генератора сигналів спеціальної форми програмного засобу SoundCardScientificKit.

Обладнання: цифровий осцилограф Hantek 6022BE, частотометр-хронометр Ф5041, ноутбук Acer Extensa 52201G08MI зі звуковою картою Realteck High Definition Audio, USB звукова карта 3D SOUND USB.

Аналіз останніх досліджень і публікацій

Звукові карти (адаптери) містять швидкісні АЦП (аналого-цифрові перетворювачі) та ЦАП (цифро-аналогові перетворювачі), які можуть бути використані при розробці дешевих навчальних генераторів сигналів, осцилографів, кардіографів [2], міографів та стимуляторів м'язової діяльності [3, 4], частотомірів, мультиметрів [5], магнетометрів [6], тощо.

Програмне забезпечення для використання АЦП та ЦАП звукової карти в навчально-дослідницькій роботі. Персональний комп'ютер легко перетворити на осцилограф чи генератор. Можна купити або виготовити периферійне обладнання для комп'ютера та встановити відповідне програмне забезпечення. Але ці способи потребують суттєвих фінансових вкладень. Другий спосіб практично безвитратний; у ПК, як правило, вже є АЦП і ЦАП - звукова карта. Використовуючи її можна комп'ютер легко перетворити в простий низькочастотний осцилограф, частотомір, аналізатор спектру, генератор сигналів спеціальної форми тільки установкою програмного забезпечення. Для цього навіть не потрібно застосування потужного комп'ютера для обробки потоків даних, достатньо навіть мати ПК із одноядерним процесором 1,6-2МГц. Якщо за якоюсь із причин не можна задіяти звукову карту комп'ютера або вона відсутня, то можна використати USB звукову карту. Розроблено достатньо велику кількість таких додатків. Вони можуть бути безкоштовними, умовно безкоштовними (табл.1.) та платними.

Таблиця 1 Програмне забезпечення для роботи з ЦАП та АЦП звукової карти

Клас ЦАП включає генератор сигналів спеціальної форми (рис. 2), засоби обробки сигналу (віртуальний осцилограф та спектрометр -частотомір). Генератор дозволяє отримувати синусоподібні, пилоподібні, трикутні, імпульсні сигнали різної частоти, а також записувати їх до *.wav файлу. Генератор працює, як в режимі моно, так і стерео. Для кожного з каналів може бути запрограмований окремий сигнал різної частоти та форми. Віртуальний пристрій дозволяє змінювати частоту та амплітуду сигналу в ручному режимі під час генерації.

Слід зауважити, що при генерації сигналів не синусоїдальної форми спотворення можуть бути суттєвими (рис. 3).

Для встановлення валідності частотних характеристик сигналів програмували звукову карту на відтворення сигналів синусоїдальної форми з різними частотами при різних частотах дискретизації. Кожні 30 сек вимірювали частоту за допомогою частотометра-хронометра, період вимірювання 10 с. Як видно з табл. 2, частотні характеристики запрограмованого сигналу практично не відрізняються від реально відтворюваних звуковою картою.

Рис. 2. Інтерфейс ПЗ SoundCardScientificKit. Вікно генератора.

І-ше відведення; режим звукової карти моно, 16 біт, частота дискретизації 44100Гц; усереднення по 368 точках.

Для полегшення обробки даних передбачено визначення амплітуди та величини сигналу шляхом виділення фрагменту на графіку. Частотні характеристик ЕКГ можуть вивчатися з використанням вікна «Спектр (АЦП)».

Ураження електричним струмом практично неможливе при використанні цього пристрою. Так, як входи операційного підсилювача підключені через опори в 10 кОм, вихід захищений від високої напруги діодами Шотки. Але рекомендуємо дотримуватись правил техніки безпеки: використовувати ноутбук із живленням від батареї, або використовувати USB звукову карту та застосувати USB ізолятор з гальванічною розв'язкою.

Важливою задачею даного проєкту є повторне застосування техніки, яка потребує утилізації. Тому більша частина деталей, що використані в пристрої, отримані із пристроїв що вийшли з ладу: іоннолітієві елементи із неробочої батареї ноутбуку, корпус пристрою із старого CD-приводу (рис.13), опори та конденсатори із плат, які повинні були бути утилізовані.

Рис.13. Будова вимірювача біопотенціалів: 1 - корпус; 2 - електроди (а- права рука, б - ліва рука, в - права нога); 3 - плата підсилювача; 4 - плата фільтру; 5 - іонно-літієва батарея; 6 - вимикач, 7 - лінійний вихід, 8 - USB звукова карта.

soundcardscientifickit звуковий карта підсилювач

Висновки та перспективи подальших досліджень

Розвиток STEM освіти в Україні стримується, як недостатньою кількістю технічного оснащення (особливо в сільських закладах середньої освіти), так і відсутністю спеціалістів здатних його ефективно використовувати. Зараз практично не виробляється вітчизняна комп'ютерна периферія навчального призначення. Зарубіжні комп'ютерні навчальні лабораторії мають високу вартість, а тому часто недоступні окремим користувачам і навчальним закладам. У таких умовах раціонально застосовувати у STEM навчанні безкоштовні програмні засоби, модулі застарілої або зіпсованої техніки. Так, в якості осцилографа, частотоміра, аналізатора спектру можна використати АЦП звукової карти комп'ютера та безкоштовне програмне забезпечення Soundcard Scope, Visual Analyser, AUDio MEasurement System тощо. В комплексі із підсилювачем звукових сигналів такі засоби дозволяють вивчати електрокардіограми та інші біопотенціали. В якості генераторів сигналів спеціальної форми можна застосувати ЦАП звукової карти та відповідне програмне забезпечення.

Кількість застосунків, що мають україномовний інтерфейс обмежена. Тому виникає необхідність підготовки фахівців які б могли розробляти вітчизняне програмне забезпечення навчального призначення і периферію до нього.

На кафедрі фізики і хімії ХНПУ імені Г.С.Сковороди розробляється програмно-методичний комплекс SchoolKit з україномовним інтерфейсом. Програмний засіб SoundCardScientificKit, що входить до цього комплексу, може бути взятий за основу для розробки навчальних комп'ютерних осцилографів, кардіографів, генераторів сигналів спеціальної форми тощо.

У перспективі подальших досліджень планується:

1. Розробка мультимовного інтерфейсу для програмного засобу SoundCardScientificKit.

2. Удосконалення файлу допомоги.

3. Розробка та валідація периферії.

4. Розробка модуля генератора для програмування сигналів невизначеної форми (форма сигналу програмується користувачем).

5. Популяризація програмного засобу.

6. Підготовка вихідного коду до публікації.

7. Написання методичних рекомендацій по використанню застосунку.

8. Розробка STEM проєктів із використання застосунку SoundCardScientificKit та вивчення їх впливу на пізнавальну активність студентів та учнів.

Список використаних джерел

1. Верховна Рада України. МОН України. 2020. МОН України. Наказ № 574 Про затвердження Типового переліку засобів навчання та обладнання для навчальних кабінетів і STEM-лабораторій.

2. Klaper M. Medical signal processing on a PC. Elektor, 2006, №10. P. 42-47.

3. Crisp K.M., Lin H., Prosper I. Breadboard amplifier: Building and using simple electrophysiology equipment. 2016. s.l.: Davison College, 2016, Journal of Undergraduate Neuroscience Education, Vol. 14, pp. 124-131.

4. Monroy M., Miguel H., Martinez-Mendez R. Low cost electromyogram and electrical muscle stimulator. Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2016. Vols. 2016- August, pp. 184-187. Conference of 13th International Conference on Power Electronics, CIEP 2016; Conference Date: 20 June 2016 Through 23 June 2016; Conference Code:123197.

5. Klaper M. 2-Pound RLC Meter impedance measurement using a sound card. Elektor, 2008, №6. P. 64-68.

6. Sankhi B.R., Turgut E.A low-cost vibrating sample magnetometry based on audio components. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Vol. 502.

7. Amirullah N.A., Rahmat S.B., Dzulkarnain A.A., et al. Calibrating different sounds for sound therapy: A general guide. 2022. 2022, Medical Journal of Malaysia, Vol. 77, pp. 1219.

8. Patel B. N., Shah D. N. Evaluating ECG Capturing Using Sound-Card of PC/Laptop // International Journal of Instrumentation and Control Systems (IJICS) Vol.4, No.1, January 2014. - P.11-32.

9. S.A. Raza Naqvi, S.R. Khan, W. Hassan, and C. Yi. Portable Low Cost Electrocardiogram Ambulatory Support System For Cardiologists // 2012 IEEE Global High Tech Congress on Electronics.

10. K. Maheshkumar, K. Dilara, K.N. Maruthy, L. Sundareswaren. Validation of PC-based sound card with Biopac for digitalization of ECG recording in short-term HRV analysis. 2016. July 2016, North American Journal of Medical Sciences, Vol. 8, 2016. July 2016, pp. 307-311.

11. C. Herrera, A. Moreno, K. Chavez, L. Nino De Rivera and V. Ponomaryov, Acquisition and processing of ERG signals // Conference of 2010 2nd Circuits and Systems for Medical and Environmental Applications Workshop, CASME 2010. Merida, 2010.

12. Spinelli E.M., Pallas-Areny R., Mayosky M.A. AC-coupled front-end for biopotential measurements // IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2003, Vol. 50, P. 391-395. 182.

13. Умный кардиограф KardiaMobile EKG.

14. Кардиограф KardiaMobile 6L.

15. Винник О.Ф., Комісова Т.Є., Кратенко Р.І. Розробка програмно-методичного комплексу SchoolKit. Відкрите освітнє е-середовище сучасного університету. - №11. С. 32-48.

16. TL082 Wide Bandwidth Dual JFET Input Operational Amplifier. Literature Number: SNOSBW5B. Texas Instruments Incorporated, 2011. 16 p.

References (translated and transliterated)

1. Verkhovna Rada Ukrajiny. MON Ukrajiny (2020). Nakaz №574 Pro zatverdzhennja Typovogho pereliku zasobiv navchannja ta obladnannja dlja navchaljnykh kabinetiv i STEM-laboratorij.

2. Klaper M. Medical signal processing on a PC. Elektor. 2006, №10. P. 42-47.

3. Crisp K.M., Lin H., Prosper I. Breadboard amplifier: Building and using simple electrophysiology equipment. Journal of Undergraduate Neuroscience Education. 2006. Vol.14. P. 14 124-131.

4. Monroy M., Miguel H., Martinez-Mendez R. Low cost electromyogram and electrical muscle stimulator. Conference of 13th International Conference on Power Electronics, CIEP. 2016. P. 184-187.

5. Klaper M. Mathis H. 2-Pound RLC Meter impedance measurement using a sound card. Elektor. 2008. №6. P. 64-68.

6. Sankhi B.R., Turgut E. A low-cost vibrating sample magnetometry based on audio components. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. Vol. 502.

7. Amirullah N.A., Rahmat S.B., Dzulkarnain A.A., et al. Calibrating different sounds for sound therapy: A general guide. Medical Journal of Malaysia. 2022. Vol. 77. P. 12-19.

8. Patel B., Dan Shah D. (2014). Evaluating ECG Capturing Using Sound-Card of PC / Laptop. International Journal of Instrumentation and Control Systems IJICS, 4(1), (pp. 1132).

9. S.A. Raza Naqvi, S.R. Khan, W. Hassan, C.Yi. Portable Low Cost Electrocardiogram Ambulatory Support System For Cardiologists. 2012 IEEE Global High Tech Congress on Electronics.

10. K. Maheshkumar, K. Dilara, K.N. Maruthy, L. Sundareswaren. Validation of PC-based sound card with Biopac for digitalization of ECG recording in short-term HRV analysis. North American Journal of Medical Sciences. 2016, Vol. 8. P. 307-311. ISSN: 2250-1541.

11. C. Herrera, A. Moreno, K. Chavez, L. Nino De Rivera, and V. Ponomaryov, Acquisition and processing of ERG signals. Conference of 2010 2^d Circuits and Systems for Medical and Environmental Applications Workshop. 2010.

12. Spinelli E.M., Pallas-Areny R., Mayosky M.A. AC-coupled front-end for biopotential measurements. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 2003. Vol. 50. P. 391-395.

13. Umnyj kardiograf KardiaMobile EKG.

14. Kardiograf KardiaMobile 6L.

15. Vynnyk O.F., Komisova T.Je., Kratenko R.I. (2021).Rozrobka proghramno-metodychnogho kompleksu SchoolKit. Elektronne naukove fakhove vydannja “Vidkryte osvitnje e-seredovyshhe suchasnogho universytetu”, (11), 32-48.

16. TL082 Wide Bandwidth Dual JFET Input Operational Amplifier. Literature Number: SNOSBW5B. Texas Instruments Incorporated, 2011.

Размещено на Allbest.ru