Микропроцессорный измерительный преобразователь биоэлектрических сигналов (стр. 2 из 4)
Выход буфера АЦП подаёт на встроенный усилитель с программируемым коэффициентом усиления PGA. Диапазон усиления PGA может быть запрограммирован на восемь поддиапазонов однополярных и биполярных входных сигналов. Диапазон PGA устанавливается с помощью бит выбора диапазона в регистре управления основным АЦП ADC0CONSFR. При установленном бите внешнего источника опорного напряжения и его величине VREF=2.5В поддиапазонами входного однополярного напряжения будут: 0мВ-+20мВ, 0мВ-+40мВ, 0мВ-+80мВ, 0мВ-+160мВ, 0мВ-+320мВ, 0мВ-+640мВ, 0В-+1.28В, 0В-+2.56В. Поддиапазоны для биполярных сигналов:±20мВ, ±40мВ, ±80мВ, ±160мВ, ±320мВ, ±640мВ, ±1.28В, ±2.56В. Данные поддиапазоны напряжений являются номинальными, которые должны присутствовать на входе PGA.
Сигма-дельта АЦП обычно состоит из двух основных блоков: аналогового модулятора и цифрового фильтра. Сигма-дельта модулятор даёт поток 1-битных данных (со стабилизирующим прерыванием) на цифровой фильтр. Скважность импульсов в потоке несёт информацию о входном преобразуемом напряжении. Фильтр AduC816 представляет собой низкочастотный фильтр с функцией передачи вида SINC3 или (sinx/x)3, основной задачей которого является подавление шумов квантования, порождаемых модулятором. Поток данных (частота преобразования) и полоса фильтра программируются через регистр фильтра SF.
Как отмечалось, АЦП использует схему стабилизации прерыванием, посредством которой АЦП непрерывно реверсирует, т.е. меняет полярность, свои входы. По этой причине обработанные цифровые слова данных на выходе фильтра содержат включённые компоненты положительного и отрицательного смещения.
В результате, в каждом АЦП содержится оконечный суммирующий каскад с тем, чтобы каждое последующее выходное слово с фильтра суммировалось и усреднялось с предыдущим для получения корректного результата, который и будет записан в SFR данных АЦП.
Прежде чем стать результатом преобразования выходное слово с цифрового фильтра предварительно нормируется на калибровочные коэффициенты.
После аналого-цифрового преобразования сигнал сохраняется в энергонезависимой FLASH/EE памяти. Микроконтроллер осуществляет обработку этого сигнала и результат выводит на внутренний 12-битный ЦАП с выходом в виде напряжения. ЦАП имеет на выходе буферный усилитель напряжения с размахом сигнала от –питания-до-питания, способный управлять нагрузкой 10Ком/100пФ.
8Кбайт FLASH/EE памяти программ располагаются в младших 8К байтах из наличных 64К байтов адресуемой памяти программ, и используются для размещения пользовательского кода типовых приложений. Массив памяти программ можно программировать путём последовательной загрузки через стандартный последовательный порт UART. Если загрузка кода производится с PC, то эта возможность реализуется путём подключения к UARTAduC816 с использованием ИС согласования уровней с RS-232.
В дополнение к подключению через UART пользователь должен иметь средство установить устройство в режим загрузки. Таким средством является подключённый на землю резистор 1Ком, который можно перемычкой соединять с выводом PSEN/. Для установки AduC816 в режим загрузки, необходимо только замкнуть перемычку и «щёлкнуть» питанием(или, если есть ручной сброс, нажать кнопку ручного сброса) и устройство будет готово принять последовательно новую программу. Если перемычку удалить, то устройство возвратится в режим обычной работы, как только выполнится «щелчок» питанием или подастся сигнал RESET.
Принципиальная схема
Для управления входом RESETAduC816 используется внешняя схема управления по выработке сброса при включении питания (POR– poweronreset). Схема должна удерживать контакт RESET в высоком состоянии до тех пор, пока источник питания (DVDD) имеет напряжение ниже 2.5В. Более того, VDD должно оставаться выше 2.5В в течение, по крайней мере 10мс, до снятия сигнала RESET, в течение этого времени напряжение источника питания должно установиться на уровне не менее 2.7В. внешняя схема PORдолжна оставаться работоспособной до напряжения питания 1.2В или менее.
Указанным выше требованиям удовлетворяет специально разработанная для этой цели ИС PORADM810 с высоким активным уровнем в корпусе SOT-23 от AnalogDevices.
Номинальная частота микроконтроллера 8051 – 12.58 МГц. Тактовая частота для AduC816 получается с помощью встроенной системы ФАПЧ, умножающей частоту 32768КГц в 384 раза. Данная частота создаётся внутренним генератором. Для запуска внутреннего генератора необходимо установить кварцевый резонатор 32768КГц между выводами XTAL1 и XTAL2. Для случая типового подключения кристалла уже имеются два внутренних конденсатора по 12 пФ. Вследствие этого во многих случаях дополнительных внешних конденсаторов не требуется.
Возможность загрузки кода с РС реализуется путём подключения к UARTAduC816 ИС ADM202.
AVDD=+2.7B до +3.6B или +4.75В до +5.25 Вж
DVDD=+2.7В до +3.6В или +4.75В до +5.25В;
REFIN(+)=+2.5B; REFIN(-)=AGND;
AGND=DGND=0B;
Аналитическое описание алгоритма вычислений
Имитационное моделирование стохастических систем основано на реализации алгоритмов, воспроизводящих процесс функционирования системы во времени. При этом имитируются элементарные явления, составляющие процесс. Как правило, эти явления носят случайный характер, что и определяет необходимость получения случайных чисел. При этом имеется в виду два основных аспекта имитационного моделирования с применением вычислительных машин :
- необходимость генерирования с помощью специальных программных средств равномерно распределенных псевдослучайных чисел;
-использование этих случайных чисел для программной генерации случайных величин с требуемыми параметрами и характеристиками.
Базовым генератором для получения последовательностей случайных чисел, является генератор равномерно распределенной случайной величины на интервале (0,1). Такая непрерывная случайная величина Х имеет функцию распределения
и функцию плотности распределения вероятности
Датчик случайных чисел, основанный на использовании алгоритма Лемера, является частным случаем линейного метода (наиболее широко применяемый в настоящее время программный генератор равномерно распределенных чисел):
где
, а также получаемые случайные числа 
являются целыми числами. Образование равномерно распределенных чисел на интервале (0,1) реализуется с помощью выражения 
и полагая, что
получаем 
В алгоритме Лемера задаются два соответствующим образом подобранных целых числа: множитель a и модуль m. Последовательность случайных чисел вычисляется следующим образом.
1) Число
известно с предыдущего шага. Вычисляется произведение 
.2) Число
делится на m. Получается целое число и целочисленный остаток 
, что можно представить в виде: 
3) Так как
является числом между 0 и m, то нужно его еще раз разделить на m, чтобы получить число между 0 и 1 , то есть 
Последовательность случайных чисел, полученные мультипликативным методом, периодически повторяются.
Наиболее часто встречающимся видом распределения является нормальное распределение. В связи с этим при моделировании различных явлений возникает потребность иметь в распоряжении последовательность случайных чисел, отвечающих нормальному закону распределения с функцией плотности
где m- математическое ожидание,
σ- среднеквадратичное отклонение.
Случайная величина с нормальным распределением N(0,1) может быть реализована с помощью классических общих методов моделирования. Кроме этих методов разработаны специальные методы, позволяющие получать с большой скоростью достаточно длинные последовательности случайных чисел, отвечающих нормальному закону распределения N(µ,σ2) с математическим ожиданием m=µ и дисперсией D= σ2. Реализация выполняется в два этапа:1) Выполняют реализацию случайной величины с плотностью N(0,1):x1,x2,…,xn;
2) При помощи линейного преобразования
получают последовательность случайных чисел, отвечающих распределению N(µ,σ2): у1,у2,…,уn.