CC BY
105
УДК 619:616-073 С.И. Юран
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ФОТОПЛЕТИЗМОГРАФ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ ЖИВОТНЫХ
В статье описан разработанный на современной элементной базе автоматизированный фотоплетизмограф, предназначенный для исследования сосудистой системы человека и животных. После предварительного просмотра с помощью графического дисплея пульсовых кривых прибор позволяет регистрировать во внутреннее энергонезависимое ОЗУ емкостью 2 Мб более 250 фотоплетизмограмм в течение 25 минут.
Современная промышленная технология животноводства требует внедрения автоматизированных средств диагностики физиологического состояния животных, особенно на субклинических стадиях заболеваний. Одним из методов, позволяющих объективно оценить состояние сердечно-сосудистой системы, является метод фотоплетизмографии [1-3], основанный на регистрации пульсовых кривых.
В работе рассмотрен автоматизированный фотоплетизмограф, позволяющий оперативно снимать и анализировать пульсовые кривые, параметры которых объективно отражают состояние сосудистой системы биологического объекта.
Структурная схема прибора приведена на рис.1.
Рис. 1. Структурная схема фотоплетизмографа
Рассмотрим принцип действия прибора. Сформированный генератором 1а микроконтроллера 1 сигнал опорной частоты (меандр, Ц=4 кГц) поступает через усилитель тока 2 на излучатель 3 (инфракрасный светодиод). Отразившись от внутренних слоев биологической ткани исследуемого объекта 14, модулированный кровотоком, обусловленным работой сердца, световой поток поступает на фотоприемник 4, преобразуясь в модулированный электрический сигнал. Далее сигнал с фотоприемника поступает в усилительный тракт, первым каскадом которого является преобразователь ток-напряжение 5 на основе инвертирующего операционного усилителя. В этом каскаде производится ступенчатая регулировка коэффициента преобразования (4 ступени: 1 В/мкА; 0,5 В/мкА; 0,3 В/мкА; 0,25 В/мкА). Это позволяет подключать на вход каскада фотоприемники с различными значениями фототока (1ф=1...30 мкА), а также осуществлять регулировку динамического диапазона входного сигнала. В цепи обратной связи параллельно переключаемым резисторам включен конденсатор, ограничивающий полосу пропускания усилителя выше частоты генератора Ц.
Далее сигнал через RC-фильтр верхних частот поступает в буферный усилитель 6. В этом каскаде сигнал приводится к биполярной форме и затем поступает на синхронный детектор 7, где происходит его детектирование и далее сглаживание активным фильтром нижних частот (ФНЧ) 8. На выходе ФНЧ образуется полезный сигнал постоянного тока (рис. 2), состоящий из постоянной составляющей ио, обусловленной общим кровенаполнением и пульсовой составляющей и„, связанной с работой сердца. С выхода ФНЧ сигнал (фактически сигнал суммарного кровотока (ССК)) поступает на вход встроенного в микроконтроллер аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 1Ь и на вход регулируемого усилителя 9, где происходит выделение и усиление переменной составляющей сигнала фотоплетизмограммы (рис.3). Регулируемый усилитель 9 представляет собой инвертирующий усилитель с девятью ступенями регулировки коэффициента усиления
(ку = 1.200). С выхода этого усилителя 9 сигнал поступает на АЦП микроконтроллера, где оцифровывается и обрабатывается.
Аналогово-цифровая система, встроенная в микроконтроллер, включает в себя 10-разрядный АЦП, схему выборки-хранения, а также подключенный к входу АЦП мультиплексор. При этом поступающие на входы АЦП аналоговые сигналы обрабатываются последовательно во времени. Сначала анализируется сигнал с выхода ФНЧ, а затем с выхода регулируемого усилителя 9. По сигналу с выхода ФНЧ устанавливается коэффициент преобразования входного усилителя, определяется наличие подключения датчиков, измеряется общий уровень сигнала ССК для последующего вычисления коэффициента модуляции сигнала, и, кроме того, данный сигнал используется для калибровки синхронного детектора.
Сигнал с выхода регулируемого усилителя служит для установки коэффициента усиления этого усилителя, вычисления частоты пульса, вычисления коэффициента модуляции км, который определяется по формуле км=ит/ио (см. рис.2) и отражает степень кровенаполнения тканей. Коэффициент модуляции вычисляется с учетом текущих коэффициентов усиления усилителей 5 и 9 и служит для сравнительного анализа фотоплетизмограмм как одного животного, так и различных животных. Оцифрованный сигнал непосредственно отображается на инди-
каторе 12, передается в ЭВМ 15 или запоминается во встроенном энергонезависимом ОЗУ 10.
Приведем основные функции микроконтроллера по управлению и цифровой обработке сигнала:
- формирование сигнала опорной fen и коммутирующей f частот, равных по значению, но с программно регулируемой фазой между ними. При этом частота fоп используется как несущая для модулирования светового потока излучателя, а частота f - для коммутации ключевого синхронного детектора;
- управление коэффициентами передачи усилителей 5 и 9 (двухступенчатая автоматическая регулировка усиления);
- обеспечение аналогово-цифровой обработки сигнала;
- управление работой энергонезависимого ОЗУ 10;
- обеспечение ввода - вывода информации через адаптер 11 в ЭВМ, а также вывод информации на индикаторные устройства 12;
- обеспечение ввода команд с пульта управления 13.
Управление осуществляется с помощью клавиш: «^, ^, |, | (организация выбора) и start, stop. На-
жатие клавиши «start» активизирует действие, «stop» - останавливает работу, а затем возвращает на предыдущую позицию.
Прибор собран на современной элементной базе. В аналоговой части применены микросхемы операционных усилителей фирмы Burr-Brown - OPA 2337, OPA 4340. Их отличает низкое однополярное напряжение питания (2,5...5,5 В), высокое входное сопротивление (1013 Ом), малый входной ток (±0,2.10 pA), высокие входное и выходное напряжения (0...ипит - функция Rail-To-Rail). В выходном каскаде применен операционный усилитель NJM 3414В с высоким выходным током (1вых=70 мА). В качестве аналоговых ключей, ис-
U
0
Рис. 2. Сигнал на выходе фильтра нижних частот
Рис 3. Сигнал на выходе регулируемого усилителя 9
пользуемых для выбора коэффициентов усиления в первом и последнем каскадах усилительного тракта, применены микросхемы 74HC4066 и 74HC4051.
В приборе использованы 8-разрядный микроконтроллер ATmega-16 и энергонезависимое запоминающее устройство Data Flash AT45DB161B фирмы ATMEL. Адаптер RS-232 реализован на микросхеме MAX 232. Для визуального контроля записываемых фотоплетизмограмм использован графический дисплей типа МТ-12232В, а для отображения информации управления и параметров фотоплетизмограмм - знакосинтезирующий ЖКИ дисплей типа DV-16236 фирмы Data Vision.
Малые размеры платы и корпуса прибора обусловлены малыми габаритами большинства используемых элементов, рассчитанных для поверхностного монтажа (типы корпусов: SOIC, TQFP, SMD).
При написании программы для микроконтроллера использовалась графическая среда разработки программного обеспечения для микроконтроллеров с архитектурой AVR "Algorithm Builder V481”. Данная среда обеспечивает полный цикл разработки, начиная от ввода алгоритма, включая отладку, и заканчивая внутрисхемным программированием кристалла. Программное обеспечение для компьютера разработано в Borland Delphi 7 [4].
Разработанная система имеет следующие технические характеристики:
1. Обеспечивает формирование выходного аналогового сигнала пульсового кровенаполнения, его преобразование в цифровой вид, накопление полученных данных в собственном энергонезависимом ОЗУ с последующей передачей их в ЭВМ, а также отображает на собственном индикаторе частоту пульса и коэффициент модуляции входного сигнала; настройка на сигнал - автоматическая и ручная; обеспечивает звуковую сигнализацию пульса, выводит фотоплетизмограмму на графический дисплей.
2. Частотный диапазон усилительного тракта 0,25-40 Гц.
3. Максимальный коэффициент усиления 106 дБ.
4. Максимальный диапазон аналогового выходного сигнала от 0 до +5 В.
5. Диапазон определения частоты пульса - 30-300 уд./мин.
6. Разрешение оцифрованного сигнала - 8-10 бит (в зависимости от уровня сигнала).
7. Частота дискретизации ^ аналогового сигнала 100-1000 Гц.
8. Емкость внутреннего энергонезависимого ОЗУ - 2 Мб. Время записи сигнала - не менее 25 мин (при f, = 1000 Г ц). Количество записей - 255. Время одной записи от 5 с.
9. Скорость передачи информации в ЭВМ 57600; 115200 бод. Возможность полного управления от ЭВМ.
10. Напряжение питания от аккумуляторной батареи 7-12 В; потребляемый ток не более 250 мА.
11. Время установления рабочего режима - не более 20 с. Время настройки на сигнал 10-20 с.
12. Габариты: 110Ч105Ч40, масса - не более 0,4 кг.
На рис. 4, а, б приведены фотоплетизмограммы, снятые с соска вымени коровы до и после машинной
дойки.
VS-PPG
! 1 /\' :Г\ \ ■ ; / \ ! ! ! гЛ ! / £ 1
i! J V jl Ц: [ \ Ц V ; J К ] 1 jt I V I 1
—г V/" .... - -W|- — -| - V- - "V
О 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500
___________________________________________________________________________________________________________Time______________________________________________________________________________________________________________
а
Рис. 4. Фотоплетизмограммы, снятые с основания соска вымени коровы до и после дойки
Разработанный фотоплетизмограф может найти применение при проведении массовых профилактических осмотров и мониторинге состояния сердечно-сосудистой системы животных. Упрощенный вариант прибора может устанавливаться на доильной установке [5] в качестве составной части диагностической системы контроля физиологического состояния животных, информация с которой поступает на персональный компьютер фермы. Еще одной областью применения рассмотренного прибора может быть терапия сельскохозяйственных животных. При этом на основе анализа параметров записанных фотоплетизмограмм можно обоснованно и объективно назначать режимы физиопроцедур, использующих воздействие на организм различных физических полей.
Литература
1. Юран, С.И. Применение метода фотоплетизмографии в животноводстве / С.И. Юран // Техника в сельском хозяйстве. - 2000. - № 1. - С. 16-19.
2. Жигалов, В.А. Оптодиагностика сосудистой системы сельскохозяйственных животных / В.А. Жигалов, С.И. Юран // Докл. Россельхозакадемии. - 2001. - № 3. - С. 50-53.
3. Алексеев, В.А. Проектирование устройств регистрации гемодинамических показателей животных на основе метода фотоплетизмографии: моногр. / В.А. Алексеев, С.И. Юран. - Ижевск, 2006. - 248 с.
4. Свидетельство «Об официальной регистрации программы для ЭВМ». №2005611184. Регистрация фотоплетизмограмм / В.А. Алексеев, С. Хамдан, А.А. Дюпин, С.И. Юран // Бюл. Пр. ЭВМ, БД, ТИМС. - 2005. -№3 (52).
5. Юран, С.И. Измерение параметров фотоплетизмограмм с вымени коров во время дойки / С.И. Юран // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2006. - № 10. - С.17-19.
----------♦------------
УДК 631.3 Н.И. Селиванов, Н.В. Кузьмин
ТЯГОВО-СЦЕПНЫЕ СВОЙСТВА ГУСЕНИЧНЫХ ТРАКТОРОВ
В статье приведены результаты экспериментальных исследований тягово-сцепных свойств гусеничных тракторов, которые позволили обосновать наиболее рациональные режимы их работы в составе почвообрабатывающих комплексов.
По результатам эксплуатации и лабораторно-полевых испытаний установлены основные рабочие передачи (1-111) гусеничного кл. 4 трактора ВТ-150 в составе почвообрабатывающих комплексов, обеспечивающие диапазон тяговых усилий от 27 до 50 кН при скоростях движения 2,67-1,66 м/с и тяговой мощности 72-83 кВт. Определяются режимы рабочего хода в основном загрузкой двигателя, тягово-сцепными свойствами трактора на основных фонах и колебаниями внешней нагрузки, параметры распределения которой соответствуют УР = 0,05 - 0,07 при частоте основного энергетического спектра /а = 1,9 - 2,5 с-1.
По результатам планирования лабораторно-полевых экспериментов получены усредненные значения коэффициентов а и в параметрического уравнения регрессии, связывающего фактор воздействия
а 'фк
ф = (Р / ОЭ) с показателем буксования 8 =--------— при установленных значениях коэффициента
в-ф
сопротивления перекатыванию трактора 1 на различных фонах (табл. 1).
Таблица 1
Усредненные значения коэффициентов уравнения буксования и сопротивления перекатыванию
Фон а в Фк тах
Стерня 0,010331 0,785118 0,730 0,08
Пар 0,019765 0,799273 0,675 0,10
Поле, подготовленное под посев 0,02284 0,691352 0,595 0,12
