Для оценки вычислительной сложности алгоритма  применим метод, в основу которого положено разбиение алгоритма на группы простых операций:

    ПА  – подалгоритм проверки на достоверность;

    ПЦ – операции подготовки циклов;

    В – операция вычисления;

    КЦ – операция конца циклов;

    СР  – операция сравнения;

    Для получения цепочки операций, заменим  вершины алгоритма расчета ЧСС (с учетом подалгоритмов проверки на достоверность и поисков пика) на вершины, характеризующие группы операций. Данная цепочка представлена на рисунке 3.7. 

 

 Рисунок 3.7 – Граф-схема вычислительных операций

    Для данной граф схемы суммарная вычислительная сложность будет равна: 

. 

    Подставляя  M = 16 и n = 1024 и число нормированных числовых операций N_i имеем: 

    N_ПА = 4,

    N_ПЦ = 3;

    N_КЦ = 2;

    N_СР = 3;

    N_В1 = 5;

    N_В2 = 5;

    N_В3 = 16;

    N_В4 = 4;

    N_В5 = 5;

    N_В6 = 13;

    N_В7 = 1;

    N_В8 = 5;

    N_В9 = 1; 

    N ≈ 700 000 норм. операций. 

    После завершения расчетов количества нормированных  операций появляется возможность для  расчета времени, необходимой для  выполнения одной нормированной  операции [5]: 

     , 

    где  T – время отведенное для решения задачи на шаге;

N_j – количество операций j-го типа в самой длинной ветви

          программы;

bj – количество нормированных операций, выполняемых за время

         выполнения  j-й операции;

с – количество тактов для одной  нормированной операции. 

    Подставляя  в формулу b = 1 и c = 1: 

     . 

    Из  этого значения можно высчитать  минимальное число операций микроконтроллера в секунду, необходимую для успешного  выполнения алгоритма: 

        MIPS. 
 
 
 
 
 
 

 

4 Проектирование структуры СОФПГ

4.1 Выбор датчиков  системы СОФПГ

    Вначале необходимо определить баланс погрешностей для разрабатываемой системы СОФПГ [7]: 

     . 

где – заданная в ТЗ предельно допустимая относительная приведенная погрешность системы, – предельно допустимая относительная приведенная трансформированная погрешность, – предельно допустимая относительная приведенная инструментальная погрешность.

    В данной системе мониторинга ФПГ-сигнала  отсутствует методическая погрешность, т.к. ФПГ-данные перед отправкой на ПК не подвергаются математической обработке.

    Заданная  в ТЗ предельно допустимая относительная приведенная погрешность СОФПГ составляет .

    Для выбора датчика необходимо задать баланс между трансформированной и инструментальной погрешностями. Выберем коэффициент α = 0.9, такой что: 

         

    Трансформированная  погрешность системы СОФПГ равна: 

     , 

    Для системы К_Тр = 1, поэтому: 

     . 

    Таким образом, для данного устройства необходимо применять фотодиоды  с относительной приведенной погрешностью не более 0.9%.

    В настоящее время большинство  фотоплетизмографов комплектуются  различными датчиками: пальцевыми, ушными, гибкими и т.д. Они отличаются формой, размерами, областью применения (для взрослых или детей), используемыми излучателями и приемником излучения. Однако построены все датчики примерно по одному принципу для всех фотоплетизмографов, работающих «на просвет» (трансмиссионные датчики).

          К излучающим диодам, используемым в фотоплетизмографах, предъявляются следующие требования:

• красный излучающий диод должен иметь длину волны в максимуме спектральной полосы нм;
• мощность излучения в угле должна быть не менее 0,4мВт;
• у красного излучающего диода должна отсутствовать побочная полоса излучения в зоне чувствительности фото приемного устройства;
• погрешность за счёт шума должна быть не более 1.5%
• время нарастания и спада импульса излучения по уровню 0.1 – 0.9 должна быть не более 1 – 2 мкс;
• конструктивно излучающие диоды могут быть выполнены в виде отдельной конструкции либо совмещенными в одном корпусе или на гибкой подложке.

          В качестве фотоприёмного устройства применяются фотодиоды, обладающие хорошей монохроматической чувствительностью (в области красного спектра не менее 0,3 А/Вт, в области инфракрасного спектра не менее 0,5 А/Вт).

4.2 Расчет разрядности  АЦП

    Числовые  значения показаний датчиков после  аналого-цифрового преобразования содержат инструментальную погрешность квантования аналоговых сигналов. Поэтому, необходим расчет разрядности входного преобразователя [7].

    Разрядность преобразователя определяется выражением: 

     , 

где - коэффициент, выбираемый на интервале (0; 0.5), - среднеквадратическая погрешность датчика, E - функция выделяющая целую часть числа.

    Для проектируемой СОФПГ разрядность  преобразователя равна: 

     . 

    Количество  разрядов формата данных микропроцессора  равно: 

      

    Для N_АЦП = 10 разрядность микропроцессора составляет 16. 

    Рассчитав разрядность АЦП, равную N = 10, определим инструментальную погрешность при помощи следующего аналитического выражения: 

      

где N – разрядность данных аналого-цифрового преобразователя.

    Произведем  расчет инструментальной погрешности: 

    

    Величина  инструментальной погрешности удовлетворяет  , следовательно, корректировка разрядности АЦП для понижения инструментальной погрешности не  требуется.

4.2 Формирование требований  к микроконтроллеру и устройству памяти данных

    Для функционирования устройства по ранее описанным схемам (см. рисунки 2.1-2.3) и временной диаграмме (см. рисунок 2.4) предъявляются следующие требования к микроконтроллеру:

• наличие 8 портов для подключения кнопок управления;
• наличие SPI интерфейса для подключения памяти;
• наличие двух 8 (16) битных таймеров/счетчиков времени;
• наличие минимум 1 Кб оперативной памяти;
• наличие 8 портов для подключения ЖКИ;
• наличие 8 портов для подключения USB-интерфейса;
• наличие встроенного АЦП разрядностью не менее 10 бит со скоростью выборки не менее 1 ksps;
• наличие порта ШИМ для реализации ЦАП;
• низкое энергопотребление, увеличивающее время работы от батарей.

    Кроме того, для долговременного хранения 30 минут результатов разрядностью более 8 бит при частоте дискретизации 1 кГц потребуется память объемом: 

    M = 30 · 60 · 1000 · 2 ≈ 4 Мб 

    На  основании вышеперечисленных требований к микроконтроллеру составлена сравнительная  таблица 4.1 микроконтроллеров ATMega128 [8] и MSP430F149 [9], которые могут быть применены в разрабатываемой СОФПГ: 

Таблица 4.1 – Сравнительная таблица микроконтроллеров

 

    Из  таблицы 4.1 видно, что оба микроконтроллера удовлетворяют требованиям по необходимой периферии и количеству портов ввода/вывода. Также удовлетворяют всем требованиям и встроенные АЦП этих микроконтроллеров. Однако микроконтроллер MSP430F149 имеет разрядность 16 бит, а ATMega128 – 8 бит. Меньшая разрядность у последнего может негативно отразиться на точности вычислений, а организация вычислений с удвоенной разрядной сеткой значительно усложняет программирование. Еще одним преимуществом микроконтроллера MSP430F149 является его низкое энергопотребление.

    Таким образом, для построения проектируемой  системы СОФПГ целесообразно  использовать микроконтроллер MSP430F149.

4.3 Разработка базовой  электрической блок-схемы  СОФПГ

    На  основании исходной версии блочной  структуры системы СОФПГ (см. п.2.2) и выбранного для использования  микроконтроллера MSP430F149 (см. п.4.2), была разработана базовая электрическая структурная схема системы СОФПГ (см. рисунок 4.1).  

 

Рисунок 4.1 – Базовая электрическая структурная  схема 

    За  основу была взята исходная версия блочной структуры системы СОФПГ (см. рисунок 2.2).

    Однако, благодаря наличию в микроконтроллере MSP430F149 встроенного АЦП, удовлетворяющего всем требованиям, и аппаратного таймера с ШИМ для реализации ЦАП, появилась возможность использовать эти элементы в составе микроконтроллера, а не использовать отдельные внешние микросхемы. Это упрощает конструкцию изделия, уменьшает энергопотребление и упрощает разработку программного обеспечения для микроконтроллера.

4.4 Технические характеристики  системы СОФПГ

    На  основании результатов, полученных в ходе работы над курсовым проектом, была сформирована таблица 4.2, где приведены  основные технические характеристики проектируемой системы СОФПГ. 

Таблица 4.2 – Основные технические характеристики системы СОФПГ