Основы компьютерного моделирование
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
8
1. Основы компьютерного моделирование
13
1.1
Виды компьютерного моделирования
13
1.2
Особенности компьютерного моделирования
15
1.3
Методы исследования сложных систем
1.4
Метод имитационного моделирования
21
1.5
Аппаратно-программное моделирование систем
25
1.6
Система автоматизированного проектирования - Proteus
30
2. современные методы измерения пульса
2.1
История пульсовой диагностики
44
2.2
Пульсовая диагностика в современной медицине
45
2.3
Виды пульсометров
2.4
Конструкция и функции современных пульсометров
51
3. синтез АППАРАТНО - ПРОГРАММНЫх СРЕДСТВ для сборки миниатюрного устройства для считывания пульса
3.1
Принцип работы и сборка электронной схемы для устройства
61
3.2
Обоснование выбора элементной базы.
63
3.3
Расчет системы управления стабилизатора потока ИК излучения
3.4
Техническая реализация
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
54
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
55
ПРИЛОЖЕНИЕ А
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. На фоне быстро развивающихся технологий можно говорить о компьютерных моделях и компьютерном моделировании как о методе с большей степенью обобщения, в рамках которого можно зафиксировать образующие факторы и современные тенденции, соответствующие потребностям эпохи. Такое выявление подразумевает комплексный анализ особенностей составляющих методов в их историческом развитии и изменении их научно-технического оснащения[4]. В связи с этим актуальным представляется обоснование компьютерного моделирования как метода научного познания, выделение его особенности, связи с другими методами научного познания. Пульсометр - это небольшое устройство, которое с помощью специальных датчиков определяет частоту сердечных сокращений или попросту пульс человека [1,3]. Для чего же он необходим? Во-первых, постоянное ношение пульсометра врачи часто прописывают людям с заболеваниями сердечно-сосудистой системы: в случае превышения предельной частоты сердцебиения или других нарушений сердечного ритма прибор предупредит об опасности и поможет избежать нежелательных последствий чрезмерной физической нагрузки [3]. Однако наиболее широкое применение пульсометры получили в качестве помощника для проведения максимально эффективных тренировок - будь то езда на велосипеде, бег, занятия в тренажёрном зале или фитнес (мнение, что чем сильнее устал и вымотался на тренировке, тем лучше, ошибочно и подобный подход может принести больше вреда, чем пользы). Мониторинг сердечного ритма позволяет не переутомлять организм, но, в то же время, и не слишком расслабляться - отличное средство для увеличения аэробной выносливости.
Цель работы. Целью работы являются определение методов измерения пульса, моделирование схемы устройства для считывания пульса, сборка миниатюрного устройства.
В соответствии с поставленной целью решаются следующие задачи: проводится анализ методов научного познания; раскрывается сущность, характеристики компьютерного моделирования как метода научного познания, выделяются способы построения и реализации компьютерных моделей пульсометра; исследуются электронные модели пульсометра.
Объектом исследования диссертационной работы является электронная схема считывания пульса.
Предметом исследования диссертационной работы являются определение методов измерения пульса, а так же методы моделирования электронных схем.
При написании данной работы были использованы научная и учебно-методическая литература, статьи в периодических изданиях Республики Казахстан и Российской Федерации. Основными источниками, раскрывающими теоретические основы наукоемких темы, явились работы Альтшулер Г.Б., Дж. Фрайдеи, Андрианов В. И., Соколов Л. В.
Научная новизна
1) Предложен метод компьютерного моделирования электронных схем среди многочисленных компьютерных ПО.
2) Разработана и собрана электронная схема миниатюрного устройства для считывания пульса.
3) Разработан алгоритм и код программы микроконтроллера для работы устройства для считывания пульса.
Практическая значимость и реализация
Полученные методы позволяют формализовать процесс сборки схем миниатюрного устройства для считывания пульса. Работа раскрывает и показывает возможности компьютерного моделирования электронных схем, точнее реализацию сборки миниатюрного устройства для считывания пульса с новой методикой, позволяющей совместить процессы моделирования и тестирования готовой схемы на компьютере. Результатом диссертационного исследования является собранное миниатюрное устройство для считывания пульса.
Апробация работы. Основные выводы опубликованы в Вестник КазНТУ, 2014.
В заключении сделаны выводы по работе в целом.
1. Основы компьютерного моделирование
0.1 Виды компьютерного моделирования
Понятие моделирования достаточно сложное, оно включает в себя огромное разнообразие способов моделирования: от создания натуральных моделей (уменьшенных и или увеличенных копий реальных объектов) до вывода математических формул[2,4]. Для различных явлений и процессов бывают уместными разные способы моделирования с целью исследования и познания. Объект, который получается в результате моделирования, называется моделью. Должно быть понятно, что это совсем не обязательно реальный объект. Это может быть математическая формула, графическое представление и т.п. Однако он вполне может заменить оригинал при его изучении и описании поведения. Хотя модель и может быть точной копией оригинала, но чаще всего в моделях воссоздаются какие-нибудь важные для данного исследования элементы, а остальными пренебрегают. Это упрощает модель. Но с другой стороны, создать модель - точную копию оригинала - бывает абсолютно нереальной задачей. Например, если моделируется поведение объекта в условиях космоса. Можно сказать, что модель - это определенный способ описания реального мира.
Моделирование проходит три этапа:
1. Создание модели.
2. Изучение модели.
3. Применение результатов исследования на практике иили формулирование теоретических выводов.
Видов моделирования огромное количество. Вот некоторые примеры типов моделей:
Математические модели. Это знаковые модели, описывающие определенные числовые соотношения.
Графические модели. Визуальное представление объектов, которые настолько сложны, что их описание иными способами не дает человеку ясного понимания. Здесь наглядность модели выходит на первый план.
Имитационные модели. Позволяют наблюдать изменение поведения элементов системы-модели, проводить эксперименты, изменяя некоторые параметры модели.
Над созданием модели могут работать специалисты из разных областей, т.к. в моделировании достаточно велика роль межпредметных связей.
1.2 Особенности компьютерного моделирования
Совершенствование вычислительной техники и широкое распространение персональных компьютеров открыло перед моделированием огромные перспективы для исследования процессов и явлений окружающего мира, включая сюда и человеческое общество.
Компьютерное моделирование - это в определенной степени, то же самое, описанное выше моделирование, но реализуемое с помощью компьютерной техники [13,5].
Для компьютерного моделирования важно наличие определенного программного обеспечения.
При этом программное обеспечение, средствами которого может осуществляться компьютерное моделирование, может быть как достаточно универсальным (например, обычные текстовые и графические процессоры), так и весьма специализированными, предназначенными лишь для определенного вида моделирования.
Очень часто компьютеры используются для математического моделирования. Здесь их роль неоценима в выполнении численных операций, в то время как анализ задачи обычно ложится на плечи человека.
Обычно в компьютерном моделировании различные виды моделирования дополняют друг друга. Так, если математическая формула очень сложна, что не дает явного представления об описываемых ею процессах, то на помощь приходят графические и имитационные модели. Компьютерная визуализация может быть намного дешевле реального создания натуральных моделей [20,15].
С появлением мощных компьютеров распространилось графическое моделирование на основе инженерных систем для создания чертежей, схем, графиков.
Если система сложна, а требуется проследить за каждым ее элементом, то на помощь могут придти компьютерные имитационные модели. На компьютере можно воспроизвести последовательность временных событий, а потом обработать большой объем информации.
Однако следует четко понимать, что компьютер является хорошим инструментом для создания и исследования моделей, но он их не придумывает. Абстрактный анализ окружающего мира с целью воссоздания его в модели выполняет человек.
1.3 Методы исследования сложных систем
Одной из важных проблем в области разработки и создания современных сложных технических систем является исследование динамики их функционирования на различных этапах проектирования, испытания и эксплуатации. Сложными системами называются системы, состоящие из большого числа взаимосвязанных и взаимодействующих между собой элементов. При исследовании сложных систем возникают задачи исследования как отдельных видов оборудования и аппаратуры, входящих в систему, так и системы в целом.
К [13] разряду сложных систем относятся крупные технические, технологические, энергетические и производственные комплексы.
При проектировании сложных систем ставится задача разработки систем, удовлетворяющих заданным техническим характеристикам. Поставленная задача может быть решена одним из следующих методов:
* методом синтеза оптимальной структуры системы с заданными характеристиками;
* методом анализа различных вариантов структуры системы для обеспечения требуемых технических характеристик.
Оптимальный синтез систем в большинстве случаев практически невозможен в силу сложности поставленной задачи и несовершенства современных методов синтеза сложных систем. Методы анализа сложных систем, включающие в себя элементы синтеза, в настоящее время достаточно развиты и получили широкое распространение.
Любая синтезированная или определенная каким-либо другим образом структура сложной системы для оценки ее показателей должна быть подвергнута испытаниям [10,11]. Проведение испытаний системы является задачей анализа ее характеристик. Таким образом, конечным этапом проектирования сложной системы, осуществленного как методом синтеза структуры, так и методом анализа вариантов структур, является анализ показателей эффективности проектируемой системы.
Среди известных методов анализа показателей эффективности систем и исследования динамики их функционирования следует отметить:
* аналитический метод;
* метод натуральных испытаний;
* метод полунатурального моделирования;
* моделирование процесса функционирования системы на ЭВМ.
Строгое аналитическое исследование процесса функционирования сложных систем практически невозможно. Определение аналитической модели сложной системы затрудняется множеством условий, определяемых особенностями работы системы, взаимодействием ее составляющих частей, влиянием внешней среды и т.п.
Натуральные испытания сложных систем связаны с большими затратами времени и средств. Проведение испытаний предполагает наличие готового образца системы или ее физической модели, что исключает или затрудняет использование этого метода на этапе проектирования системы.
Широкое применение для исследования характеристик сложных систем находит метод полунатурального моделирования. При этом используется часть реальных устройств системы. Включенная в такую полунатуральную модель ЭВМ имитирует работы остальных устройств системы, отображенных математическими моделями. Однако в большинстве случаев этот метод также связан со значительными затратами и трудностями, в частности, аппаратной стыковкой натуральных частей с ЭВМ [7,8,9].
Исследование функционирования сложных систем с помощью моделирования их работы на ЭВМ помогает сократить время и средства на разработку.
Затраты рабочего времени и материальных средств на реализацию метода имитационного моделирования оказываются незначительными по сравнению с затратами, связанными с натурным экспериментом. Результаты моделирования по своей ценности для практического решения задач часто близки к результатам натурного эксперимента.
1.4 Метод имитационного моделирования
Метод имитационного моделирования основан на использовании алгоритмических (имитационных) моделей, реализуемых на ЭВМ, для исследования процесса функционирования сложных систем. Для реализации метода необходимо разработать специальный моделирующий алгоритм. В соответствии с этим алгоритмом в ЭВМ вырабатывается информация, описывающая элементарные процессы исследуемой системы с учетом взаимосвязей и взаимных влияний. При этом моделирующий алгоритм сроится в соответствии с логической структурой системы с сохранением последовательности протекаемых в ней процессов и отображением основных состояний системы [4].
Основными этапами метода имитационного моделирования являются:
1. моделирование входных и внешних воздействий;
2. воспроизведение работы моделируемой системы (моделирующий алгоритм);
3. интерпретация и обработка результатов моделирования.
Перечисленные этапы метода многократно повторяются для различных наборов входных и внешних воздействий, образуя внутренний цикл моделирования. Во внешнем цикле организуется просмотр заданных вариантов моделируемой системы. Процедура выбора оптимального варианта управляет просмотром вариантов, внося соответствующие коррективы в имитационную модель и в модели входных и внешних воздействий.
Процедура построения модели системы, контроля точности и корректировки модели по результатам машинного эксперимента задает и затем изменяет блок и внутреннего цикла в зависимости от фактических результатов моделирования. Таким образом, возникает внешний цикл, отражающий деятельность исследователя по формированию, контролю и корректировке модели.
Метод имитационного моделирования позволяет решать задачи исключительной сложности. Исследуемая система может одновременно содержать элементы непрерывного и дискретного действия, быть подверженной влиянию многочисленных случайных факторов сложной природы, описываться весьма громоздкими соотношениями и т.п. Метод не требует создания специальной аппаратуры для каждой новой задачи и позволяет легко изменять значения параметров исследуемых систем и начальных условий. Эффективность метода имитационного моделирования тем более высока, чем на более ранних этапах проектирования системы он начинает использоваться.
Следует, однако, помнить, что метод имитационного моделирования является численным методом. Его можно считать распространением метода Монте-Карло на случай сложных систем. Как любой численный метод, он обладает существенным недостатком - его решение всегда носит частный характер. Решение соответствует фиксированным значениям параметров системы и начальных условий. Для анализа системы приходится многократно моделировать процесс ее функционирования, варьируя исходные данные модели. Таким образом, для реализации имитационных моделей сложной модели необходимо наличие ЭВМ высокой производительности.
Для моделирования системы на ЭВМ необходимо записывать моделирующий алгоритм на одном из входных языков ЭВМ. В качестве входных языков для решения задач моделирования могут быть с успехом использованы универсальные алгоритмические языки высокого уровня, Си, Паскаль и др.
1.5 Аппаратно-программное моделирование систем
Анализ развития наиболее сложных технических систем позволяет сделать вывод о все более глубоком проникновении ЭВМ в их структуру. Вычислительные машины становятся неотъемлемой, а зачастую и основной частью таких систем. Прежде всего это относится к сложным радиоэлектронным системам. Среди них различные автоматические системы, в том числе системы автоматической коммутации (электронные АТС), системы радиосвязи, радиотелеметрические системы, системы радиолокации и радионавигации, различные системы управления.
При построении таких систем в значительной степени используются принципы и структуры организации вычислительных машин и вычислительных систем (ВС). Характерной особенностью является наличие в системах нескольких процессоров, объединенных различными способами в специализированную ВС. При этом осуществляется переход от жесткой логики функционирования технических систем к универсальной программной логике. В силу этого все более значительную роль в таких системах, наряду с аппаратными средствами, играет специализированное системное и прикладное программное обеспечение [5,10,12].
На этапах разработки, проектирования, отладки и испытания сложных систем с высоким удельным весом аппаратно-программных средств вычислительной техники ставится задача анализа и синтеза вариантов организации структуры аппаратных средств, а также разработки и отладки специализированного ПО большого объема. Эта задача может быть решена с помощью аппаратно-программного моделирования с использованием универсальных моделирующих комплексов, построенных на базе однородных ВС с программируемой структурой.
Аппаратно-программное моделирование можно считать частным случаем полунатурного моделирования. На первом этапе разрабатывается концептуальная модель заданного класса систем на основе анализа типовых процессов, структур и аппаратных блоков. Концептуальная модель реализуется на аппаратно-программных средствах моделирующего комплекса. При этом моделирующий комплекс может настраиваться на соответствующую структуру системы программным путем за счет возможности программирования структуры используемой микропроцессорной ВС. Часть аппаратных и программных средств микропроцессорной ВС моделирующего комплекса непосредственно отражает аппаратно-программные средства, входящие в исследуемую систему (аппаратное моделирование), другая часть реализует имитационную модель функциональных средств исследуемой системы, внешней обстановки, влияния помех и т.п. (программное моделирование).
Разработка аппаратно-программных моделирующих комплексов является сложной технической задачей [8,9]. Несмотря на это, применение таких комплексов находит все большее распространение. При достаточной производительности вычислительных средств комплекса процесс исследования системы может вестись в реальном масштабе времени. В составе комплекса могут использоваться как универсальные микроЭВМ общего назначение, так и вычислительные средства, непосредственно входящие в исследуемую систему. Подобные моделирующие комплексы являются универсальными стендами для разработки и отладки аппаратно-программных средств, проектируемых систем заданного класса. Они могут использоваться в качестве тренажеров по обучению обслуживающего персонала.
1.6 Система автоматизированного проектирования - Proteus
PROTEUS VSM -- пакет программ для автоматизированного проектирования (САПР) электронных схем. Разработка компании Labcenter Electronics [20,21,22]. Пакет представляет собой систему схемотехнического моделирования, базирующуюся на основе моделей электронных компонентов, принятых в PSpice. Отличительной чертой пакета PROTEUS VSM является возможность моделирования работы программируемых устройств: микроконтроллеров, микропроцессоров, DSP и проч. Библиотека компонентов содержит справочные данные. Дополнительно в пакет PROTEUS VSM входит система проектирования печатных плат. Пакет Proteus состоит из двух частей, двух подпрограмм: ISIS -- программа синтеза и моделирования непосредственно электронных схем и ARES -- программа разработки печатных плат. Вместе с программой устанавливается набор демонстрационных проектов для ознакомления.
Также в состав ПО входит среда разработки VSM Studio, позволяющая весьма быстро написать программу для микроконтроллера, используемого в проекте, и скомпилировать.
Пакет является коммерческим. Бесплатная ознакомительная версия характеризуется полной функциональностью, но не имеет возможности сохранения файлов.
Примечательной особенностью является то, что в ARES можно увидеть 3D-модель печатной платы, что позволяет разработчику оценить своё устройство ещё на стадии разработки.
2. современные методы измерения пульса
2.1 История пульсовой диагностики
Сердечный цикл -- понятие, отражающее последовательность процессов происходящих за одно сокращение сердца и его последующее расслабление [1,4]. Каждый цикл включает в себя три большие стадии: систола предсердий, систола желудочков и диастола.
Термин систола означает сокращение мышцы [4]. Выделяют электрическую систолу -- электрическую активность, которая стимулирует миокард и вызывает механическую систолу -- сокращение сердечной мышцы и уменьшение сердечных камер в объеме. Термин диастола означает расслабление мышцы. Во время сердечного цикла происходит повышение и снижение давления крови, соответственно высокое давление в момент систолы желудочков называетсясистолическим, а низкое во время их диастолы -- диастолическим.
Рисунок 2.1- Строение сердце человека
Сердце человека состоит из четырёх камер, разделенных перегородками и клапанами (рисунок 2.1). Кровь из верхней и нижней полой вены поступает в правое предсердие, проходит через трёхстворчатый клапан (он состоит из трёх лепестков) в правый желудочек. Затем через легочный клапан поступает в легочные артерии, идет к легким, где происходит обмен и возвращается к левому предсердию. Затем через митральный или двухстворчатый клапан (он состоит из двух лепестков) поступает в левый желудочек, затем проходит через аортальный клапан в аорту.
В правое предсердие входят полые, в левое предсердие -- легочные вены. Из правого и левого желудочка выходят, соответственно, легочная артерия (легочный ствол) и восходящая аорта. Правый желудочек и левое предсердие замыкают малый круг кровообращения, левый желудочек и правое предсердие -- большой круг. Сердце расположено в нижней части переднего средостения, большая часть его передней поверхности прикрыта легкими. С впадающими участками полых и легочных вен, а также выходящими аортой и легочным стволом оно покрыто сорочкой (перикардом). В полости перикарда содержится небольшое количество серозной жидкости. У взрослого человека его объём и масса составляют в среднем для мужчин 783 см³ и 332 г, для женщин -- 560 см³ и 253 г.
Через сердце человека в течение суток проходит от 7 000 до 10 000 литров крови, за год около 3 150 000 литров
Пульс (от лат. pulsus -- удар, толчок) -- толчкообразные колебания стенокартерий, связанные с сердечными циклами. В более широком смысле под пульсом понимают любые изменения в сосудистой системе, связанные с деятельностью сердца, поэтому в клинике различают артериальный, венозный и капиллярный пульс [4].
Рисунок 2.2 - Прощупывания пульса
Пульс -- колебания стенки сосудов, связанные с изменением их кровенаполнения в течение сердечного цикла. Различают артериальный, венозный и капиллярный пульс. Исследование артериального пульса дает важные сведения о работе сердца, состоянии кровообращения и свойствах артерий. Основной метод исследования пульса -- прощупывание артерий. Для пальпации лучевой артерии кисть исследуемого свободно обхватывают рукой в области лучезапястного сустава так, чтобы большой палец располагался на тыльной стороне предплечья, а остальные пальцы -- на передней поверхности лучевой кости, где под кожей прощупывается пульсирующая лучевая артерия. Пульс прощупывают одновременно на обеих руках, так как иногда на правой и левой руке он выражен неодинаково (за счет аномалии сосудов, сдавливания или закупорки подключичной или плечевой артерии). Кроме лучевой артерии, пульс исследуют на сонных, бедренных, височных артериях, артериях стоп и др.
Идея создания пульсометра пришла будущему основателю всемирно известной компании Polar в 1975г. во время лыжной прогулки недалеко от его дома в Кемпеле, Финляндия.
В 1977 году профессор Сеппо Сайнаякангас основал компанию, в области разработок и производства беспроводных мониторов сердечного ритма для спортсменов-профессионалов.
Началось всё с лыжной прогулки профессора недалеко от его дома в Кемпеле, Финляндия. На лыжне он встретил своего старого друга, работавшего тренером. Завязалась дискуссия о методах наиболее точного измерения пульса спортсмена на тренировке. Река зарождается в капле дождя и с тех пор Сеппо решил посвятить себя идее навсегда изменить тренировочный процесс. В 1979 году был оформлен первый патент, а 3 года спустя, в 1982-м, запущена в производство первая серийная модель пульсометра - The Sport Tester PE2000 (рисунок 2.3).
Рисунок 2.3 - Модель пульсометра - The Sport Tester PE2000.
Спустя 30 лет мы столь же страстно верим в своё дело, как и стоя у его истоков - заявил Сари Сайнаякангас, генеральный директор и заместитель председателя совета директоров компании Polar Electro OY. И, заглядывая ещё на три десятилетия вперёд, мы наполняемся уверенностью, что всё большее количество людей по всему миру заинтересуются своим здоровьем и физичекой формой. Круг новых видов спорта будет расширятся, а с ним будут расти и возможности Polar. Мы продолжим осваивать новейшие технологические ниши с целью удовлетворить индивидуальные потребности каждого!
Кардиографом называют специальный аппарат, благодаря которому можно снимать показания о сердечном ритме. Этот прибор используется кардиологами в области медицины под названием электрокардиография. Эта медицина является главной в области диагностики сердца.
Электрографические приборы постоянно совершенствуются благодаря разработкам в области технологий. Цифровая техника сегодня также оснащена записывающими устройствами, что позволяет быстро снимать показания и хранить их на компьютере длительное время. Современную медицину уже просто невозможно представить без подобных цифровых устройств, которые не только выводят данные на экран, но и позволяют быстро распечатать все показания. Кроме того, электрокардиограф может автоматически преобразовать данные диагностики сердечно-сосудистой системы в удобный для врача график или любой другой вид.
Все кардиографы подразделяют на виды согласно количеству каналов, так существуют одно, трех, шести и двенадцати канальные модификации. Так, кардиограф с 3 каналами еще известен как электрокардиограф трех канальный, но вторая модификация более усовершенствована. Каждое обследование организма обязательно записывается, а затем распечатывается. Качество обработки данных напрямую зависит от аналого-цифрового преобразования, определяемого частотой сигнала. В случае с диагностикой сердца человек является источником образования сигнала. При проведении диагностики важным фактором является правильность установки электродов. Кроме того, сами врачи заметили, что для тяжелобольных людей больше подходят многоканальные электрокардиографы, потому что они позволяют сократить время на диагностику, и врач сможет обследовать большее количество людей. Самым оптимальным вариантом врачи определяют 3 канальный электрокардиограф, он подходит для больных среднего уровня, а для тяжелых случаев уже используются электрокардиографы с большей мощностью.
2.2 Пульсовая диагностика в современной медицине
Приборы, измеряющие частоту сердечных сокращений, были изобретены достаточно давно и получили широкое распространение среди профессиональных спортсменов и тренеров. Со временем, всеобщее стремление людей к активному и здоровому образу жизни привело к созданию более широкого и разнообразного модельного ряда пульсометров, каждый из которых стал отличаться наличием определенных функций и отвечать наиболее популярным запросам общества.
Современные пульсометры бывают нескольких вариантов: кроме явных технических отличий, таких как конструкция корпуса, тип датчика и способ передачи сигнала, существует и дифференциация по предназначению. Так, различают модели для фитнеса, для контроля веса, для велосипеда, беговых тренировок и мультиспортивные образцы.
Фитнес-пульсометр будет полезен людям, которые следят за своим здоровьем и ведут активный образ жизни, тренируясь в спортзале или фитнес-центре. Главная его особенность - это встроенная система расчета индивидуальной программы тренировок, исходя из физиологических особенностей организма. Тренироваться с фитнес-монитором намного эффективней и интересней, благодаря четкому и точному контролю результативности занятий [11].
Следующая разновидность пульсометров - приборы для контроля веса -- были разработаны для людей, желающих избавиться от лишних килограммов и в дальнейшем контролировать свой вес. В программу монитора входят две принципиально важные функции: учет потребляемых и расходуемых калорий.
Для эффективного занятия самыми разнообразными видами спорта можно купить пульсометр мультиспортивного образца. Такие модели обладают целым рядом дополнительных технических особенностей, включая привлекательный дизайн и эргономичную форму. Мультиспортивный пульсометр подходит также и для игровых видов спорта.
Модели беговых пульсометров паказаных на рисунке 2.4 рассчитаны как на профессиональных спортсменов, так и на любителей. Полезные функции данного устройства, кроме, собственно, мониторинга сердечной активности, дополнены счетчиком скорости бега и пройденной дистанции в формате кмч -- мильч или выводятся на монитор в виде счетчика времени, затраченного на прохождение определенного отрезка пути. Пульсометры для бега пользуются наибольшей популярностью, благодаря огромному количеству людей, предпочитающих именно этот вид спорта всем остальным.
Рисунок 2.4 - Модель беговых пульсометров
Среди методов исследования состояния сердечно-сосудистой системы особое место занимает исследование пульса, как наиболее простого и информативного показателя функционального состояния сердечно-сосудистой системы.
Исследователи определяют его частоту, ритм, напряжение, наполнение. Наиболее важными являются частота и ритм сердечных сокращении. Они имеют большое значение для определения функционального состояния организма, особенно при исследовании влияния физических упражнений [17,18].
Как правило, у спортсменов отмечается ритмичный пульс, что служит отражением нормальной функции автоматизма сердца.
Частота сердечных сокращений в покое у человека зависит от возраста, пола, состояния центральной нервной системы, обменных процессов н многих других факторов. Этот показатель претерпевает колебания в течение суток. В процессе систематических занятий спортом частота сердечных сокращений уменьшается.
Снижение частоты сердечных сокращений в процессе тренировки в большей степени характерно для спортсменов, специализирующихся в видах спорта, требующих преимущественного развития выносливости. Она составляет у них в среднем около 50 сокращений в минуту.
У представителей видов спорта, где требуется преимущественное развитие скоростно-силовых качеств, снижение частоты сердечных сокращений менее выражено: она равна в среднем 50-70 сокращениям в 1 мин. Аналогичные данные отмечаются у спортсменов, специализирующихся в скоростно-силовых видах спорта.
На частоту сердечных сокращений оказывает влияние и состояние тренированности. Так у спортсмена, находящегося в хорошем состоянии тренированности, когда он входит в свою лучшую спортивную форму, отмечаются самые наименьшие показатели частоты пульса и наоборот.
В спортивной медицине брандикардия считается одним из показателей тренированности.
Однако в некоторых случаях она может наблюдаться при переутомлении и перетренированности.
Известны случаи, когда у спортсменов после больших физических напряжений, связанных со спортивными соревнованиями, в восстановительном периоде в течение 1-2 суток частота пульса была меньше, чем до соревнований. У некоторых спортсменов брадикардия может являться и индивидуальной особенностью. Наконец, она может быть результатом патологического состояния сердца.
Уменьшение частоты сердечных сокращений в покое под влиянием спортивной тренировки служит важным показателем функционального состояния спортсмена н обуславливает увеличение его потенциальных возможностей. У лиц, не занимающихся спортом, при физических напряжениях частота сердечных сокращений по сравнению с покоем повышается в 2-3 раза, тогда как у спортсменов может возрастать в 5 раз.
Брандикардия в покое у спортсменов нередко сочетается с увеличением объема сердца, уменьшением минутного объема кровообращения н другими положительными показателями гемодинамики.
Повышение частоты сердечных сокращений в покое у спортсменов (тахикардия) явление весьма редкое. Оно может быть показателем недовосстановления после физических нагрузок или одним из симптомов сердечной недостаточности. Исходя из результатов обследования, врач составляет заключение, в котором дает оценку физическому развитию, состоянию здоровья, функциональному состоянию и степени тренированности спортсмена.
Пульс обычно измеряется пальпацией сонной, височной либо лучевой артерии. Удобнее использовать сонную или лучевую артерию. Сонную артерию легко нащупать, приложив указательный палец к шее на середине линии, соединяющей нижнюю челюсть и середину ключицы. Пальпация лучевой артерии осуществляется при расположении вашего указательного и среднего пальца на внутренней стороне запястья, а большого пальца на внешней стороне запястья.
2.3 Виды пульсометров
Пульсометры различаются по спорту, в котором они используются: - для фитнеса. Здесь наиболее популярны женские спортивные часы, поскольку фитнесом занимаются по большей части женщины; - для бега. Как правило, такие устройства не являются чувствительными, поэтому они имеют узкий профиль. Во время бега сердце человека подает достаточно сильные импульсы, следовательно, чувствительность прибору просто напросто не нужна; - для велоспорта. Зачастую эти приборы являются встроенными в велотренажер, однако есть и отдельные; - мульти спортивные. Такие приборы рекомендуется покупать тем, кто занимается спортом не профессионально, поскольку, чем больше профилей у любого устройства, тем хуже он работает в каждом направлении.
Кроме этого, пульсометры разделяются по типу питания: 1.проводные; 2.беспроводные (работающие от аккумулятора или обычных батареек).
Различают пульсометры по типу передачи: 1.С цифровым датчиком. Здесь все данные указываются непосредственно в цифрах и на цифровом табло; 2.С аналоговым датчиком. Внешний вид также является параметром различия приборов:
1.Спортивные часы с пульсометром;
2.Пульсометр шагомер (его также используют для бега);
3.Выполненные в виде вело компьютера (обычно они выглядят, как небольшое мобильное устройство, состоящее из экрана и закрепительного прибора);
4.Изготовленные в качестве прибора, закрепляемого на груди.
Самым важнейший параметр который нам особенно пригодится, параметр по которому различаются пульсометры, заключается в типе датчика:
* приборы, которые закрепляются на груди;
* приборы, которые встроены в тренажеры;
* приборы, которые закрепляются на мочке уха;
* приборы, которые закрепляются на пальце (например, пульсометр шагомер);
* приборы, которые носят на запястье.
Пульсометр спортивный.
Пульсометр спортивный это инструмент, который предназначается для того, чтобы обеспечить каждой тренировке максимальную эффективность. Пользуются, как правило, профессиональные спортсмены. Потому что, что в начале спортивной карьеры за интенсивностью тренировок следят тренеры. Спортивные приборы обладают журналом событий, которым, тренер и спортсмен могут сделать выводы. Это поможет спортсменам интенсивно и правильно тренироваться, не перегружать себя или же не пропустить несколько тренировок. Это в свою очередь, положительно влияет на уровень физической подготовки, а также достижения максимально возможных на определенный период спортивных показателей. Данные устройства оснащают дополнительными модулями, что позволяет повысить потенциал и количество функций пульсометра. Пульсометр спортивный должен обладать основными функциями, которые, заключаются в следующем: контролирование сердечнососудистой системы. Эта функция является основной и главной для любого пульсометра; подсчет тех калорий, которые были сожжены во время тренировки. Данная функция положительно сказывается не только на питании спортсмена, но и на эффективности при планировании его активности физического характера; GPS-трекер. Люди, занимающиеся бегом, способны оценить по достоинству данную функцию. С помощью этого модуля можно выбрать маршрут свободного бега, который будет наиболее оптимально подходить индивидуальному спортсмену; Модуль, подключать устройство к персональным компьютерам, планшетам или ноутбукам. Эта функция не является столь значимой, как все предыдущие. Она предназначен тренеру для того, чтобы выяснить, на какое конкретно спортивное направление лучше ориентировать того или иного спортсмена, необходима исключительно для ведения статистики. Они подойдут фактически для любого вида спортивного занятия. Одинаково хорошо работают, как в закрытом помещении, так и на открытом воздухе. Наиболее популярным является тот спортивный пульсометр, который надевается на запястье. Они особо популярны в последнее время. Такой пульсометр может содержать в себе функции часов, а может быть и отдельным устройством, который делает только то, что считает количество сокращения сердечной мышцы в минуту. Ито и другое одинаково хороши для спортсмена, поскольку они отслеживают сердечные импульсы в режиме реального времени, которое и необходимо тренирующемуся человеку. Каждый пульсометр обладает еще одной важной функцией - он способен сообщить спортсмену о времени, когда он уже будет готов к другому виду занятий, то есть, прибор следит за восстановлением человека.Пульсометр наручныйНа сегодняшние дни пульсометры выпускаются, намного удобнее устаревшей. Они делаются как наручные часы, и вниз имеются разные способы закрепления. И не имеют нагрудного ремня, что делает их эксплуатацию более комфортной, особенно если учесть, что каждая тренировка заставляет хорошо попотеть. Итого, наручный пульсометр представляет собой обычные часы, на которых располагается табло, где отображается сердечный ритм носящего его человека. С одной стороны пульсометр наручный можно рассмотреть в качестве кардиограммы, но более доступной для широкого круга потребителей. Мало какой спортсмен или любой другой человек, который решил понаблюдать за своей сердечнососудистой системой, сможет разобраться в сложных медицинских символах. И они тоже используется для того, чтобы повысить эффективность тренировок оздоровительного характера.Нужно не забывать, что оздоровительные спортивные занятия назначаются не только тем, кто имеет больную сердечнососудистую систему. К примеру, женщина которая планирует восстановление после родов, она может слишком сильно напрячь свой организм, ошибочно полагая, что усиленные тренировки дадут первый результат несколько быстрее. Это может только навредить ей. Воспользовавшись, пульсометром, она сможет контролировать упражнения, и у нее останутся силы для ухода за ребенком.Наиболее точным пульсометром принято считать тот, который крепится на груди специальными ремнями. Но развевающиеся технологии позволяют получить точность и с других устройств, более удобных для человека. Возьмем спортивные часы casio, многие спортсмены уже высказали свои рекомендации по их поводу. Хороший прибор, способный снабдить пользователя информацией о времени и о состояние его сердца. Женские спортивные часы отдельно стоит рассмотреть. Потому что женские импульсы, которые подает сердце, несколько слабее, чем мужские. Для них пульсометры должны быть более чувствительными, чтобы предоставить точную информацию. 2.4 Конструкция и функции современных пульсометровОбычно современные пульсометры состоят из двух элементов: нагрудного ремня-датчика и приёмника на запястье, gps-навигатора или мобильного телефона. Для получения хорошего контакта электроды датчика смачиваются водой или специальным гелем. Почти все пульсометры имеют дополнительными функции: часы, секундомер, таймер, статистика времени нахождения пульса в заданных зонах, звуковая сигнализация выхода пульса из заданной зоны. При вводе возраста, веса и роста прибор предлагает калькуляторы индекса массы тела, сожженных калорий, сожженного жира, причем последний активизируется обычно только при пульсе выше 120 удмин. Зоны пульса можно выбрать из предложенных вариантов для различных степеней подготовки или задать по своему усмотрению [6,7,10].
Есть и более продвинутые модели пульсометров которые предлагают измерения среднего и максимального пульса, интенсивности и частоты дыхания для оценки параметров, связанных с фитнес-тренировкой, память круговых тренировок. Если приёмником является gps-навигатор, то данные можно сопоставить со скоростью перемещения, скоростью подъёма, высотой и пр.
Нагрудный датчик -- самый точный датчик для определения пульса. Крепится на груди с помощью специального ремня, имеет автономный источник питания, запускаемый при появлении пульса. Передаёт сигнал на расстояние до 70 см в наручные часы-приёмник. Кисти рук остаются свободными.
Встроенный датчик - позволяют определить пульс просто коснувшись двух электродов на корпусе пульсометра в течение нескольких ... продолжение
Вы можете абсолютно на бесплатной основе полностью просмотреть эту работу через наше приложение.
ВВЕДЕНИЕ
8
1. Основы компьютерного моделирование
13
1.1
Виды компьютерного моделирования
13
1.2
Особенности компьютерного моделирования
15
1.3
Методы исследования сложных систем
1.4
Метод имитационного моделирования
21
1.5
Аппаратно-программное моделирование систем
25
1.6
Система автоматизированного проектирования - Proteus
30
2. современные методы измерения пульса
2.1
История пульсовой диагностики
44
2.2
Пульсовая диагностика в современной медицине
45
2.3
Виды пульсометров
2.4
Конструкция и функции современных пульсометров
51
3. синтез АППАРАТНО - ПРОГРАММНЫх СРЕДСТВ для сборки миниатюрного устройства для считывания пульса
3.1
Принцип работы и сборка электронной схемы для устройства
61
3.2
Обоснование выбора элементной базы.
63
3.3
Расчет системы управления стабилизатора потока ИК излучения
3.4
Техническая реализация
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
54
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
55
ПРИЛОЖЕНИЕ А
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. На фоне быстро развивающихся технологий можно говорить о компьютерных моделях и компьютерном моделировании как о методе с большей степенью обобщения, в рамках которого можно зафиксировать образующие факторы и современные тенденции, соответствующие потребностям эпохи. Такое выявление подразумевает комплексный анализ особенностей составляющих методов в их историческом развитии и изменении их научно-технического оснащения[4]. В связи с этим актуальным представляется обоснование компьютерного моделирования как метода научного познания, выделение его особенности, связи с другими методами научного познания. Пульсометр - это небольшое устройство, которое с помощью специальных датчиков определяет частоту сердечных сокращений или попросту пульс человека [1,3]. Для чего же он необходим? Во-первых, постоянное ношение пульсометра врачи часто прописывают людям с заболеваниями сердечно-сосудистой системы: в случае превышения предельной частоты сердцебиения или других нарушений сердечного ритма прибор предупредит об опасности и поможет избежать нежелательных последствий чрезмерной физической нагрузки [3]. Однако наиболее широкое применение пульсометры получили в качестве помощника для проведения максимально эффективных тренировок - будь то езда на велосипеде, бег, занятия в тренажёрном зале или фитнес (мнение, что чем сильнее устал и вымотался на тренировке, тем лучше, ошибочно и подобный подход может принести больше вреда, чем пользы). Мониторинг сердечного ритма позволяет не переутомлять организм, но, в то же время, и не слишком расслабляться - отличное средство для увеличения аэробной выносливости.
Цель работы. Целью работы являются определение методов измерения пульса, моделирование схемы устройства для считывания пульса, сборка миниатюрного устройства.
В соответствии с поставленной целью решаются следующие задачи: проводится анализ методов научного познания; раскрывается сущность, характеристики компьютерного моделирования как метода научного познания, выделяются способы построения и реализации компьютерных моделей пульсометра; исследуются электронные модели пульсометра.
Объектом исследования диссертационной работы является электронная схема считывания пульса.
Предметом исследования диссертационной работы являются определение методов измерения пульса, а так же методы моделирования электронных схем.
При написании данной работы были использованы научная и учебно-методическая литература, статьи в периодических изданиях Республики Казахстан и Российской Федерации. Основными источниками, раскрывающими теоретические основы наукоемких темы, явились работы Альтшулер Г.Б., Дж. Фрайдеи, Андрианов В. И., Соколов Л. В.
Научная новизна
1) Предложен метод компьютерного моделирования электронных схем среди многочисленных компьютерных ПО.
2) Разработана и собрана электронная схема миниатюрного устройства для считывания пульса.
3) Разработан алгоритм и код программы микроконтроллера для работы устройства для считывания пульса.
Практическая значимость и реализация
Полученные методы позволяют формализовать процесс сборки схем миниатюрного устройства для считывания пульса. Работа раскрывает и показывает возможности компьютерного моделирования электронных схем, точнее реализацию сборки миниатюрного устройства для считывания пульса с новой методикой, позволяющей совместить процессы моделирования и тестирования готовой схемы на компьютере. Результатом диссертационного исследования является собранное миниатюрное устройство для считывания пульса.
Апробация работы. Основные выводы опубликованы в Вестник КазНТУ, 2014.
В заключении сделаны выводы по работе в целом.
1. Основы компьютерного моделирование
0.1 Виды компьютерного моделирования
Понятие моделирования достаточно сложное, оно включает в себя огромное разнообразие способов моделирования: от создания натуральных моделей (уменьшенных и или увеличенных копий реальных объектов) до вывода математических формул[2,4]. Для различных явлений и процессов бывают уместными разные способы моделирования с целью исследования и познания. Объект, который получается в результате моделирования, называется моделью. Должно быть понятно, что это совсем не обязательно реальный объект. Это может быть математическая формула, графическое представление и т.п. Однако он вполне может заменить оригинал при его изучении и описании поведения. Хотя модель и может быть точной копией оригинала, но чаще всего в моделях воссоздаются какие-нибудь важные для данного исследования элементы, а остальными пренебрегают. Это упрощает модель. Но с другой стороны, создать модель - точную копию оригинала - бывает абсолютно нереальной задачей. Например, если моделируется поведение объекта в условиях космоса. Можно сказать, что модель - это определенный способ описания реального мира.
Моделирование проходит три этапа:
1. Создание модели.
2. Изучение модели.
3. Применение результатов исследования на практике иили формулирование теоретических выводов.
Видов моделирования огромное количество. Вот некоторые примеры типов моделей:
Математические модели. Это знаковые модели, описывающие определенные числовые соотношения.
Графические модели. Визуальное представление объектов, которые настолько сложны, что их описание иными способами не дает человеку ясного понимания. Здесь наглядность модели выходит на первый план.
Имитационные модели. Позволяют наблюдать изменение поведения элементов системы-модели, проводить эксперименты, изменяя некоторые параметры модели.
Над созданием модели могут работать специалисты из разных областей, т.к. в моделировании достаточно велика роль межпредметных связей.
1.2 Особенности компьютерного моделирования
Совершенствование вычислительной техники и широкое распространение персональных компьютеров открыло перед моделированием огромные перспективы для исследования процессов и явлений окружающего мира, включая сюда и человеческое общество.
Компьютерное моделирование - это в определенной степени, то же самое, описанное выше моделирование, но реализуемое с помощью компьютерной техники [13,5].
Для компьютерного моделирования важно наличие определенного программного обеспечения.
При этом программное обеспечение, средствами которого может осуществляться компьютерное моделирование, может быть как достаточно универсальным (например, обычные текстовые и графические процессоры), так и весьма специализированными, предназначенными лишь для определенного вида моделирования.
Очень часто компьютеры используются для математического моделирования. Здесь их роль неоценима в выполнении численных операций, в то время как анализ задачи обычно ложится на плечи человека.
Обычно в компьютерном моделировании различные виды моделирования дополняют друг друга. Так, если математическая формула очень сложна, что не дает явного представления об описываемых ею процессах, то на помощь приходят графические и имитационные модели. Компьютерная визуализация может быть намного дешевле реального создания натуральных моделей [20,15].
С появлением мощных компьютеров распространилось графическое моделирование на основе инженерных систем для создания чертежей, схем, графиков.
Если система сложна, а требуется проследить за каждым ее элементом, то на помощь могут придти компьютерные имитационные модели. На компьютере можно воспроизвести последовательность временных событий, а потом обработать большой объем информации.
Однако следует четко понимать, что компьютер является хорошим инструментом для создания и исследования моделей, но он их не придумывает. Абстрактный анализ окружающего мира с целью воссоздания его в модели выполняет человек.
1.3 Методы исследования сложных систем
Одной из важных проблем в области разработки и создания современных сложных технических систем является исследование динамики их функционирования на различных этапах проектирования, испытания и эксплуатации. Сложными системами называются системы, состоящие из большого числа взаимосвязанных и взаимодействующих между собой элементов. При исследовании сложных систем возникают задачи исследования как отдельных видов оборудования и аппаратуры, входящих в систему, так и системы в целом.
К [13] разряду сложных систем относятся крупные технические, технологические, энергетические и производственные комплексы.
При проектировании сложных систем ставится задача разработки систем, удовлетворяющих заданным техническим характеристикам. Поставленная задача может быть решена одним из следующих методов:
* методом синтеза оптимальной структуры системы с заданными характеристиками;
* методом анализа различных вариантов структуры системы для обеспечения требуемых технических характеристик.
Оптимальный синтез систем в большинстве случаев практически невозможен в силу сложности поставленной задачи и несовершенства современных методов синтеза сложных систем. Методы анализа сложных систем, включающие в себя элементы синтеза, в настоящее время достаточно развиты и получили широкое распространение.
Любая синтезированная или определенная каким-либо другим образом структура сложной системы для оценки ее показателей должна быть подвергнута испытаниям [10,11]. Проведение испытаний системы является задачей анализа ее характеристик. Таким образом, конечным этапом проектирования сложной системы, осуществленного как методом синтеза структуры, так и методом анализа вариантов структур, является анализ показателей эффективности проектируемой системы.
Среди известных методов анализа показателей эффективности систем и исследования динамики их функционирования следует отметить:
* аналитический метод;
* метод натуральных испытаний;
* метод полунатурального моделирования;
* моделирование процесса функционирования системы на ЭВМ.
Строгое аналитическое исследование процесса функционирования сложных систем практически невозможно. Определение аналитической модели сложной системы затрудняется множеством условий, определяемых особенностями работы системы, взаимодействием ее составляющих частей, влиянием внешней среды и т.п.
Натуральные испытания сложных систем связаны с большими затратами времени и средств. Проведение испытаний предполагает наличие готового образца системы или ее физической модели, что исключает или затрудняет использование этого метода на этапе проектирования системы.
Широкое применение для исследования характеристик сложных систем находит метод полунатурального моделирования. При этом используется часть реальных устройств системы. Включенная в такую полунатуральную модель ЭВМ имитирует работы остальных устройств системы, отображенных математическими моделями. Однако в большинстве случаев этот метод также связан со значительными затратами и трудностями, в частности, аппаратной стыковкой натуральных частей с ЭВМ [7,8,9].
Исследование функционирования сложных систем с помощью моделирования их работы на ЭВМ помогает сократить время и средства на разработку.
Затраты рабочего времени и материальных средств на реализацию метода имитационного моделирования оказываются незначительными по сравнению с затратами, связанными с натурным экспериментом. Результаты моделирования по своей ценности для практического решения задач часто близки к результатам натурного эксперимента.
1.4 Метод имитационного моделирования
Метод имитационного моделирования основан на использовании алгоритмических (имитационных) моделей, реализуемых на ЭВМ, для исследования процесса функционирования сложных систем. Для реализации метода необходимо разработать специальный моделирующий алгоритм. В соответствии с этим алгоритмом в ЭВМ вырабатывается информация, описывающая элементарные процессы исследуемой системы с учетом взаимосвязей и взаимных влияний. При этом моделирующий алгоритм сроится в соответствии с логической структурой системы с сохранением последовательности протекаемых в ней процессов и отображением основных состояний системы [4].
Основными этапами метода имитационного моделирования являются:
1. моделирование входных и внешних воздействий;
2. воспроизведение работы моделируемой системы (моделирующий алгоритм);
3. интерпретация и обработка результатов моделирования.
Перечисленные этапы метода многократно повторяются для различных наборов входных и внешних воздействий, образуя внутренний цикл моделирования. Во внешнем цикле организуется просмотр заданных вариантов моделируемой системы. Процедура выбора оптимального варианта управляет просмотром вариантов, внося соответствующие коррективы в имитационную модель и в модели входных и внешних воздействий.
Процедура построения модели системы, контроля точности и корректировки модели по результатам машинного эксперимента задает и затем изменяет блок и внутреннего цикла в зависимости от фактических результатов моделирования. Таким образом, возникает внешний цикл, отражающий деятельность исследователя по формированию, контролю и корректировке модели.
Метод имитационного моделирования позволяет решать задачи исключительной сложности. Исследуемая система может одновременно содержать элементы непрерывного и дискретного действия, быть подверженной влиянию многочисленных случайных факторов сложной природы, описываться весьма громоздкими соотношениями и т.п. Метод не требует создания специальной аппаратуры для каждой новой задачи и позволяет легко изменять значения параметров исследуемых систем и начальных условий. Эффективность метода имитационного моделирования тем более высока, чем на более ранних этапах проектирования системы он начинает использоваться.
Следует, однако, помнить, что метод имитационного моделирования является численным методом. Его можно считать распространением метода Монте-Карло на случай сложных систем. Как любой численный метод, он обладает существенным недостатком - его решение всегда носит частный характер. Решение соответствует фиксированным значениям параметров системы и начальных условий. Для анализа системы приходится многократно моделировать процесс ее функционирования, варьируя исходные данные модели. Таким образом, для реализации имитационных моделей сложной модели необходимо наличие ЭВМ высокой производительности.
Для моделирования системы на ЭВМ необходимо записывать моделирующий алгоритм на одном из входных языков ЭВМ. В качестве входных языков для решения задач моделирования могут быть с успехом использованы универсальные алгоритмические языки высокого уровня, Си, Паскаль и др.
1.5 Аппаратно-программное моделирование систем
Анализ развития наиболее сложных технических систем позволяет сделать вывод о все более глубоком проникновении ЭВМ в их структуру. Вычислительные машины становятся неотъемлемой, а зачастую и основной частью таких систем. Прежде всего это относится к сложным радиоэлектронным системам. Среди них различные автоматические системы, в том числе системы автоматической коммутации (электронные АТС), системы радиосвязи, радиотелеметрические системы, системы радиолокации и радионавигации, различные системы управления.
При построении таких систем в значительной степени используются принципы и структуры организации вычислительных машин и вычислительных систем (ВС). Характерной особенностью является наличие в системах нескольких процессоров, объединенных различными способами в специализированную ВС. При этом осуществляется переход от жесткой логики функционирования технических систем к универсальной программной логике. В силу этого все более значительную роль в таких системах, наряду с аппаратными средствами, играет специализированное системное и прикладное программное обеспечение [5,10,12].
На этапах разработки, проектирования, отладки и испытания сложных систем с высоким удельным весом аппаратно-программных средств вычислительной техники ставится задача анализа и синтеза вариантов организации структуры аппаратных средств, а также разработки и отладки специализированного ПО большого объема. Эта задача может быть решена с помощью аппаратно-программного моделирования с использованием универсальных моделирующих комплексов, построенных на базе однородных ВС с программируемой структурой.
Аппаратно-программное моделирование можно считать частным случаем полунатурного моделирования. На первом этапе разрабатывается концептуальная модель заданного класса систем на основе анализа типовых процессов, структур и аппаратных блоков. Концептуальная модель реализуется на аппаратно-программных средствах моделирующего комплекса. При этом моделирующий комплекс может настраиваться на соответствующую структуру системы программным путем за счет возможности программирования структуры используемой микропроцессорной ВС. Часть аппаратных и программных средств микропроцессорной ВС моделирующего комплекса непосредственно отражает аппаратно-программные средства, входящие в исследуемую систему (аппаратное моделирование), другая часть реализует имитационную модель функциональных средств исследуемой системы, внешней обстановки, влияния помех и т.п. (программное моделирование).
Разработка аппаратно-программных моделирующих комплексов является сложной технической задачей [8,9]. Несмотря на это, применение таких комплексов находит все большее распространение. При достаточной производительности вычислительных средств комплекса процесс исследования системы может вестись в реальном масштабе времени. В составе комплекса могут использоваться как универсальные микроЭВМ общего назначение, так и вычислительные средства, непосредственно входящие в исследуемую систему. Подобные моделирующие комплексы являются универсальными стендами для разработки и отладки аппаратно-программных средств, проектируемых систем заданного класса. Они могут использоваться в качестве тренажеров по обучению обслуживающего персонала.
1.6 Система автоматизированного проектирования - Proteus
PROTEUS VSM -- пакет программ для автоматизированного проектирования (САПР) электронных схем. Разработка компании Labcenter Electronics [20,21,22]. Пакет представляет собой систему схемотехнического моделирования, базирующуюся на основе моделей электронных компонентов, принятых в PSpice. Отличительной чертой пакета PROTEUS VSM является возможность моделирования работы программируемых устройств: микроконтроллеров, микропроцессоров, DSP и проч. Библиотека компонентов содержит справочные данные. Дополнительно в пакет PROTEUS VSM входит система проектирования печатных плат. Пакет Proteus состоит из двух частей, двух подпрограмм: ISIS -- программа синтеза и моделирования непосредственно электронных схем и ARES -- программа разработки печатных плат. Вместе с программой устанавливается набор демонстрационных проектов для ознакомления.
Также в состав ПО входит среда разработки VSM Studio, позволяющая весьма быстро написать программу для микроконтроллера, используемого в проекте, и скомпилировать.
Пакет является коммерческим. Бесплатная ознакомительная версия характеризуется полной функциональностью, но не имеет возможности сохранения файлов.
Примечательной особенностью является то, что в ARES можно увидеть 3D-модель печатной платы, что позволяет разработчику оценить своё устройство ещё на стадии разработки.
2. современные методы измерения пульса
2.1 История пульсовой диагностики
Сердечный цикл -- понятие, отражающее последовательность процессов происходящих за одно сокращение сердца и его последующее расслабление [1,4]. Каждый цикл включает в себя три большие стадии: систола предсердий, систола желудочков и диастола.
Термин систола означает сокращение мышцы [4]. Выделяют электрическую систолу -- электрическую активность, которая стимулирует миокард и вызывает механическую систолу -- сокращение сердечной мышцы и уменьшение сердечных камер в объеме. Термин диастола означает расслабление мышцы. Во время сердечного цикла происходит повышение и снижение давления крови, соответственно высокое давление в момент систолы желудочков называетсясистолическим, а низкое во время их диастолы -- диастолическим.
Рисунок 2.1- Строение сердце человека
Сердце человека состоит из четырёх камер, разделенных перегородками и клапанами (рисунок 2.1). Кровь из верхней и нижней полой вены поступает в правое предсердие, проходит через трёхстворчатый клапан (он состоит из трёх лепестков) в правый желудочек. Затем через легочный клапан поступает в легочные артерии, идет к легким, где происходит обмен и возвращается к левому предсердию. Затем через митральный или двухстворчатый клапан (он состоит из двух лепестков) поступает в левый желудочек, затем проходит через аортальный клапан в аорту.
В правое предсердие входят полые, в левое предсердие -- легочные вены. Из правого и левого желудочка выходят, соответственно, легочная артерия (легочный ствол) и восходящая аорта. Правый желудочек и левое предсердие замыкают малый круг кровообращения, левый желудочек и правое предсердие -- большой круг. Сердце расположено в нижней части переднего средостения, большая часть его передней поверхности прикрыта легкими. С впадающими участками полых и легочных вен, а также выходящими аортой и легочным стволом оно покрыто сорочкой (перикардом). В полости перикарда содержится небольшое количество серозной жидкости. У взрослого человека его объём и масса составляют в среднем для мужчин 783 см³ и 332 г, для женщин -- 560 см³ и 253 г.
Через сердце человека в течение суток проходит от 7 000 до 10 000 литров крови, за год около 3 150 000 литров
Пульс (от лат. pulsus -- удар, толчок) -- толчкообразные колебания стенокартерий, связанные с сердечными циклами. В более широком смысле под пульсом понимают любые изменения в сосудистой системе, связанные с деятельностью сердца, поэтому в клинике различают артериальный, венозный и капиллярный пульс [4].
Рисунок 2.2 - Прощупывания пульса
Пульс -- колебания стенки сосудов, связанные с изменением их кровенаполнения в течение сердечного цикла. Различают артериальный, венозный и капиллярный пульс. Исследование артериального пульса дает важные сведения о работе сердца, состоянии кровообращения и свойствах артерий. Основной метод исследования пульса -- прощупывание артерий. Для пальпации лучевой артерии кисть исследуемого свободно обхватывают рукой в области лучезапястного сустава так, чтобы большой палец располагался на тыльной стороне предплечья, а остальные пальцы -- на передней поверхности лучевой кости, где под кожей прощупывается пульсирующая лучевая артерия. Пульс прощупывают одновременно на обеих руках, так как иногда на правой и левой руке он выражен неодинаково (за счет аномалии сосудов, сдавливания или закупорки подключичной или плечевой артерии). Кроме лучевой артерии, пульс исследуют на сонных, бедренных, височных артериях, артериях стоп и др.
Идея создания пульсометра пришла будущему основателю всемирно известной компании Polar в 1975г. во время лыжной прогулки недалеко от его дома в Кемпеле, Финляндия.
В 1977 году профессор Сеппо Сайнаякангас основал компанию, в области разработок и производства беспроводных мониторов сердечного ритма для спортсменов-профессионалов.
Началось всё с лыжной прогулки профессора недалеко от его дома в Кемпеле, Финляндия. На лыжне он встретил своего старого друга, работавшего тренером. Завязалась дискуссия о методах наиболее точного измерения пульса спортсмена на тренировке. Река зарождается в капле дождя и с тех пор Сеппо решил посвятить себя идее навсегда изменить тренировочный процесс. В 1979 году был оформлен первый патент, а 3 года спустя, в 1982-м, запущена в производство первая серийная модель пульсометра - The Sport Tester PE2000 (рисунок 2.3).
Рисунок 2.3 - Модель пульсометра - The Sport Tester PE2000.
Спустя 30 лет мы столь же страстно верим в своё дело, как и стоя у его истоков - заявил Сари Сайнаякангас, генеральный директор и заместитель председателя совета директоров компании Polar Electro OY. И, заглядывая ещё на три десятилетия вперёд, мы наполняемся уверенностью, что всё большее количество людей по всему миру заинтересуются своим здоровьем и физичекой формой. Круг новых видов спорта будет расширятся, а с ним будут расти и возможности Polar. Мы продолжим осваивать новейшие технологические ниши с целью удовлетворить индивидуальные потребности каждого!
Кардиографом называют специальный аппарат, благодаря которому можно снимать показания о сердечном ритме. Этот прибор используется кардиологами в области медицины под названием электрокардиография. Эта медицина является главной в области диагностики сердца.
Электрографические приборы постоянно совершенствуются благодаря разработкам в области технологий. Цифровая техника сегодня также оснащена записывающими устройствами, что позволяет быстро снимать показания и хранить их на компьютере длительное время. Современную медицину уже просто невозможно представить без подобных цифровых устройств, которые не только выводят данные на экран, но и позволяют быстро распечатать все показания. Кроме того, электрокардиограф может автоматически преобразовать данные диагностики сердечно-сосудистой системы в удобный для врача график или любой другой вид.
Все кардиографы подразделяют на виды согласно количеству каналов, так существуют одно, трех, шести и двенадцати канальные модификации. Так, кардиограф с 3 каналами еще известен как электрокардиограф трех канальный, но вторая модификация более усовершенствована. Каждое обследование организма обязательно записывается, а затем распечатывается. Качество обработки данных напрямую зависит от аналого-цифрового преобразования, определяемого частотой сигнала. В случае с диагностикой сердца человек является источником образования сигнала. При проведении диагностики важным фактором является правильность установки электродов. Кроме того, сами врачи заметили, что для тяжелобольных людей больше подходят многоканальные электрокардиографы, потому что они позволяют сократить время на диагностику, и врач сможет обследовать большее количество людей. Самым оптимальным вариантом врачи определяют 3 канальный электрокардиограф, он подходит для больных среднего уровня, а для тяжелых случаев уже используются электрокардиографы с большей мощностью.
2.2 Пульсовая диагностика в современной медицине
Приборы, измеряющие частоту сердечных сокращений, были изобретены достаточно давно и получили широкое распространение среди профессиональных спортсменов и тренеров. Со временем, всеобщее стремление людей к активному и здоровому образу жизни привело к созданию более широкого и разнообразного модельного ряда пульсометров, каждый из которых стал отличаться наличием определенных функций и отвечать наиболее популярным запросам общества.
Современные пульсометры бывают нескольких вариантов: кроме явных технических отличий, таких как конструкция корпуса, тип датчика и способ передачи сигнала, существует и дифференциация по предназначению. Так, различают модели для фитнеса, для контроля веса, для велосипеда, беговых тренировок и мультиспортивные образцы.
Фитнес-пульсометр будет полезен людям, которые следят за своим здоровьем и ведут активный образ жизни, тренируясь в спортзале или фитнес-центре. Главная его особенность - это встроенная система расчета индивидуальной программы тренировок, исходя из физиологических особенностей организма. Тренироваться с фитнес-монитором намного эффективней и интересней, благодаря четкому и точному контролю результативности занятий [11].
Следующая разновидность пульсометров - приборы для контроля веса -- были разработаны для людей, желающих избавиться от лишних килограммов и в дальнейшем контролировать свой вес. В программу монитора входят две принципиально важные функции: учет потребляемых и расходуемых калорий.
Для эффективного занятия самыми разнообразными видами спорта можно купить пульсометр мультиспортивного образца. Такие модели обладают целым рядом дополнительных технических особенностей, включая привлекательный дизайн и эргономичную форму. Мультиспортивный пульсометр подходит также и для игровых видов спорта.
Модели беговых пульсометров паказаных на рисунке 2.4 рассчитаны как на профессиональных спортсменов, так и на любителей. Полезные функции данного устройства, кроме, собственно, мониторинга сердечной активности, дополнены счетчиком скорости бега и пройденной дистанции в формате кмч -- мильч или выводятся на монитор в виде счетчика времени, затраченного на прохождение определенного отрезка пути. Пульсометры для бега пользуются наибольшей популярностью, благодаря огромному количеству людей, предпочитающих именно этот вид спорта всем остальным.
Рисунок 2.4 - Модель беговых пульсометров
Среди методов исследования состояния сердечно-сосудистой системы особое место занимает исследование пульса, как наиболее простого и информативного показателя функционального состояния сердечно-сосудистой системы.
Исследователи определяют его частоту, ритм, напряжение, наполнение. Наиболее важными являются частота и ритм сердечных сокращении. Они имеют большое значение для определения функционального состояния организма, особенно при исследовании влияния физических упражнений [17,18].
Как правило, у спортсменов отмечается ритмичный пульс, что служит отражением нормальной функции автоматизма сердца.
Частота сердечных сокращений в покое у человека зависит от возраста, пола, состояния центральной нервной системы, обменных процессов н многих других факторов. Этот показатель претерпевает колебания в течение суток. В процессе систематических занятий спортом частота сердечных сокращений уменьшается.
Снижение частоты сердечных сокращений в процессе тренировки в большей степени характерно для спортсменов, специализирующихся в видах спорта, требующих преимущественного развития выносливости. Она составляет у них в среднем около 50 сокращений в минуту.
У представителей видов спорта, где требуется преимущественное развитие скоростно-силовых качеств, снижение частоты сердечных сокращений менее выражено: она равна в среднем 50-70 сокращениям в 1 мин. Аналогичные данные отмечаются у спортсменов, специализирующихся в скоростно-силовых видах спорта.
На частоту сердечных сокращений оказывает влияние и состояние тренированности. Так у спортсмена, находящегося в хорошем состоянии тренированности, когда он входит в свою лучшую спортивную форму, отмечаются самые наименьшие показатели частоты пульса и наоборот.
В спортивной медицине брандикардия считается одним из показателей тренированности.
Однако в некоторых случаях она может наблюдаться при переутомлении и перетренированности.
Известны случаи, когда у спортсменов после больших физических напряжений, связанных со спортивными соревнованиями, в восстановительном периоде в течение 1-2 суток частота пульса была меньше, чем до соревнований. У некоторых спортсменов брадикардия может являться и индивидуальной особенностью. Наконец, она может быть результатом патологического состояния сердца.
Уменьшение частоты сердечных сокращений в покое под влиянием спортивной тренировки служит важным показателем функционального состояния спортсмена н обуславливает увеличение его потенциальных возможностей. У лиц, не занимающихся спортом, при физических напряжениях частота сердечных сокращений по сравнению с покоем повышается в 2-3 раза, тогда как у спортсменов может возрастать в 5 раз.
Брандикардия в покое у спортсменов нередко сочетается с увеличением объема сердца, уменьшением минутного объема кровообращения н другими положительными показателями гемодинамики.
Повышение частоты сердечных сокращений в покое у спортсменов (тахикардия) явление весьма редкое. Оно может быть показателем недовосстановления после физических нагрузок или одним из симптомов сердечной недостаточности. Исходя из результатов обследования, врач составляет заключение, в котором дает оценку физическому развитию, состоянию здоровья, функциональному состоянию и степени тренированности спортсмена.
Пульс обычно измеряется пальпацией сонной, височной либо лучевой артерии. Удобнее использовать сонную или лучевую артерию. Сонную артерию легко нащупать, приложив указательный палец к шее на середине линии, соединяющей нижнюю челюсть и середину ключицы. Пальпация лучевой артерии осуществляется при расположении вашего указательного и среднего пальца на внутренней стороне запястья, а большого пальца на внешней стороне запястья.
2.3 Виды пульсометров
Пульсометры различаются по спорту, в котором они используются: - для фитнеса. Здесь наиболее популярны женские спортивные часы, поскольку фитнесом занимаются по большей части женщины; - для бега. Как правило, такие устройства не являются чувствительными, поэтому они имеют узкий профиль. Во время бега сердце человека подает достаточно сильные импульсы, следовательно, чувствительность прибору просто напросто не нужна; - для велоспорта. Зачастую эти приборы являются встроенными в велотренажер, однако есть и отдельные; - мульти спортивные. Такие приборы рекомендуется покупать тем, кто занимается спортом не профессионально, поскольку, чем больше профилей у любого устройства, тем хуже он работает в каждом направлении.
Кроме этого, пульсометры разделяются по типу питания: 1.проводные; 2.беспроводные (работающие от аккумулятора или обычных батареек).
Различают пульсометры по типу передачи: 1.С цифровым датчиком. Здесь все данные указываются непосредственно в цифрах и на цифровом табло; 2.С аналоговым датчиком. Внешний вид также является параметром различия приборов:
1.Спортивные часы с пульсометром;
2.Пульсометр шагомер (его также используют для бега);
3.Выполненные в виде вело компьютера (обычно они выглядят, как небольшое мобильное устройство, состоящее из экрана и закрепительного прибора);
4.Изготовленные в качестве прибора, закрепляемого на груди.
Самым важнейший параметр который нам особенно пригодится, параметр по которому различаются пульсометры, заключается в типе датчика:
* приборы, которые закрепляются на груди;
* приборы, которые встроены в тренажеры;
* приборы, которые закрепляются на мочке уха;
* приборы, которые закрепляются на пальце (например, пульсометр шагомер);
* приборы, которые носят на запястье.
Пульсометр спортивный.
Пульсометр спортивный это инструмент, который предназначается для того, чтобы обеспечить каждой тренировке максимальную эффективность. Пользуются, как правило, профессиональные спортсмены. Потому что, что в начале спортивной карьеры за интенсивностью тренировок следят тренеры. Спортивные приборы обладают журналом событий, которым, тренер и спортсмен могут сделать выводы. Это поможет спортсменам интенсивно и правильно тренироваться, не перегружать себя или же не пропустить несколько тренировок. Это в свою очередь, положительно влияет на уровень физической подготовки, а также достижения максимально возможных на определенный период спортивных показателей. Данные устройства оснащают дополнительными модулями, что позволяет повысить потенциал и количество функций пульсометра. Пульсометр спортивный должен обладать основными функциями, которые, заключаются в следующем: контролирование сердечнососудистой системы. Эта функция является основной и главной для любого пульсометра; подсчет тех калорий, которые были сожжены во время тренировки. Данная функция положительно сказывается не только на питании спортсмена, но и на эффективности при планировании его активности физического характера; GPS-трекер. Люди, занимающиеся бегом, способны оценить по достоинству данную функцию. С помощью этого модуля можно выбрать маршрут свободного бега, который будет наиболее оптимально подходить индивидуальному спортсмену; Модуль, подключать устройство к персональным компьютерам, планшетам или ноутбукам. Эта функция не является столь значимой, как все предыдущие. Она предназначен тренеру для того, чтобы выяснить, на какое конкретно спортивное направление лучше ориентировать того или иного спортсмена, необходима исключительно для ведения статистики. Они подойдут фактически для любого вида спортивного занятия. Одинаково хорошо работают, как в закрытом помещении, так и на открытом воздухе. Наиболее популярным является тот спортивный пульсометр, который надевается на запястье. Они особо популярны в последнее время. Такой пульсометр может содержать в себе функции часов, а может быть и отдельным устройством, который делает только то, что считает количество сокращения сердечной мышцы в минуту. Ито и другое одинаково хороши для спортсмена, поскольку они отслеживают сердечные импульсы в режиме реального времени, которое и необходимо тренирующемуся человеку. Каждый пульсометр обладает еще одной важной функцией - он способен сообщить спортсмену о времени, когда он уже будет готов к другому виду занятий, то есть, прибор следит за восстановлением человека.Пульсометр наручныйНа сегодняшние дни пульсометры выпускаются, намного удобнее устаревшей. Они делаются как наручные часы, и вниз имеются разные способы закрепления. И не имеют нагрудного ремня, что делает их эксплуатацию более комфортной, особенно если учесть, что каждая тренировка заставляет хорошо попотеть. Итого, наручный пульсометр представляет собой обычные часы, на которых располагается табло, где отображается сердечный ритм носящего его человека. С одной стороны пульсометр наручный можно рассмотреть в качестве кардиограммы, но более доступной для широкого круга потребителей. Мало какой спортсмен или любой другой человек, который решил понаблюдать за своей сердечнососудистой системой, сможет разобраться в сложных медицинских символах. И они тоже используется для того, чтобы повысить эффективность тренировок оздоровительного характера.Нужно не забывать, что оздоровительные спортивные занятия назначаются не только тем, кто имеет больную сердечнососудистую систему. К примеру, женщина которая планирует восстановление после родов, она может слишком сильно напрячь свой организм, ошибочно полагая, что усиленные тренировки дадут первый результат несколько быстрее. Это может только навредить ей. Воспользовавшись, пульсометром, она сможет контролировать упражнения, и у нее останутся силы для ухода за ребенком.Наиболее точным пульсометром принято считать тот, который крепится на груди специальными ремнями. Но развевающиеся технологии позволяют получить точность и с других устройств, более удобных для человека. Возьмем спортивные часы casio, многие спортсмены уже высказали свои рекомендации по их поводу. Хороший прибор, способный снабдить пользователя информацией о времени и о состояние его сердца. Женские спортивные часы отдельно стоит рассмотреть. Потому что женские импульсы, которые подает сердце, несколько слабее, чем мужские. Для них пульсометры должны быть более чувствительными, чтобы предоставить точную информацию. 2.4 Конструкция и функции современных пульсометровОбычно современные пульсометры состоят из двух элементов: нагрудного ремня-датчика и приёмника на запястье, gps-навигатора или мобильного телефона. Для получения хорошего контакта электроды датчика смачиваются водой или специальным гелем. Почти все пульсометры имеют дополнительными функции: часы, секундомер, таймер, статистика времени нахождения пульса в заданных зонах, звуковая сигнализация выхода пульса из заданной зоны. При вводе возраста, веса и роста прибор предлагает калькуляторы индекса массы тела, сожженных калорий, сожженного жира, причем последний активизируется обычно только при пульсе выше 120 удмин. Зоны пульса можно выбрать из предложенных вариантов для различных степеней подготовки или задать по своему усмотрению [6,7,10].
Есть и более продвинутые модели пульсометров которые предлагают измерения среднего и максимального пульса, интенсивности и частоты дыхания для оценки параметров, связанных с фитнес-тренировкой, память круговых тренировок. Если приёмником является gps-навигатор, то данные можно сопоставить со скоростью перемещения, скоростью подъёма, высотой и пр.
Нагрудный датчик -- самый точный датчик для определения пульса. Крепится на груди с помощью специального ремня, имеет автономный источник питания, запускаемый при появлении пульса. Передаёт сигнал на расстояние до 70 см в наручные часы-приёмник. Кисти рук остаются свободными.
Встроенный датчик - позволяют определить пульс просто коснувшись двух электродов на корпусе пульсометра в течение нескольких ... продолжение
Вы можете абсолютно на бесплатной основе полностью просмотреть эту работу через наше приложение.
Похожие работы
Дисциплины
- Информатика
- Банковское дело
- Оценка бизнеса
- Бухгалтерское дело
- Валеология
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Религия
- Общая история
- Журналистика
- Таможенное дело
- История Казахстана
- Финансы
- Законодательство и Право, Криминалистика
- Маркетинг
- Культурология
- Медицина
- Менеджмент
- Нефть, Газ
- Искуство, музыка
- Педагогика
- Психология
- Страхование
- Налоги
- Политология
- Сертификация, стандартизация
- Социология, Демография
- Статистика
- Туризм
- Физика
- Философия
- Химия
- Делопроизводсто
- Экология, Охрана природы, Природопользование
- Экономика
- Литература
- Биология
- Мясо, молочно, вино-водочные продукты
- Земельный кадастр, Недвижимость
- Математика, Геометрия
- Государственное управление
- Архивное дело
- Полиграфия
- Горное дело
- Языковедение, Филология
- Исторические личности
- Автоматизация, Техника
- Экономическая география
- Международные отношения
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности), Защита труда
