N´avrh a realizace pulzn´ıho oxymetru

N´ avrh a realizace pulzn´ıho oxymetru

Bakal´ aˇ rsk´ a pr´ ace

Studijn´ı program: N2646 – Informaˇcn´ı technologie Studijn´ı obor: 1802R007 – Informaˇcn´ı technologie Autor pr´ace: Libor ˇStit’´ak

Vedouc´ı pr´ace: Ing. Martin Kysela

Design and Realization of Pulse Oximeter

Bachelor thesis

Study programme: N2646 – Information technology Study branch: 1802R007 – Information technology Author: Libor ˇStit’´ak

Supervisor: Ing. Martin Kysela

Podˇ ekov´ an´ı

R´ad bych podˇekoval panu Ing. Martinu Kyselovi za odborn´e veden´ı, pomoc a cenn´e rady, kter´e mi v pr˚ubˇehu zpracov´an´ı t´eto bakal´aˇrsk´e pr´ace vˇenoval. Dˇekuji tak´e panu Justinu Holdenovi za gramatickou kontrolu anglicky psan´e verze abstraktu t´eto pr´ace.

Abstrakt

Tato bakal´aˇrsk´a pr´ace se zab´yv´a pulzn´ım oxymetrem ˇcili zaˇr´ızen´ım mˇeˇr´ıc´ım krevn´ı kysl´ıkovou saturaci. C´ılem pr´ace je n´avrh a sesta- ven´ı laboratorn´ıho pˇr´ıpravku mˇeˇr´ıc´ıho krevn´ı kysl´ıkovou saturaci, kter´y ke sv´e ˇcinnosti vyuˇz´ıv´a mikroprocesoru ARM a je ovlada- teln´y prostˇrednictv´ım desktopov´e aplikace pro PC. Programov´an´ı mikroprocesoru a vytvoˇren´ı ovl´adac´ı aplikace jsou rovnˇeˇz zahrnuty v pr´aci.

Pr´ace m´a dvˇe ˇc´asti. Prvn´ı je ˇc´ast teoretick´a, kter´a se zab´yv´a fyzik´aln´ımi, biologick´ymi a matematick´ymi principy vyuˇz´ıvan´ymi k mˇeˇren´ı krevn´ı kysl´ıkov´e saturace. Druhou je ˇc´ast praktick´a, kter´a zahrnuje popis v pr´aci pouˇzit´ych technologi´ı a popis konstrukce a programov´an´ı pˇr´ıpravku vˇcetnˇe ovl´adac´ı aplikace. Shrnut´ı pro- cesu konstrukce, programov´an´ı pˇr´ıpravku a v´ysledky ovˇeˇren´ı jeho funkˇcnosti jsou uvedeny v z´avˇeru pr´ace.

V´ysledkem pr´ace je laboratorn´ı pˇr´ıpravek mˇeˇr´ıc´ı krevn´ı kysl´ıkovou saturaci a frekvenci srdeˇcn´ıho tepu. V´ysledky mˇeˇren´ı pˇr´ıpravku jsou srovnateln´e s v´ysledky mˇeˇren´ı pulzn´ıch oxymetr˚u s deklarovanou funkˇcnost´ı v r´amci pˇribliˇznˇe 3% odchylky.

Kl´ıˇ cov´ a slova:

absorbance tk´anˇe, krevn´ı kysl´ıkov´a saturace, mikroprocesor ARM, pulzn´ı oxymetr, operaˇcn´ı zesilovaˇc

Abstract

This bachelor thesis deals with a pulse oximeter, a device that measures blood-oxygen saturation. The purpose of this thesis is to design and to construct laboratory equipment that measures blood oxygen saturation using an ARM microprocessor, which can be manipulated using a desktop PC application. Programming of microprocessor and creating the controlling application are li- kewise the intent of this thesis.

The thesis has two elements: The first, being theoretical, attends to the physical, biological, and mathematical principles used for me- asuring blood-oxygen saturation. The second, practical compo- nent, contains a description of the technologies used within this thesis, and the construction and the programming thereof. A sum- mary of the equipment’s construction, the programming process, and the result of its verification process are shown in the conclusion of the thesis.

The result of the thesis is working equipment that measures blood-oxygen saturation and heart rate. The equipment’s measure- ments are comparable within 3% to the results of pulse oximeters with proclaimed functionality.

Keywords:

ARM microprocessor, blood-oxygen saturation, operational ampli- fier, pulse oximeter, tissue absorbance

Obsah

Seznam zkratek 10

Uvod´ 12

1 Teoretick´a ˇc´ast 13

1.1 Transport kysl´ıku v tˇele . . . 13

1.2 Metody mˇeˇren´ı saturace . . . 13

1.3 Pulzn´ı oxymetrie . . . 15

1.3.1 Absorbance tk´anˇe . . . 15

1.3.2 Zjednoduˇsen´ı v´ypoˇctu a jeho d˚usledky . . . 16

1.3.3 V´ypoˇcet saturace . . . 17

2 Praktick´a ˇc´ast 20 2.1 Pouˇzit´e technologie . . . 21

2.1.1 Zapojen´ı s operaˇcn´ım zesilovaˇcem . . . 21

2.1.1.1 Sign´alov´e zesilovaˇce . . . 22

2.1.1.2 Sign´alov´e filtry . . . 24

2.1.1.3 U/I a I/U mˇeniˇc . . . 26

2.1.2 Mikroprocesor STM32F051R8T6 . . . 26

2.1.3 Prostˇredky k vytvoˇren´ı aplikace v prostˇred´ı MS Windows . . . 30

2.2 Konstrukce a programov´an´ı pˇr´ıpravku a ovl´adac´ı aplikace . . . 31

2.2.1 Nap´ajen´ı ˇc´ast . . . 32

2.2.2 Budiˇc LED . . . 34

2.2.3 Sn´ımaˇc sign´alu . . . 36

2.2.4 Filtr okoln´ıho svˇetla . . . 37

2.2.5 Demultiplexor . . . 38

2.2.6 Zapojen´ı mikroprocesoru a firmware . . . 40

2.2.7 USB/USART pˇrevodn´ık . . . 43

2.2.8 Ovl´adac´ı aplikace . . . 43

Z´avˇer 45

Literatura 49

A Obsah pˇriloˇzen´eho CD 54

Seznam obr´ azk˚ u

1.1 Disociaˇcn´ı kˇrivka . . . 14

1.2 Absorpˇcn´ı koeficient hemoglobinu . . . 17

1.3 Elektrick´y proud v z´avislosti na ˇcase . . . 19

2.1 Operaˇcn´ı zesilovaˇc . . . 21

2.2 Diferenci´aln´ı a sˇc´ıtac´ı zesilovaˇc . . . 22

2.3 Invertuj´ıc´ı zesilovaˇc . . . 23

2.4 Neinvertuj´ıc´ı zesilovaˇc . . . 23

2.5 Sledovaˇc napˇet´ı . . . 24

2.6 Butterworthova doln´ı a horn´ı propust . . . 25

2.7 U/I a I/U mˇeniˇc . . . 26

2.8 STM32F051R8T6 pinout . . . 29

2.9 Sch´ema hardwaru . . . 31

2.10 Vstupn´ı filtr . . . 33

2.11 Nap´ajec´ı ˇc´ast . . . 34

2.12 Sonda Nellcor DS100A-1 DuraSensor . . . 34

2.13 Vnitˇrn´ı zapojen´ı sondy . . . 35

2.14 Budiˇc LED . . . 35

2.15 Sn´ımaˇc sign´alu . . . 36

2.16 Filtr okoln´ıho svˇetla . . . 37

2.17 Demultiplex ˇcerven´e a infraˇcerven´e sloˇzky . . . 39

2.18 Demultiplex stejnosmˇern´e a stˇr´ıdav´e sloˇzky . . . 39

2.19 Offset stˇr´ıdav´e sloˇzky sign´alu . . . 40

2.20 Pˇrepˇet’ov´a ochrana . . . 40

2.21 Mikroprocesor . . . 41

2.22 Tabulka sign´al˚u . . . 42

2.23 USB/USART pˇrevodn´ık . . . 43

2.24 Ovl´adac´ı aplikace . . . 44

2.25 Deska ploˇsn´ych spoj˚u . . . 46

2.26 Hardware laboratorn´ıho pˇr´ıpravku . . . 47

Seznam zkratek

A absorbance tk´anˇe, bezrozmˇern´a veliˇcina AC stˇr´ıdav´y proud

ADC analogovˇe-digit´aln´ı pˇrevodn´ık ALU aritmeticko-logick´a jednotka

ARM Advanced RISC Machine, procesor s redukovanou sadou instrukc´ı ASCII American Standard Code for Information Interchange, z´akladn´ı znakov´a

sada

c mol´arn´ı koncentrace roztoku ud´avan´a v molech na litr (mol·l⁻¹)

CISC Complex Instruction Set Computing, procesor s komplexn´ı sadou in- strukc´ı

C elektrick´a kapacita ud´avan´a ve faradech (F) COHb karbonylhemoglobin

COM communication port, druh hardwarov´eho rozhran´ı

d tlouˇst’ka prosvˇecovan´e vrstvy roztoku ud´avan´a v centimetrech (cm) DAC digit´alnˇe-analogov´y pˇrevodn´ık

DMA Direct Memory Access, metoda poskytuj´ıc´ı vstupn´ım a v´ystupn´ım zaˇr´ızen´ım pˇr´ıstup do operaˇcn´ı pamˇeti

DC stejnosmˇern´y proud

E intenzita svˇetla, kter´a je ud´avan´a v luxech (lx) I elektrick´y proud ud´avan´y v amp´erech (A)

I²C Inter-Integrated Circuit, typ komunikaˇcn´ıho rozhran´ı mikroprocesor˚u LED light-emitting diode neboli elektroluminiscenˇcn´ı dioda

MetHb methemoglobin

MCU microcontroller unit, zkratka pro mikroprocesor

MS Microsoft

N normalizovan´y pomˇer absorbanc´ı, bezrozmˇern´a veliˇcina O₂Hb oxyhemoglobin

PC osobn´ı poˇc´ıtaˇc

p_O2 parci´aln´ı tlak kysl´ıku ud´avan´y v milimetrech rtut’ov´eho sloupce (mmHg) R elektrick´y odpor ud´avan´y v ohmech (Ω)

RHb redukovan´y hemoglobin

RISC Reduced Instruction Set Computing, druh architektury procesor˚u s_O2 krevn´ı kysl´ıkov´a saturace, bezrozmˇern´a veliˇcina (ud´avan´a v procentech) SPI Serial Peripheral Interface, typ komunikaˇcn´ıho rozhran´ı mikroprocesor˚u t ˇcas, ud´av´an v sekund´ach (s)

U elektrick´e napˇet´ı ud´avan´e ve voltech (V)

USART Universal Synchronous/Asynchronous Receiver and Transmitter, typ ko- munikaˇcn´ıho rozhran´ı mikroprocesor˚u

USB ”Universal Serial Bus“ neboli univerz´aln´ı s´eriov´a sbˇernice

ε absorpˇcn´ı koeficient ud´avan´y v litrech na mol a centimetr (l·mol⁻¹·cm⁻¹) λ vlnov´a d´elka svˇetla ud´avan´a v nanometrech (nm)

Uvod ´

C´ılem t´eto bakal´aˇrsk´e pr´ace je na z´akladˇe z´ıskan´ych znalost´ı v oblasti mˇeˇren´ı krevn´ı kysl´ıkov´e saturace navrhnout a s vyuˇzit´ım mikroprocesoru ARM¹ sestavit labora- torn´ı pˇr´ıpravek pˇredstavuj´ıc´ı funkˇcn´ı exempl´aˇr takzvan´eho pulzn´ıho oxymetru.

V ˇcerven´ych krvink´ach kaˇzd´eho ˇclovˇeka je pˇr´ıtomen protein zvan´y hemoglo- bin, kter´y na sebe v´aˇze kysl´ık. D´ıky tomu jsou ˇcerven´e krvinky schopn´e z´asobovat kysl´ıkem vˇsechny tk´anˇe lidsk´eho tˇela.

Pulzn´ı oxymetr je zaˇr´ızen´ı, kter´e je schopn´e zmˇeˇrit krevn´ı kysl´ıkovou saturaci, coˇz je veliˇcina, kter´a vyjadˇruje pomˇer mnoˇzstv´ı hemoglobinu, na nˇejˇz je chemicky nav´az´an kysl´ık, v˚uˇci mnoˇzstv´ı hemoglobinu veˇsker´eho. Tato metoda je neinvazivn´ı, coˇz znamen´a, ˇze pˇri n´ı nedoch´az´ı k poˇskozen´ı lidsk´e tk´anˇe.

Pr´ace je rozdˇelena na dvˇe ˇc´asti. Prvn´ı, teoretick´a ˇc´ast, se zab´yv´a principy, na z´akladˇe kter´ych pulzn´ı oxymetr funguje. Druh´a, praktick´a ˇc´ast, se zab´yv´a nejprve technologiemi pouˇzit´ymi v pr´aci a n´aslednˇe samotnou konstrukc´ı a programov´an´ım laboratorn´ıho pˇr´ıpravku.

Jak jiˇz bylo uvedeno, ˇze jedn´ım z poˇzadavk˚u zad´an´ı je vyuˇzit´ı mikroproce- soru ARM. Realizace pˇr´ıpravku s vyuˇzit´ım mikroprocesoru byla zvolena, protoˇze je v´yhodnˇejˇs´ı d´ıky menˇs´ımu mnoˇzstv´ı souˇc´astek oproti plnˇe analogov´e realizaci. Tak´e umoˇzˇnuje implementovat nˇekter´e operace potˇrebn´e k vypoˇcten´ı krevn´ı kysl´ıkov´e sa- turace mnohem jednoduˇsˇs´ı cestou. Kromˇe toho znaˇcnˇe rozˇsiˇruje moˇznosti obsluhy a mnoˇzinu na data pouˇziteln´ych operac´ı a umoˇzˇnuje t´eˇz komunikaci mezi pˇr´ıpravkem a dalˇs´ım zaˇr´ızen´ım (v pˇr´ıpadˇe t´eto pr´ace s PC).²

Moˇznost komunikace je d˚uleˇzit´a, protoˇze dalˇs´ım poˇzadavkem zad´an´ı je ovla- datelnost pˇr´ıpravku prostˇrednictv´ım desktopov´e aplikace (jej´ı programov´an´ı je t´eˇz zahrnuto v pr´aci). Aplikace kromˇe ovl´ad´an´ı pˇr´ıpravku z PC umoˇzˇnuje i sledov´an´ı jednak pr˚ubˇehu sign´al˚u vstupuj´ıc´ıch do procesoru, a jednak hodnot krevn´ı kysl´ıkov´e saturace a frekvence srdeˇcn´ıho tepu vypoˇcten´ych z hodnot zm´ınˇen´ych sign´al˚u.

1Advanced RISC Machine, typ architektury mikroprocesor˚u.

2Zkratka pro osobn´ı poˇc´ıtaˇc.

1 Teoretick´ a ˇ c´ ast

1.1 Transport kysl´ıku v tˇ ele

Pro fungov´an´ı lidsk´eho tˇela je vedle vody a ˇzivin obsaˇzen´ych v potravˇe d˚uleˇzit´y pˇredevˇs´ım kysl´ık. Kysl´ık je totiˇz nutn´y pro fungov´an´ı metabolick´ych dˇej˚u mˇen´ıc´ıch ˇziviny na dalˇs´ı potˇrebn´e l´atky a hlavnˇe energii.

Vzhledem k tomu, ˇze si ˇclovˇek neum´ı kysl´ık vyrobit s´am, je nutn´e, aby jej pˇrij´ımal z okoln´ıho prostˇred´ı. Samotn´a pasivn´ı pˇr´ıtomnost ˇclovˇeka v atmosf´eˇre obsahuj´ıc´ı kysl´ık vˇsak nezajist´ı fungov´an´ı jeho metabolismu, protoˇze se drtiv´a vˇetˇsina bunˇek nach´az´ı uvnitˇr tˇela bez pˇr´ıstupu k atmosf´erick´emu kysl´ıku. Proto mus´ı b´yt ˇclovˇek vybaven mechanismem aktivnˇe dopravuj´ıc´ım kysl´ık z vnˇejˇs´ıho prostˇred´ı do vˇsech jeho bunˇek. Tento mechanismus je reprezentov´an respiraˇcn´ım syst´emem a na nˇej navazuj´ıc´ım krevn´ım obˇehem.

Krev je cirkuluj´ıc´ı kapalina slouˇz´ıc´ı k transportu nejen kysl´ıku, ale i ˇzivin a od- padn´ıch l´atek v tˇele ˇclovˇeka i vˇsech obratlovc˚u. Skl´ad´a se z krevn´ı plazmy (pˇribliˇznˇe 55 %)¹ a krevn´ıch bunˇek (zbyl´ych pˇribliˇznˇe 45 %). Z krevn´ıch bunˇek jsou pro trans- port kysl´ıku d˚uleˇzit´e ˇcerven´e krvinky, na jejichˇz povrchu se nach´az´ı ˇcerven´e krevn´ı barvivo, hemoglobin, na nˇemˇz je pˇren´aˇsen´y kysl´ık nav´az´an.

Pr´avˇe na z´akladˇe pˇr´ıtomnosti kysl´ıku se rozliˇsuj´ı dvˇe z´akladn´ı formy hemoglo- binu, oxidovan´a (oxyhemoglobin) a redukovan´a (redukovan´y hemoglobin). Nicm´enˇe na hemoglobin se mohou kromˇe kysl´ıku nav´azat i jin´e l´atky. Pro medic´ınu jsou z tˇechto l´atek d˚uleˇzit´e pˇredevˇs´ım oxid uhelnat´y, dusiˇcnany a dusitany. V pˇr´ıpadˇe nav´az´an´ı oxidu uhelnat´eho vznik´a forma hemoglobinu zvan´a karbonylhemoglobin.² V pˇr´ıpadˇe p˚usoben´ı dusiˇcnan˚u a dusitan˚u pak forma zvan´a methemoglobin. Karbo- nylhemoglobin a methemoglobin jsou neˇz´adouc´ımi formami hemoglobinu, protoˇze zabraˇnuj´ı nav´az´an´ı kysl´ıku na hemoglobin, coˇz m˚uˇze zp˚usobit hypoxii³ a v krajn´ım pˇr´ıpadˇe i smrt.⁴

1.2 Metody mˇ eˇ ren´ı saturace

Jiˇz bylo uvedeno, ˇze hemoglobin, kter´y se nach´az´ı na povrchu ˇcerven´ych krvinek a kter´y je odpovˇedn´y za transport kysl´ıku, existuje ve ˇctyˇrech z´akladn´ıch form´ach.

1Zde se jedn´a o objemov´a procenta.

2Nˇekdy se oznaˇcuje jako karboxyhemoglobin.

3Medic´ınsk´y term´ın pro nedostatek kysl´ıku v tˇele.

4Informace uveden´e v kapitole 1.1 byly pˇrevzaty z [20], [26], [33] a [55, strany 63 a 66].

Tˇemi jsou redukovan´y hemoglobin (RHb), oxyhemoglobin (O₂Hb), karbonylhemo- globin (COHb) a methemoglobin (MetHb). Krevn´ı kysl´ıkov´a saturace s_O2 odpov´ıd´a procentu´aln´ımu zastoupen´ı oxyhemoglobinu v celkov´em mnoˇzstv´ı hemoglobinu.

Zp˚usob˚u, jak krevn´ı kysl´ıkovou saturaci zjistit, je v´ıce. Jedn´ım z nich je v´ypoˇcet na z´akladˇe parci´aln´ıho tlaku kysl´ıku p_O2. Kysl´ık se totiˇz kromˇe toho, ˇze se v´aˇze na hemoglobin, nav´ıc jeˇstˇe z mal´e ˇc´asti (pˇribliˇznˇe 3 %) rozpouˇst´ı v krevn´ı plazmˇe, pˇriˇcemˇz existuje z´avislost mezi parci´aln´ım tlakem kysl´ıku rozpuˇstˇen´eho v plazmˇe a pod´ılem hemoglobinu, na nˇemˇz je nav´az´an kysl´ık.

Metoda v´ypoˇctu z parci´aln´ıho tlaku spoˇc´ıv´a v zaveden´ı katetru do c´evy, zmˇeˇren´ı parci´aln´ıho tlaku kysl´ıku v krevn´ı plazmˇe a n´asledn´em v´ypoˇctu hodnoty saturace z hodnoty parci´aln´ıho tlaku. Ten se prov´ad´ı pomoc´ı takzvan´e disociaˇcn´ı kˇrivky z´avislosti saturace na parci´aln´ım tlaku:

Obr´azek 1.1: Disociaˇcn´ı kˇrivka, pˇrevzato z [49], upraveno

Dalˇs´ım zp˚usobem je pr´avˇe metoda pulzn´ı oxymetrie, kter´a spoˇc´ıv´a ve zmˇeˇren´ı koncentrac´ı vˇsech ˇctyˇr v´yznamn´ych forem hemoglobinu v krvi⁵ pomoc´ı prosvˇecov´an´ı tk´anˇe a spoˇcten´ı pomˇeru koncentrac´ı oxyhemoglobinu a hemoglobinu veˇsker´eho:⁶

s_O2 = cO2Hb

c_RHb+ c_O2Hb+ c_COHb+ c_{M etHb} (1.1)

5Ve skuteˇcnosti se jedn´a o takzvanou pulzn´ı CO-oxymetrii. Pulzn´ı oxymetrie se zab´yv´a pouze mnoˇzstv´ım oxyhemoglobinu a redukovan´eho hemoglobinu (viz kapitolu 1.3.2).

6Informace uveden´e v kapitole 1.2 byly pˇrevzaty z [19, strany 2 a 3] a [52].

1.3 Pulzn´ı oxymetrie

1.3.1 Absorbance tk´ anˇ e

Pulzn´ı oxymetrie je metoda mˇeˇren´ı krevn´ı kysl´ıkov´e saturace. Ta se v praxi stanovuje na z´akladˇe takzvan´e absorbance prosvˇecovan´e tk´anˇe A, coˇz je veliˇcina definovan´a jako z´aporn´y dekadick´y logaritmus pomˇeru v´ystupn´ı intenzity E a vstupn´ı intenzity E₀ monochromatick´eho svˇetla⁷ proch´azej´ıc´ıho nˇejak´ym objektem:

A = − log E E0

(1.2) Mˇeˇren´ı absorbance se prov´ad´ı pomoc´ı sondy um´ıstˇen´e na prst ˇci uˇsn´ı lal˚uˇcek, pˇriˇcemˇz tato sonda obsahuje z´aˇriˇc, kter´ym b´yvaj´ı elektroluminiscenˇcn´ı diody (LED) a senzor, kter´ym b´yv´a fotodioda ˇci fototranzistor. Ta v pˇr´ıpadˇe takzvan´eho foto- voltaick´eho zapojen´ı generuje elektrick´y proud line´arnˇe z´avisl´y na absorbanci svˇetla urˇcit´e vlnov´e d´elky.

Ve v´ypoˇctu saturace se uplatˇnuje takzvan´y Beer˚uv z´akon, kter´y popisuje z´avislost v´ystupn´ı intenzity monochromatick´eho svˇetla proˇsl´eho roztokem na vstupn´ı inten- zitˇe, mol´arn´ım absorpˇcn´ım koeficientu ε, mol´arn´ı koncentraci roztoku c a tlouˇst’ce prosvˇecovan´e vrstvy roztoku d:

E = E₀e^−εcd (1.3)

Dosad´ıme-li vztah 1.3 do vztahu 1.2, plat´ı t´eˇz n´asleduj´ıc´ı:

A = − log E

E₀ = − logE₀e^−εcd

E₀ = εcd (1.4)

Absorpˇcn´ı koeficient ε je z´avisl´y jednak na druhu rozpuˇstˇen´e l´atky⁸ a jednak na vlnov´e d´elce λ proch´azej´ıc´ıho svˇetla. V ide´aln´ım pˇr´ıpadˇe by absorpˇcn´ı koeficient byl pro jednotliv´e l´atky pˇr´ıtomn´e v roztoku nenulov´y pouze pˇri jedin´e vlnov´e d´elce, nicm´enˇe v praxi tomu tak nen´ı. Proto je v´ysledkem v´ypoˇctu absorbance souˇcet absor- banc´ı vˇsech rozpuˇstˇen´ych l´atek pˇri tolika vlnov´ych d´elk´ach, kolik m´ame rozpuˇstˇen´ych l´atek, a tuto absorbanci poˇc´ıt´ame t´eˇz tolikr´at. V pˇr´ıpadˇe krve jde o souˇcty absor- banc´ı vˇsech ˇctyˇr forem hemoglobinu pˇri ˇctyˇrech vlnov´ych d´elk´ach:⁹

Aλ1 = εRHb,λ1cRHbd + εO2Hb,λ1cO2Hbd + εCOHb,λ1cCOHbd + εM etHb,λ1cM etHbd (1.5a) A_λ2 = ε_RHb,λ2c_RHbd + ε_O2Hb,λ2c_O2Hbd + ε_COHb,λ2c_COHbd + ε_{M etHb,λ2}c_{M etHb}d (1.5b) A_λ3 = ε_RHb,λ3c_RHbd + ε_O2Hb,λ3c_O2Hbd + ε_COHb,λ3c_COHbd + ε_{M etHb,λ3}c_{M etHb}d (1.5c) A_λ4 = ε_RHb,λ4c_RHbd + ε_O2Hb,λ4c_O2Hbd + ε_COHb,λ4c_COHbd + ε_{M etHb,λ4}c_{M etHb}d (1.5d)

7Monochromatick´e svˇetlo je svˇetlo o jedn´e vlnov´e d´elce.

8V pˇr´ıpadˇe krve je druhem rozpuˇstˇen´e l´atky m´ınˇena forma hemoglobinu.

9Informace uveden´e v kapitole 1.3.1 byly pˇrevzaty z [19, strany 4 aˇz 6], [23], [29] a [48, strana 28].

1.3.2 Zjednoduˇ sen´ı v´ ypoˇ ctu a jeho d˚ usledky

V kapitole 1.3.1 bylo uvedeno, ˇze pulzn´ı oxymetrie operuje za ´uˇcelem v´ypoˇctu krevn´ı kysl´ıkov´e saturace s hodnotami absorbanc´ı tk´anˇe, kter´a je prosvˇecovan´a svˇetlem o r˚uzn´ych vlnov´ych d´elk´ach. Vzhledem k tomu, ˇze se hemoglobin v krvi vysky- tuje ve ˇctyˇrech z´akladn´ıch form´ach, byla zde uvedena soustava ˇctyˇr rovnic (viz soustavu rovnic 1.5), kde je v´ysledn´a absorbance svˇetla A o vlnov´e d´elce λ rovna souˇctu absorbanc´ı vˇsech ˇctyˇr forem hemoglobinu pˇri prosvˇecov´an´ı tk´anˇe svˇetlem o pˇr´ısluˇsn´e vlnov´e d´elce. Nicm´enˇe vˇsemi ˇctyˇrmi formami hemoglobinu se nezab´yv´a pulzn´ı oxymetrie, avˇsak pˇresnˇejˇs´ı a mnohem komplikovanˇejˇs´ı metoda nazvan´a pulzn´ı CO-oxymetrie.

Rozd´ıl mezi pulzn´ı oxymetri´ı a pulzn´ı CO-oxymetri´ı spoˇc´ıv´a pr´avˇe v tom, jak´ymi formami hemoglobinu se dan´a metoda zab´yv´a. Pulzn´ı CO-oxymetrie se zab´yv´a vˇsemi ˇctyˇrmi z´akladn´ımi formami, kdeˇzto pulzn´ı oxymetrie pouze oxyhemoglobinem a re- dukovan´ym hemoglobinem. Za ´uˇcelem zpˇresnˇen´ı m˚uˇze vyuˇz´ıvat pulzn´ı CO-oxymetrie mˇeˇren´ı dokonce i na v´ıce neˇz ˇctyˇrech vlnov´ych d´elk´ach. Tato metoda je schopna mimo krevn´ı kysl´ıkov´e saturace sledovat i pod´ıl karbonylhemoglobinu a methemoglobinu.

Pulzn´ı oxymetrie oproti tomu sleduje pouze saturaci oxyhemoglobinu. V sondˇe jsou proto pˇr´ıtomny dvˇe LED, jedna emituj´ıc´ı svˇetlo o vlnov´e d´elce 660 nm (ˇcerven´e svˇetlo) a druh´a o vlnov´e d´elce 940 nm (infraˇcerven´e svˇetlo).

V pˇr´ıpadˇe pouˇzit´ı metody pulzn´ı oxymetrie se saturace poˇc´ıt´a jako pomˇer kon- centrace oxyhemoglobinu v˚uˇci souˇctu koncentrac´ı oxyhemoglobinu a redukovan´eho hemoglobinu:

s_O2 = c_O2Hb

c_RHb+ c_O2Hb (1.6)

Ke zjednoduˇsen´ı dojde i u v´ypoˇctu absorpˇcn´ıch koeficient˚u, kdy z´ısk´ame dvˇe rovnice o dvou nezn´am´ych (A_rznaˇc´ı absorbanci ˇcerven´eho svˇetla, A_irpak absorbanci infraˇcerven´eho svˇetla):

A_r = ε_RHb,rc_RHbd + ε_O2Hb,rc_O2Hbd (1.7a) A_ir = ε_RHb,irc_RHbd + ε_O2Hb,irc_O2Hbd (1.7b)

Zjednoduˇsen´ı s sebou d´ale pˇrin´aˇs´ı riziko ˇspatn´eho vyhodnocen´ı saturace kv˚uli tomu, ˇze pulzn´ı oxymetrie ignoruje hodnoty koncentrac´ı karbonylhemoglobinu a me- themoglobinu. V pˇr´ıpadˇe otravy tedy nerozpozn´a vysokou koncentraci karbonylhe- moglobinu ˇci methemoglobinu a hl´as´ı norm´aln´ı hodnotu saturace.¹⁰

10Informace uveden´e v kapitole 1.3.2 byly pˇrevzaty z [19, strany 4 aˇz 7].

1.3.3 V´ ypoˇ cet saturace

Pulzn´ı oxymetrie je zaloˇzena na mˇeˇren´ı mnoˇzstv´ı absorbovan´eho svˇetla dvou vl- nov´ych d´elek. V praxi se vyuˇz´ıv´a svˇetla o vlnov´ych d´elk´ach 660 nm (ˇcerven´e svˇetlo) a 940 nm (infraˇcerven´e svˇetlo). Plat´ı, ˇze redukovan´y hemoglobin l´epe absorbuje ˇcerven´e svˇetlo, oxyhemoglobin pak infraˇcerven´e:

Obr´azek 1.2: Absorpˇcn´ı koeficient hemoglobinu, pˇrevzato z [42], upraveno V praxi je velice obt´ıˇzn´e zmˇeˇrit absolutn´ı hodnoty absorbance ˇcerven´eho a in- fraˇcerven´eho svˇetla. Vzhledem k t´eto skuteˇcnosti byla v r´amci pulzn´ı oxymetrie za- vedena nov´a veliˇcina, normalizovan´y pomˇer N , vyjadˇruj´ıc´ı pomˇer absorbanc´ı tˇechto svˇetel:

N = A_r

A_ir = ε_RHb,rc_RHbd + ε_O2Hb,rc_O2Hbd

ε_RHb,irc_RHbd + ε_O2Hb,irc_O2Hbd (1.8) Kv˚uli tomu, ˇze svˇetlo emitovan´e LED nen´ı ˇcistˇe monochromatick´e, je potˇreba v´ypoˇcet absorbance rozˇs´ıˇrit o integr´al pˇres spektrum vlnov´ych d´elek emitovan´eho svˇetla:¹¹

N = cRHbdR εRHb,rdλr+ cO2HbdR εO2Hb,rdλr

cRHbdR εRHb,irdλir+ cO2HbdR εO2Hb,irdλir

(1.9)

11V praxi k t´eto integraci doch´az´ı pˇri dopadu svˇetla na fotodiodu, jelikoˇz fotodioda detekuje ˇsirˇs´ı spektrum dopadaj´ıc´ıho svˇetla.

Za pˇredpokladu, ˇze je tlouˇst’ka prosvˇecovan´e vrstvy roztoku d konstantn´ı, je moˇzn´e pˇredchoz´ı rovnici vynech´an´ım d zjednoduˇsit. Nav´ıc jsou vˇsechny ˇctyˇri pouˇzit´e integr´aly konstantn´ı, tud´ıˇz je lze nahradit ˇctyˇrmi koeficienty S_λ =R ελdλ:

N = c_RHbS_RHb,r+ c_O2HbS_O2Hb,r

c_RHbS_RHb,ir+ c_O2HbS_O2Hb,ir (1.10) Jako promˇenn´e tedy zb´yvaj´ı pouze koncentrace c_RHb a c_O2Hb. Zb´yv´a tedy pouze zjistit, jak pˇrev´est normalizovan´y pomˇer na saturaci. S pomoc´ı koncentrac´ı lze spoˇc´ıtat saturaci jako s_O2 = _c ^cO2Hb

RHb+c_O2Hb. Matematick´ymi ´upravami tohoto vztahu a rovnice 1.10 vznik´a n´asleduj´ıc´ı vztah:

s_O2 = S_RHb,r− S_RHb,irN

S_RHb,r− S_O2Hb,r+ (S_O2Hb,ir− S_RHb,ir)N (1.11) Po dosazen´ı koeficient˚u by tento vztah fungoval, kdyby vˇsak pˇri pr˚uchodu tk´an´ı nedoch´azelo k rozptylu svˇetla. Proto se m´ısto vztahu 1.11 vyuˇz´ıv´a nˇekter´y z empi- ricky stanoven´ych aproximaˇcn´ıch vztah˚u:

s_O2 = k₁− k₂N

k₃− k₄N (1.12a)

s_O2 = k₁+ k₂N + k₃N² (1.12b)

s_O2 = k₁+ k₂N (1.12c)

Posledn´ı uveden´y vztah je vyuˇzit i v t´eto pr´aci a to v n´asleduj´ıc´ı formˇe:

s_O2 = 1,1 − 0,25N (1.13)

Tento vztah vˇsak plat´ı pˇresnˇe (t´emˇeˇr pˇresnˇe, s maxim´alnˇe 2% odchylkou) pouze pro hodnoty saturace nad 50 %. To vˇsak nepˇredstavuje pˇr´ıliˇs velk´y probl´em, protoˇze tato hodnota saturace je pro ˇclovˇeka jiˇz smrteln´a.

Bylo ˇreˇceno, ˇze normalizovan´y pomˇer N odpov´ıd´a pomˇeru absorbanc´ı ˇcerven´eho a infraˇcerven´eho svˇetla. Vzhledem k tomu, ˇze proud generovan´y fotodiodou je pˇr´ımo

´

umˇern´y absorbanci,¹²lze normalizovan´y pomˇer definovat t´eˇz jako pomˇer proud˚u (I) generovan´ych dopadem ˇcerven´eho a infraˇcerven´eho svˇetla na fotodiodu:¹³

N = A_r A_ir

=. I_r

I_ir (1.14)

12Proud generovan´y fotodiodou je tud´ıˇz logaritmicky z´avisl´y na intenzitˇe dopadaj´ıc´ıho svˇetla.

13Konstanta ´umˇernosti mezi absorbanc´ı svˇetla a generovan´ym elektrick´ym proudem se sice mˇen´ı v z´avislosti na vlnov´e d´elce dopadaj´ıc´ıho svˇetla, nicm´enˇe v pˇr´ıpadˇe ˇcerven´eho a infraˇcerven´eho svˇetla se vˇsak liˇs´ı pouze minim´alnˇe, tud´ıˇz na ni nen´ı br´an ohled.

Poˇc´ıtat normalizovan´y pomˇer pouze z velikost´ı proud˚u generovan´ych svˇetlem proˇsl´ym tk´an´ı by bylo chybou, protoˇze je nutn´e si uvˇedomit, ˇze na proch´azej´ıc´ı svˇetlo nem´a vliv pouze krev, ale veˇsker´a tk´aˇn, kterou svˇetlo proch´az´ı. Vlivem srdeˇcn´ıho tepu se s ˇcasem mˇen´ı mnoˇzstv´ı svˇetla absorbovan´eho krv´ı, pˇriˇcemˇz velikost tˇechto zmˇen lze vyuˇz´ıt pr´avˇe k odstranˇen´ı vlivu ostatn´ı tk´anˇe. Tuto zmˇenu lze definovat jako derivaci ^dI_dt proudu I v ˇcase t. Pˇr´ıvˇetivˇejˇs´ı je vˇsak pouˇzit´ı rozd´ılu maxim´aln´ı a minim´aln´ı hodnoty namˇeˇren´eho sign´alu, kdy se v praxi operuje s veliˇcinami I_AC a I_DC, pˇriˇcemˇz I_AC reprezentuje rozd´ıl maxim´aln´ı a minim´aln´ı hodnoty stˇr´ıdav´e sloˇzky namˇeˇren´eho sign´alu¹⁴a I_DC pˇredstavuje hodnotu stejnosmˇern´e sloˇzky sign´alu neboli stˇredn´ı hodnoty sign´alu:

Obr´azek 1.3: Elektrick´y proud v z´avislosti na ˇcase, pˇrevzato z [19, strana 12], upra- veno

Normalizovan´y pomˇer se pot´e poˇc´ıt´a jako pomˇer pod´ıl˚u I_AC a I_DC ˇcerven´eho a infraˇcerven´eho svˇetla:^15,16

N .

=

dIr

dt

Ir

I_ir

dIir

dt

=. I_AC,r IDC,r

I_DC,ir IAC,ir

(1.15)

14Rozd´ıl maxim´aln´ı a minim´aln´ı hodnoty stˇr´ıdav´e sloˇzky sign´alu pochopitelnˇe odpov´ıd´a rozd´ılu maxim´aln´ı a minim´aln´ı hodnoty sign´alu bez odeˇcten´ı stejnosmˇern´e sloˇzky.

15D´ıky pouˇzit´ı pod´ıl˚u IAC a IDC je eliminov´an probl´em, kdy se vstupn´ı intenzity ˇcerven´eho a infraˇcerven´eho svˇetla liˇs´ı.

16Informace uveden´e v kapitole 1.3.3 byly pˇrevzaty z [19, strany 7 aˇz 12].

2 Praktick´ a ˇ c´ ast

V teoretick´e ˇc´asti jsou odvozeny dva jednoduch´e vztahy pro v´ypoˇcet krevn´ı kysl´ıkov´e saturace:

N .

= I_AC,r I_DC,r

I_DC,ir

I_AC,ir (2.1a)

sO2 = 1,1 − 0,25N (2.1b)

Nyn´ı vyvst´av´a technologick´a ot´azka realizace c´ıle t´eto bakal´aˇrsk´e pr´ace. T´ımto c´ılem je jednak vytvoˇren´ı laboratorn´ıho pˇr´ıpravku pˇredstavuj´ıc´ıho pulzn´ı oxymetr, kter´y vyuˇz´ıv´a ke sv´e ˇcinnosti mikroprocesor ARM, je propojiteln´y s PC a je ovlada- teln´y prostˇrednictv´ım desktopov´e aplikace, a jednak vytvoˇren´ı zm´ınˇen´e dektopov´e aplikace.

V pˇr´ıpadˇe laboratorn´ıho pˇr´ıpravku je v prvn´ı ˇradˇe nutn´e vytvoˇren´ı hardwaru.

Podm´ınkou je pak vyuˇzit´ı mikroprocesoru ARM. Za ´uˇcelem pˇrehlednosti je hardware rozˇclenˇen do menˇs´ıch celk˚u, kter´e pracuj´ı bud’ s analogov´ym, nebo s digit´aln´ım sign´alem. Proto se v t´eto pr´aci hovoˇr´ı o analogov´e a digit´aln´ı ˇc´asti.

Analogov´a ˇc´ast je zaloˇzen´a na zapojen´ıch s operaˇcn´ım zesilovaˇcem. Jej´ım ´ukolem je sbˇer a pˇredzpracov´an´ı namˇeˇren´ych dat. Tato data jsou n´aslednˇe pˇred´ana di- git´aln´ı ˇc´asti pˇredstavovan´e mikroprocesorem, konkr´etnˇe typem STM32F051R8T6.

Ten kromˇe toho, ˇze digitalizuje data a poˇc´ıt´a na jejich z´akladˇe krevn´ı kysl´ıkovou saturaci (a frekvenci srdeˇcn´ıho tepu), zajiˇst’uje i funkˇcnost analogov´e ˇc´asti, komuni- kaci s poˇc´ıtaˇcem a uˇzivatelskou ovladatelnost. K zajiˇstˇen´ı funkce analogov´e i digit´aln´ı ˇc´asti je hardware vybaven stabilizovan´ym nap´ajen´ım. Nap´ajen´ı a komunikace s PC je zprostˇredkov´ana pˇres USB¹ port.

Bezprostˇrednˇe po sestaven´ı hardwaru n´asleduje vytvoˇren´ı programu pro mikro- procesor, takzvan´eho firmware.² Firmware mikroprocesoru pˇredepisuje, jak´e operace m´a mikroprocesor vykon´avat, ˇc´ımˇz je zajiˇstˇeno plnˇen´ı jeho ´ukol˚u.

Po zprovoznˇen´ı laboratorn´ıho pˇr´ıpravku vˇcetnˇe jeho firmware n´asleduje posledn´ı ˇc´ast pr´ace, vytvoˇren´ı ovl´adac´ı aplikace, kter´a uˇzivateli umoˇzˇnuje jednak sledovat pr˚ubˇeh mˇeˇren´ych sign´al˚u, a jednak ˇr´ıdit ˇcinnost laboratorn´ıho pˇr´ıpravku. Aplikace je spustiteln´a a provozuschopn´a v r´amci operaˇcn´ıho syst´emu Microsoft Windows.³

1Universal Serial Bus neboli univerz´aln´ı s´eriov´a sbˇernice.

2Firmware je oznaˇcen´ı pro ˇr´ıdic´ı software takzvan´ych vestavˇen´ych syst´em˚u, coˇz jsou obvykle jedno´uˇcelov´e syst´emy, kde je poˇc´ıtaˇc zabudov´an do syst´emu, kter´y ovl´ad´a.

3Funkˇcnost aplikace byla otestov´ana v operaˇcn´ıch syst´emech Microsoft Windows 7, 8, 8.1 a 10.

S uˇzivatelem komunikuje prostˇrednictv´ım grafick´eho uˇzivatelsk´eho rozhran´ı a s la- boratorn´ım pˇr´ıpravkem prostˇrednictv´ım rozhran´ı COM.^4,5

Bliˇzˇs´ı charakteristika technologi´ı pouˇzit´ych v t´eto bakal´aˇrsk´e pr´aci je k nalezen´ı v kapitole 2.1.

2.1 Pouˇ zit´ e technologie

2.1.1 Zapojen´ı s operaˇ cn´ım zesilovaˇ cem

Operaˇcn´ı zesilovaˇc je univerz´aln´ı analogov´y zesilovac´ı prvek, z´akladn´ı stavebn´ı prvek analogov´ych v´ypoˇcetn´ıch obvod˚u. M´a dva sign´aln´ı vstupy a jeden sign´aln´ı v´ystup.

Vstup U₊ (viz obr´azek 2.1) se naz´yv´a neinvertuj´ıc´ım vstupem a oznaˇcuje se plusem, vstup U−se pak naz´yv´a invertuj´ıc´ım vstupem a oznaˇcuje se minusem. Pro invertuj´ıc´ı vstup plat´ı, ˇze sign´al na nˇej pˇriveden´y se objev´ı na v´ystupu s f´az´ı otoˇcenou o π rad.

Pro neinvertuj´ıc´ı vstup pak plat´ı, ˇze sign´al na nˇej pˇriveden´y se objev´ı na v´ystupu bez otoˇcen´e f´aze.

Obr´azek 2.1: Operaˇcn´ı zesilovaˇc

Operaˇcn´ı zesilovaˇce je nutn´e nap´ajet. Obvykle se operaˇcn´ı zesilovaˇce nap´ajej´ı symetricky, kdy je hodnota napˇet´ı na kladn´em nap´ajec´ım vstupu U_s+ rovna hod- notˇe napˇet´ı na z´aporn´em nap´ajec´ım vstupu Us− s opaˇcn´ym znam´enkem. Velikosti nap´ajec´ıch napˇet´ı omezuj´ı minim´aln´ı a maxim´aln´ı moˇznou hodnotu napˇet´ı, kter´a se m˚uˇze objevit na v´ystupu U_o.

Vnitˇrn´ı struktura zesilovaˇce je tvoˇrena jedn´ım diferenˇcn´ım zesilovaˇcem, kter´y n´asleduje nˇekolik napˇet’ov´ych a proudov´ych zesilovaˇc˚u. Diferenˇcn´ı zesilovaˇc slouˇz´ı k zes´ılen´ı rozd´ılu vstupn´ıch sign´al˚u,⁶ napˇet’ov´e zesilovaˇce slouˇz´ı k zajiˇstˇen´ı vysok´eho zes´ılen´ı (t´eˇz zisku) operaˇcn´ıho zesilovaˇce⁷ a proudov´e zesilovaˇce k zajiˇstˇen´ı n´ızk´eho odporu na v´ystupu operaˇcn´ıho zesilovaˇce.

V souvislosti s operaˇcn´ımi zesilovaˇci se objevuje term´ın ide´aln´ı zesilovaˇc. Jedn´a se o teoretick´y model operaˇcn´ıho zesilovaˇce, jehoˇz vlastnosti jsou, jak n´azev napov´ıd´a, povaˇzov´any za ide´aln´ı. Tˇechto vlastnost´ı je cel´a ˇrada a re´aln´e operaˇcn´ı zesilovaˇce

4Communication port, druh hardwarov´eho rozhran´ı.

5Informace uveden´e v kapitole 2.1 byly pˇrevzaty z [22] a [56].

6Diferenˇcn´ı zesilovaˇc je postaven tak, aby zes´ılen´ı A_d rozd´ılov´eho sign´alu U_d= U₊− U− bylo velk´e a zes´ılen´ı A_gsouhlasn´eho sign´alu U_g= U₊= U₋ bylo mal´e.

7Pro velikost zes´ılen´ı A plat´ı vztah U_o = A · U_d. Vzhledem k tomu, ˇze je zes´ılen´ı A pomˇernˇe velk´e (v pˇr´ıpadˇe ide´aln´ıho zesilovaˇce nekoneˇcn´e) koriguje se velikost zes´ılen´ı operaˇcn´ıho zesilovaˇce pomoc´ı zpˇetnovazebn´ıho rezistoru.

ˇz´adnou z tˇechto vlastnost´ı nesplˇnuj´ı, pouze se sv´ymi vlastnostmi ide´aln´ımu zesilovaˇci bl´ıˇz´ı:

• nekoneˇcnˇe velk´e zes´ılen´ı

• nekoneˇcn´y vstupn´ı a nulov´y v´ystupn´ı odpor (tot´eˇz plat´ı i pro impedanci⁸)

• nulov´e v´ystupn´ı napˇet´ı pˇri rovnosti vstupn´ıch

• nulov´e zpoˇzdˇen´ı sign´alu proch´azej´ıc´ıho zesilovaˇcem

• schopnost zes´ılit frekvence od nulov´e po nekoneˇcnou

• nez´avislost na teplotˇe a ˇz´adn´y ˇsum

Jak jiˇz bylo ˇreˇceno, operaˇcn´ı zesilovaˇc je univerz´aln´ı a existuje ˇrada zapojen´ı, kter´a operaˇcn´ı zesilovaˇc pouˇz´ıvaj´ı. Mezi zapojen´ı pouˇzit´a v t´eto pr´aci patˇr´ı sign´alov´e zesilovaˇce, sign´alov´e filtry, U/I mˇeniˇc a I/U mˇeniˇc.⁹

2.1.1.1 Sign´alov´e zesilovaˇce

Sign´alov´e zesilovaˇce obecnˇe nˇejak´ym zp˚usobem zesiluj´ı vstupn´ı sign´al. Mezi z´akladn´ı patˇr´ı zesilovaˇce diferenci´aln´ı (na obr´azku 2.2 vlevo) a sˇc´ıtac´ı (na obr´azku 2.2 vpravo):

Obr´azek 2.2: Diferenci´aln´ı a sˇc´ıtac´ı zesilovaˇc

Diferenci´aln´ı zesilovaˇc funguje jako analogov´a odˇc´ıtaˇcka. Napˇet´ı na v´ystupu U_o zde z´avis´ı na velikostech napˇet´ı na vstupech U_i1 a U_i2 a na velikostech odpor˚u R podle n´asleduj´ıc´ı rovnice:

U_o = U_i2(R_f + R₁) R_g

(R_g + R₂) R₁ − U_i1R_f

R₁ (2.2)

8Impedance je zjednoduˇsenˇe ˇreˇceno elektrick´y odpor kladen´y stˇr´ıdav´emu elektrick´emu proudu.

9Informace uveden´e v kapitole 2.1.1 byly pˇrevzaty z [21] a [37].

Pˇri rovnosti velikost´ı vˇsech odpor˚u R toto zapojen´ı pouze odeˇcte napˇet´ı na vstupu U_i1 od napˇet´ı na vstupu U_i2.

Sˇc´ıtac´ı zesilovaˇc, jak jeho n´azev napov´ıd´a, sign´aly sˇc´ıt´a. Lze pouˇz´ıt variabiln´ı mnoˇzstv´ı vstupn´ıch sign´al˚u. Velikost napˇet´ı na v´ystupu U_o se pak ˇr´ıd´ı ˇr´ıd´ı vztahem:

Uo= − U_i1 R₁ +Ui2

R₂ + . . . + Uin

R_n



Rf (2.3)

Opˇet pˇri rovnosti vˇsech odpor˚u R zesilovaˇc pouze sˇc´ıt´a. Nicm´enˇe jeho v´ysledek je invertovan´y. To pak lze ˇreˇsit pˇripojen´ım v´ystupu Uo jako vstup dalˇs´ıho sˇc´ıtac´ıho zesilovaˇce s pouze jedn´ım vstupem neboli invertuj´ıc´ıho zesilovaˇce:

Obr´azek 2.3: Invertuj´ıc´ı zesilovaˇc

Invertuj´ıc´ı zesilovaˇc je protikladem takzvan´eho neinvertuj´ıc´ıho zesilovaˇce. Ten se odvozuje od zesilovaˇce diferenci´aln´ıho:

Obr´azek 2.4: Neinvertuj´ıc´ı zesilovaˇc

Vztah pro invertuj´ıc´ı zesilovaˇc lze odvodit od vztahu pro sˇc´ıtac´ı zesilovaˇc:

U_o= − U_i1 R₁ +U_i2

R₂ + . . . + U_in R_n



R_f (2.4a)

Uo= −U_iR_f

R₁ (2.4b)

Analogicky plat´ı tot´eˇz i pro neinvertuj´ıc´ı zesilovaˇc:

U_o = U_i2(R_f + R₁) R_g

(R_g+ R₂) R₁ − U_i1R_f

R₁ (2.5a)

U_o = U_i2(R_f + R₁) R_g

(R_g + 0) R₁ − 0R_f

R₁ (2.5b)

U_o = U_iRf + R1

R₁ = U_i



1 + Rf

R₁



(2.5c)

Z neinvertuj´ıc´ıho zesilovaˇce se odvozuje jeˇstˇe takzvan´y sledovaˇc napˇet´ı:

Obr´azek 2.5: Sledovaˇc napˇet´ı Pro sledovaˇc napˇet´ı plat´ı, ˇze U_o= U_i:

U_o = U_iR_f + R₁

R₁ (2.6a)

U_o = U_i0 + R₁

R₁ (2.6b)

Uo = Ui (2.6c)

Sledovaˇc napˇet´ı b´yv´a vyuˇzit jako takzvan´y impedanˇcn´ı oddˇelovaˇc. Ten se pouˇz´ıv´a pro izolaci zdroje napˇet´ı o vysok´em v´ystupn´ım odporu (impedanci) neboli zdroje, kter´y nen´ı schopen dod´avat elektrick´y proud.¹⁰

2.1.1.2 Sign´alov´e filtry

Hodnota saturace se poˇc´ıt´a pomoc´ı stejnosmˇern´e a stˇr´ıdav´e sloˇzky namˇeˇren´eho sign´alu. K jejich oddˇelen´ı lze pouˇz´ıt horn´ı a doln´ı propust.

Horn´ı propust je frekvenˇcn´ı propust, kter´a omezuje n´ızk´e frekvence. Doln´ı pro- pust naopak omezuje vysok´e frekvence. Horn´ı a doln´ı propust v s´erii vytv´aˇrej´ı pro- pust (eventu´alnˇe z´adrˇz) p´asmovou. Za ide´aln´ı propust se povaˇzuje ta, jej´ıˇz magni- tuda je konstantn´ı¹¹ a jej´ıˇz pˇrechod mezi propustn´ym a z´adrˇzn´ym (nepropustn´ym)

10Informace uveden´e v kapitole 2.1.1.1 byly pˇrevzaty z [38].

11V´yraz

”konstantn´ı“ je zde myˇslen samozˇrejmˇe v tom smyslu, ˇze je konstantn´ı pro propustn´e p´asmo a pro z´adrˇzn´e p´asmo je nulov´a.

p´asmem je v jedin´em bodˇe. V praxi vˇsak tohoto nelze stoprocentnˇe dos´ahnout.

Doch´az´ı jednak k rozˇs´ıˇren´ı p´asma pˇrechodu a jednak ke zvlnˇen´ı magnitudy v ob- lasti pˇrechodu. Tyto probl´emy se daj´ı ˇreˇsit pouˇzit´ım propusti vyˇsˇs´ıho ˇr´adu, coˇz se v praxi ˇreˇs´ı s´eriov´ym zapojen´ım propust´ı niˇzˇs´ıho ˇr´adu. V´yhodnˇejˇs´ı je vˇsak pouˇzit´ı Butterworthovy propusti, kter´a m´a v´yhodu v tom, ˇze nem´a ˇz´adn´e zvlnˇen´ı v oblasti pˇrechodu.

Butterworthovu propust lze sestavit pomoc´ı takzvan´e Sallen-Keyho topologie:

Obr´azek 2.6: Butterworthova doln´ı a horn´ı propust

Na obr´azku 2.6 lze vidˇet vlevo sch´ema doln´ı a vpravo sch´ema horn´ı propusti. Pro velikost odpor˚u a kapacit doln´ı propusti plat´ı n´asleduj´ıc´ı vztah:

2πf = 1

R2C2

√mn (2.7a)

R₁ = mR₂ (2.7b)

C₁ = nC₂ (2.7c)

Q =

√mn

m + 1 (2.7d)

Faktor kvality Q je bezrozmˇern´a veliˇcina souvisej´ıc´ı s ´utlumem frekvenc´ı, kter´e proch´azej´ı propust´ı. Pro Butterworthovu doln´ı propust 2. ˇr´adu plat´ı, ˇze Q = ^√1 a konstanta m = 1, z ˇcehoˇz pak vypl´yv´a, ˇze C₁ = 2C₂. 2

Analogicky lze spoˇc´ıtat i velikosti odpor˚u a kapacit Butterworthovy horn´ı pro- pusti 2. ˇr´adu. Zde maj´ı oproti doln´ı propusti rezistory a kondenz´atory vymˇenˇen´e role, protoˇze plat´ı, ˇze n = 1 a R₁ = 2R₂. Pro horn´ı propust totiˇz plat´ı n´asleduj´ıc´ı:

Q = p_m

n

n + 1 (2.8)

Jedin´ym rozd´ılem mezi horn´ı a doln´ı propust´ı je tedy vztah pro Q. Hodnota Q je samozˇrejmˇe shodn´a s hodnotou pro doln´ı propust.¹²

12Informace uveden´e v kapitole 2.1.1.2 byly pˇrevzaty z [1], [9], [43] a [47].

2.1.1.3 U/I a I/U mˇeniˇc

S pomoc´ı operaˇcn´ıho zesilovaˇce lze t´eˇz sestavit U/I mˇeniˇc, kter´y pˇrev´ad´ı napˇet´ı na proud¹³ a I/U mˇeniˇc, kter´y pˇrev´ad´ı proud na napˇet´ı. Jejich zapojen´ı vypad´a n´aslednˇe:

Obr´azek 2.7: U/I a I/U mˇeniˇc

Sch´ema vlevo na obr´azku 2.7 je U/I mˇeniˇc. Plat´ı, ˇze proud na v´ystupu I_o je line´arnˇe z´avisl´y na napˇet´ı na vstupu U_i a to podle n´asleduj´ıc´ıho vztahu:

I_o = U_ref − U_i

R (2.9)

Sch´ema vpravo na obr´azku 2.7 je pot´e I/U mˇeniˇc. Pro nˇej naopak plat´ı, ˇze napˇet´ı na v´ystupu U_o je line´arn´ı z´avisl´e na proudu na vstupu I_i:¹⁴

U_o = −I_iR (2.10)

2.1.2 Mikroprocesor STM32F051R8T6

V kapitole 2.1.1 byla uvedena ˇrada zapojen´ı vyuˇz´ıvaj´ıc´ıch operaˇcn´ı zesilovaˇc, s jejichˇz pomoc´ı lze prov´adˇet operace souˇctu, rozd´ılu a n´asoben´ı konstantou. Existuje i ˇrada dalˇs´ıch zapojen´ı, s pomoc´ı kter´ych lze se sign´alem prov´est prakticky libovolnou ma- tematickou operaci. Vyvst´av´a tedy ot´azka, proˇc v´ypoˇcetn´ı technika v souˇcasnosti upˇrednostˇnuje k prov´adˇen´ı matematick´ych operac´ı digit´aln´ı obvody pˇred obvody analogov´ymi.

Z´akladn´ı rozd´ıl mezi analogov´ymi a digit´aln´ımi obvody je v druhu jimi zpra- cov´avan´eho sign´alu. Analogov´e obvody pracuj´ı se spojit´ym (analogov´ym) sign´alem, jehoˇz obor hodnot je definov´an intervalem na sebe navazuj´ıc´ıch re´aln´ych ˇc´ısel, kdeˇzto digit´aln´ı obvody pracuj´ı se sign´alem diskr´etn´ım (digit´aln´ım), jehoˇz obor hodnot tvoˇr´ı mnoˇzina nˇekolika (v praxi pouze dvou) vz´ajemnˇe oddˇelen´ych ˇc´ısel. Tento rozd´ıl m´a vliv na spolehlivost obvod˚u z hlediska zaˇsumˇen´ı (zkreslen´ı) sign´alu zp˚usoben´eho

13U/I mˇeniˇc lze rovnˇeˇz ch´apat jako napˇet´ım ˇr´ızen´y zdroj elektrick´eho proudu.

14Informace uveden´e v kapitole 2.1.1.3 byly pˇrevzaty z [39] a [51].

ciz´ımi vlivy (napˇr´ıklad vˇsudypˇr´ıtomn´ym elektromagnetick´ym z´aˇren´ım). V analo- gov´em obvodu toto zaˇsumˇen´ı prakticky vˇzdy zkresluje v´ysledek operace se sign´alem, zvl´aˇstˇe pokud je zes´ılen´y. Digit´aln´ı obvody vˇsak vliv ˇsumu ´uˇcinnˇe potlaˇcuj´ı, protoˇze s hodnotou sign´alu pracuj´ı ve vztahu k takzvan´emu rozhodovac´ımu napˇet´ı. Zjed- noduˇsenˇe ˇreˇceno se hodnota sign´alu

”pˇrekl´ad´a“ na tu hodnotu, v jej´ımˇz

”sp´adov´em intervalu“ se nach´az´ı. Pr´avˇe odolnost proti ˇsumu je jedn´ım z kl´ıˇcov´ych argument˚u hovoˇr´ıc´ıch ve prospˇech digit´aln´ıch obvod˚u.

Nelze vˇsak ignorovat nev´yhody digit´aln´ıch obvod˚u. Hlavn´ı z nich je nutnost pouˇzit´ı velk´eho mnoˇzstv´ı vodiˇc˚u za ´uˇcelem pˇrenosu hodnoty. Digit´aln´ı obvody jsou schopny s pomoc´ı jednoho vodiˇce pˇren´est pouze dvˇe r˚uzn´a ˇc´ısla, kdeˇzto analogov´e obvody jsou s t´ım sam´ym vodiˇcem schopny pˇren´est teoreticky nekoneˇcn´e mnoˇzstv´ı r˚uzn´ych ˇc´ısel. D´ale tak´e existuj´ı poˇcetn´ı operace, kter´e lze prov´est daleko jednoduˇseji s pomoc´ı analogov´ych obvod˚u. Proto tato bakal´aˇrsk´a pr´ace vyuˇz´ıv´a kombinaci jak analogov´ych, tak digit´aln´ıch obvod˚u.

Nejjednoduˇsˇs´ımi digit´aln´ımi obvody jsou takzvan´a hradla, kter´a funguj´ı jako lo- gick´e oper´atory. Hradla vznikla spojen´ım (integrac´ı) nˇekolika tranzistor˚u do jedin´e souˇc´astky zvan´e integrovan´y obvod. Kombinac´ı hradel lze prov´est prakticky jakou- koliv poˇcetn´ı operaci. T´eˇz hradla zaˇcala b´yt postupnˇe integrov´ana do st´ale menˇs´ıch a komplexnˇejˇs´ıch celk˚u pˇredstavuj´ıc´ıch nejprve jednoduch´e matematick´e oper´atory, pozdˇeji vˇsak st´ale sloˇzitˇejˇs´ı obvody, aˇz nakonec vznikly procesory.

Jako procesor se oznaˇcuje ˇc´ast poˇc´ıtaˇce, kter´a vykon´av´a strojov´e instrukce. Mi- kroprocesor je pak procesor, jehoˇz obvody jsou integrov´any do jednoho, maxim´alnˇe nˇekolika m´alo pouzder. Existuj´ı tis´ıce typ˚u mikroprocesor˚u liˇs´ıc´ıch se rychlost´ı, ar- chitekturou, instrukˇcn´ı sadou, v´ybavou a dalˇs´ımi vlastnostmi. V t´eto pr´aci byl pouˇzit typ STM32F051R8T6 s n´asleduj´ıc´ımi vlastnostmi a v´ybavou:

• 32b architektura ARM (ARM Cortex-M0)

• taktovac´ı frekvence 48 MHz

• nap´ajec´ı napˇet´ı mezi 2 V a 3,6 V

• 64kB programov´a pamˇet’ flash a 8kB operaˇcn´ı pamˇet’ RAM

• 12b pˇrevodn´ıky analogovˇe-digit´aln´ı (16 kan´al˚u) a digit´alnˇe-analogov´y (1 kan´al)

• 5kan´alov´y ovladaˇc pˇr´ım´eho pˇr´ıstupu do pamˇeti (5 kan´al˚u)

• celkem 11 ˇcasovaˇc˚u s r˚uzn´ymi parametry

• komunikaˇcn´ı rozhran´ı I²C (2×), SPI (2×) a USART (2×)¹⁵

Mikroprocesory s architekturou ARM jsou hojnˇe vyuˇz´ıvan´e pro jejich malou elektrickou spotˇrebu ve vestavˇen´ych syst´emech a mobiln´ıch zaˇr´ızen´ı. Charakteris- tick´e pro procesy ARM je vyuˇzit´ı strategie RISC,¹⁶moˇznost podm´ınˇen´eho vykon´an´ı instrukc´ı a Load/store architektura.

15Viz seznam zkratek.

16Reduced Instruction Set Computing, druh architektury procesor˚u.

RISC procesory neboli procesory s redukovanou instrukˇcn´ı sadou jsou typick´e

´

uzk´ym okruhem instrukc´ı, kter´e jsou vysoce optimalizovan´e.¹⁷ Load/store archi- tektura je pak typick´a t´ım, ˇze oddˇeluje operace pro pˇresouv´an´ı dat mezi registry a pamˇet´ı od operac´ı vyuˇz´ıvaj´ıc´ıch ALU.¹⁸

Ve v´yˇctu vlastnost´ı a v´ybavy si lze povˇsimnout, ˇze v mikroprocesoru jsou inte- grov´any i dalˇs´ı komponenty, jako je napˇr´ıklad operaˇcn´ı pamˇet’. Ta b´yv´a napˇr´ıklad v osobn´ıch poˇc´ıtaˇc´ıch um´ıstˇena jako samostatn´a komponenta, nicm´enˇe mikroproce- sory, kter´e jsou urˇceny do mal´ych zaˇr´ızen´ı, b´yvaj´ı vybaven´e ˇradou dalˇs´ıch kompo- nent, d´ıky kter´ym se v podstatˇe st´avaj´ı plnohodnotn´ymi poˇc´ıtaˇci, kter´e jsou nav´ıc vybaveny sadou dalˇs´ıch uˇziteˇcn´ych funkc´ı, napˇr´ıklad uveden´ym ADC¹⁹ ˇci schop- nost´ı komunikovat s dalˇs´ımi zaˇr´ızen´ımi (I²C, SPI, USART). Samotn´a procesorov´a jednotka se pot´e oznaˇcuje jako j´adro.

Mikroprocesor STM32F051R8T6 m´a zabudovanou jednak programovou pamˇet’

flash a jednak operaˇcn´ı pamˇet’ RAM. K operaˇcn´ı pamˇeti m˚uˇze pˇristupovat jed- nak j´adro mikroprocesoru, coˇz je z hlediska Harvardsk´e i von Neumannovsk´e kon- cepce jedin´a cesta k operaˇcn´ı pamˇeti, nicm´enˇe tento mikroprocesor je vybaven t´eˇz ovladaˇcem DMA, kter´y umoˇzˇnuje pˇr´ım´y pˇr´ıstup do pamˇeti i vstupn´ım a v´ystupn´ım komponent´am, napˇr´ıklad ADC, DAC ˇci USART. Mikroprocesor touto vlastnost´ı dis- ponuje z toho d˚uvodu, aby ˇcinnost tˇechto komponent nezatˇeˇzovala j´adro procesoru a nezpomalovala tak program.

V´yznamn´ymi komponentami procesoru jsou ADC a DAC.²⁰V procesoru pouˇzit´y ADC vyuˇz´ıv´a metody postupn´e aproximace. Tato metoda zkouˇs´ı postupnˇe nasta- vit jednotliv´e bity v aproximaˇcn´ım registru na jedniˇcku smˇerem od bitu s nejvˇetˇs´ı v´ahou po bit s nejmenˇs´ı v´ahou, hodnotu v registru pot´e pˇrevede do analogov´e po- doby a prostˇrednictv´ım analogov´eho kompar´atoru²¹ ji porovn´a se vstupn´ı hodnotou.

Je-li vstupn´ı hodnota vyˇsˇs´ı, nebo se obˇe hodnoty rovnaj´ı, je jedniˇcka v registru po- nech´ana, jinak se nahrad´ı nulou. Na ´upln´em poˇc´atku se hodnota nastav´ı na polovinu referenˇcn´ıho napˇet´ı. DAC v tomto mikroprocesoru je ˇreˇsen pomoc´ı ˇrady rezistor˚u a neinvertuj´ıc´ıho zesilovaˇce (viz kapitolu 2.1.1.1).

Mikroprocesor m´a jako komunikaˇcn´ı rozhran´ı k dispozici I²C, SPI a USART.

V t´eto pr´aci bylo zvoleno ke komunikaci s PC rozhran´ı USART a to v asynchronn´ım, plnˇe duplexn´ım m´odu.²² USART pouˇz´ıv´a dva sign´aln´ı vodiˇce oznaˇcovan´e jako Rx (pˇrij´ım´an´ı dat) a Tx (vys´ıl´an´ı dat). Komunikace prostˇrednictv´ım rozhran´ı USART prob´ıh´a ve formˇe datov´ych r´amc˚u, kdy jeden datov´y r´amec tvoˇr´ı jeden start bit (logick´a nula), pˇet aˇz devˇet datov´ych bit˚u (obvykle osm), voliteln´y paritn´ı bit (pokud poˇcet datov´ych bit˚u nen´ı roven dev´ıti) a jeden ˇci v´ıce stop bit˚u (logick´a jedniˇcka).

17Opakem jsou pak takzvan´e CISC procesory, kter´e vyuˇz´ıvaj´ı ˇsirok´y soubor specializovan´ych instrukc´ı, kter´e se v RISC procesorech ˇreˇs´ı kombinac´ı jednoduˇsˇs´ıch instrukc´ı.

18Aritmeticko-logick´a jednotka, ˇc´ast procesoru zodpovˇedn´a za prov´adˇen´ı poˇcetn´ıch operac´ı.

19Analogovˇe-digit´aln´ı pˇrevodn´ık.

20Digit´alnˇe-analogov´y pˇrevodn´ık.

21Pˇripoj´ıme-li na neinvertuj´ıc´ı (U+) a invertuj´ıc´ı (U₋) vstup prost´eho operaˇcn´ıho zesilovaˇce napˇet´ı, pak na jeho v´ystupu bude kladn´e nap´ajec´ı napˇet´ı, pokud U+ > U₋, z´aporn´e nap´ajec´ı napˇet´ı, pokud U+< U−, a nula, pokud U+= U−.

22V tomto m´odu m˚uˇze komunikace prob´ıhat obˇema smˇery z´aroveˇn. Naproti tomu v synchronn´ım, poloduplexn´ım m´odu m˚uˇze komunikace prob´ıhat v kaˇzd´em okamˇziku pouze jedn´ım smˇerem.

Klidov´a ´uroveˇn sign´alu odpov´ıd´a logick´e jedniˇcce. Obvykle se jako prvn´ı pos´ıl´a bit s nejmenˇs´ı v´ahou a jako posledn´ı bit s nejvˇetˇs´ı v´ahou. Rychlost pos´ıl´an´ı dat je voliteln´a.

Ke spr´avn´e funkci vstup˚u a v´ystup˚u mikroprocesoru je nutn´e spr´avnˇe nastavit takzvan´e GPIO registry. Jedn´a se o registry, kter´e definuj´ı ´uˇcel pin˚u mikroproce- soru. V tomto mikroprocesoru m˚uˇze b´yt pin nastaven bud’ jako digit´aln´ı vstup, di- git´aln´ı v´ystup, analogov´y vstup/v´ystup, nebo pro ´uˇcely speci´aln´ıch funkc´ı (napˇr´ıklad USART). Pin˚u m´a tento mikroprocesor celkem 64, pˇriˇcemˇz ˇrada z nich je sd´ılena v´ıce prostˇredky. Kv˚uli pˇrehlednosti jsou pin˚um vedle ˇc´ısel pˇridˇelena t´eˇz jednoduch´a pojmenov´an´ı:

Obr´azek 2.8: STM32F051R8T6 pinout, pˇrevzato z [7, strana 27], upraveno Firmware procesoru je vytvoˇren pomoc´ı programovac´ıho jazyka C. Kromˇe cyk- licky se opakuj´ıc´ıho programu uvnitˇr hlavn´ı funkce lze vyuˇz´ıt t´eˇz asynchronn´ıho spouˇstˇen´ı funkc´ı pomoc´ı takzvan´ych pˇreruˇsen´ı. Prostˇrednictv´ım pˇreruˇsen´ı lze bˇeˇz´ıc´ı program pozastavit, vyvolat takzvanou obsluhu pˇreruˇsen´ı (speci´aln´ı funkce) a po jej´ım ukonˇcen´ı ˇcinnost programu obnovit. Pˇreruˇsen´ı m˚uˇze vyvolat ˇrada ud´alost´ı, v t´eto pr´aci jsou vyuˇzita pˇreruˇsen´ı od ˇcasovaˇc˚u a od USART. Za ´uˇcelem zjednoduˇsen´ı firmware byla vyuˇzita ˇrada knihoven,²³ kter´e poskytuj´ı funkce pro nastaven´ı ˇc´ast´ı

23Knihovny poskytuje v´yrobce mikroprocesoru STM32F051R8T6, firma STMicroelectronics.

procesoru a manipulaci s nimi. K vytvoˇren´ı firmware, jeho n´asledn´emu testov´an´ı a ladˇen´ı bylo vyuˇzito v´yvojov´e prostˇred´ı CoIDE verze 1.7.8.²⁴

2.1.3 Prostˇ redky k vytvoˇ ren´ı aplikace v prostˇ red´ı MS Windows

Vedle vytvoˇren´ı hardware je souˇc´ast´ı t´eto bakal´aˇrsk´e pr´ace t´eˇz vytvoˇren´ı ovl´adac´ı aplikace slouˇz´ıc´ı ke sledov´an´ı a ˇr´ızen´ı ˇcinnosti laboratorn´ıho pˇr´ıpravku. Existuje skuteˇcnˇe dlouh´a ˇrada moˇznost´ı, jak tento ´ukol realizovat. Pˇri v´ybˇeru zp˚usobu reali- zace byla zvaˇzov´ana n´asleduj´ıc´ı krit´eria:

• jednoduch´a implementace sbˇeru a zpracov´an´ı dat

• jednoduch´a implementace grafick´eho uˇzivatelsk´eho rozhran´ı

• spustitelnost v´ysledn´eho programu v nˇekter´em z bˇeˇznˇe vyuˇz´ıvan´ych operaˇcn´ıch syst´em˚u

Na jejich z´akladˇe bylo rozhodnuto, ˇze aplikace bude naps´ana v programovac´ım jazyce C^# pro operaˇcn´ı syst´em Microsoft Windows. K vytvoˇren´ı aplikace pak bylo zvoleno v´yvojov´e prostˇredn´ı Microsoft Visual Studio 2015.²⁵ Toto prostˇred´ı d´av´a uˇzivateli k dispozici ˇradu knihoven, kter´e mimo jin´e usnadˇnuj´ı pˇr´ıstup k rozhran´ı COM, prostˇrednictv´ım kter´eho prob´ıh´a komunikace s laboratorn´ım pˇr´ıpravkem, a umoˇzˇnuj´ı jednoduchou implementaci funkc´ı pro zpracov´an´ı dat. D´ale m´a prostˇred´ı zabudovan´y vizu´aln´ı designer formul´aˇr˚u (oken), s jehoˇz pomoc´ı lze snadno a rychle vytv´aˇret grafick´e uˇzivatelsk´e rozhran´ı.

Komunikace mezi ovl´adac´ı aplikac´ı a laboratorn´ım pˇr´ıpravkem prob´ıh´a pˇres hard- warov´e rozhran´ı COM urˇcen´e pro pˇripojov´an´ı periferi´ı k poˇc´ıtaˇci. Dnes je pouˇz´ıv´an´ı rozhran´ı COM na ´ustupu ve prospˇech pouˇz´ıv´an´ı USB portu. I pˇres absenci fy- zick´eho rozhran´ı COM jej vˇsak lze simulovat, a to napˇr´ıklad pouˇzit´ım USB/USART pˇrevodn´ıku, kdy na stranˇe PC dojde k rozpozn´an´ı s´eriovˇe komunikuj´ıc´ıho zaˇr´ızen´ı a pˇridˇelen´ı virtu´aln´ıho COM rozhran´ı. Vizu´aln´ı designer ve v´yvojov´em prostˇred´ı pak poskytuje zaˇclenˇen´ı ovladaˇce COM portu (prvek SerialPort) pˇr´ımo do formul´aˇre.

Komunikace mezi aplikac´ı a uˇzivatelem je umoˇznˇena prostˇrednictv´ım grafick´eho uˇzivatelsk´eho rozhran´ı. V r´amci t´eto pr´ace pˇrich´az´ı v ´uvahu vyuˇzit´ı tlaˇc´ıtek (prvek Button) pro ˇr´ızen´ı aplikace a laboratorn´ıho pˇr´ıpravku, editovateln´ych textov´ych pol´ı (TextBox) pro zad´av´an´ı hodnot, ˇst´ıtk˚u (Label) a grafu (Chart) vykreslen´ı hodnot.

Programov´an´ı aplikace je podrobnˇeji pops´ano v kapitole 2.2.8.²⁶

24Informace uveden´e v kapitole 2.1.2 byly pˇrevzaty z [2], [3], [5], [6], [7, strany 1, 19, 27 aˇz 36], [11], [12], [16], [17], [24], [25], [27, strana 5], [28], [31], [32], [34], [38], [41], [46], [53], [54] a [57].

25Konkr´etnˇe byla vyuˇzita placen´a edice Enterprise, jej´ıˇz vyuˇzit´ı bylo umoˇznˇeno z´ısk´an´ım stu- dentsk´e licence v r´amci bakal´aˇrsk´eho studia. Bezplatnou alternativou je vyuˇzit´ı edice Community.

26Informace uveden´e v kapitole 2.1.3 byly pˇrevzaty z [40] a [13].

2.2 Konstrukce a programov´ an´ı pˇ r´ıpravku a ovl´ adac´ı aplikace

Jiˇz s´am n´azev t´eto bakal´aˇrsk´e pr´ace napov´ıd´a, ˇze jej´ım c´ılem nen´ı vytvoˇrit pouze reˇserˇsi nebo kompil´at zab´yvaj´ıc´ı se fyzik´aln´ımi principy a technologiemi, kter´e jsou teoreticky pouˇziteln´e k vytvoˇren´ı funkˇcn´ıho pulzn´ıho oxymetru, ale navrhnout a re- alizovat konstrukci a program funkˇcn´ıho exempl´aˇre pulzn´ıho oxymetru.

Hardware pˇr´ıpravku se skl´ad´a z nˇekolika ˇc´ast´ı, kter´e jsou mezi sebou pospojov´any podle n´asleduj´ıc´ıho sch´ematu:

Obr´azek 2.9: Sch´ema hardwaru Jednotliv´e ˇc´asti uveden´e ve sch´ematu pln´ı d´ılˇc´ı ´ukoly:

• Nap´ajec´ı ˇc´ast: filtrace, transformace a stabilizace vstupn´ıho napˇet´ı

• Budiˇc LED: spouˇstˇen´ı LED v mˇeˇr´ıc´ı sondˇe um´ıstˇen´e na prstu

• Sn´ımaˇc: opakovan´e sn´ım´an´ı proudu generovan´eho fotodiodou v sondˇe a jeho pˇrev´adˇen´ı pomoc´ı I/U pˇrevodn´ıku na napˇet´ı

• Filtr okoln´ıho svˇetla: eliminace vlivu svˇetla, kter´e dopad´a na fotodiodu v sondˇe a nepoch´az´ı z LED, na v´ysledek mˇeˇren´ı