Meření a regulace v biomedicíně

Garant předmětu:

Peter Kneppo

Přednášející:

Peter Kneppo, Roman Matějka

Cvičící:

Roman Matějka

Předmět zajišťuje:

katedra biomedicínské techniky

Anotace:

Předmět se zabývá následujícími tématy - měření elektrických a neelektrických veličin pomocí konvenčních laboratorních přístrojů, průmyslových A/D převodníků a digitalizačních karet typu DAQ, nízkonákladových řešení s MCU typu Arduino, dále faktory ovlivňující přesnost a stabilitu měření a to jak na úrovni samotných senzorů a převodníků, tak také na správné interpretaci těchto dat a vyjádření nejistoty měření a kalibraci, oblast strojového vidění, se zaměřením na kamerové systémy a standardy, a základy rozpoznávání obrazu, regulace bude zahrnovat základy automatizace, návrh stavových a sekvenčních automatů, řešení dopravního zpoždění a tvorbu prahového a proporčního regulátoru, demonstrace na biomedicínských aplikacích, nové trendy v oblasti měření, regulace a automatizace využívající technologii hradlových polí FPGA a reálného času.

Požadavky:

Požadavky na udělení zápočtu:

Povinná docházka na cvičení se dvěma povolenými absencemi bez nutnosti náhrady. V případě většího počtu absencí ze závažných důvodů bude řešeno individuálně. Studenti jsou si povinni vést laboratorní deník, do kterého si budou zaznamenávat postupy a naměřené výsledky v průběhu cvičení. Tento deník je nedílnou součástí pro získání zápočtu. Studenti vždy na konci hodiny dostanou zadání na domácí přípravu látky s tématikou na navazující hodinu. Studenti budou na začátku cvičení tázání (ústně nebo písemně) na danou problematiku. V případě zásadní neznalosti nemůže student absolvovat cvičení.

Hodnocení zkoušky:

V průběhu semestru budou realizovány 3 průběžné testy z probírané látky – zaměření jednotlivých testů 1) digitalizace a úprava signálu ze senzorů, 2) kalibrace, nejistoty, sběrnice a komunikační protokoly, 3) automatizace a regulace. Tyto testy budou obsahovat 1 komplexní početní příklad/realizační úlohu za 20 b a 2 otevřené otázky na problematiku za 10 b. Celkem tedy 40 bodů za test. Celkem je tedy možné získat 120 bodů z testů s tím, že minimum pro známku E je 50 bodů (90 bodů pro známku A). Studenti se mohou přihlásit na ústní zkoušku, při které mohou získat nebo i ztratit +- 15 bodů. Ústní zkoušky se mohou studenti zúčastnit pouze při získání min. 50 bodů z testu.

Osnova přednášek:

1.Úvod do měření, měření elektrických a neelektrických veličin, minimální znalosti základů elektrických měření.

2.Průmyslový sběr dat a akviziční jednotky (datové karty, mikrokontroléry), multiplexované a simultánní převodníky, způsoby zapojení signálu, plovoucí/uzemněné systémy, zemní smyčky.

3.Nejistoty měření, korelované veličiny a kovariance. Analýza naměřených dat, srovnání rozličných systému pro měření stejné veličiny pomocí Bland-Altmanovy metody.

4.Vedení signálu, napěťové, proudové smyčky, frekvenční a PWM přenos, diferenční přenos signálu, vodiče pro připojení signálu.

5.Měření neelektrických veličin, rezistivní (tenzometrické), kapacitní, indukční, optické a elektrochemické snímače, mikrosenzory, lab-on chips.

6.Průmyslové sběrnice a jejich topologie, Fieldbus, ModBus, CAN, adresace, kontrola chyb standardizované sběrnice RS-232, RS-422, RS-485.

7.Laboratorní automatizace měření, standardy VISA, GPIB, IVI

8.Úvod do automatizace, historie, prvky v automatizaci, úvod do zpětnovazebního řízení a regulačních smyček

9.Zpětnovazební regulátory a jejich návrh, stavové regulátory a regulátory s hysterezí, návrh na úrovni operačních zesilovačů, návrh na úrovni mikrokontroléru

10.Zpětnovazební regulátory a jejich návrh, proporční (P, PI, PID), návrh na úrovni operačních zesilovačů, návrh na úrovni mikrokontroléru

11.Optimalizace PID, aplikační systémy, metody ladění regulátorů, testování stability, Fuzzy regulátory

12.Strojové vidění a kamerové systémy

13.Real-time systémy pro měření a regulaci, embedded systémy a využití FPGA pro zpracování dat

14.Rizika měření v klinické praxi. Stínění, zemnění, unikající proudy, izolované soustavy, úraz el. proudem, oddělovací transformátory.

Osnova cvičení:

1.Digitalizace signálu - použití systému NI-DAQ a LabVIEW, možnosti nastavení vzorkování a sběru dat

2.Frekvenční analýza signálu, filtrace, vytvoření datového bufferu pro pomalé signály

3.Digitalizace signálu - low cost řešení pomocí MCU Arduino, export do terminálu a propojení s LabVIEW pro další analýzu

4.Nejistoty měření - složitější příklady, práce s dodanými daty a jejich statistické vyhodnocení.

5.Kalibrace a kalibrační funkce - sestrojení převodní křivky - lineární, mocninná, spline

6.Realizace analogového frontendu pro senzor neelektrických veličin, referenční zdroj, zesilovací obvody, odstranění offsetu, kalibrace a příprava aplikace pro měření

7.Realizace diferenčního vedení analogového signálu, proudová smyčka, frekvenční přenos. Návrh zapojení pro dlouhé vedení, zatížení linky

8.Komunikace v rámci síťové topologie, adresace, kontrolní součty LRC a CRC

9.Komunikace v rámci sítí FIELDBUS s periferiemi, implementace protokolu MODBUS,

10.Laboratorní automatizace a využití laboratorních přístrojů pro sběr data a automatizaci měření, propojení pomocí protokolu VISA/IVI (osciloskop, digitální multimetr, generátor funkcí)11.Návrh hysterezního (on-off) regulátoru, softwarová a hardwarová implementace Realizace prahového regulátoru, sw implementace v LabVIEW, hw implementace na OZ a komparátoru, výpočet pásma hystereze.

12.Návrh PID regulátoru, analýza systému, ladění metodou Ziegler-Nichols Zavedení proporční regulační odchylky, implementace P, PI a PID algoritmu řízení, ladění systému pomocí nalezení bodu nestability, implementace pomalých/normálních/rychlých regulátorů.

13.Optimalizace PID regulátoru, implementace regulace na MCU Arduino

14.Strojové vidění, zpracovaní obrazových dat z kamery v reálném čase, detekce objektů, kalibrace kamery pro měření rozměrů

Cíle studia:

Studijní materiály:

Povinná literatura:

1.HAASZ, Vladimír a Miloš SEDLÁČEK. Electrical measurements. Vyd. 1. Praha: Česká technika - nakladatelství ČVUT, 2006. 183 s. ISBN 80-01-03375-9.

2.SEDLÁČEK, Miloš a Vladimír HAASZ. Uncertainties in electrical measurements. Vyd. 1. Praha: Vydavatelství ČVUT, 2004. 33 s. ISBN 80-01-02985-9.

3.HAASZ, Vladimír. Advanced distributed measuring systems: exhibits of application. River Publishers, 2012. xii, 245 s. River publishers series of information science and technology. ISBN 978-87-92329-72-1.

Doporučená literatura:

5.NORTHROP, Robert B. Introduction to instrumentation and measurements. Third edition. Boca Raton: CRC Press, Taylor & Francis Group, [2014]. ISBN 9781466596771.

6.PLACKO, Dominique, ed. Fundamentals of Instrumentation and Measurement [online]. London, UK: ISTE, 2007 [cit. 2019-04-30]. DOI: 10.1002/9780470612026. ISBN 9780470612026.

7.FRADEN, Jacob. Handbook of modern sensors: physics, designs, and applications [online]. Fifth edition. Cham: Springer, [2016], 2016 [cit. 2019-04-30]. Dostupné z: <http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&scope=site&db=nlebk&AN=1081958>. ISBN 9783319193038.

Poznámka:

Rozvrh na zimní semestr 2024/2025:

Rozvrh není připraven

Rozvrh na letní semestr 2024/2025:

	06:00–08:0008:00–10:0010:00–12:0012:00–14:0014:00–16:0016:00–18:0018:00–20:0020:00–22:0022:00–24:00
Po	místnost KL:B-130 Matějka R. Kneppo P. 14:00–15:50 (přednášková par. 1) Kladno FBMI Lab. elektrotechniky a VImístnost KL:B-130 Matějka R. 16:00–17:50 (přednášková par. 1) Kladno FBMI Lab. elektrotechniky a VI
Út
St
Čt
Pá

Předmět je součástí následujících studijních plánů:

• Prospectus - magisterský (!)
• Navazující magisterský studijní program BME v aj (povinný předmět)