Технология разработки
Разработка БТС начинается с выделения её цели. Цель БТС для записи ЭКГ вполне ясна из её названия. Однако далее идёт уточнение. С какой точностью, в каком амплитудном и частотном диапазоне? Определить соответствие аналогового входа кардиографа стандартам или их превышение в каких-то показателях должен заказчик. Обсуждается число отведений, применение или неприменение компенсации на пациента и на экран кабеля, детектирование плохого контакта электрода.
На выходе системы определяется основной канал связи и носитель информации, соответствующий своей эпохе. Бумажная лента со временем уходит в прошлое. На постоянно обновляющемся рынке носителей есть много вариантов съёмных устройств: CF,MMC,SD,USBFlash,Flashмикросхемы. Выбор определяется предпочтениями заказчика к техническим характеристикам накопителя (зависят от оговорённых до этого свойств записи) и его ценой, энергопотреблением, габаритами, что ограничивает применение дорогих, энергоёмких или крупных устройств. Это самые главные требования ко входу и выходу системы.
Часто встречаются требования по времени автономной работы, по конкретным интерфейсам подключения к компьютеру, интерфейсам работы с оператором и т.п. Учёт этих требований касается соответствующих блоков устройства. Стоит отметить, что характеристики прибора в итоге определяет не только заказчик. Разработчик, знающий характеристики тех или иных компонентов, может определить, какие из требований заказчика невыполнимы, какие – нерациональны, какие – допустимы или занижены по сравнению со средним уровнем актуальных на момент разработки технологий. В то же время только заказчик может определить допустимые финансовые затраты, которые в свою очередь определят, насколько разработка будет отставать от фронта новых технологий.
После определения этих параметров легко будет составить структурные схемы БТС и самого прибора как элемента замкнутого контура управления. Если рассмотреть систему внимательнее, можно найти огромное множество контуров управления, замыкаемых как с биообъектами, так и между техническими элементами. В этом смысле процессор на своём месте можно было бы рассматривать как управляющий центр, содержащий целевую функцию системы и стремящийся её выполнить. Введение замкнутых контуров управления – ещё одна из черт эпохи гибких архитектур.
После того, как структурные схемы составлены, производится выбор компонентов, удовлетворяющих требованиям, проставленным по входам и выходам. При всеобщей функциональной интеграции микросхем интерфейсы обмена данными как правило стандартны: I2C,SPI,UART,SDIO. Протоколы обмена же для многих однотипных компонентов различаются, и выбор часто определяется удобством протокола, которое определяется как минимальный обмен служебной информацией, обеспечивающий максимальную (заданную) надёжность работы. Поскольку кардиографы работают в условиях, где нет достаточного уровня помех, чтобы исказить цифровой сигнал, то контрольные суммы до частот порядка 60MHzне очень актуальны, то выбираются интерфейсы, где данные занимают 100% времени обмена. С 60MHzстандартные текстолитовые платы с шагом 0,3/0,3мм начинают искажать фронты и проводить наводки достаточно, чтобы цифровой обмен с одним модулем мог мешать обмену с другим, и контрольные суммы с этих частот являются не только неотъемлемой, но и аппаратно встроенной частью таких быстрых интерфейсов какSDIO.
На основе выбранных базовых компонентов строится принципиальная электрическая схема. Её разработка заключается в выборе вспомогательных компонентов в соответствии с указаниями документации на основные компоненты. Как правило, в документации микросхем приведены типичные схемы включения или (в случае гибких схем) так называемая минимально-работоспособная обвязка. Когда принципиальная электрическая схема завершена – возможно либо переходить к следующему этапу, либо предварительно симулировать на компьютере работу всей схемы или её некоторых узлов, чтобы удостовериться в их работоспособности или оптимизировать номиналы вспомогательных компонентов.
На основе принципиальной электрической схемы и размера прибора, выбранного на основе дополнительных требований либо из оцененных в среде разработки размеров платы – строится разводка печатной платы (плат). Развести плату можно автоматически либо вручную. Ручная разводка более эффективна при наличии опыта, но и более затратна. Автоматическая быстрее, в хороших средах разработки учитывает основные правила электромагнитной совместимости, а в гениальных – решает эту проблему раз и навсегда.
На этапе разводки может оказаться, что одни и те же компоненты существуют в различных корпусах и размерах. Руководствуются в выборе корпуса рассеиваемой мощностью и способом монтажа. Первое не актуально в приложении к кардиографам. Второе – решает. Если монтаж ручной – то шаг меньше 0,3мм стабильно взять практически нереально. Соответственно корпуса SOICиLQFPпредставляют проблему. При заводском изготовлении плат и наличии качественной паяльной маски (не все российские производители могут этим похвастаться) допустимы для ручной пайки корпусаLQFP-64, но уже неLQFP-128. Типоразмеры вспомогательных компонентов ниже 0805 также не рекомендуются. Всё это накладывает технологические ограничения и определяет размеры платы на два порядка крупнее зарубежных.
На этапе изготовления никаких принципиальных решений уже не принимается. Могут быть выявлены ошибки разводки. В макете они устраняются перемычками, в серии – изготовляется исправленный комплект печатных плат.
На этапе тестирования образца могут быть выявлены отклонения от заданных параметров. Если они будут превышать допустимые величины – нужно искать причины отклонений и устранять их либо на этом же макете, либо, если причины в неверном выборе компонентов, после исправления ошибок и повторного прохождения цикла разработки – на новом макете.
На этапе эксплуатации у пользователя может возникать потребность в технической консультации или добавлении в прибор новых функций. Это не станет проблемой, если цикл разработки будет иметь подробную и структурированную документацию. К сожалению, итерационная природа разработки вступает в противоречие со структурированной последовательностью. В крупных организациях помочь может стандарт на документирование вносимых исправлений и дополнений, а для разовых разработок не требуется таких ресурсоёмких систем документации. Часто повторение разработки с самого начала позволяет разовым разработкам иметь более актуальный компонентный состав, чем у неповоротливых мировых гигантов, которые могут, из рациональных соображений, не проводить пересмотр этапов выше вносимого изменения.