Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Задача создания системы 5
1.1. О методах исследования активности нейроструктур 7
Глава 2. Обзор существующих систем автоматизации исследований 12
2.1. Сбор, обработка и первичный анализ результатов эксперимента 13
2.2. Отображение результатов эксперимента 25
2.3. Регистрация ре зультатов эксперимента 3 1
2.4. Управление экспериментом 41
Глава 3. Структурная схема системы и требования к ее элементам 50
3.1. Анализ структурных решений 50
3.2. Структурная схема системы 59
3.3. Технические параметры элементов системы 59
Глава 4. Теоретическое обоснование оптимизации параметров системы 7Z
4.1. Устройство для стабилизации напряжения на клеточной мембране или на участке нервной ткани 73
4.1.1. Исследование пределов устойчивости 83
4.2. Цифровое "клямп-устройство" 110
4.2.1. О расчетных оценках реализации цифрового клямп-устройства Г14
4.2.2. Об устойчивости и необходимом быстродействии элементов цифрового "клямп-устройства" 117
4.3. Быстродействующий синхронный накопитель большой длительности интегрирования
"строб-интегратор" 12.0
Глава 5. Новые функциональные элементы, созданные для реализации системы. Примеры их использования в системе
5.1. Устройство для стабилизации напряжения на клеточной мембране - "клямп-устройство" 128
5.1.1. Блок измерений клямп-устройства 13 О
5.1.2. Блок управления клямп-устройства 138
5.1.3. Пример использования клямп-устройства в системе 146
5.2. Управляемый строб-интегратор Г 4 в
5.2.1. Устройство для синхронизации импульсов...15 2.
5.2.2. Пример использования строб-интегратора в системе 156
5.3. Элементы системы, имеющие нестандартные схемные решения 159
5.3.1. Программно-управляемый генератор развертки
5.3.2. Усилитель растровых (телевизионных) сигналов 16 5
5.3.3. Генератор линейно-нарастающего напряжения.169
Заключение 17 3
Список литературы
- Отображение результатов эксперимента
- Структурная схема системы
- Исследование пределов устойчивости
- Пример использования клямп-устройства в системе
Введение к работе
Эффективным средством для решения СЛОЕНЫХ научных проблем является автоматизация экспериментальных исследований. В постановлении ХХУІ съезда КПСС "Основные направления экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" сказано: "Увеличить производство приборов, оборудования, средств автоматизации, реактивов и препаратов для проведения научных исследований. Расширять автоматизацию проектно-конструкторских работ и научно-исследовательских работ с применением электронно-вычислительной техники" (гл. Ш). Данная работа выполнена в рамках решения этих задач применительно к требованиям фундаментальных исследований. Работа посвящена рассмотрению путей построения автоматизированной системы и ряда технических устройств, входящих в эту систему, для проведения экспериментальных работ в одном из важных направлений биофизического профиля. Целевая направленность этих работ связана с фундаментальной проблематикой исследования памяти биосистем применительно к возможным аспектам совершенствования вычислительной техники.
Важнейшей частью современной проблематики технической океанологии является определение путей и возможностей создания распределенных донных и заякоренных систем. Для перекрытия широких полос и площадей мирового океана, в целях решения прикладных задач, оказывается принципиально важным иметь распределенные в пространстве (по дну и в водной толще) океана функциональные блоки и элементы системы, обладающие способностями классификации образов и принятия решений. Подобные устройства, в принципе реализуемые, требуют чрезвычайно большой емкости памяти и сложных (желательно ассоциативных) систем адресации и, что не менее важно, - при малых габаритах и низком энергопотреблении. Эти обстоятельства заставляют форсировать исследования биофизической направленности как основу для использования принципов бионики в построении технических систем памяти вычислительных комплексов.
В обеспечении этих прикладных задач для развития исследований в области биофизики и выполнена настоящая работа, посвященная вопросам автоматизации исследований активности нейро-структур на тканевом клеточном и субклеточном уровне.
В первой главе работы рассмотрены задачи, стоящие перед широко функциональной автоматизированной системой для исследования активности нейронных структур. Перечислены возможные методы исследований, предопределяющих аппаратный состав системы.
Обзор существующих систем автоматизации научного эксперимента проведен во второй главе. Кроме вышеуказанных систем в этой главе рассмотрены промышленные информационно-измерительные системы, средства отображения и регистрации результатов эксперимента, что обеспечило более полный анализ методов и средств, позволяющий наметить пути построения оптимальной, на наш взгляд, автоматизированной системы для исследования активности нейронных структур.
В третьей главе представлена общая структурная схема автоматизированной системы для исследования активности нейронных структур, объединяющая подсистемы оптических и электрических средств проведения биологического эксперимента. В COOT - З ветствии с общей структурной схемой системы и известными пределами ожидаемых изменений параметров исследуемых биологических объектов сформулированы основные требования к характеристикам всех функциональных элементов системы. Осуществлен выбор промышленно изготовляемых приборов, параметры которых удовлетворяют нашим требованиям. Выделены для отдельного исследования и разработки такие системные элементы, которые при обычной, общепринятой реализации не удовлетворяют этим требованиям.
Теоретическое обоснование оптимизации параметров системы выполнено в четвертой главе. Рассмотрены пути улучшения технических характеристик наиболее важных специализированных системных элементов, таких как устройство для стабилизации напряжения на мембране и "строб-интегратор", который необходим для осуществления большинства оптических методов исследования. В этой главе рассмотрены также некоторые вопросы метрологического характера, возникающие при эксплуатации подобных приборов, проведено исследование известных технических решений и показаны пути достижения оптимальных параметров за счет новых, оригинальных технических решений.
Пятая глава посвящена описанию структурных и функциональных схем системых элементов, специально разработанных для реализации нашей системы. Основное внимание обращено на те элементы, параметры которых улучшены за счет привлечения новых, нетривиальных технических решений. В этой главе рассмотрены некоторые аспекты использования разработанных системных элементов и приведены примеры полученных результатов.
Последний раздел работы - заключение - посвящен изложению основных результатов проведенной работы и выводов, которые базируются на полученных результатах.
В приложение вынесены основные технические характеристики устройств, специально разработанных для нашей систеглы.
Объем работы составляет 144 страницы машинописного текста при 47 графических иллюстрациях и библиографии в 96 названий.
Отображение результатов эксперимента
Рекомендации выбора типа ЭВМ для системы не всегда основываются на технической целесообразности; в ряде случаев приходится учитывать, например, фактическое наличие ЭВМ, которую надлежит использовать в системе. Следует отметить, что при анализе данных эксперимента всегда существует компромисс между вычислительной мощностью ЭВМ и характером алгоритмов, которые следует исполнять в реальном масштабе времени. Как показано на примере автоматизированной типовой и не слишком сложной системы для анализа электроэнцефалограмм [2.14] ,. в реальном масштабе времени удается реализовать лишь простейшие расчеты, например, анализ распределения амплитуд. Сложные расчеты (в особенности основанные на спектральных преобразованиях с использованием преобразования Фурье) приходилось оставлять для последующей пакетной обработки. В этом случае, а также, когда круг задач, решаемых автоматизированной системой, ограничен, применение обычной или даже мини-ЭВМ нерентабельно [ 2.15 J . При этом альтернативой использованию универсальных ЭВМ является применение "интелектуальных" измерительных приборов [ 2.16, 2.17 J , имеющих в своем составе микропроцессор (МП), который представляет собой совокупность арифметико-логических и управляющих устройств. В состав обычно включают МП, запоминающее устройство программирования и таймер.
Использование микропроцессоров в измерительных приборах является важнейшей тенденцией развития современной измерительной техники [ 2.16, 2.18, 2.19 ] . Этому способствует значи - 23 тельный прогресс в технологии создания монолитных МП. Применение МП в средствах автоматизации эксперимента обеспечивает увеличение эффективности измерительных приборов, снижение стоимости эксперимента. Так благодаря использованию МП за счет автоматической коррекции погрешностей может быть существенно увеличена точность измерений (система "7115" фирмы systron - Dormer, США) [ 2.20 ] . Для определения результата измерения здесь используются градуировочные характеристики, снятые незадолго до и/или через небольшое время после выполнения операции измерения.
Использование МП в измерительных системах, к сожалению, не улучшает работу аналоговых входных преобразователей при низком уровне и малой длительности полезных сигналов на фоне высокого уровня помех. Для улучшения помехоустойчивости приходится применять такие традиционные меры, как Ж фильтрацию, экранирование и системы изоляции.
Что касается отечественных автоматизированных систем для биологических исследований, имеются в виду экспериментальные разработки, то здесь микропроцессорные решения пока не нашли применения. Это объясняется, видимо, тем, что серийный выпуск отечественных МП, по существу, начат лишь несколько лет назад.
Будущее техники систем для сбора данных в целом все в большей степени определяется успехами микроэлектронной технологии. В качестве примера можно упомянуть о первом, созданном
В американской промышленностй (National Semiconductor Corp.) монолитном устройстве для сбора данных, реализованном на одном монокристалле в виде большой интегральной схемы (БИС). БИС выполнена по К/МДП схемотехнологии и могла бы найти приме - 24 нение в автоматизированной системе биологического эксперимента лишь при условии приемлемости сравнительно низкого быстродействия - цикл преобразования здесь составляет 100 мкс. Существенное уменьшение цикла преобразования может быть достигнуто в подсистемах сбора данных, создаваемых на основе биполярных БИС. Образцы таких БИС уже появились в промышленном исполнении. Область изготовления подсистем сбора данных разделилась между биполярной и К/МДП схемотехнологиями. Первая используется для выпуска быстродействующих схем повышенной точности, вторая - для схем с повышенной функциональной плотностью, но малом быстродействии и сравнительно низкой стоимости. Перспективными являются схемотехнология интегральной инжекционной ло 2
гики "ИЛ", обладающей высокой плотностью компоновки элементов цифровой части и линейностью передаточных характеристик элементов аналоговой части, а также простая и дешевая схемотехнология БИС на биполярных транзисторах, позволяющая создавать на одном кристалле высококачественные аналоговые приборы и цифровые схемы с высокой плотностью упаковки [ 2.21 ] .
В заключение рассмотрения систем, применяемых для обработки данных в биологическом эксперименте, отметим использование спецпроцессоров [2.15] . Одним из наиболее распространенных спецпроцессоров в нейрофизиологическом эксперименте является анализатор "Нейрон-1", выпускаемый СКБ биологического приборостроения АН СССР в г. Пущино и предназначенный для статистической обработки аналоговой информации и импульсных сигналов биоэлектрической активности [2.22] .
Структурная схема системы
Общая структурная схема автоматизированной системы для исследования активности нейронных структур представлена на фиг. 9. Красным цветом обведены функциональные элементы, не-изготовляемые промышленностью. Общая структурная схема объединяет оптические и электрические средства для исследования биологических структур, которые рассматривались в предыдущем параграфе с достаточной степенью подробности.
В соответствии с общей структурной схемой нашей системы (см. фиг. 9) и известными пределами ожидаемых изменений параметров исследуемых нейроструктур могут быть сформулированы основные требования к характеристикам всех функциональных элементов системы.
Для общности характеристики системы в целом мы приведем принципиальные требования, как к промышленно изготовляемым типовым элементам (усилители, осциллографы, регистраторы и т.п.), так и к устройствам, подлежащим разработке и необходимым для реализации такой системы. Приводимые цифры основываются на анализе, проведенном в главах I и 2 и, как правило, могут не требовать никаких пояснений.
I. ЭВМ. По значимости этот элемент занимает одно из центральных мест в любой автоматизированной системе. Не перечисляя всех основных технических характеристик ЭВМ, для рассматриваемой системы отметим важность объема памяти, скорости ввода-вывода информации и возможности прямого доступа к памяти. Ограниченные размеры памяти ЭВМ сужают и системные, и функциональные ее ВОЗМОЕНОСТИ. Это делает весьма желательным наличие в комплектации ЭВМ накопителя на магнитных дисках с памятью в несколько мегабайт. Можно считать, что основные технические требования к мини-ЭВМ нашей системы могут быть: объем адресуемой памяти не менее 64 Кбайт; длина слова 16 бит ; время выполнения основных команд.... не более 2 мкс.
Приведенные требования к управляющей ЭВМ системы являются минимально-целесообразными. Требования к комплектации периферийными устройствами минимальны и ясны из приведенных схем фиг. 8, 9. Всем нашим требованиям удовлетворяют отечественные системы малых ЭВМ - СМ-3, СМ-4 и множество зарубежных мини-ЭВМ, например, популярные модификации машин PDP-II фирмы DEC (США) Серий "9845" И "1000" фирМЫ Hewlett Packard (США), многие мини-ЭВМ японских фирм. В ряде случаев (при отсутствии вычислительного центра в исследовательском учреждении) целесообразно иметь одну ЭВМ, способную помимо управления экспериментом и первичной обработки данных выполнять еще функции сбора данных и вычислительную обработку информации.
2. Система цифровой обработки изображений. По аппаратно му объему и выполняемым функциям система цифровой обработки изображений сравнима с ЭВМ. Несмотря на возможность работы этой системы в автономном режиме, наиболее полно проявляются ее функциональные возможности при совместной работе с ЭВМ. Отсюда следует одно из важнейших требований по выбору системы обработки изображений - совместимость ее с имеющейся у разра ботчика ЭВМ. Так же, как и при выборе ЭВМ, для системы обра ботки изображений, помимо основных ее технических характери стик, немаловажную роль играет объем выполняемых функций, та ких как работа в режиме "псевдоцвет", математическая обработка изображений, изменение масштабов изображения, построение гра фиков и гистограмм.
В настоящее время отечественные системы цифровой обработки изображений не выпускаются. Одними из лучших зарубежных образцов ЯВЛЯЮТСЯ СИСТемЫ "Model-70" и "Pericolor-IOOO" до статочно подробно рассмотренные в главе 2. По своим функциональным возможностям эти системы, в равной мере, могут быть рекомендованы для использования в нашей системе.
3. Функциональный генератор. Функциональный генератор должен обеспечивать формирование сигналов, как произвольной формы, так и синусоидальных, прямоугольных, треугольных, ли нейно-нарастающих в частотном диапазоне от нескольких микро герц до 20 кГц. Амплитуда выходного сигнала функционального генератора должна регулироваться от I мВ до 10 В. Причем не линейные искажения выходного сигнала не должны превышать 0,5 %,
Отечественная промышленность производит функциональный генератор типа Г6-І5, параметры которого (частотный диапазон и коэффициент нелинейных искажений генерируемых сигналов) несколько хуже требуемых. К сожалению, системное использование этого генератора затруднено из-за отсутствия интерфейсной карты и возможности цифрового программного управления параметрами генерируемых сигналов. Выбор функционального генератора среди множества конкурирующих зарубежных приборов, рассмотренных в главе 2, обусловлен, быть может, только вопросом стоимости конкретного образца.
4. Аналого-цифровой преобразователь (АШІ). Его основные характеристики: быстродействие (число преобразований в секунду) 5 1О5; апертура, не более 30 не; число разрядов 9; максимальный размах входного сигнала ±2 В; входное сопротивление, не менее 10 кОм. АЦП должен формировать параллельный и последовательный двоичный код, прямой и обратный, а также работать под управлением внешнего генератора синхроимпульсов. Указанным требованиям полностью соответствует отечественный АІЩ типа Ф7077/3. Из большого числа зарубежных АЦП можно назвать некоторые, например, TDC IOI3J фирмы TRW (США), HS-802, HS-8IO фирмы Computer Labs (США) И Др.
Исследование пределов устойчивости
Таким образом, отношение плеч емкостного делителя (фиг.13) по порядку величин составляет 10 . Это обстоятельство при реальных величинах R3rt и Rm определяет практически мгновенный заряд этих конденсаторов до напряжений, значения которых будут обратно пропорциональны величинам емкостей. Так, при подаче на вход клямп-устройства опорного напряжения ступенчатой или прямоугольной формы с амплитудой 50 мВ на выходе устройства (при К = 2 1О3) формируется напряжение 100 В. С учетом имеющихся соотношений емкостного делителя напряжение на емкости мембраны мгновенно нарастает до значения 10 мВ, что представляет собой 20 % от номинального значения ( Um = Uon = 50 мВ). Далее дозаряд емкости мембраны Ст до напряжения равного опорному происходит со скоростью, соответствующей постоянной времени заряда X = Cm R3n .С учетом весьма малого значения опорного напряжения (U0n = 50 мВ) по сравнению с выходным напряжением клямп-устройства ( UBWK = 100 В) можно с уверенностью говорить о линейном характере заряда емкости мембраны Cm . Для наглядности проиллюстрируем это на графике зависимости напряжения на мембране (Um ) от времени (t ) (фиг. 15). ЦтВ УРОВЕНЬ ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ААКС АО 20 Ю Фиг. 15. График зависимостей напряжения на мембране ( Um ) от времени (t ): 1 - зависимость напряжения на мембране ( Um) от времени (t) с учетом паразитной емкости (С ПАР ); 2 - зависимость напряжения на мембране ( 17т ) от времени (t) без учета паразитной емкости (СПАР ). - 82 С учетом постоянной времени заряда емкости мембраны Ст з 7 2 10 с (при сопротивлении микроэлектрода 2 10 Ом и емкости мембраны 10 Ф) время установления напряжения на мембране в реальных условиях, т.е. с учетом С ПАР , будет отличаться на величину At , что составляет 20 % от полного времени установления напряжения Um .
Оценим требуемое быстродействие клямп-устройства по минимуму постоянной времени заряда емкости мембраны - I0"4 с, соответствующей сопротивлению микроэлектрода ICP Ом и емкости мембраны 10г пФ. При напряжении +100 В, развиваемом на выходе клямп-устройства, емкость мембраны зарядится до напряжения +50 мВ (значение опорного напряжения) менее, чем за 100 не, см. выражение (3). В действительности время заряда емкости в рассматриваемой системе регулирования напряжения на клеточной мембране будет больше вышеуказанного, т.к. выражение (3) не учитывает время задержки формирования выходного напряжения ДУ, а также уменьшение выходного напряжения клямп-устройства, связанное с процессом регулирования напряжения на мембране. Процесс регулирования состоит в сравнении напряжения на мембране с опорным напряжением и усилении этой разности, как "сигнал ошибки" в К раз. При нарастании напряжения на мембране (процесс заряда емкости мембраны) сигнал ошибки уменьшается и, следовательно, пропорционально уменьшается напряжение на выходе клямп-устройства. Это приводит к увеличению времени установления напряжения на мембране. Причем, большое влияние на длительность процесса установления напряжения на мембране разумеется оказывает быстродействие клямп-устройства, кроме того, задержка прохождения входного сигнала через клямп-устройство опреде - 83 ляет устойчивость всей системы. При фазовом сдвиге входного сигнала близком к 180 клямп-устройство переходит в режим генерации при охвате его даже частотнонезависимой ОС. Таким образом, необходимость высокого быстродействия клямп-устрой-ства следует рассматривать как важное условие устойчивости автоматического регулирования.
Резюмируя изложенное, следует отметить - основной параметр клямп-устройства - точность стабилизации, всецело зависит от коэффициента усиления. В свою очередь, одновременность существования требований высокого быстродействия и значительного по величине коэффициента усиления делают устойчивость для любой замкнутой системы автоматического регулирования вопросом первостепенной важности. Клямп-устройство является именно такой системой, где в качестве нагрузки в цепи обратной связи включена клеточная мембрана. Реализация клямп-устройства с одновременно высокими точностью стабилизации и быстродействием, в первую очередь, сводится к оценке устойчивости этого устройства.
Пример использования клямп-устройства в системе
В качестве ОЗУ используются 2 микросхемы КІ55РУ2 с организацией - 16 слов по 4 разряда. Весь объем ОЗУ разбит на три отдельных зоны, число которых соответствует таким параметрам сигнала, как амплитуда, длительность сигнала, длительность паузы. Нетрудно убедиться, что с помощью этих параметров можно сформировать сигнал с любым законом изменения в виде ступенек напряжения различной амплитуды и длительности. Наибольший объем памяти ОЗУ - 64 бит - отведен для хранения информации об амплитудных признаках опорного напряжения. Информация о временных параметрах сигнала опорного напряжения хранится в двух зонах с объемом памяти по 32 бита. Амплитуда опорного напряжения может быть задана в диапазоне +100 мВ. Диапазон заданных значений длительности сигнала (паузы) составляет - 0,1 мс - 1,0 с и может быть увеличен до I03 с при переводе блока управления в режим деления частоты.
В блоке управления для адресации потока данных в ОЗУ используется шестиразрядный формат кода. Информация в двух стар ших разрядах этого кода определяет выбор одного из двух ОЗУ, входящих в состав блока управления. Первое ОЗУ предназначено для хранения информации об амплитуда опорного напряжения. Во втором ОЗУ хранятся данные о временных параметрах. Как уже отмечалось весь объем памяти второго ОЗУ разделен на две равные зоны. Для адресации данных в соответствующую зону второго ОЗУ используется четвертый разряд кода адреса. Информация в остальных разрядах кода адреса формируется автоматически с набором параметров опорного напряжения оператором или при вводе данных от ЭВМ. В режиме ручного управления при нажатии оператором кнопки "Амплитуда" (набор кода команд) на выходе шифратора, формируется код адреса первого ОЗУ. В нашем случае это 010000. Генерация информации в младших разрядах кода адреса происходит одновременно с набором числовых данных на клавиатуре набора кода данных. Для этого оператор нажимает кнопку, соответствующую числу в младшем разряде амплитудного значения опорного напряжения (набор производится с младших разрядов), инициируя работу генератора тактов (ГТ). ГТ предназначен для тактирования процессов записи и воспроизведения информации в блоке управления. Для оперативного хранения адресной информации в рассматриваемом блоке управления используется счетчик команд (СК). Запись кода адреса в СК синхронизирована тактовыми импульсами ГТ. Код на выходе СК определяет адрес в ОЗУ, по которому будут записаны данные об амплитуде отдельных значений опорного напряжения. Каждый последующий набор оператором числа вызывает увеличение кода адреса в счетчике команд на единицу и запись этого числа в двоично-десятичном коде в ОЗУ по новому адресу. Правильность набора и ввода данных в ОЗУ контролируется оператором с помощью устройства индикации, отображающего содержимое ОЗУ. Для вывода информации из ОЗУ с целью последующего отображения ее устройством индикации используется генератор кода команд, представляющий собой шестиразрядный двоичный счетчик, на вход которого поступают импульсы с частотой fл - I кГц. На параллельных выходах этого счетчика, подключенных к адресным входам ОЗУ, последовательно во времени формируются все комбинации кода адреса, что позволяет произвести опрос содержимого первого и второго ОЗУ блока управления. Параллельный код счетчика поступает еще и на адресные входы демультиплексора I, коммутирующего напряжение питания к светодиодным матрицам.
После ввода в ОЗУ данных об амплитуде опорного напряжения оператор производит набор и ввод в ОЗУ информации о временных параметрах опорного напряжения. Процессы записи информации в СК и ОЗУ протекают аналогично описанному выше. С помощью кнопки "Длительность сигнала" (клавиатура набора кода команд) оператор подготовляет ввод информации в первую зону второго ОЗУ, в соответствии с кодом 100000 на выходе шифратора. Это код команды "Длительность сигнала". Далее, оператор с помощью клавиатуры набора кода данных осуществляет по-шаговый ввод данных о длительности сигналов опорного напряжения в ОЗУ. Запись информации о длительности паузы между сигналами опорного напряжения производится при нажатой кнопке "Длительность паузы", что позволяет адресовать поток информации во вторую зону второго ОЗУ. Индикация информации, записанной во второе ОЗУ, производится аналогично тому, как это описано выше.
