Diseño en PSoC

Para el diseño de los bloques digitales, se utilizó como unidad inteligente un PSoC, (Sistema Programable en un chip), de Cypress Microsystems. Estos son dispositivos inteligentes que ofrecen facilidades de implementación de circuitos analógicos y digitales [39], y han probado ser una solución viable para múltiples aplicaciones.

La familia PSoC consiste de varios dispositivos con arreglo de señal mezclada y controlador on-chip. Estos dispositivos son diseñados para remplazar los componentes de los sistemas tradicionales basados en microcontroladores (MCU), por un solo componente, programable y de bajo costo [39]. Un PSoC incluye bloques configurables de lógica digital y analógica, así como interconexiones programables. Esta arquitectura le permite al usuario crear configuraciones de periféricos a la medida, para satisfacer los requerimientos de cada aplicación individual. Adicionalmente se incluyen una CPU rápida, memoria de programa Flash, memoria de datos SRAM, y I/O configurables, con un conjunto diverso de encapsulados [39] [40].

Específicamente, usaremos el chip CY8C24894-24LFXI [40], donde se realizara la digitalización, almacenamiento y transmisión de la información. Este chip ofrece 6 bloques analógicos, 4 bloques digitales y una microcomputadora empotrada de 8 bits, todo configurable, en un encapsulado de 28 terminales por menos de 8,00 USD/unidad. Permite definir qué funciones realizar, cuándo aparecen (re-configuración dinámica) y cómo se interconectan [39] [40].

Además, el PSoC tiene un núcleo microprocesador empotrado M8C con arquitectura Harvard, que puede trabajar hasta 24 MHz; un multiplicador por hardware, que permite implementar funciones básicas de procesamiento digital, así como el control de los convertidores, amplificadores, filtros y demás bloques del sistema. Este dispositivo brinda múltiples opciones de comunicación, destacándose el chequeo que puede realizar de redundancia cíclica (CRC) de 2 a 16 bits, así como la implementación de los estándares: I2C (de Philips), SPI y UART (para comunicación serie), e IrDA (por infra-rojo). Además este módulo posee un puerto para la comunicación a través del puerto USB. Tiene 16 KBytes de memoria de programa flash con protección robusta de lectura/escritura y 1 KBytes de memoria de programa RAM [39] [40].

CAPÍTULO 2. DISEÑO DE ESTETOSCOPIO DIGITAL

20 Este chip resulta adecuado por su bajo consumo, incluso a alta velocidad; presentando flexibles modos de reposo (sleep), con corrientes tan bajas como 3 A. Sus voltajes de trabajo van desde 3V hasta 5,25V, aunque puede ser bajado a 1V, usando SMP (switch mode pump) [40].

2.2.1 Implementación de los módulos de usuario (UM)

Para la implementación de los bloques del PSoC, se utilizó el software de diseño PSoC Designer 4.4 [41]. En esta aplicación específica usaremos re-configuración dinámica. Es decir tres configuraciones que se activarán en diferentes momentos, atendiendo a la operación a efectuar por el usuario [41]. La primera es la adquisición de la señal analógica que amplificará, filtrará, digitalizará y almacenará las señales de audio [41]. La próxima función del dispositivo es transmitir la señal digitalizada a la PC, a la que llamaremos

descarga. La última operación es la reproducción de la señal almacenada, donde se accedería a la memoria donde estaría la información digital para reproducirla y volver a escuchar la señal de audio adquirida anteriormente.

 Adquisición de la señal analógica

Para la adquisición de la señal, es necesario amplificarla para así aumentar el nivel de señal a la entrada del conversor A/D (CAD), por lo que se utilizara PGA (amplificador de ganancia programable). Este consta de un bloque analógico de tiempo continuo, con nivel de ruido de 99 nV/ Hz, que ofrece la posibilidad de variar la ganancia y ajustar el offset. Las ganancias del PGA pueden ser múltiplos o divisores de ganancias predeterminadas anteriormente [40] [41].

Luego del PGA sigue el FPB (filtro paso-bajo), que limita las componentes de frecuencia por encima de la mitad de la frecuencia de muestreo del CAD (fs’/2) para evitar el aliasing.

Está señal de sonido varía lentamente y no requiere una frecuencia de muestreo tan elevada, por lo que se recomienda muestrear a una razón de fs=4fm (fm es la máxima componente de

frecuencia en la señal) para que no se recargue inútilmente la memoria de datos (MEM) [40] [41].

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21 El PSoC posee diferentes tipos de CAD, de los cuales seleccionaremos uno, teniendo en cuenta las características de la señal a digitalizar y las propiedades de cada uno de los CAD existentes dentro del PSoC [41] [42]. Entre las posibles opciones, se hallan los de aproximaciones sucesivas (SAR6), del tipo incremental (ADCINC, ADCINC12, ADCINC14, ADCINCVCR) y sigma-delta (DELSIG8, DELSIG11). Teniendo en cuenta resolución, por ciento de uso de la unidad de control de procesos (UCP), latencia, linealidad, ruido, consumo de potencia y de otros recursos (bloques analógicos y digitales, RAM, flash) [41] [42].

Se seleccionó el sigma-delta de 8 bits (DELSIG8) [42] por ser más inmunes al ruido y facilitar el trabajo del FPB como anti-aliasing [41].

Al convertir la señal analógica a digital se hace imprescindible enviarla a un dispositivo de almacenamiento. Esto se realiza a través de un bloque de comunicación SPIM (Serial Peripheral Interconnect master). Para guardar está información existen en la actualidad modernas memorias flash tipo serie, de alta capacidad, pequeño tamaño, bajo consumo y mínimo número de terminales [43], las que pueden conectarse a los PSoC. Una de éstas memorias es la flash externa de 32 Mbits modelo W2SX32VSS16, con un precio de $ 3,63 [43].

Descarga de la señal digitalizada

La descarga de la información hacia una unidad inteligente con cierta potencia de cálculo y posibilidades de visualización se puede realizar mediante diferentes vías de transmisión. En este caso se utilizará un recurso adicional con que cuenta este dispositivo en específico, que es el protocolo USB, que conectado con un SPI master extraería la información de la memoria y la transmitiría a la PC.

Reproducción de la señal digital

La última función es la reproducción de los sonidos digitales almacenados en la memoria. Como primer UM se utilizó un SPI master para la comunicación entre el PSoC y la memoria. El próximo paso es la conversión D/A donde el PSoC cuenta con conversores D/A (CDA). Para esto se colocó un CDA del tipo DAC8. Luego le sigue el filtrado a través

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22 de un FPB anti-imagen con una frecuencia de corte de 500 Hz. El último UM es un PGA que amplifica la señal analógica para que el médico escuche los sonidos cardíacos con claridad y potencia para lograr un buen diagnóstico médico con una ganancia unitaria, pues ya la señal tiene el nivel de voltaje necesario, evitando así que se sature el PGA.