Desarrollo de un método para monitoreo ambulatorio de picos de presión en el pie insensible y de alerta al paciente con miras a la prevención de ulceras plantares

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(1)“DESARROLLO DE UN MÉTODO PARA MONITOREO AMBULATORIO DE PICOS DE PRESIÓN EN EL PIE INSENSIBLE Y DE ALERTA AL PACIENTE CON MIRAS A LA PREVENCIÓN DE ULCERAS PLANTARES”.. RAFAEL HERNAN POLANIA JIMENEZ ALI AHMED EGEL ZUÑIGA. DOCUMENTO TESIS DE PREGRADO UNIVERSIDAD DE LOS ANDES INGENIERIA ELECTRONICA. ASESORES ANTONIO GRACIA ROZO JORGE HUMBERTO TORRES. BOGOTÁ, JUNIO 23 DE 2005.

(2) IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09. TABLA DE CONTENIDO. Página INTRODUCCION ………………………………………………………………………………………3 OBJETIVOS……………………………………………………………………………………………...4 1. DESCRIPCION Y CARACTERISTICAS…………………………………………………………. 5 2. DISEÑO DEL DISPOSITIVO………………………………………………………………………. 2.1. MODULO DE SENSOR 2.1.1 Elección del sensor……………………………………………………………………………… 2.1.2 Caracterización…………………………………………………………………………………. 2.1.3. Adecuación de Señal…………………………………………………………………………… 2.2 MÓDULO DE ADQUISICIÓN Y TRANSMISIÓN 2.2.1 Adquisición…………………………………………………………………………………….. 2.2.2 Comunicaciones ……………………………………………………………………………….. 2.2.3 Consumo de los Dispositivos y Baterías……………………………………………………….. 2.2.4 Control…………………………………………………………………………………………... 2.2.5 Esquemático del Circuito de la Plantilla………………………………………………………. 6 6 7 26. 29 32 40 43 45. 2.3. MÓDULO DE RECEPCIÓN, ALMACENAMIENTO Y ALERTA AL PACIENTE.……… 48 2.4. MÓDULO DE VISUALIZACIÓN DE DATOS DE PRESIÓN……………………………….. 59 3. COSTOS DE PROTOTIPO CON COMUNICACIÓN INALÁMBRICA………………………. 60 4. CONCLUSIONES…………………………………………………………………………………… 61 5. PERSPECTIVAS…………………………………………………………………………………….. 62 6. BIBLIOGRAFIA…………………………………………………………………………………….. 63. 2.

(3) IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09. INTRODUCCION. En el área de bioingeniería es muy importante la manera como se lleva a cabo la captura, almacenamiento y visualización de datos adquiridos por medio de sensores. Existen situaciones en las cuales se presentan restricciones bastante fuertes en cuanto a tamaño, costo, consumo de potencia y geometría de los dispositivos electrónicos. Por esta razón surge la necesidad de diseñar los sistemas tanto de captura como de almacenamiento de la manera más óptima posible, con el objetivo de cumplir con las restricciones de diseño que se tienen. Este proyecto está motivado por la necesidad que se tiene de monitorear las zonas más críticas de la planta del pie en pacientes que sufren de pie insensible, con el objetivo de detectar picos de presión anormales, y poder diseñar en un futuro plantillas que alerten al paciente y a su médico acerca de la ocurrencia de presiones anormales. Uno de los grandes problemas que afrontan los pacientes con plantas insensibles, particularmente pacientes diabéticos, es la aparición de úlceras plantares que son de difícil curación y que frecuentemente progresan hasta comprometer estructuras profundas. Eventualmente pueden presentarse infecciones severas e incluso gangrena que requiere amputación de una parte del miembro inferior. En la literatura médica se describe que un cuidado apropiado del pie diabético puede reducir el riesgo de úlceras plantares en estos pacientes, y dentro de este cuidado es esencial mantener las presiones plantares por debajo de niveles peligrosos para los tejidos.. 3.

(4) IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09. OBJETIVOS.. El objetivo general del presente proyecto consiste en diseñar un sistema de captura y almacenamiento de señales de presión provenientes de sensores ubicados estratégicamente en la planta del pie, al igual que una interfaz software para poder visualizar las señales capturadas, desarrollado a bajo costo, y buscando ocasionarle la menor molestia posible al usuario permitiéndole la mayor flexibilidad posible de movimiento. Los objetivos específicos del presente proyecto son los siguientes: Diseño, desarrollo e implementación a bajo costo de un sistema de adquisición y monitoreo de picos de presión plantar (SAMP3). Desarrollo de software para visualización y análisis de presión. Desarrollo de un sistema de telemetría para comunicación de las plantillas con un dispositivo de almacenamiento ubicado en la cintura. Desarrollo de un sistema de calibración de los sensores de presión.. 4.

(5) IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09. 1. DESCRIPCION Y CARACTERISTICAS. El sistema desarrollado consiste básicamente de dieciséis sensores de efecto piezoresistivo, ocho en cada planta del pie, ubicados en zonas estratégicas definidas por especialistas en pie insensible (Figura 1), la linealización de las señales de resistencia obtenida en los sensores (que varia de forma inversamente proporcional con la presión aplicada) para obtener señales de voltaje análogo que varíen lo mas linealmente posible con la presión aplicada en los sensores (Figura 2), un modulo donde se lleva a cabo el muestreo y posterior digitalización, tratamiento y transmisión inalámbrica de estas señales de voltaje análogo a otro módulo ubicado en un sitio flexible (que puede ser la cintura del paciente) donde la información recolectada es almacenada de forma masiva en memoria flash no volátil, con interfaz con un PC donde por medio de software se puede descargar y visualizar la información recolectada, al igual que hacer visualización en tiempo real. Sensores y adecuacion. Visualización. Adquisición y transmisión. Recepción, almacenamiento y alerta. Figura 1. Descripción general del sistema. Las características generales que tiene este sistema implementado son las siguientes: 1. Es un sistema de adquisición de datos desarrollado a bajo costo, lo que permite llegar a un gran número de usuarios potenciales que presentan problemas de pie insensible. 2. La captura y almacenamiento de datos están separados físicamente, y comunicados de manera inalámbrica, lo que permite una gran flexibilidad en el tratamiento de la información recolectada sin causarle inconvenientes al paciente. 3. Dos módulos completamente independientes de captura de datos ubicados en cada pie, que transmiten la información al modulo central en dos bandas de frecuencia distintas. En cada modulo se muestrean ocho sensores a una tasa de 25 Hz. 4. El almacenamiento de los datos recolectados se lleva a cabo en memoria flash por necesidades de rapidez en la escritura. 5. Posibilidad de hacer tanto visualización en tiempo real como descarga en un computador de los datos que están siendo adquiridos y almacenados, así como visualización de los datos que han sido descargados del modulo de central de almacenamiento. 6. Interfaz entre el sistema y un PC por medio del puerto USB, controlando la comunicación entre estos por medio de software. 5.

(6) IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09. 2. DISEÑO DEL DISPOSITIVO. El primer objetivo del proyecto se centro en hacer una descripción funcional del sistema que se iba a implementar, con la intención de definir claramente desde un principio el camino que se llevaría a cabo a lo largo del desarrollo, minimizando la posibilidad de tener que volver a un paso anterior en el diseño para tener que realizar cambios, producto de una mala planeación del trabajo, con la filosofía de que entre mas avanzada sea la etapa en la que nos encontremos, mas costoso es llevar a cabo una corrección del sistema. Esta fue la etapa más larga del diseño, debido a que fue necesario establecer claramente el problema que queríamos tratar, y lograr una descripción funcional del dispositivo independiente de su implementación física. Fue necesario recurrir a diagramas de estados y control, que posteriormente fueron validados por medio de simulaciones en lenguaje VHDL, y diagramas de flujo de datos, para dejar claro el camino que toma la información en el sistema. 2.1. MODULO DE SENSOR 2.1.1 Elección del sensor La elección del tipo de sensor es producto de un trabajo de investigación por parte de Beckenbauer Moreno en su tesis de Maestría en Ingeniería electrónica en la Universidad de los Andes, donde se investigaron una gran variedad de sensores de presión[1]. Básicamente, para elegir el tipo de sensor a usar se tuvo en cuenta que los sensores piezoresistivos requieren una electrónica bastante sencilla y de bajo costo ya que las variaciones de resistencia son bastante grandes, del orden de 20 Kohmios a 200 Kohmios. Asimismo estos sensores tienen baja sensibilidad a interferencia electromagnética lo cual constituye una gran ventaja. El principio de medición de presion de estos sensores se basa en el cambio de resistencia de una capa de material piezoresistivo especializado cuando se aplica presión. El sensor que se eligió fue un Sensor de Resistencias Sensibles a Fuerzas (FSR) FlexiForce de la compañía Tekscan®, de 25 lbs, de efecto piezoresistivo.. 6.

(7) IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09. Figura 2. Sensor de presión FlexiForce de la compañía Tekscan® 2.1.2 Caracterización Sistema de Calibración Neumático •. Descripción Funcional. Con el fin de caracterizar dinámicamente – respuesta en tiempo – el sensor de presión tipo FSR escogido, se implementó el sistema de calibración neumático mostrado en la figura 3. Los principales componentes usados para implementar este sistema son los siguientes: -. Cilindro de doble efecto de la compañía Festo® Transductor de presión neumático TX-35D0-100 marca Omega Dyne Inc. Electro-válvula de la compañía Norgren® Circuito de Control para la electro-válvula Circuito de adecuación de señal para el sensor de presión tipo FSR (adecuación de señal 1) Circuito de adecuación de señal para el transductor de presión neumático (adecuación de señal 2) Sistema de adquisición National Instruments®. 7.

(8) IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09. Computadora. Aire Calibrado. Línea de Aire. Transductor de Presión Neumático Circuito de Control. Datos. Regulador (0 - 100 PSI). Adecuación de Señal 2. Sistema de Adquisición (National Instruments). TP. Electro-Válvula. Línea de Aire Regulada en Magnitud. Adecuación de Señal 1. Vástago. Línea de Aire Regulada en Magnitud y Frecuencia. Cilindro de Doble efecto Sensor de Presión (FSR). Figura 3. Sistema de calibración neumático El funcionamiento del sistema neumático se puede describir en varios pasos; primero la línea de aire proveniente del compresor se regula en magnitud o intensidad mediante un manómetro que opera en el rango de 0 a 100 Psi. Posteriormente la línea de aire regulada llega a una electro-válvula de acción magnética la cual genera el ciclo (periodo) de actuación con el cual el cilindro de doble efecto (vástago) golpea al sensor FSR. Es decir la electro-válvula regula la frecuencia de la línea de aire, de tal manera que la señal de presión que llega al cilindro de doble efecto esta controlada en magnitud y en tiempo, lo que implica a su vez que la fuerza con la que el vástago del cilindro de doble efecto golpea al sensor a calibrar también esta controlada en magnitud y en tiempo (frecuencia). Por otra parte, el transductor de presión neumático provee la señal que sirve como referencia en la generación de las curvas de calibración. Finalmente las señales del transductor presión y del sensor FSR llegan a un sistema de adquisición de datos después de haber pasado cada una respectivamente por una etapa de adecuación de señal. El computador conectado a la tarjeta de adquisición de datos almacena los datos capturados por dicha tarjeta. Las siguientes figuras muestran distintas fotografías del montaje físico final del sistema de calibración neumático descrito.. 8.

(9) IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09. Figura 4. Montaje físico del sistema de calibración neumático (vista lateral). Figura 5. Montaje físico del sistema de calibración neumático (vista frontal). Figura 6. Detalle regulador de la línea de aire •. Componentes del Sistema de Calibración 9.

(10) IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09 - Cilindro de doble efecto: La función del cilindro es excitar al sensor FSR con el vástago mediante una fuerza (presión) controlada a través la presión neumática de entrada (Pin). En este caso el cilindro posee un sistema de actuación de doble efecto es decir de empuje y sujeción (ver figura 7).. Figura 7. Cilindro de doble efecto. La tabla 1 muestra las características técnicas del cilindro estándar DSNU-12-PA (14324) de Festo® escogido. Básicamente se escogió este modelo por el rango de presiones en que trabaja 1 a 10 Bares (14.5 a 145 PSI) como se discutirá más adelante esto significa una fuerza aplicada al sensor de 11.3 a 113.0 Newtons lo que genera el rango de presiones indicadas para el intervalo de presiones de operación del sensor de presión FSR. La figura 8 muestra el detalle del montaje del cilindro de doble efecto en el sistema de calibración neumático. Este montaje se realizó de forma que fuese lo más compacto y rígido posible para lograr así la mayor repetibilidad posible.. 10.

(11) IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09 Característica. Valor. Stroke. 10 - 200 mm .. Piston diameter. 12 mm .. Piston rod thread. M6 . Pneumatic cushioning, adjustable at both ends (PPV) Any. Cushioning Assembly position Conforms to standard. ISO 6432 .. Piston-rod end. Male thread .. Design structure. Piston, Piston rod .. Variants. Single-ended piston rod .. Operating pressure. 1 - 10 bar .. Mode of operation. double-acting . Dried compressed air, lubricated or unlubricated 2.. Operating medium Corrosion resistance classification CRC Ambient temperature. -20 - 80 °C .. Impact energy in end positions. 0.07 J .. Theoretical force at 6 bar, return stroke. 50.9 N .. Theoretical force at 6 bar, advance stroke. 67.9 N .. Moving mass with 0 mm stroke. 18.5 g .. Additional weight per 10 mm stroke. 4g.. Basic weight for 0 mm stroke. 75 g .. Additional mass factor per 10 mm of stroke. 2g.. Tabla 1 Características cilindro DSNU-12-PA1. Figura 8. Detalle montaje del cilindro - Electro-Válvula y Circuito de Control: El circuito de control de la electro-válvula tiene como objetivo generar una señal cuadrada que controla la frecuencia con la cual el flujo de aire llega al cilindro de doble efecto y por ende la frecuencia con la cual el vástago golpea al sensor.. 1. Tomado de la pagina web: http://catalog.festo.com. 11.

(12) IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09 Esencialmente, la función del circuito es acoplar la señal proveniente de un generador de señales electrónico al circuito de entrada de la electro-válvula (relevos o bobinas de actuación). Las siguientes figuras muestran respectivamente el diagrama esquemático del circuito control y los planos eléctricos del circuito impreso fabricado para montar el control.. Figura 9. Esquemático del circuito de control de la electro-válvula. Figura 10. Planos eléctricos del circuito impreso Por último se muestra el detalle de la integración de la electro-válvula al sistema de calibración neumático.. Figura 11. Conexión de la electro-válvula. 12.

(13) IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09 - Transductor de Presión Neumático: Con el fin de tener una referencia confiable de la señal presión de entrada al cilindro de doble efecto (Pin) se usó el transductor PX35D0-100GV de la compañía Omega Dyne Inc. mostrado a continuación.. Modelo PX35D0-100GV. Figura 12. Sensor de Presión Neumático 2 Adicionalmente la siguiente tabla muestra los parámetros de desempeño más relevantes del transductor. Caracteristica. Valor. Balance. -0.212 mVdc. Sensitividad. 29.907 mVdc. Rango. 0 a 100 PSIG. Resistencia de entrada. 533.3 Ohms. Resistencia de salida. 380.3 Ohms. Tabla 2. Características del transductor de presión PX35D0-100GV De igual forma, la figura 13 enseña la conexión del transductor al sistema en general.. Figura 13. Detalle de la conexión física del Transductor de Presión. 2. Tomado de http://www.omegadyne.com/. 13.

(14) IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09 - Adecuación de Señal 1: Dado que la señal que entrega el sensor de presión FSR es una señal de resistencia, se debe usar el tipo de instrumentación especificado para este tipo de sensores (ver sección calibración de sensores), de esta forma la señal de resistencia pasa a ser una señal de voltaje que se encuentra en el rango indicado para ser digitalizada por el sistema de adquisición de datos. - Adecuación de Señal 2: Ya que la resolución del transductor de presión neumático posee una resolución de aproximadamente 30 milivoltios por PSI, se debe realizar un ajuste de ganancia a la señal proveniente de este sensor antes de digitalizarla. La implementación del circuito de ajuste de ganancia o amplificación se realizó mediante el amplificador de instrumentación INA128P de la compañía Burr-Brown®. Este amplificador resulta adecuado particularmente por sus características de relación señal a ruido, impedancia de entrada, impedancia de salida y ganancia. La siguiente figura muestra el diagrama esquemático de la amplificación realizada.. Figura 14. Amplificación de la señal de presión del transductor de presión neumático3 El valor de la ganancia de voltaje G se calculó así; la ganancia definida en términos del de la resistencia Rg es: G = 1 + 50K/Rg Particularmente se escoge una resistencia Rg igual a 150 Ohmios que produce en un valor de ganancia de aproximadamente 334.333 [V/V], este valor conlleva a niveles de voltaje adecuados para digitalizar la señal de voltaje de salida. Realizando las conversiones de unidades correspondientes se puede llegar a las siguientes relaciones entre el voltaje medido y la presión de entrada al cilindro de doble efecto. Vmed [mV] = G[V/V]*Vsens [mVdc] = (1 + 50K/150)*Vsens [mVdc]. 3. Tomado de http://www.burr-brown.com/. 14.

(15) IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09 Vsens [mVdc] = Pin [PSI]*0.29907 [mVdc/PSI] Donde Vsens es el voltaje entregado por el sensor, Vmed es el voltaje después de la etapa de amplificación y Pin es la presión de entrada al cilindro actuador. Despejando y resolviendo se llega a que: Pin [PSI] = 9.967[PSI/Vdc]*Vmed [Vdc] Vmed [Vdc] = 0.1003 [Vdc/PSI]* Pin [PSI] - Sistema de adquisición de datos: Para realizar la adquisición y el almacenamiento de los datos provenientes del transductor de presión neumático y del sensor de presión FSR se usó un sistema de adquisición de datos tipo SCC “SCC DAQ system” de la compañía National Instruments. Este tipo de sistema de adquisición permite realizar adquisición y digitalización tanto de señales análogas como digitales de manera modular; para esto se cuenta con los siguientes componentes básicos: -. Módulos de acondicionamiento digital y análogo Chasis de conexión Tarjeta de adquisición (PCI, PCMCIA entre otras). Específicamente se empleó respectivamente un chasis de conexión referencia SC-2345 “SC-2345 Series shielded carrier” (ver tabla 3), dos módulos SCC-AI “Analog Input” y una tarjeta de adquisición PCI modelo 6014 (ver tabla 4), la cual va directamente conectada a la tarjeta principal del computador personal (ver figuras 16, 17 y 18). La función de los módulos de adquisición de datos es filtrar y ajustar en amplitud la señal de forma que la conversión se realice lo más eficientemente posible, la figura 19 muestra el diagrama de bloques de los módulos SCC-AI empleados. Caracteristica. Valor. Función. Acondicionamiento de Señal. Canales Análogos. 16. Canales Digitales. 8. Salidas Digitales. 8. Timers/Counters. 2. Conectividad. Computador Personal. Requerimientos. Drivers. Tabla 3. Características del módulo de acondicionamiento SC-2345. 15.

(16) IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09. Figura 15. Diagrama de Bloques Módulo SCC-AI Característica. Valor. Canales análogos de entrada. 16. Frecuencia de muestreo máxima. 200 KS/seg. Resolucion. 16 - Bits. Salidas análogas. 2. Frecuencia de sintesis. 10 kS/seg. Resolucion. 16 - Bits. Entradas/Salidas digitales. 16. Niveles. CMOS/TTL. Tabla 4. Características Tarjeta de adquisición PCI 6014. Figura 16. Chasis de conexión SC-2345. Figura 17. Módulo de acondicionamiento SCC4. Figura 18. Tarjeta de adquisición PCI 6014 4. Tomado de la pagina web http://www.ni.com. 16.

(17) IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09. Finalmente se desarrolló una aplicación software usando la herramienta de desarrollo LabView 7.0® la cual se encuentra instalada en el computador personal que esta conectado a la tarjeta de adquisición. La frecuencia de muestreo se escogió en 100 muestras por segundo (100 S/s) para cada canal (transductor de presión neumático y sensor de presión FSR), además, la resolución para cada canal fue de 16-bits. La figura 19 muestra la interfaz gráfica de la aplicación desarrollada y del diagrama de bloques de la misma. Una vez los datos estén almacenados en el computador se proceden a realizar diferentes análisis para determinar las curvas de calibración dinámicas del sensor de presión FSR.. Figura 19. Aplicación en LabView •. Caracterización Del Sistema Neumático De Calibración. - Modelo teórico: Con el sistema de calibración puesto en marcha, nos interesa saber cual es el valor de fuerza aplicada al sensor en términos de la señal de referencia (medición del transductor de presión neumático). A continuación se obtiene una expresión para la fuerza aplicada al sensor por el cilindro de doble efecto (vástago) en términos de la presión de aire de entrada y el consumo de aire del cilindro. Con el fin de tener más claridad la figura mostrada a continuación describe las áreas internas del cilindro de doble efecto. Embolo Presión de entrada. Área del embolo Vástago. Presión de salida Área del vástago. Figura 20. Corte en 2D del cilindro de doble efecto. 17.

(18) IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09 Por segunda ley de Newton se puede asegurar que en el embolo la fuerza de entrada es igual a la de salida o a la fuerza aplicada: Fin = Fout Si se tienen en cuenta la relación de áreas, la ecuación anterior llega a ser en términos de presiones igual a: Pin * Aemb = Pout * Avast Donde Aemb y Avast corresponden al área de embolo y del vástago respectivamente (ver figura 18). Dado que deseamos obtener una expresión para la fuerza aplicada por el sistema de calibración a sensor, expresamos Fout en términos de las demás variables conocidas, así: Fout = Pin * Aemb. Figura 21. Áreas del cilindro de doble efecto en 3D La medición de la presión de entrada del transductor de presión neumático se encuentra en unidades del sistema estándar americano (pulgadas por pie cuadrado - PSI) por tanto se debe realizar la siguiente conversión si queremos obtener la fuerza aplicada en Newtons: Fout [N] = Pin[PSI] * (1/145.04)[N/mm2] * Aemb Reemplazando el área del sensor en milímetros cuadrados se llega a: Fout[N] = Pin[PSI] * (1/145.04)[N/(PSI*mm2)] * 36π2[mm2] = Pin[PSI] * 0.77976 [N/PSI] Si se tienen en cuenta el consumo de aire del embolo (pérdidas) la expresión anterior llega a ser: Fout[N] = Pin[PSI] * 0.77976 [N/PSI] – Consumo[PSI]* Aemb*K Aunque en la tabla 1 de características del cilindro no se da explícitamente un valor de consumo de aire del embolo en unidades de presión, en la hoja de datos de este mismo si se especifica que existe un consumo de aire que depende de la presión de operación del embolo es decir de la presión de entrada Pin. 18.

(19) IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09. - Modelo experimental: Para validar los resultados obtenidos en la sección anterior se realizó la calibración experimental del sistema de calibración neumático usando un sistema comercial de medición de fuerza. Este sistema consta de un dispositivo de adquisición referencia Science Workshop-500 con interfaz tipo SCSI (tabla 5 y figura 22), junto con un sensor de fuerza modelo CI-6537 (tabla 6 y figura 22), ambos de la compañía PASCO®. Característica. Valor. Canales de enntrada. 3. Rango de voltaje. ±12 V. Fecuencia de muestreo. 1MS/s. Impedancia de entrada. 1 Mohmio. Resolucion. 12 - bits. Tabla 5. Características del dispositivo de adquisición Science Workshop-500 Característica. Valor. Medicion. Bidireccional. Rango. -80N a +80 N. Resolucion. 0.03 N (3.1 grams). Zero (Tare) Function. push button. Tabla 6. Características del sensor de fuerza CI-6537 Mediante esta prueba experimental podemos llegar a hacer comparaciones cuantitativas y cualitativas que nos permitan obtener un parámetro de desempeño mucho más objetivo acerca de la operación del sistema de calibración.. Figura 22. Dispositivo de adquisición Science Workshop-500 y Sensor de fuerza CI-65375. - Resultados: Con el sistema de medición de fuerza expuesto anteriormente integrado al sistema de calibración neumático, se procedió a tomar un conjunto de datos para diferentes presiones. 5. Tomado de la pagina Web http://store.pasco.com/pascostore/. 19.

(20) IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09 de entrada. La figura 23 muestra un grupo típico de datos de la señal de fuerza aplicada por el vástago medida usando el sensor CI-6537.. Tiempo (seg.). Figura 23. Fuerza aplicada por el vástago en el tiempo Dado que la idea general es lograr caracterizar la respuesta del sistema de calibración neumático frente a la presión de entrada (señal de referencia) se registró adicionalmente la señal del transductor de presión neumático. Las figuras 24a y 24.b muestran las señales de referencia y de fuerza aplicada por el vástago para una señal de referencia de 17.12 y 50.27 PSI respectivamente. Fuerza aplicada por el vástago. Pin = 17.12 PSI. Fuerza (N). 14 11 8 5 2 -1. 5. 10. 15. 20. 25. 30. 35. 40. 45. 50. Tiempo (s). Señal de Referencia (Pin). Pin = 17.12 PSI. Presion (PSI). 17 14 11 8 5 2 -1 0. 5. 10. 15 Tiempo (s). (a). 20. 20. 25. 30.

(21) IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09 Fuerza aplicada por el vástago. Pin = 50.27 PSI. 50 Fuerza (N). 40 30 20 10 0 0. 5. 10. 15. 20. 25. 30. 35. 40. 45. 50. Tiempo (s). Señal de Referencia (Pin). Pin = 50.27 PSI. Presion (PSI). 49 39 29 19 9 -1 0. 5. 10. 15. 20. 25. 30. 35. 40. 45. 50. Tiempo (s). (b) Figura 24. Muestras de las señales de referencia y de fuerza aplicada registradas Igualmente se tomaron datos para señales referencia adicionales con los cuales se generó una tabla en la cual se tiene el valor promedio de la señal de referencia, calculo teórico de la fuerza aplicada por el vástago, usando la expresión hallada en la sección anterior (sin tener en cuenta el factor de consumo de aire) y el valor promedio de la señal de fuerza medida con el sensor CI-6537. Medición 1 2 3 4 5 6 7. Presión de Entrada(PSI). Fuerza Aplicada Teórica (N). 17.12 21.44 27.43 35.95 50.27 65.11 85.00. 13.35 16.72 21.39 28.03 39.20 50.77 66.28. Medida (N). % de Error. 11.78 15.57 20.24 26.88 38.45 50.27 67.10. 11.73 6.88 5.39 4.12 1.91 0.99 1.24. Tabla 7. Mediciones de la fuerza aplicada por el vástago En primera medida se puede observar que existe un porcentaje de error bastante bajo entre la predicción teórica y los datos tomados, se podría adjudicar en fracción de este error al echo que no se tuvo en cuenta el consumo de aire y por esto los valores teóricos siempre son mayores a los medidos. Con el fin de observar más claramente la relación entre la señal de referencia y la fuerza aplicada se realizó una regresión lineal la cual se muestra en la figura 25.. 21.

(22) IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09. Presión de Entrada vs. Fuerza Aplicada Medida Fuerza Aplicada (N). 80 70. y = 0.7993x - 1.7484. 60. R 2 = 0.9998. 50 40 30 20 10 0 0. 20. 40. 60. 80. 100. Presión de Entrada (PSI). Figura 25. Relación fuerza aplicada vs. presión de referencia experimental Como se observa el coeficiente de la regresión es muy cercano a uno y el valor de la pendiente es bastante cercano al encontrado en la sección del modelo experimental, adicionalmente se nota que hay una constante negativa la cual se puede relacionar directamente con las pérdidas o el consumo de aire en el embolo del cilindro de doble efecto. De la misma forma se repitió el procedimiento para aproximadamente los mismos valores de señal de referencia. Los resultados fueron casi exactos ya que usando tres cifras significativas el error era del cero por ciento, lo cual es un excelente indicativo de la repetibilidad del sistema de calibración neumático. Por último, para una señal de referencia de 65 PSI se midió la fuerza aplicada por el vástago y como resultado el porcentaje de variación fue del orden del 0.1% después de 15 minutos lo cual dice que igualmente el sistema de calibración montado es bastante consistente en el tiempo. Como conclusión después de haber realizado todas las pruebas del caso se decidió trabajar con el modelo experimental ya que contempla pérdidas y otros factores reales que no se tuvieron en cuenta en el modelo teórico.. - Adecuación de señal: Ya que la respuesta del sensor es del tipo inversamente proporcional (resistencia es inversamente proporcional a la presión), se debe usar una instrumentación que invierta esta relación de forma que la presión quede directamente proporcional al voltaje medido. La forma más simple de lograr linealizar esta relación es con un convertidor corriente voltaje el cual se muestra en la figura 26.. 22.

(23) IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09 Rf 3k. 4. +VCC. U1A 3. {Rv al}. V+. Rs. + LM324. 2. OUT. 1 VSALIDA. V-. vt. 11. -. 0. V. -VCC. Figura 26. Convertidor corriente a voltaje La función de transferencia de este circuito es de la forma: Vsalida = -Vt*Rf/Rs Donde Rs es la resistencia del sensor, Rf es una resistencia de referencia y Vt es un voltaje fijo de entrada. Así, sí la resistencia del sensor es inversamente proporcional a la presión aplicada (Rs → 1/Pap) entonces el voltaje de salida (Vsalida) resulta directamente proporcional a la presión aplicada (Vsalida → Pap). Sensores Flexiforce® Inicialmente se dispuso de las tablas de calibración estáticas proveídas por el fabricante, en estas tablas se tienen los datos de la resistencia del sensor para distintas presiones aplicadas, para 3 sensores distintos. La siguiente figura muestra gráficamente la relación entre estas dos variables. Tablas de Calibración Resistencia [KOhmios]. 1200. RES - A RES - B RES - C. 1000 800 600 400 200 0 0.0. 200.0. 400.0. 600.0. 800.0. 1000.0 1200.0 1400.0 1600.0. Presión [KPa]. Figura 27. Datos de calibración (Resistencia) - Fabricante. 23.

(24) IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09 Aplicando la función de transferencia de la adecuación de señal se obtiene la siguiente relación entre voltaje de salida versus presión aplicada. Voltaje de salida (Tablas de Calibración) 4.5. Voltaje de salida [V]. 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0. y = 0.0027x + 0.0244. 1.5. R2 = 0.9991. 1.0 0.5 0.0 0.0. 500.0. 1000.0. 1500.0. 2000.0. Presión [KPa]. Figura 28. Datos de calibración (Voltaje de salida) - Fabricante Se procedió a registrar el voltaje de salida para determinadas presiones aplicadas, para cuatro sensores diferentes. La siguiente figura muestra el tipo de respuesta obtenida típica en tiempo. En el caso de 36a se tiene una presión de 25.5 PSI de entrada que equivale a 283.5 KPa aplicados, por su parte en 36b la presión de entrada es 51.4 PSI que corresponde a 604.2 KPa aplicados (nótese que los valores de presión aplicada pueden obtenerse usando el resultado obtenido en la sección de caracterización del sistema de calibración). Voltaje Sensor (S1) [Pin = 25.5 PSI] 3. Voltaje [V]. 2.5 2 1.5 1 0.5 0 10. 15. 20. 25 Tiem po [s]. (a). 24. 30. 35. 40.

(25) IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09. Voltaje Sensor (S1) [Pin = 51.4 PSI]. 7 6 Voltaje [V]. 5 4 3 2 1 0 11. 16. 21. 26. 31. 36. 41. Tiem po [s]. (b) Figura 29. Señales típicas de voltaje en tiempo para (a) 283.5 KPa (b) 604.2 KPa Con el conjunto de datos tomados se procedió a generar las tablas de calibración individuales para cada sensor. Tal es el caso de la figura 30 la cual muestra la grafica de esta tabla para dos sensores diferentes (S1 y S2). Calibración Obtenida (S1) 10.0. Voltaje [V]. 8.0. y = 0.0123x - 2.2003 R2 = 0.9789. 6.0 4.0 2.0 0.0 0.00. 200.00. 400.00. 600.00. 800.00. 1000.00. Presión [KPa]. (a). Voltaje [V]. Calibracion Obtenida (S2) 9.00 8.00 7.00 6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00. y = 0.0131x - 2.1005 R2 = 0.9708. 0.0. 200.0. 400.0. 600.0. 800.0. 1000.0. Presion [KPa]. (b) Figura 30. Calibración dinámica voltaje versus presión aplicada 25.

(26) IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09 (a) sensor S1 (b) sensor S2 Como se observa de estas gráficas la relación es lineal con un factor de correlación cercano al 97%. Lo cual indica que en teoría la relación de resistencia versus presión aplicada es tipo inversamente proporcional, y como consecuencia las curvas mostradas no se saturan mientras aumenta la presión aplicada lo que se constituye en una ventaja de este sensor. Otro factor favorable de este sensor es su tiempo de respuesta, como se puede verificar en la siguiente gráfica.. 7. Tiempo de Subida [Pin = 51.4 PSI]. 6 Voltaje [V]. 5 4 3 2 1 0 13.2. 13.3. 13.4. 13.5. 13.6. Tiem po [s]. (a) 7. Tiempo de Bajada [Pin = 51.4 PSI]. 6 Voltaje [V]. 5 4 3 2 1 0 15.3. 15.35. 15.4. 15.45. 15.5. Tiem po [s]. (b) Figura 31. Tiempos de respuesta (a) Subida (b) Bajada A pesar de las bondades del sensor mencionadas anteriormente, existe un factor en contra en el cual el sensor después de determinado ciclo de carga exhibe una variación temporal en su respuesta para después volver a su valor nominal. Por último, a continuación se resumen los promedios de los parámetros de desempeño del sensor. Tiempo de subida = 0.015 seg. Tiempo de bajada = 0.015 seg. Repetibilidad = 5% Variación parte a parte = 12% 2.1.3. Adecuación de Señal Especificaciones. 26.

(27) IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09 Como se especificó, la señal de salida del sensor de presión Flexiforce es una resistencia que varía según la carga aplicada en la superficie activa de este. Así, la principal función del módulo de adecuación de señal es convertir esta señal de resistencia a una señal de voltaje. Como se ha mencionado en secciones anteriores para el tipo de sensor escogido (resistencia sensible a la fuerza) la resistencia (Rs) varía de la siguiente forma con la presión aplicada (Pap): Rs = (K1[KOhmio*KPa]) / (Pap[KPa]) Donde K1 es la constante de proporcionalidad del caso. En general es deseable que el voltaje medido varíe linealmente con respecto al mesurando, de esta forma se llega a la máxima sensibilidad en la medición, por tanto, si hacemos el voltaje de salida de la etapa de adecuación de señal (Vsalida) inversamente proporcional a la resistencia del sensor se cumplirá con esto. Vsalida = K2 [V/KOhmio]/Rs En la expresión anterior K2 es la constante de proporcionalidad, en base a su valor garantizamos que la excursión de voltaje sea la máxima posible en el momento de realizar la conversión de voltaje. Reemplazando Rs en esta ecuación tenemos que: Vsalida = K2[V/KOhmio]*Pap[KPa]/K1[KOhmio*KPa] = K2*K1 [V/KPa]* Pap[KPa] - Simulaciones: De la última ecuación, el voltaje de salida resulta ser directamente proporcional a la presión aplicada (Pap). Con el fin de verificar y calcular los valores de la constante de proporcionalidad K2 se desarrollaron simulaciones para los valores reales ocurridos en la resistencia del sensor.. La figura 32 muestra el circuito esquemático simulado para una resistencia de referencia de 400 Kilo-ohmios y un voltaje de entrada (Vt) de -3 voltios. Los resultados observados en la figura 40 muestran que la excursión de voltaje es máxima, es decir entre cero y el voltaje de polarización.. 27.

(28) IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09 PARAM ET ERS: Rf. =. 400k Rs. +VCC 4. vt. OUT. vt 2. V1 3Vdc. V2 0Vdc. 0. V3. LM324. 0. -3Vdc. 0. -. 1. V. V-. -VCC. +. 11. +VCC. 3. V+. U1A. {Rv al}. -VCC. 0. Figura 32. Esquemático. Figura 33. Simulación, voltaje de salida versus resistencia del sensor Implementación Particularmente en este proyecto, la etapa de adecuación de señal se ocupa básicamente de realizar una conversión de unidades (resistencia a voltaje) en lugar de realizar un ajuste de ganancia o amplificación como tal. Por tal motivo, para cometer esta conversión no se hace necesario recurrir a ningún esquema de instrumentación especializado, por el contrario, basta implementar la configuración corriente-voltaje por medio de un amplificador operacional convencional. Aunque amplificadores operacionales existen muchos comercialmente, particularmente se buscó un amplificador operacional que sea de bajo en ruido, de bajo voltaje de polarización y que sea de bajo consumo. Adicionalmente es fundamental que el amplificador este disponible en versión de montaje superficial con el fin de que su tamaño sea pequeño; en cuanto a esto también es importante disponer con una versión que tenga alta densidad de amplificadores por circuito integrado. 28.

(29) IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09 Quizás la familia de amplificadores más evolucionada y optimizada en la actualidad es la LM324, existen numerosas versiones y variantes de su versión básica inicial. En nuestro caso decidimos usar el amplificador LPV324 (Low Power and Voltage LM324). Se decidió usar esta versión por su flexibilidad en el valor del voltaje de polarización (2.7 a 5 voltios) y ultra bajo consumo de potencia (máximo consumo de 24 µA para 2.7 voltios de polarización); además en su versión de montaje superficial es posible disponer de 4 amplificadores en un circuito integrado con tamaño aproximado de (4.4 mm x 5 mm). Todo esto hace a este modelo de amplificador un excelente candidato para nuestras necesidades.. Características @ 2.7 Voltios y 25ºC Mínimo. Típico. Máximo. Unidades. Voltaje Offset de Entrada. Parámetro. -. 1.2. 7. mV. Corriente de Polarización. -. 1.7. 50. nA. Corriente Offset de Entrada. -. 0.6. 40. nA. 50. 70. -. dB. CMRR PSRR Voltaje de Barrido Corriente de Alimentación. 50. 65. -. dB. (V+) -100. (V+) -3. -. mV. -. 16. 24. uA. Tabla 10. Características eléctricas en DC del OPAMP LPV324 Polarizado a 2.7 voltios. 2.2 MÓDULO DE ADQUISICIÓN Y TRANSMISIÓN 2.2.1 Adquisición. Especificaciones En el módulo de adquisición se lleva a cabo la captura y posterior digitalización de las ocho señales de voltaje análogo proporcionales a la presión medida por los ocho sensores en cada plantilla. Las especificaciones que debe tener el módulo de adquisición son las siguientes: • • •. Captura de las ocho señales de entrada a una tasa de 25 Hertzios cada una. Almacenamiento de las ocho señales para evitar perdida de información. Coordinación entre la captura y el almacenamiento.. Diagrama de Bloques El diagrama de bloques para el módulo de adquisición es el siguiente:. 29.

(30) IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09. VECTOR DE VOLTAJE ANALOGO. CONVERSION ANALOGA DIGITAL. EOC. VECTOR DIGITAL. SOC. ALMACENAMIENTO TEMPORAL. RD/WR. DIR. VECTOR DIGITAL. OE. MAQUINA DE CONTROL. Figura 34. Diagrama de bloques módulo de adquisición. Conversión Análoga Digital (A/D) En el sub-módulo de conversión análoga digital se lleva a cabo la digitalización de las ocho señales de voltaje análogo provenientes de los sensores en una plantilla. La manera como se lleva a cabo la conversión de las ocho señales es por medio de la multiplexación de los ocho canales de entrada hacia el conversor. Las señales de control que intervienen en este módulo son dos: •. EOC: señal de fin de conversión, que es una señal de salida cuya la labor consiste en avisar cuando se ha terminado una conversión especifica y se puede comenzar la siguiente.. •. SOC: señal de inicio de conversión, que es una señal de entrada cuya labor es avisarle externamente a este sub-módulo cuando debe iniciarse una nueva conversión.. •. SEL: esta señal es un vector digital de tres bits que selecciona cual de los ocho canales se va convertir, por medio de la multiplexación a la entrada del conversor.. Estas tres señales permiten llevar a cabo la conversión análoga digital en el momento adecuado para poder hacer el muestreo a 25 Hertzios, y coordinar este sub-módulo con el de almacenamiento temporal.. Almacenamiento Temporal En este sub-módulo se lleva a cabo el almacenamiento temporal de las ocho señales digitales provenientes del sub-módulo de conversión análoga-digital, con el fin de evitar que se pierda información. El almacenamiento temporal consta básicamente de un banco de 30.

(31) IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09 ocho registros, donde cada uno almacena el resultado de la conversión de uno de los ocho sensores que se tienen. Las señales de control que intervienen en este módulo son tres: •. RD/WR: señal de lectura ó escritura al módulo. Por medio de esta señal se le avisa a este sub-módulo si la operación que se quiere realizar es de lectura o de escritura de los datos.. •. DIR: vector digital de tres bits para indicar cual de los ocho registros queremos acceder al momento de leer o escribir.. Con estas dos señales coordinamos el almacenamiento de las ocho señales que vienen de la conversión análoga-digital para que el muestreo de cada señal de entrada se realice a una tasa de 25 Hertzios, y para que la conversión y el almacenamiento se sincronice.. Máquina de Control Este sub-módulo es el encargado de garantizar que las ocho señales de entrada al módulo de adquisición sean muestreadas a una tasa de 25 Hertzios, tal como se requiere. Para que esto suceda, la maquina de control sincroniza los sub-módulos de conversión análogadigital y almacenamiento temporal para que las tareas se realicen en el orden y el momento adecuados. Implementación Para llevar a cabo la implementación del módulo de adquisición, existen las siguientes posibilidades: i.. ii.. iii.. Procesador, conversor ADC y memoria RAM separados: en esta opción, el procesador solo tendría la labor de manejar las señales de control, y existiría un bando de registros por aparte donde se almacenarían los datos provenientes de la conversión. Microprocesador con memoria RAM interna y ADC por separado: en este caso, el microprocesador no solo llevaría acabo el manejo de las señales, sino que la información proveniente del muestreo a 25 Hertzios seria almacenada dentro del espacio de memoria interna del microcontrolador reservado para RAM. La conversión análoga-digital se efectuaría por aparte. Microprocesador con memoria RAM interna y ADC incorporado: en este caso todo el módulo de adquisición iría compactado en un solo dispositivo, que representa una ventaja por tamaño y precio.. Contrastando las tres opciones que se presentan, debido a la restricción de tamaño y costo que se tienen, resulta más factible llevar a cabo la integración de todo el módulo de adquisición en un solo dispositivo. Esto es posible ya que en el mercado se presentan 31.

(32) IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09 microcontroladores con memoria RAM incluida, y hasta ocho canales de conversión análoga-digital por multiplexación de canal. Bajo cualquier escenario resulta más factible esta alternativa que implementar alguno de los sub-módulos por separado. Más adelante será necesario incluir nuevas tareas a realizarse en el microcontrolador, y en ese momento decidiremos cual es la mejor opción en el mercado.. 2.2.2 Comunicaciones. Especificaciones En el módulo de comunicación se lleva a cabo la transmisión de los datos capturados en el módulo de adquisición, cumpliendo con un protocolo de comunicación establecido. Teniendo en cuenta que la transmisión se va a llevar a cabo de manera inalámbrica, las características que debe tener el módulo de comunicación son las siguientes: • • •. Generar un entramado de los datos que han sido adquiridos en el módulo de adquisición para detección de errores. Codificar las ocho señales entramadas para minimizar la probabilidad de error en la transmisión inalámbrica. Transmitir los datos a una tasa de transmisión adecuada, y en una banda frecuencia determinada.. Diagrama de Bloques El diagrama de bloques para el módulo de comunicación es el siguiente:. ENTRAMADO. ENTRAMADO. VECTOR DIGITAL. VECTOR DIGITAL. VECTOR DIGITAL. FIN ENTRAMADO. CODIFICACIÓN. CODIFICAR. FIN CODIFICACIÓN. VECTOR DIGITAL. EMPAQUETAMIENTO. EMPAQUETAR. FIN EMPAQUETAMIENTO. MAQUINA DE CONTROL. Figura 35 Diagrama de bloques módulo de comunicación.. 32. SEÑAL RF TRANSMISIÓN. TRANSMITIR.

(33) IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09 Entramado En este sub-módulo se lleva a cabo la generación del código de detección de errores que va concatenado al final de la señal original. Esta detección de errores es necesaria en cualquier protocolo de comunicación inalámbrica. Las señales de control que intervienen en este módulo son las siguientes: •. ENTRAMAR: esta señal se usa para que indicarle al módulo cuando debe seguir en el proceso de entramar la señal que le esta llegando. Es importante tenerla porque la llegada de los ocho datos provenientes del módulo de adquisición se hace una por una y no las ocho a la vez, así que el módulo tiene que ser avisado sobre cuando debe parar de entramar de entramar.. •. FIN ENTRAMADO: una vez se ha realizado el entramado de una señal, este submódulo tiene que avisar para que se le pueda dar la orden de seguir entramando o parar el entramado cuando sea necesario.. El entramado se va realizar por medio de la verificación de códigos de redundancia cíclica (CRC), que tienen las siguientes características: Códigos de redundancia cíclica (CRC): los códigos de redundancia cíclica se utilizan para la detección de cierta clase de errores en la transmisión de un mensaje. El algoritmo para generar estos códigos trata el mensaje original como un número binario, llamado el frame. Este mensaje original es dividido por otro número binario al que se conoce como el “polinomio”, siendo el residuo de esta división el código de redundancia cíclica (CRC), cuyo número de bits es igual al número de bits del “polinomio” menos uno. Esta división se realiza usando aritmética módulo 2. El residuo de la división (el CRC) calculado, se concatena al final del mensaje original al momento de transmitir. En el receptor se divide el mensaje que llega (que incluye el CRC calculado) por el mismo “polinomio” que el transmisor usó en la división al momento de hacer el calculo del CRC. Si el resultado es diferente de cero, ocurrió un error durante la transmisión. La división en el receptor también se realiza en aritmética módulo dos. Los cálculos módulo 2 se realizan simplemente haciendo XOR entre dos número. Al momento de implementar el algoritmo, es necesario aumentar el mensaje n bits, siendo n el número de bits del CRC (el número de bits del polinomio menos uno), fijando estos n bits en cero. En el siguiente ejemplo se lleva a cabo el cálculo del CRC para el mensaje 110101 y el polinomio 101:. 33.

(34) IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09. Figura 36 Ejemplo del calculo del CRC. [25] Los errores que se pueden detectar con el CRC dependen del polinomio que se escoja al momento de llevar a cabo la división módulo dos. Hemos decido escoger el polinomio característico 10011 para poder detectar los siguientes errores en la transmisión: • • • •. Todos los errores sencillos de 1 bit. Todos los errores dobles (2 bits). Todos los errores que consisten de un número impar de bits invertidos. Todos los errores en ráfaga de longitud menor a cinco.. El tamaño del mensaje resultante al incluir el CRC es por cada sensor de:. Tamaño trama = tamaño del mensaje + tamaño del CRC = 8 + 4 = 12 Bits. Codificación En este sub-módulo se codifica la señal entramada que va a ser transmitida, de tal modo que quede balanceada en su nivel DC con el fin de sincronizar el receptor, cumpliendo con el protocolo de comunicación que se implemente. En la codificación también se incluye el símbolo de inicio de transmisión que minimice la probabilidad de error en la detección de inicio de transmisión. Las señales de control que intervienen en este sub-módulo son las siguientes: •. CODIFICAR: esta señal se usa para indicarle al sub-módulo cuando debe seguir el proceso de codificar la señal que le esta llegando. Es importante tenerla porque la llegada de los ocho datos provenientes del sub-módulo de entramado se hace una por una, y no las ocho a la vez, así que se le debe avisar al sub-módulo cuando parar de codificar lo que le esta llegando. 34.

(35) IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09. •. FIN CODIFICACIÓN: una vez se ha realizado la codificación de una señal, este sub-módulo tiene que avisar para que se le pueda dar la orden de seguir codificando o parar la codificación cuando ya se han codificado las ocho señales provenientes del entramado.. Para la codificación se recurrió a los códigos de Nibble. Estos códigos tienen como objetivo evitar la saturación del condensador del receptor, de modo que la señal transmitida quede balanceada en su nivel DC. Por cada cuatro bits, la codificación de Nibble da como resultado los siguientes seis Bits de codificación: • • • • • • • • • • • • • • • •. 0 = 0x015 = 010101 1 = 0x031 = 110001 2 = 0x032 = 110010 3 = 0x023 = 100011 4 = 0x034 = 110100 5 = 0x025 = 100101 6 = 0x026 = 100110 7 = 0x016 = 010110 8 = 0x01A= 011010 9 = 0x029 = 101001 10 = 0x02A= 101010 11 = 0x00B = 001011 12 = 0x02C = 101100 13 = 0x00D = 001101 14 = 0x00E = 001110 15 = 0x01C = 011100. Además de la tabla, la codificación de Nibble sugiere como símbolo de inicio de transmisión 000111111110 para minimizar la probabilidad de error en la detección de inicio de transmisión por parte del receptor. En número de Bits que resultan al aplicar la tabla de Nibble es 6/4 por el tamaño del mensaje a codificar, ya que de cada 4 bits salen seis. De esta manera, al aplicar la tabla de Nibble a los doce bits provenientes del entramado por cada sensor (ocho bits de información más los cuatro provenientes del CRC) el resultado es: tamaño del mensaje codificado =. 12 × 6 = 18 Bits 4. El número total de bits que resultan de la codificación son:. Total de Bits = (12 Bits de Simbolo de inicio ) +. 35. 18 Bits × (8 sensores) = 12 + 144 = 156 Bits Sensor.

(36) IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09. Empaquetamiento En este sub-módulo se empaquetan los datos de acuerdo a la tasa de transmisión escogida, según sea más conveniente. Las señales de control que intervienen en este sub-módulo son las siguientes: •. EMPAQUETAR: con esta señal se le da la orden al sub-módulo de que siga o no empaquetando lo que le llega.. •. FIN EMPAQUETAMIENTO: con esta señal el sub-módulo indica cuando ha completado un empaquetamiento y esta listo para iniciar otro.. Teniendo en cuenta que es necesario transmitir 156 bits en menos de 40 milisegundos, y que quede tiempo necesario para realizar cada una de las tareas anteriores a la transmisión. Contemplando transmitir a 5kbps y a 10kbps (kilo bits por segundo), que son las opciones más frecuentes en el mercado para llevar a acabo una transmisión inalámbrica, y que se encuentran a nuestro alcance, los tiempos empleados en la transmisión serían los siguientes: 10kbps:. Tiempo de Transmisión = (156/10) ms = 15.6ms Tiempo para operaciones = 40ms – 15.6ms = 24.4ms 5kbps:. Tiempo de Transmisión = (156/5) ms = 31.2ms Tiempo para operaciones = 40ms – 31.2ms = 9.1ms De esta manera, podemos implementar el empaquetamiento de modo que la tasa de transmisión sea de 5kbps o de 10kbps, falta ver los costos de ambas alternativas y como es el consumo en ambos casos para decidirnos por una implementación, pero ambas son factibles.. Transmisión En este sub-módulo se lleva a cabo la transmisión inalámbrica de la información que viene empaquetada para ser transmitida, en cierta banda de radio frecuencia determinada. La única señal de control que interviene en este módulo es la siguiente: •. TRANSMITIR: esta señal se usa para indicarle al sub-módulo cuando debe estar transmitiendo la señal que le esta llegando.. La manera mas optima de implementar la comunicación inalámbrica es utilizando una sola frecuencia de transmisión, y que la comunicación entre las partes que transmiten y el receptor sea bidireccional, por multiplexación de tiempo, y sincronizada por el receptor. Sin 36.

(37) IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09. embargo, esta manera de llevar a cabo la comunicación inalámbrica exige tres elementos transciver (transmisor y receptor integrados en un solo chip), uno en cada plantilla y otro en la cintura, pero el costo de estos elementos puede ser muy elevado. Existe otra alternativa para llevar a cabo la transmisión que es por multiplexación de frecuencia, donde la comunicación entre las dos plantillas y el módulo de recepción se hace de manera independiente en tiempo y unidireccional, siendo necesario escoger dos frecuencias de transmisión, sacrificando eficiencia, pero el costo puede resultar mucho menor. Tenemos disponibles las siguientes bandas de frecuencias para transmitir: 433 Mhz, cuyo uso es permitido por el ministerio de comunicaciones sin ninguna restricción, y 315 Mhz, cuyo uso exige un permiso que hay que solicitar en el ministerio. Ambas formas de transmitir son posibles, falta ver cual de las dos es más viable al tener en cuenta los costos de los dispositivos necesarios en cada implementación (ver la parte de implementación). Máquina de Control Es necesaria para coordinar las actividades de entramado, codificación, empaquetamiento y transmisión en el momento indicado, teniendo en cuenta que hay una secuencia determinada para estas operaciones, y un momento especifico en que se deben realizar. Implementación adquisición y transmisión En los sub-módulos de entramado, codificación y empaquetamiento se lleva a cabo procesamiento de datos. Por esta razón, la implementación física de estos sub-módulos se puede llevar a cabo en un mismo microcontrolador, donde también se va a llevar cabo la implementación física del módulo de adquisición. Esto es posible ya que la parte de adquisición ocupa una porción pequeña en la memoria del microcontrolador, dejando espacio para integrar en él estos sub-módulos. El microcontrolador elegido fue el MC68HC908GP32 de Motorola con las siguientes características relevantes para nuestro sistema, de la familia de 8 bits de Motorola (hc08): MC68HC908GP32 CARACTERISTICA. VALOR. Conversores A/D. 8 x 8 Bits. Timers. 2 x 16 Bits. Pines. 40 DIP, 42 SDIP, 44 QFP. Pines para entrada/salida. 33. Frecuencia de operación. 5V = 8 Mhz, 3V = 4Mhz. Memoria Flash. 32Kbytes. Memoria RAM. 512 Bytes. Consumo máximo. 5 mA. Tabla 11. Características del microcontrolador. [26]. 37.

(38) IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09. Se escogió este microcontrolador porque posee un conversor con el número de canales requerido, la memoria necesaria para almacenar los datos que se van a procesar y la capacidad de procesamiento necesaria, dos temporizadores internos, uno para llevar el control de los 25 Hertzios que se necesitan en el muestreo de los sensores, y el otro para llevar el control de la tasa de transmisión, que se debe realizar a 5kbps. Además de esto, este microcontrolador es de bajo consumo, con operación a bajo voltaje, y se contaba con el Kilt de desarrollo necesario para programarlo y quemarlo. Para la implementación del entramado y transmisión, los dispositivos de la compañía LINX son nuestra mejor opción en el mercado por costos y tamaño. El costo de la implementación con transceivers esta por encima de 115 dólares, por lo que desechamos esta alternativa. La implementación con transmisores y receptores por separado tiene los siguientes costos para 10kbps y 5kbps: TX - RX por separado Velocidad de TX Costo 5 Kbps 33 Dolares 10 Kbps 31.5 Dolares. Tabla 12. Costos de los dos pares transmisor-receptor. [27] La mejor alternativa en el mercado es la que brinda la pareja transmisor-receptor de LINX de 10kbps. Sin embargo tocó decidirse por la pareja transmisor-receptor de 5kbps porque la de 10kbps se encuentra agotada en el mercado, y sus existencias se repondrán en el mes de Junio Las características de estos dos transmisores son las siguientes: Caracteristica Maxima corriente Corriente en stand by Tiempo de encendido Tiempo de apgado. LC Linx (5Kbps) LC Linx (10Kbps) 6mA a 5.2V 7mA a 5.2V 1.5uA 35uA 80us 0,5ms 100ns 100ns. Tabla 13. Características de los transmisores. [28] El esquemático del transmisor de 5 Kbps es el siguiente:. 38.

(39) IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09. Figura 37. Esquemático del transmisor. [28] El tipo de modulación que utilizan los transmisores elegidos es CPCA (Carrier-Present Carrier-Absent) o también muchas veces conocida como una modulación de tipo AM OOK. Las ventajas que nos da este tipo de transmisión es sobre todo bajo consumo de potencia, ya que solo hay generación de portadora en el momento en que transmitimos un 1 lógico. La segunda razón por la cual escogimos este tipo de modulación es que la su implementación es mas sencilla y por lo tanto los costos son menores. El consumo del transmisor se ajusta con una resistencia entre el pin 4, que es de ajuste, y tierra. La tabla de consumo contra voltaje del transmisor es la siguiente:. Figura 38. Consumo de corriente y potencia entregada por el transmisor. [28] Para un voltaje de alimentación de 3Voltios, y con la resistencia de ajuste de 433 ohmios, la corriente que se consume en la transmisión es de un poco menos de 2 mA. La antena que se selecciono para llevar a cabo la comunicación es la sugerida por LINX para sus transmisores de montaje superficial, también a bajo costo: 39.

(40) IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09. Figura 39. Esquemático de la antena. [29] Las características de esta antena son las siguientes: CARACTERISTICA VALOR Acoplamiento Ninguno Ganancia Mayor a uno Perdidas Bajas Impedancia caracteristica 50 Ohmios Polarización lineal Favorable Precio máximo 1,75 Dolares. Tabla 14. Características de la antena. [27][29]. 2.2.3 Consumo de los Dispositivos y Baterías. Como existe la posibilidad de reemplazar la pareja transmisor-receptor de 5kbps por la de 10kbps, que es evidentemente mucho mejor, el análisis del consumo de los elementos debe contemplar las dos posibilidades, ya que el consumo se reduce drásticamente cuando la tasa de transmisión se mejora de 5kbps a 10kbps. CONSUMO DISPOSITIVOS Carateristica Valor T. CICLO (ms) 40 T. TRANSMISION (ms) 31,2 CORRIENTE TX (mA). 2. CORRIENTE MICRO (mA). 5. CONSUMO TOTAL (mA). 6,56. Tabla 15 Consumo de los dispositivos. El resultado de nuestro análisis en la selección de las baterías fue el siguiente:. 40.

(41) IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09 Baterías panasonic. Entre las baterías panasonic, se destacan dos principalmente para nuestro propósito: batería de Litio de Manganeso recargable (serie ML) de panasonic, y la batería recargable de Litio de pentóxido de Vanadio recargable. La información acerca de estas baterías se encuentra a continuación.. DURACION Y COSTO BATERÍAS Característica Duración (mAh) Voltaje (Voltios) Precio (dólares). Litio de Manganeso 45. Litio de pentoxido de Vanadio. 3 2,8. 3 7. 100. Tabla 16 Duración y costos baterías panasonic. [30] La curva de descarga característica de las baterías panasonic de 100 y 45 mAh recargables es la siguiente:. Figura 40 Curva de descarga característica baterías panasonic. [30]. 41.

(42) IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09 Baterías Varta. De las baterías Varta que nos puedan interesar en nuestro proyecto se destacan también dos: batería recargable de litio - ion prismático (LPP503759CA), y la batería de litio – polímero recargable llamada Varta Poliflex (PLF 503759). El problema que se presenta con estas Baterías de Varta es que la empresa no da razón de ellas, y al parecer todavía están en fabricación. La información es la siguiente: DURACION Y COSTO BATERÍAS. Caracteristica litio - ion prismatico 1100 Duración (mAh) Voltaje (Voltios) 3,7 Precio (dolares). --. litio – polimero 980 3,7 --. Tabla 17 Duración y costos baterías Varta. [31] La curva de descarga de la batería Varta de LITHIUM-POLIMER es la siguiente:. Figura 41. Curva de descarga característica batería Varta de litio-polímero. [31] Observamos que esta clase de baterías tiene relación entre capacidad y voltaje mucho mejor que las panasonic. El uso de estas baterías queda abierto en un futuro. Los tiempos de duración de las Baterías contempladas para el consumo de los dispositivos son los siguientes:. 42.

(43) IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09 DURACION Y COSTO BATERÍAS. Tipo de batería 45 mAh Recargable ( US$2.8 ) 100mAh Recargable ( US$7 ). TIEMPO DE DURACION (Horas). 7 15. Tabla 18. Duración y costos baterías Varta. [30] Con los dispositivos seleccionados, la batería de 100 mAh que escogimos debe darnos una duración de 15 horas.. Finalmente, el esquema general del módulo de adquisición de cada plantilla, incluyendo las señales de control que permiten el correcto funcionamiento, seria de la siguiente manera: 2.2.4 Control. El diagrama de control de estados de los módulos de adquisición y comunicación debe contemplar todos los procesos que se llevan a cabo, tanto en el módulo de adquisición como en el de comunicación, al igual que la secuencia en que estos se presentan, y la condición para pasar de un proceso a otro. Es conveniente unificar los módulos de adquisición y comunicación a la hora de hacer el diagrama de estados, ya que los procesos que se llevan a cabo en estos llevan una secuencia. Los estados que se presentan son los siguientes: •. APAGADO: es importante tener una condición de apagado para permanecer en un estado conocido a la hora de iniciar la operación del sistema. Desde cualquier estado se puede regresar a este cuando la condición de apagado se cumple, pero por razones practicas y de estética es mejor no poner esta transición en el diagrama para no confundirse al momento de analizarlo.. •. CONFIGURACION: este estado es visitado una sola vez después de encendido el sistema, y es en el que se configuran cada uno de los módulos descritos arriba. La configuración exacta que se haga en este estado depende de la tecnología que utilizada para implementar el diseño, pero a grandes rasgos se debe configurar el ADC, los timers del sistemas necesarios para garantizar una frecuencia de conversión de 25 Hertz y la tasa de transmisión.. •. ESPERA: este estado se visita cada vez que ha terminado un proceso completo de la señal, que comienza desde que inicia la conversión de las ocho señales hasta que son transmitidas, y se permanece en este estado hasta que vuelva a darse la orden de convertir nuevamente, que se genera cada cuarenta milisegundos.. •. CONVERSION: en este estado se lleva a cabo la conversión, y se debe visitar ocho veces cada vez que se sale de espera, debido a que hay ocho señales que es necesario convertir. Cabe señalar que una vez convertida una señal, es necesario almacenarla para que no se pierda, y luego si se convierte la siguiente, y así sucesivamente hasta completar las ocho. 43.

(44) IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09. •. ALMACENAMIENTO: este estado se visita después de que hay una conversión, para guardar el dato que es convertido, de modo que no se pierda la información. Después de guardar los ocho datos no se visita nuevamente hasta que se de un nuevo inicio de procesamiento, que es cuando se sale de espera.. •. ENTRAMADO: en este estado se lleva a cabo el entramado de las ocho señales, una tras otra. La condición para llegar a el es que ya se encuentren guardados en memoria temporal los ocho datos provenientes de la conversión. Este estado se visita una sola vez en cada proceso de muestreo de los ocho sensores, y se permanece en el mientras se entraman las ocho señales que se encuentran almacenadas en memoria temporal.. •. CODIFICACIÓN: aquí se codifican las ocho señales que han sido entramados anteriormente, una tras otra. La condición para llegar aquí es que el entramado haya terminado, y los datos estén listos para ser codificados. También se visita una sola vez, después de cada proceso de muestreo de los ocho sensores. Se sale de este estado una vez se han codificado los ocho datos que vienen de ser entramados.. •. EMPAQUETAMIENTO: aquí se entra para empaquetar los datos listos para transmitir, de modo que se le envíen bit a bit al transmisor a una tasa de 5kbps. Este estado debe ser visitado 156 veces, que son el número de bits a ser transmitidos en cada proceso de muestreo.. •. TRANSMISION: en este estado se lleva acabo la transmisión de los datos, visitándose 156 veces, cada vez que se da un empaquetamiento. Desde estado se pasa a fin de envío una vez se ha transmitido el ultimo de los 156 datos.. •. FIN DE ENVIO: este es un estado intermedio entre la transmisión del último dato y la llegada al estado de espera al que se llega después de que se ha terminado la transmisión de los datos. Este estado es importante porque en el se puede llevar a cabo la reasignación de valores en los registros, el reset de la banderas que sea necesario, etc.. El diagrama de transición de estados, junto con las condiciones de salto es de la siguiente manera:. 44.

(45) IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09. ON_OFF = 0. APAGADO. FIN_CONV = 0. ALMACENAMIENTO. INICIO_CONV = 0 ON_OFF = 1. CONFIG. CONVERSIÓN. ALMACENAR = 0. FIN_CONV = 1. ESPERA INICIO_CONV = 1. ENTRAMAR = 1 ALMACENAR = 1. ENTRAMADO FIN ENVÍO. EMPAQUETAR=1 CODIFICAR = 1. EMPAQUETAR=0. TRANSMISIÓN. ENTRAMAR = 0. EMPAQUETAMIENTO. CODIFICACIÓN CODIFICAR = 0. Figura 42. Diagrama de estados de las señales de control.. 2.2.5 Esquemático del Circuito de la Plantilla El esquemático de la implementación es el siguiente:. 45.

(46) IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09 CANAL 1 CANAL 2 CANAL 3. 8 SEÑALES ANALOGAS. CANAL 4 CANAL 5 CANAL 6 CANAL 7. SEÑA L A 5 Kbps. TRANSMISOR DE RF. CANAL 8. SEÑA L DE RF. MICROCONTRO LADOR VCC. TIERRA. TIERRA VCC. TIERRA VCC BATERÍA. ANTENA TIERRA. Figura 43. Esquemático de los módulos de adquisición y comunicación. El diagrama circuital de todo el módulo de la plantilla es el siguiente:. 46.

(47) IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09. Figura 44. Diagrama circuital elementos de la plantilla. Los PCBs que se fabricaron en montaje superficial doble capa para optimizar tamaño, tiene la misma forma para ambos cada pie, pero una distribución de los elements distinta, tal como se puede apreciar en las figuras 45 y 46.. a) Capa de arriba. b) Capa de abajo Figura 45. PCB pie derecho. 47.