UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE MADRID
ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR
Grado en Ingeniería de Tecnologías y Servicios de Telecomunicación
TRABAJO FIN DE GRADO
DESARROLLO DE UN SISTEMA DE MEDIDA DE PARÁMETROS QUÍMICOS BASADO EN UN SISTEMA
EMPOTRADO
Sergio Díaz Bartolomesanz
DESARROLLO DE UN SISTEMA DE
MEDIDA DE PARÁMETROS
QUÍMICOS BASADO EN UN
SISTEMA EMPOTRADO.
Sergio Díaz Bartolomesanz
Tutor: Guillermo González de Rivera Peces Trabajo realizado en el grupo
Human Computer Technology Laboratory Escuela Politécnica Superior
Resumen
En este proyecto se ha desarrollado un potenciostato para la medida de parámetros químicos. Este sistema está incluido dentro de un proyecto más grande que englo-ba desde el diseño de los sensores bioenzimáticos hasta el desarrollo de un sistema autónomo de medida que controle las diferentes partes del proyecto.
Durante el proceso de desarrollo se estudiarán a fondo las diferentes tecnologías ac-tuales con el objetivo de construir el hardware necesario que será controlado mediante un ordenador. Para ello se utilizará un sistema embebido.
Los biosensores amperométricos utilizados cuentan con 3 electrodos, dos de los cua-les mantienen una diferencia de potencial constante. Dadas estas características, el objetivo del potenciostato ha sido medir la corriente que circula por el electrodo de trabajo y mantener la diferencia de potencial a partir del control de los otros dos electrodos que constituyen el sensor.
Para la comunicación del hardware con el sistema embebido se ha utilizado la comu-nicación mediante el bus de comunicaciones SPI. Éste se caracteriza principalmente por el uso de la unidad programable en tiempo real del procesador, de forma que sea capaz de optimizar el uso del dispositivo independizando procesos entre esta unidad y el procesador principal.
El resultado de este proyecto permitirá realizar mediciones a un bajo coste y con una mayor sencillez, de tal modo que se pueda reducir la alta necesidad de personal cualicado que las técnicas actuales requieren.
Abstract
In this project, a potentiostat has been developed in order to measure chemical pa-rameters. This system is included within a bigger project ranging from bioenzymatic sensors design to the development of an automatic measuring system which controls the dierent parts of the work.
Dierent current technologies will be studied deeply to build the needed hardware which will be computer-controlled. To achieve this an embedded system will be used. The ampeometric biosensors are equipped with three electrodes, of which two main-tain a constant dierence in electric potential. For this reason, the pontentiostat's aim has been to measure the current through the working electrode while the poten-tial dierence is controlled with the other two electrodes which compose the whole sensor.
To establish the communication between the hardware and the embedded system the SPI bus has been used. This hardware uses the programmable real-time unit from the processor, optimizing the device, allowing separated processes between the unit and the main processor.
The result of this project will allow to have a low cost system with simple measure-ments. Furthermore, it will make it possible to reduce the number of highly qualied personnel that the actual existing methods require.
Agradecimientos
En primer lugar me gustaría dar las gracias a Guillermo, mi tutor, por la conanza que ha depositado en mi para realizar este proyecto. Por su ayuda y dedicación que me ha permitido aprender tanto durante estos meses. Gracias también al grupo HCTLAB por hacerme sentir tan cómodo todo este tiempo.
A mis compañeros de universidad, porque gracias a vosotros esta ha sido la mejor etapa de mi vida. A mis amigos de siempre por seguir siendo los mejores. A Martita, por enseñarme a no rendirme, por ser siempre un apoyo y ser la mejor compañía. Gra-cias a todos por las risas, buenos momentos, alegrías, por estar siempre ahí. GraGra-cias Antonio, Alberto, Bárbara, Ángel, Ricardo, Nacho, Bea, Tere, Andrea, Raúl, Martita, Marta, Edu, Anita, Xan, Alf, Tito, Roi, Víctor. Gracias por ser como sois.
A mi familia, por todo vuestro apoyo ante los obstáculos en el camino, por ani-marme a seguir siempre adelante, por la educación y valores que me habéis dado. Mencionar especialmente a mi hermano, por ser un amigo, y a mi abuelo, que aunque ya no estés aquí, todo esto es para ti. Gracias por haberme enseñado tanto.
Índice general
Resumen. vi Abstract. vii Agradecimientos. ix Trabajo desarrollado. 1 1. Introducción 3 1.1. Motivación . . . 3 1.2. Objetivos . . . 4 1.3. Organización de la memoria . . . 42. Estado del arte 5 2.1. Concepto de sensor . . . 5
2.2. Biosensores . . . 5
2.3. Sensor como dispositivo . . . 7
2.3.1. Recepción . . . 8 2.3.2. Transducción . . . 8 2.4. Técnica de medida . . . 8 2.5. Potenciostato . . . 10 3. Desarrollo e implementación 13 3.1. Desarrollo hardware . . . 14 3.1.1. Sistema de lectura . . . 15
3.1.2. Sistema de control del electrodo . . . 18
3.1.3. Aspectos generales . . . 20
3.2. Características del sistema empotrado . . . 21
3.3. Diseño del PCB . . . 23
3.4. Desarrollo del software . . . 26
4. Pruebas 29 5. Conclusiones y trabajo futuro 35 5.1. Conclusiones . . . 35
xii ÍNDICE GENERAL Glosario. 37 Bibliografía. 40 Apéndices. 43 A. Esquemático desarrollado 45 B. PCB Desarrollado 49 Anexo. 53
Índice de guras
2.1. Diagrama de las etapas de un sensor bioenzimático. . . 7
2.2. Célula electrolítica compuesta por 2 electrodos. . . 9
2.3. Célula electrolítica compuesta por 3 electrodos. . . 10
2.4. Diagrama de bloques de un sistema embebido. . . 11
3.1. Vista funcional del sistema de medida de parámetros químicos. . . 13
3.2. Esquema de un sistema comunicado por SPI. . . 14
3.3. Circuito de medida del potenciostato. . . 15
3.4. Circuito de control de potencial. . . 19
3.5. Vista superior del sistema embebido Beaglebone . . . 22
3.6. Vista funcional del procesador AM3358. . . 23
3.7. Pines expansión Beaglebone. . . 24
3.8. Vista superior del potenciostato fabricado. . . 25
3.9. Vista inferior del potenciostato fabricado. . . 25
3.10. Vista superior del sistema de medida compuesto por el dispositivo Bea-glebone y el potenciostato. . . 27
3.11. Vista lateral del sistema de medida compuesto por el dispositivo Bea-glebone y el potenciostato. . . 27
4.1. Calibración del conversor digital-analógico. . . 29
4.2. Montaje de medición. . . 30
4.3. Proceso de medida de estabilización y adición de muestra de baja con-centración para el canal 1. . . 31
4.4. Proceso de medida de estabilización y adición de muestra de alta con-centración para el canal 1. . . 32
4.5. Proceso de medida del canal 2 tras la adición de muestra de baja con-centración. . . 33
4.6. Proceso de medida del canal 2 tras la adición de muestra de alta con-centración. . . 33
xiv ÍNDICE DE FIGURAS
4.7. Comparación de las señales del canal 2 para las muestras de baja y
alta concentración de disolución. . . 34
A.1. Esquemático del PCB desarrollado. . . 47
B.1. Vista capa superior del PCB. . . 51
B.2. Vista capa inferior del PCB. . . 51
Índice de tablas
Parte I
Capítulo 1
Introducción
1.1. Motivación
Con el paso de los años, la industria ha evolucionado hacia una mayor especia-lización y control sobre sus productos. Algunos sectores como el alimentario se han desarrollado conforme a la aparición de normas sanitarias cuyo objetivo principal es proteger la salud de los consumidores, disponiendo una serie de requisitos mínimos que tienen que cumplir los diferentes productos durante sus procesos de planicación y posterior producción.
Aprovechando los avances tecnológicos producidos en los últimos años, así como la posibilidad de acceder a estas tecnologías a un bajo coste, se plantean una serie de retos por conseguir ya que en la actualidad, los procesos de medida de paráme-tros químicos tienen un alto coste y en muchas ocasiones sus resultados no son los esperados o son de baja calidad. Algunas técnicas de medida utilizadas actualmen-te están basadas en la cromatografía de gases o en técnicas de comparación [1]. La primera, consistente en la evaporación del analito y estudio de su comportamiento mientras que las técnicas por comparación, se basan en la adición de muestras de un volumen controlado de ácido hasta que se alcanza la reacción esperada, y en función del volumen utilizado de ácido se determina la concentración de la sustancia a medir. Por tanto, la motivación de este proyecto es elaborar un sistema de medida de parámetros químicos a partir del uso de biosensores enzimáticos que simplique esta tarea.
4 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN
1.2. Objetivos
El objetivo principal del proyecto será desarrollar un sistema de medida able mediante el uso de biosensores enzimáticos, que permita la medida de diferentes sus-tancias o parámetros químicos sin la necesidad de desarrollar un nuevo dispositivo para cada tipo de sensor. Esto permitirá, gracias al uso de este tipo de sensores la obtención de medidas en tiempo real, lo que facilitará una rápida actuación durante el proceso de medida y ahorrar sus posibles costes derivados.
Este diseño permitirá eliminar la necesidad de personal cualicado y por tanto, se evitarán posibles errores humanos producto de una incorrecta manipulación.
1.3. Organización de la memoria
La memoria de este proyecto, describirá el estado del arte y proceso de desarrollo del proyecto, empezando por un estudio de la tecnología actual, desarrollo del hardwa-re y softwahardwa-re así como las pruebas hardwa-realizadas para comprobar este diseño. Finalmente se expondrá la conclusión y posibles líneas de trabajo futuro.
En el primer capítulo se ha realizado una breve introducción del trabajo, así como motivación y objetivos.
En el segundo capítulo se expone el estado del arte de este proyecto, estudiando la estructura de un sensor y el proceso de obtención de una señal a partir de una muestra.
En el tercer capítulo se explicará el proceso de desarrollo de este proyecto, desde el estudio de las necesidades y componentes para el diseño y fabricación del potenciostato, seguido de la elección de un sistema embebido para el control de los diferentes circuitos e interpretación de los datos.
En el cuarto capítulo se expondrán las diferentes pruebas realizadas para com-probar el correcto funcionamiento del dispositivo, así como los datos obtenidos. En el capítulo quinto se explicarán las conclusiones y posibles líneas de trabajo futuro para este proyecto.
Capítulo 2
Estado del arte
A continuación se explicarán las bases sobre las que se ha desarrollado este pro-yecto, partiendo de los diferentes tipos de sensores, así como las técnicas utilizadas para la medida y posterior monitorización de parámetros químicos.
2.1. Concepto de sensor
Un sensor es un dispositivo capaz de registrar un cambio de magnitud física, química o biológica y convertirlo en una señal eléctrica que será considerada una magnitud medible [2].
Existen multitud de sensores dependiendo del fenómeno a medir y cada uno ge-nerará un tipo de respuesta distinto, como puede ser una resistencia eléctrica en las RTDs (Resistance Temperature Detector), capacidad eléctrica en un sensor de hume-dad o potencial eléctrico en las medidas de un termopar.
Por tanto, se puede decir que será un dispositivo que se aprovechará de sus pro-piedades físicas con el n de adaptar la señal.
Si se estudian las diferentes fases de un sensor se podrían dividir en analito, proceso y sensado. La primera consiste en el primer contacto de la sustancia que se quiere medir, la segunda sería el proceso de reacción del analito con el sensor y por último, la respuesta nal o sensado que representa el valor medido una vez estabilizada la muestra y que aporta una información útil.
2.2. Biosensores
En este proyecto se utilizarán biosensores enzimáticos. Consisten en unos dispo-sitivos que combinan la sensibilidad de los sensores electroquímicos con una mayor
6 CAPÍTULO 2. ESTADO DEL ARTE
selectividad que le aportan los componentes biológicos, aumentando así el número de aplicaciones de esta tecnología.
Esto genera unas ventajas que se pueden dividir en tres tipos diferentes [3]. Analíticas
G Sensibilidad elevada.
G Especidad. Ésto se debe a la capacidad de las enzimas para reaccionar
solo con la sustancia a medir.
G Muestras reducidas. Permite obtener una respuesta sin desperdiciar
gran-des cantidagran-des de analito.
G Gran capacidad de trabajo.
G Multiparámetro. Permite analizar, a partir de una muestra, diferentes tipos
de señal. Operacionales
G Respuesta rápida. Permite recibir una respuesta en segundos.
G Manejo sencillo.
G Fiabilidad.
G Vida útil aceptable. Dependiendo del tipo de enzima pueden durar meses.
G Bajo coste. Diseño G Integrado. G Robusto. G Automatizable. G Portátil. G Desechable/reutilizable.
Si se estudia alguna de las ventajas anteriores aplicada a la medida de diferentes pa-rámetros químicos [3] como pueden ser el alcohol, colesterol, ácido úrico, sacarosa o glucosa, se puede observar como en general tienen un tiempo de respuesta muy corto y una vida útil muy larga para algunos sensores. Como se ve en el cuadro 2.1 el alcohol o el ácido úrico tienen una estabilidad o vida útil mucho mayor que la enzima de la
2.3. SENSOR COMO DISPOSITIVO 7
sacarosa.
Sustrato Enzima Estabilidad Tiempo de respuesta
Alcohol Alcohol oxidasa 120 días 30 segundos
Colesterol Colesterol oxidasa/esterasa 30 días 2 minutos
Ácido úrico Uricasa 120 días 30 segundos
Sacarosa Invertasa 14 días 6 minutos
Glucosa Glucosa oxidasa 50-100 días 10 segundos
Tabla 2.1: Propiedades de estabilidad y tiempo de respuesta para diferentes enzimas. Una vez estudiados los diferentes parámetros químicos de medida, se introduce el estudio de los sensores como dispositivo.
2.3. Sensor como dispositivo
Así como el proceso de sensado se puede dividir en 3 fases que serían analito, sensado y respuesta, estos sensores están formados por 2 partes, por un lado una primera parte receptora, que se basa en un sistema de reconocimiento y otra de transducción, que se encarga de transformar la señal de tal modo que sea interpreta-ble eléctricamente[4][5]. En la gura 2.1 se puede ver un esquema simplicado de los componentes que forman el sensor.
8 CAPÍTULO 2. ESTADO DEL ARTE
2.3.1. Recepción
En la parte receptora se encuentran las enzimas. Su uso para realizar medidas viene justicado porque tienen una alta capacidad catalítica, de forma que se puede conseguir que únicamente reaccionen al introducir el tipo de sustancia o de analito deseado. Este detalle puede ser muy interesante, ya que haría que el resto de compo-nentes de la muestra se comporten independientes al proceso de medida, obteniendo únicamente respuesta a los datos deseados.
2.3.2. Transducción
La segunda parte es la etapa de transducción. En esta etapa se pasa de una primera señal analítica que es generada en la etapa de recepción, como puede ser el comportamiento de las enzimas con la determinada muestra de analito, a una segunda señal interpretable. Esta segunda señal será eléctrica, de forma que en el siguiente proceso se pueda recibir y analizar.
Existen transductores de diferentes tipos dependiendo de la salida que se desee obtener y que se clasican de la siguiente forma [7]:
Ópticos: Transforman los cambios que se producen en una señal óptica al inte-raccionar el analito con el receptor.
Electroquímicos: La señal transformada es debida a la interacción electroquími-ca entre analito y el electrodo.
Piezoeléctricos: A través de una fuerza externa se logra un desplazamiento sobre la masa con propiedades piezoeléctricas generando una diferencia de potencial en el electrodo.
Térmicos: Dispositivos que son capaces de medir el cambio de calor sobre un electrodo.
De estos cuatro tipos, los más desarrollados en los últimos años han sido los electro-químicos. Sensores que se han utilizado en este trabajo y que además de ser simples y económicos, dotan de una buena linealidad así como un tiempo de respuesta corto que permitirá desarrollar un equipo de medida barato y con un sencillo mantenimiento, a partir del cual se recoge e interpreta la señal.
2.4. Técnica de medida
A continuación se pasa a estudiar con más detalle las características de este tipo de transductor. Cuando el parámetro a medir es una diferencia de potencial se habla
2.4. TÉCNICA DE MEDIDA 9
de potenciometría, en cambio, si el parámetro a medir es la variación de la corriente eléctrica se habla de técnicas de voltametría o amperometría.
La potenciometría consiste en un método electroanalítico que cuenta con 2 elec-trodos; el primero de ellos será el de trabajo y se mantiene a un potencial constante y el segundo o de referencia se caracterizará por su grado de sensibilidad en relación con la especie electroactiva, de forma que permita medir e interpretar.
La técnica utilizada en este trabajo será la amperometría. Esta técnica se basa en aplicar un potencial constante entre 2 electrodos, uno de trabajo y otro de referencia, para así medir la corriente resultante del proceso de electrólisis [8]. Este proceso con-siste en la separación de los elementos de un compuesto por medio de la electricidad, gracias a un proceso de oxidación-reducción.
Figura 2.2: Célula electrolítica compuesta por 2 electrodos.
Para empezar a medir la cantidad de corriente que produce el analito, primero se necesitará estabilizar la corriente que circula entre los dos electrodos. Para esto, primero se introducirá en el sensor una muestra llamada patrón que contendrá un volumen conocido del parámetro químico que se quiere medir. Una vez se obtiene una respuesta estable para el elemento conocido, se introduce el analito a medir.
Por tanto, para utilizar esta técnica electroquímica, será necesario que al inicio de cada conjunto de medidas se calibre el sistema, así como repetir este proceso cada vez que se produzca una caída en la curva de calibración.
Todo esta reacción se lleva a cabo dentro de una célula electrolítica. Consiste en una cuba en la que se realiza el proceso de electrólisis, ya que en ella se encuentran los electrodos, pero esta conguración vista anteriormente, tiene el problema de que en ocasiones la corriente que circula por el electrodo de referencia provoca la polarización
10 CAPÍTULO 2. ESTADO DEL ARTE
mantener la diferencia de potencial de forma correcta.
Figura 2.3: Célula electrolítica compuesta por 3 electrodos.[6]
2.5. Potenciostato
Para gestionar el comportamiento de los electrodos es necesario un dispositivo electrónico llamado potenciostato cuyas funciones son:
Controlar la diferencia de potencial entre los electrodos de trabajo y referencia. Medir la intensidad de corriente que circule entre los electrodos de trabajo y auxiliar.
Controlar la diferencia de potencial es necesario para gestionar las pequeñas variacio-nes de tensión que se producen sobre el electrodo de referencia. Para ello, se ajusta el voltaje sobre el electrodo auxiliar de forma que se mantenga una diferencia de potencial constante entre los electrodos principales.
Este potenciostato deberá ser controlado mediante un microprocesador para así obtener los resultados de la medición. Por ello en este trabajo, se ha optado por el uso de un sistema empotrado, ya que su amplia funcionalidad permite cubrir un conjunto de necesidades especícas para el diseño.
Estos dispositivos [10] iniciaron su andadura como pequeños proyectos con nes educativos como Raspberry y han evolucionado de forma que se han desarrollado como pequeños ordenadores, muchos de ellos incluyendo HDMI, audio o algunas ca-racterísticas que podrían parecer impensables como aceleradores de grácos.
Dado que estos sistemas tienen una gran capacidad de expansión porque incor-poran multitud de entradas y salidas, la idea es realizar un dispositivo que sea capaz de comunicarse y ser controlado mediante el sistema embebido que incorpora. Este tipo de sistemas operativos, a diferencia de los SO de propósito general se caracterizan por realizar únicamente algunas funciones, principalmente a tiempo real y que ocupan poco espacio en memoria; por tanto no necesitará para funcionar unas características
2.5. POTENCIOSTATO 11
Figura 2.4: Diagrama de bloques de un sistema embebido[11].
muy avanzadas a nivel de hardware. Algunos ejemplos de dispositivos que utilizan un sistema embebido serían un control de accesos o una máquina expendedora.
Los principales fabricantes de este tipo de sistemas son RaspBerry, Gumstix, PandaBoard, WandaBoard y Beagleboard. A continuación se estudian los diferen-tes dispositivos de estos productores.
WandaBoard:
El dispositivo estudiado ha sido WandaBoard Quad [12]. Tiene un procesador muy potente como es el i.MX6 Quad y un cortex A9 junto con 2GB de memoria RAM. Sistema operativo Android.
Tiene un precio aproximado de 129 dólares. RaspBerry:
El modelo elegido para este fabricante ha sido el PI B+[13]. Contiene un array de pines de expansión de los cuales hay un gran número de GPIOs (General Purpose Input/Output), lo que es un importante detalle a tener en cuenta para la capacidad de expansión. Además tiene buses de comunicación tanto i2c como SPI (Serial Peripheral Interface). Respecto al procesador utiliza un Cortex A7
12 CAPÍTULO 2. ESTADO DEL ARTE
PandaBoard:
Este fabricante tiene un único modelo [14], posee un procesador muy potente como es el ARM Cortex-A9 MPCore, de los más rápidos del mercado, además contiene un gran número de GPIOs de entrada y salida y 1 Gb de memoria RAM. Sistema operativo Ubuntu.
Tiene un precio aproximado de 182 dólares. Beagleboard
El dispositivo elegido para su estudio ha sido Beaglebone black [15]. Utiliza un procesador de la familia Sitara arm3558, posee 2 conectores en los que se incluyen un gran número de GPIOS y buses de comunicación i2c y SPI. Este procesador tiene una ventaja respecto a los otros y es que incluye dos módulos PRU, que permite independizar procesos. Sistema operativo Ubuntu.
Tiene un precio aproximado de 60 dólares. Gumstix:
El modelo estudiado ha sido The Aerocore 2[16]. Este dispositivo contiene un ARM Cortex-M4 con la ventaja principal de poseer un acelerador de RAM y un array de GPIOs, que incluyen bus de comunicaciones SPI e i2c. Sistema operativo Ubuntu.
Capítulo 3
Desarrollo e implementación
En este apartado se detalla el proceso de desarrollo de un potenciostato para la medida de parámetros químicos. El primer paso de todos ha consistido en el estudio de la tecnología para el desarrollo del hardware, seguido del estudio de técnicas de diseño con el objetivo de evitar posibles errores que puedan generar ruido interferente. Por último, se ha elegido un sistema empotrado para el control del potenciostato y posterior desarrollo el software correspondiente. En la gura 3.1 se puede observar un esquema simplicado del sistema de medida de parámetros químicos que se ha desarrollado en este trabajo.
Figura 3.1: Vista funcional del sistema de medida de parámetros químicos. Al estudiar algunas características que se tendrán en cuenta en el desarrollo del proyecto, debemos mencionar que el estándar elegido para la comunicación entre dispositivos es SPI. Éste es un protocolo [17] síncrono en el que el maestro es el microprocesador y los dispositivos son los esclavos.
14 CAPÍTULO 3. DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN
Está compuesto por 4 líneas de datos. El primero de ellos una señal de reloj, una entrada de datos MOSI (Master Output Slave Input), una salida de datos MISO (Master Input Slave Output) y un CS (Chip Select) que sirve para seleccionar el componente con el cual hay que comunicarse.
Figura 3.2: Esquema de un sistema comunicado por SPI.
Es un protocolo muy simple, ya que para hacerlo funcionar únicamente es necesario cambiar el estado de los diferentes chip select para habilitar tanto la escritura como lectura de los datos. Por ejemplo, si se quiere mandar una cadena de bits al chip 1, simplemente habrá que cambiar el estado de 1 a 0 para ese dispositivo.
Los motivos por los que se elige este bus para la comunicación son los siguientes: Alta velocidad.
Full Duplex.
Fácil comprobación de errores.
Respecto al comportamiento del sensor será necesario saber que el electrodo de trabajo se encuentra a 2V de forma constante.
3.1. Desarrollo hardware
El diseño se divide en tres fases con el objetivo de analizar la tecnología de acuerdo a su n y buscar nuevas soluciones, que se adapten a ésta conforme se ha desarrollado el proyecto.
Este análisis se ha realizado partiendo de los dos circuitos independientes para el sistema de lectura y calibración de los electrodos, hasta un aspecto más general en el que se estudian las posibles formas de alimentación, posibles adaptadores o conversores de tensión y conectores.
3.1. DESARROLLO HARDWARE 15
Acerca del encapsulado de los diferentes componentes se acepta VSOP (Very Small Outline Package) como el mínimo permitido debido a las limitaciones de la soldadura manual.
3.1.1. Sistema de lectura
Esta parte del diseño está orientada al sistema de medida que ha sido utilizado para calcular la corriente que circula por el electrodo de trabajo a partir del volumen de analito.
Figura 3.3: Circuito de medida del potenciostato.
Como se puede observar en la gura 3.3 se necesita un amplicador operacional, una resistencia variable para la cual se ha utilizado un potenciómetro y un conversor analógico digital cuyo objetivo es leer los datos y la posterior comunicación con el microprocesador para poder tomar y monitorizar los datos.
A continuación se detallan las necesidades o criterios de selección de esta tecno-logía, así como su funcionalidad.
Amplicador operacional
El objetivo de este dispositivo es transformar la corriente de entrada, por tan-to, tiene una función de conversor I/V, siendo I la intensidad de corriente del electrodo y R la resistencia utilizada para la amplicación. Por lo que su
fun-16 CAPÍTULO 3. DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN
Es uno de los componentes más críticos del sistema. Requisitos:
G Alto CMRR (Common Mode Rejection Ratio). Alto rechazo al modo
co-mún, de forma que sea capaz de ignorar los voltajes que son comunes a ambas entradas.
G Alta impedancia de entrada.
G Bajo IBias o corriente de polarización. Es la corriente que circula por el
integrado cuando no hay señal y que es provocada por la no linealidad del componente.
Se elige el LMP7721 tras centrar principalmente la búsqueda en la característica de bajo IBias. Está fabricado por Texas Instruments y sus características son las siguientes:
G 1 canal.
G IBias 0.02 pF.
G Rail to rail. De forma que el voltaje de salida sea próximo a la tensión de
alimentación.
G Alto CMRR.
G Encapsulado SOIC (Small Outline Integrated Circuit).
Para conectar este dispositivo, lo primero ha sido conectar su entrada positiva a 2V de forma que así se pueda medir tanto corrientes positivas como negativas. Aplicando la anterior fórmula se obtiene el siguiente comportamiento.
Vout=−I·R+ 2
De esta forma se consigue un rango de voltajes de entrada de 0 a 4V, siendo representadas de 0 a 2 voltios las corrientes positivas y de 2 a 4 las corrientes con valor negativo.
Potenciómetro
El potenciómetro es utilizado utilizado para la conversión I/V ya que su función es multiplicar la corriente de entrada de forma que se llegue a los 4V que como máximo entran al conversor ADC (Analog-to-Digital Converter).
3.1. DESARROLLO HARDWARE 17
Dado que los parámetros químicos a medir pueden variar considerablemente la corriente que circule por el electrodo de trabajo, se hace necesario un ran-go de resistencias y resolución amplias de forma que sea posible medir desde nanoamperios hasta miliamperios.
Los criterios a seguir son:
G Comunicación SPI.
G Resistencia elevada.
El componente elegido será MCP4261 del fabricante Microchip. Sus caracterís-ticas principales son las siguientes:
G Resolución de 257 pasos, 8 bits.
G Resistencia máxima de 100K.
G Comunicación SPI.
G Doble canal
G No volátil.
G Encapsulado SOIC.
Si se estudia el comportamiento de su resistencia interna responderá a la si-guiente ecuación.
R= RM AX ·N
256 N ∈[0,256]
De esta forma se obtiene la máxima resistencia para valores superiores de N. Conversor ADC
Para la elección del sistema conversor analógico-digital son interesantes unas características que permitan percibir, con la mayor exactitud posible, la cantidad de corriente que es recibida. Sus características principales serán las siguientes:
18 CAPÍTULO 3. DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN
G 1 canal.
G Bajo INL (Integral nonlinearity). Este factor determina el porcentaje de no
linealidad del dispositivo. De forma que cuanto menor sea, más se acercará su comportamiento al ideal.
Siguiendo estos criterios, se elige el ADS1146 del fabricante Texas Instrumens que cumple con las siguientes características:
G 16 bits de resolución.
G Comunicación SPI.
G 1 Canal.
G Entrada diferencial.
G Encapsulado TSSOP (Thin-Shrink Small Outline Package).
Es un detalle importante a tener en cuenta que la resolución sea de 16 bits ya que la mayoría de dispositivos que utiliza este sistema de comunicaciones envían registros de este tamaño, de forma que no sea necesario congurar distintos modos para el SPI dependiendo del integrado a controlar.
3.1.2. Sistema de control del electrodo
Como se vio anteriormente, los electrodos deben mantener una diferencia de ten-sión constante entre ellos. Para ello, se ha realizado un sistema de forma que sea posible equilibrar esta tensión. Como consecuencia se ha desarrollado un pequeño circuito de realimentación.Tal y como se muestra en la gura 3.4
A continuación, se detallan las necesidades o criterios de selección de esta tecno-logía, así como su funcionalidad.
Amplicador operacional (Seguidor)
El objetivo de este operacional no es otro que evitar la polarización del electrodo, ya que por las características propias de estos dispositivos la corriente, a su entrada, será prácticamente nula.
Criterios:
G Rail to rail.
G IBias baja, pero no es un detalle determinante.
3.1. DESARROLLO HARDWARE 19
Figura 3.4: Circuito de control de potencial.
El elegido fue MCP6002 del fabricante Microchip. Sus características principales son:
G IBias de 1 pA.
G 2 Canales, ya que no es un componente crítico para el sistema se opta por
esta disposición de manera que se ahorre espacio sobre la supercie del PCB (Printed Circuit Board).
G Rail-to-Rail Input/Output.
G Encapsulado SOIC.
Conversor DAC
El objetivo de este componente es jar los 2 voltios de referencia en nuestro electrodo de trabajo; el motivo de utilizar un conversor ha sido de cara a un posible cambio de sensor en el futuro que requiera que este electrodo tenga un voltaje diferente.
Criterios:
G Único canal.
20 CAPÍTULO 3. DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN
El componente elegido de acuerdo a las especicaciones anteriores fue el DAC8830 cuyas características principales son:
G 16 bits.
G 2 canales.
G SPI.
G Encapsulado SOIC.
Amplicador operacional (Circuito regulador)
Este componente tiene como objetivo principal regular la tensión del electrodo auxiliar y funciona como un comparador. De forma, que si la tensión es superior a 2 voltios, la salida sea 0V y en caso de ser inferior, sea de 4V. De esta manera, siempre se encontrará el electrodo en torno a 2 voltios.
Requisitos principales:
G Alto CMRR.
G Rail to rail.
G Alta ganancia.
El elegido ha sido el OPA2363, ya que cuenta con las necesidades anteriores y sus características son las siguientes:
G CMRR 90 dB.
G Aol (open-loop gain): 100dB. La ganancia en lazo abierto se considera
innita para operadores ideales e indica la ganancia tensión en ausencia de realimentación.
G 2 canales.
G Encapsulado MSOP-10 (Mini Small Outline Package).
Otro detalle a tener en cuenta para este dispositivo es que tiene posibilidad de apagado. Esto permite que cuando no sea utilizado ese canal de medida pueda ser desconectado.
3.1.3. Aspectos generales
Tras realizar la selección anterior de componentes surge la necesidad de nuevos dispositivos como pueden ser los de alimentación, así como un nuevo dispositivo para traducir el voltaje para asegurar la integridad de señal.
3.2. CARACTERÍSTICAS DEL SISTEMA EMPOTRADO 21
En primer lugar, han sido necesarios 4 voltios para la alimentación de los diferentes componentes, y se ha precisado de una referencia de 2 voltios de entrada al sensor. Tras la búsqueda de diferentes componentes que se adecuasen a nuestras necesidades se optó por elegir los siguientes:
MCP1702-4002 este componente fabricado por microchip es un regulador de tensión de baja caída y ha sido el encargado de entregar a su salida 4V y 250 mA de corriente que sirven para alimentar la parte analógica del circuito. Encapsulado SOT23 (Small-outline transistor).
REF3040 de Texas Instruments proporciona una referencia de 4V que utilizan los diferentes componentes digitales. Encapsulado SOT23.
REF3020 al igual que el componente anterior, es fabricado por Texas Instru-ments y se encarga de proporcionar los 2V que utiliza como referencia el sensor bioenzimático. Encapsulado SOT23.
Una vez elegidos los diferentes componentes para el potenciostato, surge un problema ya que dependiendo del microprocesador, el bus de comunicación funciona a un voltaje u otro y esta diferencia de voltaje respecto de los dispositivos elegidos puede ver alterada la comunicación. Por tanto, se optó por referenciar a 4V las líneas de datos (MOSI y MISO) y la línea de reloj (SCLK).
Tras la búsqueda de un componente multicanal y bidireccional, se eligió el siguien-te:
TXB0108 fabricado por Texas Instruments y con encapsulado SOIC.
Con el uso de este dispositivo se asegura una mayor precisión a la salida y la corres-pondiente conguración de los componentes.
3.2. Características del sistema empotrado
El sistema hardware elegido ha sido la placa Beaglebone black [18], la misma que se muestra en la gura 3.5. Se ha tomado esta decisión principalmente por su procesador AM355x, ya que una de sus características principales es que consta de 2 unidades programables a tiempo real, también conocidas como PRU, que permiten independizar los procesos necesarios para el funcionamiento del potenciostato. De esta
22 CAPÍTULO 3. DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN
Figura 3.5: Vista superior del sistema embebido Beaglebone
A continuación, se analizan las características principales de esta placa que han permitido conocer los pasos necesarios para desarrollar el proyecto.
El procesador, como se indica anteriormente es el AM3558 Cortex A8 d 32 bits. Fabricado por Texas Instruments. La velocidad de éste, viene determinada por la alimentación entregada al dispositivo, por tanto es de 500MHz alimentada únicamente por vía USB y de 720 MHz con una fuente en DC.
En la gura 3.6 se puede ver el sistema funcional del procesador.
Con esta vista general del microprocesador, se puede observar que tiene un módulo PRU-ICSS consistente en la ya mencionada unidad programable a tiempo real y su protocolo de comunicación correspondiente.
Si se estudia con detenimiento, la PRU tiene una arquitectura RISC de 32 bits y es el modelo SPRUH73 de Texas Instruments. Consiste en un ordenador con un conjunto reducido de instrucciones que permite deshacerse de carga importante del procesador, principalmente de las operaciones que funcionan a tiempo real y a alta velocidad.
Ambas PRU pueden operar tanto de forma independiente como conjunta y poseen 8 Kb de RAM cada una.
El sistema funcional anterior permite ver que el procesador tiene una memoria RAM compartida, esto hace posible compartir datos con los programas que corren en el procesador principal, ya que es accesible por todos los dispositivos.
3.3. DISEÑO DEL PCB 23
Figura 3.6: Vista funcional del procesador AM3358.
Dado que la PRU es un dispositivo que se encuentra a muy bajo nivel, el lenguaje en el que se ha programado ha sido ensamblador y se ha basado en la escritura en diferentes registros del mapa de memoria.
Una vez estudiado el procesador, otra de las características de la Beaglebone son los 2 conectores de 46 pines que se encuentran a la derecha e izquierda de la placa, señalados en la gura 3.7. Estos pines pueden ser congurados en 7 modos distintos de forma que sea posible programar obteniendo acceso a los pines SPI, i2C, ADCs, PWM o lo que se necesite para la conguración.
Otros detalles a tener en cuenta sobre el dispositivo son los 256Mb de memoria SDRAM DDR2 o que contiene un sistema embebido Linux que ha sido actualizado a la última versión.
Respecto de la alimentación del sistema empotrado, la placa tiene 2 posibles salidas de tensión, una de 5V y otra de 3,3V al igual que el bus SPI.
24 CAPÍTULO 3. DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN
Figura 3.7: Pines expansión Beaglebone.
Con el objetivo de permitir una expansión del proyecto, se han utilizado los co-nectores P8 y P9 que se pueden observar en la gura 3.73.7 sobre los que se inserta el PCB del potenciostato. Con motivo de utilizar una pantalla en trabajos futuros se estudió los pines utilizados por este dispositivo.
Para la alimentación del potenciostato se han utilizado las salidas de voltaje de 3,3V y 5V del dispositivo Beaglebone [18] de forma que no es necesario conectar al hardware una nueva fuente de tensión.
A continuación se indica la asignación de pines correspondientes:
P8. Uso de los pines 7, 8, 9, 10 como GPIOs. Pines 1, 3 y 5 para alimentación del potenciostato.
P9. Uso de los pines 11, 13 y 25 como GPIOs y pines 28, 29, 30 y 31 para el bus de comunicaciones SPI.
Para reducir el ruido del sistema se optó por llevar a cabo las siguientes mejoras [19]: Evitar giros mayores de 90º en las pistas para evitar fenómenos de reexión. Realizar 2 planos de masa. Uno digital que conecte directamente al dispositivo Beaglebone y un plano analógico que se conecta en la capa inferior del PCB al plano digital.
3.3. DISEÑO DEL PCB 25
Pistas de 0,3 mm de grosor y 0.3 mm de separación. Separación de voltaje analógico y digital.
Uso de condensadores cerca de la alimentación de los componentes. Uso de condensadores para reducir el sobreoscilamiento de las señales.
Para el diseño de los esquemáticos y del PCB se ha utilizado la herramienta Altium Designer.
En las guras 3.8 y 3.9 se muestran las capas superior e inferior del circuito impreso diseñado. Dicho circuito impreso tiene unas dimensiones de 8,2 cm de largo por 6 cm de ancho.
26 CAPÍTULO 3. DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN
3.4. Desarrollo del software
En esta sección se detalla el proceso seguido para el desarrollo del software de control de los diferentes dispositivos.
Dado que la placa Beaglebone lleva embebido un sistema operativo Debian Linux, existe la posibilidad de programar en Python, Java o C y se opta por programar en lenguaje C ya que facilita algunas necesidades que eran complicadas de realizar en otros lenguajes como python.
Este programa que corre sobre la PRU debe tener la siguiente funcionalidad: Conguración de los componentes.
Lectura del módulo ADC. Escritura en memoria.
El primer paso para poder congurar componentes y leer los dispositivos ha sido habilitar el bus de comunicación SPI, para ello hubo que deshabilitar el HDMI de la placa debido a que utilizaba los diferentes pines necesarios [20]. Como hemos visto anteriormente, cada uno de los componentes se sirve de un GPIO que se utilizará como CS. Dado que los diferentes pines están multiplexados y tienen 7 posibles estados, se han activado y posteriormente congurado los diferentes GPIOS. Se ha utilizado el SPI1, para activarlo ha sido necesario escribir un programa que se ejecuta en el Device
Tree1 de la placa de forma que se active esta funcionalidad.
Para poder lanzar el programa sobre la PRU el primer paso es activarla; en este programa se ha utilizado la PRU0, una vez activa envía un programa binario que es generado a partir del código en ensamblador.
Para enviar los mensajes mediante SPI se congura de forma que el tamaño de palabra sea de 16 bits. Para transmitir, se escribe el mensaje correspondiente en el registro de transmisión y el registro de recepción para el proceso de lectura.
Para comprobar el correcto funcionamiento del programa, se ha optado por escribir las lecturas en la memoria compartida, diseñando un programa que corra sobre el procesador principal. De manera que muestre por pantalla las diferentes medidas.
En las guras 3.10 y 3.11 se puede ver el sistema de medida completo formado por el dispositivo Beaglebone y el PCB diseñado. Tiene unas dimensiones totales de
10cm de largo por6cm de ancho.
3.4. DESARROLLO DEL SOFTWARE 27
Figura 3.10: Vista superior del sistema de medida compuesto por el dispositivo Bea-glebone y el potenciostato.
Capítulo 4
Pruebas
En este capítulo se explican el conjunto de medidas llevadas a cabo para el correcto funcionamiento del potenciostato.
El primer paso fue conseguir que los componentes se congurasen de la forma correcta. Para algunos componentes como el potenciómetro, al tener tanto entrada como salida SPI pudo ser leída la resistencia jada mediante el uso de este bus de comunicación.
Otros componentes como los conversores digital-analógico son jados a 2V de acuerdo al voltaje esperado sobre el electrodo de referencia, para comprobar la co-rrecta conguración fue medido con el osciloscopio obteniendo la misma respuesta para ambos canales, tal y como se muestra en la gura 4.1.
Figura 4.1: Calibración del conversor digital-analógico.
Para realizar las medidas con biosensores enzimáticos fue necesario desplazarse a una empresa fabricante de este tipo tecnología.
30 CAPÍTULO 4. PRUEBAS
Estas pruebas se realizaron con un biosensor amperométrico para la medida de alcohol, por lo que el compuesto químico a medir fue etanol.
Se utilizó una disolución tampón fosfato salino 0,05 Molar y pH 7,5 dentro de una
célula electroquímica de20ml. El material de fabricación del electrodo de referencia
es Ag/AgCl.
Debido a limitaciones durante la medida, solo se han realizado pruebas con dos concentraciones distintas de etanol. Una primera muestra con una baja concentración
de etanol1,2·10−4% (V /V)y una mayor de6·10−4% (V /V), ambas se consiguen
me-diante la adición de100µl y500µl de etanol, respectivamente, sobre una disolución
inicial/patrón de 0,024 % (V /V). Se ha llevado a cabo un proceso de reducción
elec-trolítica de forma que se espera que con el aumento de etanol en la solución aumente la corriente.
El montaje del equipo para la medición se muestra en la gura 4.2.
Figura 4.2: Montaje de medición.
Para estas medidas se utilizó una resistencia100KΩ, la máxima permitida por el
potenciómetro, ya que el rango de corrientes a medir para este sensor era de−800
31
Figura 4.3: Proceso de medida de estabilización y adición de muestra de baja concen-tración para el canal 1.
Las medidas obtenidas para el canal 1 se muestran en las guras 4.3 y 4.4. En la gura 4.3 se muestra la gráca correspondiente a la medida para la muestra de baja disolución y en la gura 4.4 la correspondiente a la muestra de alta concen-tración. En el eje horizontal de ambas grácas se indica el número de muestra y en el eje vertical la concentración medida por el conversor ADC. Durante la medición se tomó una muestra cada 3 segundos y se tomaron un total de 163 muestras para el primer canal y 113 para el segundo.
Se aprecia como hay una fase inicial de estabilización del sensor que dura aproxi-madamente las 50 primeras muestras, a partir de ese momento se empiezan a consi-derar los datos como lineales. En la muestra número 100 se introdujo la solución de etanol. Se puede observar una pequeña variación en el comportamiento, muy baja ya
que el cambio es de−200nA. Los resultados no son los esperados ya que se espera un
aumento del voltaje de acuerdo a la operación de reducción electrolítica.
32 CAPÍTULO 4. PRUEBAS
Figura 4.4: Proceso de medida de estabilización y adición de muestra de alta concen-tración para el canal 1.
Las medidas obtenidas para el canal 2 se muestran en las guras 4.5 y 4.6. En la gura 4.5 la gráca muestra la medida de baja disolución y en la gura 4.6 se muestran los resultados para la disolución de alta concentración.
Para estas medidas no se ha tenido en cuenta el proceso de estabilización, esto se debe a que únicamente se conectó el electrodo de medida del canal 1 al 2 y al no producirse un cambio en el potencial, no fue necesario volver a estabilizar el sensor.
Para la muestra de baja concentración de etanol se observa que, de acuerdo con los datos esperados, la operación de reducción produce un aumento del voltaje a la entrada del conversor ADC. La solución de alcohol fue añadida en torno a la muestra número 45.
Para la muestra de mayor concentración de etanol se puede apreciar como la curva generada por el cambio de corriente es mucho mayor.
Debido a que los resultados obtenidos para las muestras del primer canal no son las esperadas, se procederá a comparar las curvas obtenidas para el segundo canal y así obtener la sensibilidad de la medida. La gura 4.7 da un ejemplo visual de esta comparación.
Para calcular la sensibilidad del sistema se ha procedido a calcular la media de las rectas en sus regiones estables.
33
Figura 4.5: Proceso de medida del canal 2 tras la adición de muestra de baja concen-tración.
34 CAPÍTULO 4. PRUEBAS
Figura 4.7: Comparación de las señales del canal 2 para las muestras de baja y alta concentración de disolución.
El promedio para la recta calibrada fue 33411, para la muestra con baja concen-tración 36163 y para la alta concenconcen-tración 40421. A partir de estos valores podemos calcular que el sistema tendrá una sensibilidad media de 632.93mV/nA. Este dato puede variar debido al índice de no linealidad del conversor ADC.
Capítulo 5
Conclusiones y trabajo futuro
5.1. Conclusiones
A lo largo de este trabajo, se ha realizado el desarrollo de un potenciostato para la medida de parámetros químicos.
Como punto de partida, se ha llevado a cabo un estudio sobre la tecnología ac-tual necesaria para el diseño del potenciostato, también se ha estudiado a fondo el dispositivo Beaglebone de forma que fuese posible sacar un máximo rendimiento y buscar las mejores soluciones para desarrollar un sistema que permita la evolución en proyectos futuros.
Respecto de las pruebas realizadas durante el desarrollo, se ha podido observar el correcto funcionamiento del sistema para uno de los canales de medida obteniendo los datos esperados para las medidas, ya que varía la respuesta en función de la corriente que circula por el electrodo.
5.2. Trabajo futuro
Existen multitud de aplicaciones posibles para este dispositivo ya que por la dis-posición del diseño, aprovechando los conectores de expansión del sistema empotrado, tiene la capacidad de ampliar la funcionalidad del dispositivo.
En primer lugar, se propone como trabajo futuro el desarrollo de nuevas versiones que mejoren el dispositivo minimizando el ruido y obteniendo un mayor control sobre el potencial de los electrodos, de forma que mejore la precisión en la medida.
Por otro lado, el dispositivo Beaglebone puede evolucionar con la aparición de nuevas capas, creando nuevas aplicaciones. Por ejemplo, a partir de la conexión de una pantalla LCD se podría monitorizar el comportamiento de los uidos o incorporando
36 CAPÍTULO 5. CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO
un módulo GSM, de forma que éste se pueda monitorizar a tiempo real desde cualquier dispositivo móvil conectado a internet.
Desde otro punto de vista, también se podrá adaptar a nuevos tipos de medidas de acuerdo aparezcan en el mercado nuevas generaciones de sensores adaptados a otros compuestos.
Por tanto, se pueden denir tres posibles caminos de desarrollo futuro. Trabajar para mejorar la calidad y precisión de este dispositivo, añadir nuevas funcionalidades a través de nuevas capas para el sistema embebido y por último lograr un mayor rango de especialización, adaptando el dispositivo a nuevos sensores, componentes o técnicas de diseño.
HCTLAB Human Computer Technology Laboratory
HW Hardware
SW Software
RTD Resistance temperature detector
HDMI High-Denition Multimedia Interface
SO Sistema Operativo
PCB Printed Circuit Board
GPIO General Purpose Input-Output
SPI Serial Peripheral Interface
I2C Inter-Integrated Circuit
PRU Programmable Real Unit
RAM Random-access memory
ICSS Industrial Communication SubSystem
RISC Reduced Instruction Set Computer
DC Direct current
MOSI Master Output Slave Input
MISO Master Input Slave Output
CS Chip Select
ACK Acknowledgement
SDA Serial Data Line
SCL Serial Clock Line
ADC Analog-to-digital converter
DAC Digital-to-analog converter
IBias Corriente de polarización
CMRR Common mode rejection ratio
AOL Open-loop gain
LCD Liquid crystal display
GSM Global System for Mobile Communications
Bibliografía
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[19] Documentación didáctica de la asignatura de Tecnología Electrónica de Sistemas. Universidad Autónoma de Madrid. (2014).
Parte II
Apéndices
Apéndice A
1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 D C B A T itle Num ber Rev isio n Size A3 Date: 28/05/2015 Sheet o f File: C:\ Users\ ..\ Sheet1.SchDo c Draw n By : 7 1 8 3 5 2 4 6 U2 LMP7721MA 100nF Cap Sem C4 i 100nF Cap Sem C2 i GND GND GND GND 5V 4V 2V GND GND
0.47uF Cap Sem C10
i 0.47uF C1 1 Cap Sem i 4V 4V 2V 5V 20K Res3 R5 7 1 8 3 5 2 4 6 U3 LMP7721MA 100nF Cap Sem C1 i GND GND 4V 2V GPIO1 4V 1nF Cap Sem C6 i 4V GND 20K Res3 R4 20K Res3 R3 20K Res3 R6 100nF Cap Sem C8 i GND 4V GND GND 2V GPIO2 2V 4V 0.1uF C5 Cap Sem i GND 4V SDI_BB SDO_BB CLK _BB CS5_BB ADC2 ADC1 AE1 AE2 AE1 AE2 Po t_in_0 Po t_o ut_1 Po t_in_1 Po t_in_1 Po t_o ut_1 SDO_BB CLK _BB CS2_BB 4V DGND GND 4V 1nFCap Sem C7 i DVDD 1 DGND 2 CLK 3 RESET 4 REFP 5 REFN 6 AINP 7 AINN 8 A VSS 9 A VDD 10 ST AR T 1 1 CS 12 DRDY 13 DOUT/DRDY 14 DIN 15 SCLK 16 U8 ADS1 146IPW DGND DGND CLK _BB SDO_BB CS3_BB 4V 4V ADC1 4V_digital GND 4V_digital GND 10uF C16 Cap Sem i 10uF C17 Cap Sem i DGND GND DVDD 1 DGND 2 CLK 3 RESET 4 REFP 5 REFN 6 AINP 7 AINN 8 A VSS 9 A VDD 10 ST AR T 1 1 CS 12 DRDY 13 DOUT/DRDY 14 DIN 15 SCLK 16 U7 ADS1 146IPW DGND DGND CLK _BB SDO_BB CS4_BB 4V 4V ADC2 4V_digital GND 4V_digital GND 10uF C18 Cap Sem i
10uF Cap Sem C19
i DGND GND SDO_BB CLK _BB GND 2V 2V 1K Res3 R2 1K R1 Res3 5.6K Res3 R7 5.6K R8 Res3 4V_digital
0.47uF Cap Sem C20
i 5V IN 1 OUT 2 GND 3 U12 REF3040AIDBZT DGND 0.1uF C12 Cap Sem i GND 10uF C13 Cap Po l3
0.1uF Cap Sem C27
i GND SDO_BB CLK _BB CS1_BB 4V DGND GND 4V
0.1uF Cap Sem C14
i GND 10uF C15 Cap Po l3
0.1uF Cap Sem C22
i GND 0 Res3 R9 DGND GND 10K Res3 R10 10K R1 1 Res3 10uF Cap Po C23 l3 10uF Cap Po C24 l3 10uF Cap Po C25 l3
10uF Cap Sem C26
i 10uF C28 Cap Sem i VCCB 14 VCCA 1 A1 2 A2 3 A3 4 A4 5 NC 6 GND 7 OE 8 NC 9 B4 10 B3 1 1 B2 12 B1 13 U13 TXB0104 3.3V 3.3V 4V_digital DGND GND GND 100nF C29 Cap Sem i 100nF C30Cap Sem i DGND SDI_BB SDI_BB SDI_BB 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 21 24 23 25 26 28 27 30 29 32 31 34 33 35 36 38 37 40 39 41 42 44 43 46 45 J1 SSW -123-06-F-D (p8) 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 21 24 23 25 2628 27 30 29 32 31 34 33 35 36 38 37 40 39 41 42 44 43 46 45 J2 SSW -123-06-F-D CS 3_ BB CS4_BB CS 5_ BB CS 2_ BB CS 1_ BB GPIO2 GP IO 1 Po t_in_0 1 2 3 4 5 6 7 P1 TSW -107-05-L-S 2V SDI 3 VSS 4 CS 1 SCK 2 VDD 14 P1 B 5 P0 B 10 P1W 6 P0W 9 P1A 7 P0A 8 SDO 13 SHDN 12 WP 1 1 U1 1 MCP4261-103E/SL 3 2 1 4 8 U1A MCP6002-I/SN 7 5 6 4 8 U1B MCP6002-I/SN 6 8 7 9 10 4 U4BOP A2363AIDGST 1 2 3 5 10 4 U4AOP A2363AIDGST IN 1 OUT 2 GND 3 U9 REF3020AIDBZT VOUT 1 AGND 2 VREF 3 CS 4 SCLK 5 SDI 6 DGND 7 VDD 8 U5 DAC8830ICD VOUT 1 AGND 2 VREF 3 CS 4 SCLK 5 SDI 6 DGND 7 VDD 8 U6 DAC8830ICD 4V DGND DGND DGND DGND GND 1 VOUT 2 VIN 3 U10 MCP1702T -4002E/CB SDI SDI SD O SDO SC K SCK 3.3V PIC101 PIC102 COC1 PIC201 PIC202 COC2 PIC401 PIC402 COC4 PIC501 PIC502 COC5 PIC601 PIC602 COC6 PIC701 PIC702 COC7 PIC801 PIC802 COC8
PIC1001 PIC1002COC10
PIC1101 PIC1102 COC11 PIC1201 PIC1202 COC12 PIC1301 PIC1302 COC13 PIC1401 PIC1402 COC14 PIC1501 PIC1502 COC15 PIC1601 PIC1602 COC16 PIC1701 PIC1702 COC17 PIC1801 PIC1802 COC18 PIC1901 PIC1902 COC19 PIC2001 PIC2002 COC20 PIC2201 PIC2202 COC22 PIC2301 PIC2302 COC23 PIC2401 PIC2402 COC24 PIC2501 PIC2502 COC25 PIC2601 PIC2602 COC26 PIC2701 PIC2702 COC27 PIC2801 PIC2802 COC28 PIC2901 PIC2902 COC29 PIC3001 PIC3002 COC30 PIJ101 PIJ102 PIJ103 PIJ104 PIJ105 PIJ106 PIJ107 PIJ108 PIJ109 PIJ1010 PIJ1011 PIJ1012 PIJ1013 PIJ1014 PIJ1015 PIJ1016 PIJ1017 PIJ1018 PIJ1019 PIJ1020 PIJ1021 PIJ1022 PIJ1023 PIJ1024 PIJ1025 PIJ1026 PIJ1027 PIJ1028 PIJ1029 PIJ1030 PIJ1031 PIJ1032 PIJ1033 PIJ1034 PIJ1035 PIJ1036 PIJ1037 PIJ1038 PIJ1039 PIJ1040 PIJ1041 PIJ1042 PIJ1043 PIJ1044 PIJ1045 PIJ1046 COJ1 PIJ201 PIJ202 PIJ203 PIJ204 PIJ205 PIJ206 PIJ207 PIJ208 PIJ209 PIJ2010 PIJ2011 PIJ2012 PIJ2013 PIJ2014 PIJ2015 PIJ2016 PIJ2017 PIJ2018 PIJ2019 PIJ2020 PIJ2021 PIJ2022 PIJ2023 PIJ2024 PIJ2025 PIJ2026 PIJ2027 PIJ2028 PIJ2029 PIJ2030 PIJ2031 PIJ2032 PIJ2033 PIJ2034 PIJ2035 PIJ2036 PIJ2037 PIJ2038 PIJ2039 PIJ2040 PIJ2041 PIJ2042 PIJ2043 PIJ2044 PIJ2045 PIJ2046 COJ2 PIP101 PIP102 PIP103 PIP104 PIP105 PIP106 PIP107 COP1 PIR101 PIR102 COR1 PIR201 PIR202 COR2 PIR301 PIR302 COR3 PIR401 PIR402 COR4 PIR501 PIR502 COR5 PIR601 PIR602 COR6 PIR701 PIR702 COR7 PIR801 PIR802 COR8 PIR901 PIR902 COR9 PIR1001 PIR1002 COR10 PIR1101 PIR1102 COR11 PIU101 PIU102 PIU103 PIU104 PIU108 COU1A PIU104 PIU105 PIU106 PIU107 PIU108 COU1B PIU201 PIU202 PIU203 PIU204 PIU205 PIU206 PIU207 PIU208 COU2 PIU301 PIU302 PIU303 PIU304 PIU305 PIU306 PIU307 PIU308 COU3 PIU401 PIU402 PIU403 PIU404 PIU405 PIU4010 COU4A PIU404
PIU406 PIU408 PIU407
PIU409
PIU4010
COU4B
PIU501 PIU503 PIU502
PIU504
PIU505 PIU506
PIU507
PIU508
COU5
PIU601 PIU603 PIU602
PIU604 PIU605PIU606 PIU607 PIU608 COU6 PIU701 PIU702 PIU703 PIU704 PIU705 PIU706
PIU707 PIU708 PIU709
PIU7010 PIU7011 PIU7012 PIU7013 PIU7014 PIU7015 PIU7016 COU7 PIU801 PIU802 PIU803 PIU804 PIU805 PIU806
PIU807 PIU808 PIU809
PIU8010 PIU8011 PIU8012 PIU8013 PIU8014 PIU8015 PIU8016 COU8 PIU901 PIU902 PIU903 COU9 PIU1001 PIU1002 PIU1003 COU10
PIU1101 PIU1102 PIU1103
PIU1104
PIU1105
PIU1106
PIU1107
PIU1108 PIU1109 PIU11010
PIU11011 PIU11012 PIU11013 PIU11014 COU11 PIU1201 PIU1202 PIU1203 COU12 PIU1301 PIU1302 PIU1303 PIU1304 PIU1305 PIU1306 PIU1307
PIU1308 PIU1309 PIU13010 PIU13011 PIU13012 PIU13013 PIU13014
COU13 PIC2501 PIP103 PIR702 PIR801 PIU201 PIU301 PIU708 PIU808 PIU902 NL2V PIC2901 PIJ204 PIU1301 PIU1308 PIC102 PIC201 PIC402 PIC501 PIC802 PIC1102 PIC1201 PIC1301 PIC1401 PIC1501 PIC1701 PIC1901 PIC2201 PIC2301 PIC2601 PIC2701 PIC2801 PIU108 PIU206 PIU306 PIU4010 PIU503 PIU508 PIU603 PIU608 PIU705 PIU7010 PIU805 PIU8010 PIU901 PIU1002
PIU11011 PIU11012 PIU11014
NL4V PIC1601 PIC1801 PIC2401 PIC3001 PIU701 PIU704
PIU7011 PIU8011 PIU804 PIU801
PIU1202 PIU13014 NL4V0digital PIC1002 PIC2002 PIJ206 PIU1003 PIU1201 PIU204 PIU807 PIU1109 NLADC1 NLPot0out01 PIU304 PIU707 PIU1106 NLADC2 PIC601 PIP104 PIU401 NLAE1 PIC701 PIP105 PIU409 NLAE2 PIU505 PIU605 PIU7016 PIU8016 PIU1102 PIU13013 NLCLK0BB PIJ1010 PIU504 NLCS10BB PIJ108 PIU604 NLCS20BB PIJ2013 PIU8012 NLCS30BB PIJ109 PIU7012 NLCS40BB PIJ2025 PIU1101
NLCS50BB
PIC1602 PIC1802 PIC2001 PIC2402 PIC2902 PIC3002 PIJ101 PIJ102 PIJ2045 PIJ2046 PIR902 PIU507 PIU607 PIU702 PIU703 PIU802 PIU803 PIU1203 PIU1307 NLDGND PIC101 PIC202 PIC401 PIC502 PIC801 PIC1001 PIC1101 PIC1202 PIC1302 PIC1402 PIC1502 PIC1702 PIC1902 PIC2202 PIC2302 PIC2502 PIC2602 PIC2702 PIC2802 PIR901 PIU104 PIU203 PIU303 PIU404 PIU502 PIU602PIU706 PIU709 PIU806 PIU809
PIU903 PIU1001 PIU1104 PIU1105 PIU11010 NLGND PIJ2015 PIR1002 NLGPIO1 PIJ107 PIR1102 NLGPIO2 PIC602 PIR302 PIR402 PIU402 PIC702 PIR502 PIR602 PIU408 PIJ103 PIJ104 PIJ105 PIJ106 PIJ1011 PIJ1012 PIJ1013 PIJ1014 PIJ1015 PIJ1016 PIJ1017 PIJ1018 PIJ1019 PIJ1020 PIJ1021 PIJ1022 PIJ1023 PIJ1024 PIJ1025 PIJ1026 PIJ1027 PIJ1028 PIJ1029 PIJ1030 PIJ1031 PIJ1032 PIJ1033 PIJ1034 PIJ1035 PIJ1036 PIJ1037 PIJ1038 PIJ1039 PIJ1040 PIJ1041 PIJ1042 PIJ1043 PIJ1044 PIJ1045 PIJ1046 PIJ201 PIJ202 PIJ203 PIJ205 PIJ207 PIJ208 PIJ209 PIJ2010 PIJ2011 PIJ2012PIJ2014
PIJ2016
PIJ2017 PIJ2018 PIJ2019 PIJ2020 PIJ2021 PIJ2022 PIJ2023 PIJ2024PIJ2026 PIJ2027 PIJ2028 PIJ2032 PIJ2033 PIJ2034 PIJ2035 PIJ2036 PIJ2037 PIJ2038 PIJ2039 PIJ2040 PIJ2041 PIJ2042 PIJ2043 PIJ2044 PIP106 PIR101 PIP107 PIR202 PIR102 PIU103 PIR201 PIU105 PIR301 PIU101 PIU102 PIR401 PIU601 PIR501 PIU106 PIU107 PIR601 PIU501 PIR701 PIU403 PIR802 PIU407 PIR1001 PIU405 PIR1101 PIU406 PIU202 PIU205 PIU207 PIU302 PIU305 PIU307 PIU7013 PIU8013 PIU1305 PIU1306 PIU1309 PIU13010 PIP101 PIU308 PIU1107 NLPot0in00 PIP102 PIU208 PIU1108 NLPot0in01 PIJ2031 PIU1302 NLSCK PIJ2030 PIU1304 NLSDI PIU7014 PIU8014 PIU11013 PIU13011 NLSDI0BB PIJ2029 PIU1303 NLSDO PIU506 PIU606 PIU7015 PIU8015 PIU1103 PIU13012 NLSDO0BB
Apéndice B
52 APÉNDICE B. PCB DESARROLLADO
Parte III
Anexo
Anexo
Hojas de datos de los componentes
Condensador 10uF±10 % (0805). Murata GRM21BR71A106KE51K.
Condensador 0.47uF ±10 % (0805). Yageo CC0805KKX7R6BB474.
Condensador 100nF ±10 % (0805). Murata GCM21BR72A104KA37L.
Condensador 1nF±10 % (0805). Murata GCM216R71H102KA37D.
Condensador 10uF±10 % (1206). Nichicon F931C106KAA.
Resistencia 0Ω ±5 % (0805). Bourns CR0805-J/-000ELF.
Resistencia 5,6 KΩ±5 % (0805). Panasonic ERJ6RBD5601V.
Resistencia 10 KΩ±5 % (0805). Bourns CR0805-JW-103ELF.
Resistencia 20 KΩ±5 % (0805). Panasonic ERJ6RBD2002V.
DAC8830ICD. Texas Instruments. ADS1146IPW. Texas Instruments. REF3040AIDBZT. Texas Instruments. REF3020AIDBZT. Texas Instruments. MCP1702T-4002E/CB. Microchip. LMP7721MA/NOPB. Texas Instruments. OPA2363AIDGST. Texas Instruments. MCP6002-I/SN. Microchip.
TXB0104DG4. Texas Instruments. MCP4261-103E/SL. Microchip.
