Sistem Wireless de Monitorizare a Parametrilor Biomedicali In Tehnologie Low Power

PROIECT DE DIPLOMĂ

SISTEM WIRELESS DE MONITORIZARE A PARAMETRILOR BIOMEDICALI ÎN TEHNOLOGIE LOW POWER

CAPITOLUL 1. INTRODUCERE

Dorința de a realiza un dispozitiv care poate monitoriza parametrii relevanți ai stării de sânătate ai unui pacient, prin utilizarea de senzorilor non-invazivi și a componetelor în tehnologia Low Power, a dus la studiul fenomenului fotopletismografic și la implementarea unui senzor bazat pe acest principiu în proiect,impreună cu un senzor de temperatură.

Fotopletismografia, stiință încă nestandardizată, este capabilă să furnizeze înformații complexe și vitale despre parametrii fiziologici ai unui subiect precum ritmul cardiac, nivelul de saturație ai oxigenului din sânge, tensiunea arterială, debitul cardiac și ritmul respirator fiind competentă chiar și de evaluări vasculare. Acestea pot fi redate de un simplu senzor fotopletismografic, având ca și componente pricipale o diodă luminescentă și un fotodetector.

În urma studiilor s-a determinat și impactul benefic care îl prezintă monitorizarea temperaturii în unele cazuri precum al paciențiilor aflați sub anestezie generală, neuraxială, sau într-o intervenție chirurgicală. O diferență în temperatură de doar ±0.5ºC față de normal poate duce la hipertermie sau hipotermie și astfel la complicații postoperatorii morbide.

Astfel, un senzor compozit, de dimensiuni și costuri relativ reduse, încorporând un senzor fotopletismografic și unul digital de temperatură poate fi capabil să ofere o monitorizare complexă atât la domiciliu pentru persoanele în vârstă sau infantile, pentru cele incapabile de miscare sau cu diferite afecțiuni, iar prin standardizare și în spitale sau abulatorii, pentru pacienții afați sub intervenții chirurgicale sau în secțiile de recuperare.

Dispozitivul a fost proiectat în două module: un emițător capabil să achiziționeze datele de la cei doi senzori plasați pe degetul subiectului și să ii transmită wireless prin intermediul unui modul de emisie recepție; și un receptor programat să colecteze datele trimise de emitător, să le interpreteze și să trimită un mesaj de alertare printr-o interfață celulară în cazut în care unele praguri au fost depășite.

CAPITOLUL2. STUDIU ASUPRA FENOMENULUI FOTOPLETISMOGRAFIC

Fotopletismografia (PPG)este o tehnică optică simplă cu costuri reduse care poate fi folosită să detecteze schimbări în volumul sângelui din stratul microvascular al țesutului. Este deobicei folosită non-invaziv pentru măsuratori la nivelul pielii, operând la lungimi de undă roșii sau infraroșii . Forma de undă a acesteia este compusă dintr-o componentă de curent alternativ(AC), atribuită schimbărilor cardiace sincrone în volumul sângelui cu fiecare bătaie a inimii, fiind suprapusă peste o componentă cu fluctuații lente în timp de curent continuu (DC), cu frecvențe variate joase, datorată respirației, activității sistemului nervos simpatic și termoreglării.

Cu toate că originile componentelor semnalului fotopletismografic nu sunt în totalite înțelese, este acceptat în general că pot furniza informații valoroase despre sistemul cardiovascular. S-a sesizat o renaștere a interesului pentru această metodă în ultimii ani, împinsă de cererea de costuri reduse, dorința de tehnologii simple și portabile pentru clinici și medicina generală, disponibilitatea largă de componente semiconductoare mici și ieftine și de avansarea tehnicilor de analizare a undei de puls prin intermediul calculatoarelor.

Forma de bază a fotopletismografiei are nevoie de doar câteva componente opto-electronice: o sursă de lumină pentru iluminarea țesutului și un fotodetector să măsoare micile variații în intesitatea luminii.

Tehnologia fotopletismografică a fost folosită într-o gamă largă de dispozitive medicale comerciale pentru măsurarea saturației oxigenului, a presiunii sanguine și a debitului cardiac, evaluând functia autonomă și totodată detectând boli ale sistemului vascular periferic.

Secțiunile introductive descriu principiul de bază al activității și interacțiunii luminii cu țesutul, instrumentația, protocolul de măsură și analiza de undă a pulsului.

2.1 Forma de undă fotopletismografică

Componenta pulsativă a formei de undă fotopletismografică de curent alternativ are o frecvența fundamentală, tipic în jurul valorii de 1 Hz, depinzând de ritmul cardiac (Figura 2.1.). Această componentă de curent alternativ este suprapusă pe o componentă mai mare de curent continuu care este legată de țesutul analizat și volumul de sânge obișnuit.

Componenta de curent continuu variază încet datorită respirației, activității vasomotorii și a undelor vasoconstrictorii, undelor Traube Hering Mayer și deasemenea datorită termoreglării. Cu o filtrare și amplificare electronică adecvată atât componenta de curent alternativ cât și cea de curent continuu pot fi extrase pentru analize de undă ulterioare.[1]

2.2 Considerații optice ale originii formei de undă fotopletismografice

Interacțiunea luminii cu țesutul este un fenomen complex și include procese optice de dispersie, absorbție, reflexie, transmisie și fluorescență. Câțiva cercetători au investigat procesele optice care au o relație cu fotopletismografia, punând accent pe factori cheie care afectează cantitatea de lumină receptată de fotodetector: volumul de sânge, miscarea peretelui vascular și orientarea globulelor rosii. Efectul de orientare a fost demonstrat înregistrând formele de undă pulsatile din pulpa dentală într-un tub de sticlă unde schimbările de volum ar trebui să fie imposibile, iar mai recent de către Näslund care a detectat forme de undă pulsatile în oase.[2]

Înregistrările pulsului au o relație directă cu perfuzia, iar cu cât este mai mare volumul sângelui cu atât lumina este mai atenuată. Cu toate acestea, încercări de cuantificare ale amplitudinii pulsului au fost un succes pe scară largă.

Lungimea de undă a radiației optice este deasemenea o interactiune țesut-lumină foarte importantă, fiind exemplificată prin trei motive principale:

Fereastra optică de apă: principalul element din compoziția țesutului este apa care absoarbe lumina foarte puternic în ultraviolet și în lungimi de undă infraroșii mai mari. Cu cât este mai scurtă lungimea de undă a luminii cu atât este mai profund absorbită de melanină. Există de altfel, o fereastră în spectrul de absorbție care permite luminii vizibile și aproape infraroșie să treacă mult mai usor, permițând facilizarea măsurării fluxului sanguin sau a volumului la aceste lungimi de undă. Astfel, lungimile de unda roșii sau aproape infraroșii sunt adeseori folosite ca surse de lumină pentru fotopletismografie.

Lungimea de undă de egală-stingere(isobestic): diferențe semnificative există în absorbția între oxihemoglobină(HbO2) și hemoglobina (Hb) redusăexceptând lungimile de undă egală-stingere. Pentru măsurătorile efectuate la lungimi de undă de egală-stingere semnalul nu ar trebui să fie foarte mult afectat de schimbările de saturație a oxigenului din sânge.

Adâncimea penetrării țesutului: adâncimea la care lumina penetrează țesutul pentru o intensitate de radiație optică anume depinzând de lungimea de undă la care operează.[1]

În fotopletismografie volumul de prindere, depinzând de modelul de probă, poate fi de ordinul 1 cm3 pentru sistemele transmisiilor de mod. Poate furniza și informații despre nutriția sanguinăînspre capilare și despre fluxul sanguin termoregulator prin vasele arerio-venoase anastamozei (comunicație naturală sau artificială între două vase sangvine) de șunt.

Figura 2.1 Componenta pulsativă de curent alternativ a semnalului fotopletismografic(PPG) corespunzător electrocardiogramei(ECG). [1]

În Figura 2.1 componenta alternativă este defapt suprapusă peste o componentă de curent continuu mult mai mare care reprezintă legătura dintre țesut și volumul de sânge. Se ilustrează atenuarea crescută de lumină asociată cu creșterea volumului sanguin microvascular cu fiecare bătaie a inimii. În practică, forma de undă fotopletismografică este adesea inversată.

2.3 Instrumentația fotopletismografică

Senzorii moderni PPG folosesc adesea tehnologia semiconductorilor de cost redus cu LED-uri și fotodetectori potriviți pentru acestia care lucreză la lungimi de undă roșii și/sau aproape infraroșii (banda aproape infraroșie între 0.8 – 1 µm).

Alegerea sursei de lumină este foarte importantă. LED-urile convertesc energia electrică în energie luminoasă având o lățime de bandă foarte îngustă (tipic 50 nm). Sunt compacți, au o viață de operare foarte lungă, lucrează intr-o plajă de temperaturi foarte largă cu schimbări mici în lungimile de undă emise la vârfuri și sunt robuști din punct de vedere mecanic și foate fiabili. Intesitatea medie a LED-ului trebuie să fie constantă și preferabil suficient de mică pentru a minimiza excesul local de încălzire a țesutului și deasemenea pentru a reduce riscul hazardului radiației de non-ionizare.

Și selecționarea fotodetectorului este foarte importantă, caracteristicile spectrale ale acestuia trebuie să corespundă cu cele ale sursei de lumină. Un fotodetector transformă energia luminoasă într-un curent electric. Ei sunt compacți, au costuri reduse și timpuri de răspuns rapide. Dispozitivele aproape infraroșii pot fi încastrate cu filtre de lumină de zi. Fotodetectorul se conectează la un circuit electronic cu zgomot mic care include un amplificator de transimpedanță și circuite de filtrare.

Un filtru trece sus reduce mărimea componentei dominante de curent continuu și activează pulsațiile componentei de curent alternativ pentru a fi crescute la un nivel nominal de 1 V vârf-la-vârf. Circuitele de filtrare trebuie alese cu atenție deoarece sunt necesare pentru a înlocui zgomotul produs de frecvențele înnalte nedorite. Figura 2.2 (a) arată transimpedanța modelului cu amplificator iar (b) arată stagiile de condiționare a semnalului care îl înconjoară, incluzând filtrarea cu un filtru trece jos, cu un filtru trece sus, amplificare ulterioară, inversia și interfațațarea semanlului.

Figura 2.2 Blocurile electronice folosite într-un sistem tipic de măsurare fotopletismografic.[1]

În Figura 2.2 (a) reprezintă un amplificator de transimpedanță în stagii (curent-la-tensiune) care transformă intesitatea luminii de la fotodiodă într-o tensiune de iesire amplificată ( V = I × R, câstigul de transimpedanță propoțional cu feedback-ul dat de valoarea rezistenței R), iar (b) stagiile de condiționare ale semnalului care înconjoară amplificatorul de transimpedantă incluzând un filtru trece jos, un filtru trece sus și amplificare ulterioră, inversia și interfațare semnalului. Componenta de curent alternativ și o masură din componenta de curent continuu sunt disponibile pentru analiza undei de puls.

Alegerea unui filtru trece sus cu frecvență de tăiere este foate importantă și este adesea un compromis de proiect; filtrare excesivă poate deforma forma pulsului dar prea puțină filtrare poate rezulta în dominarea componentei de curent continuu peste pulsul de curent alternativ.

Sunt două configurații operaționale principale ale fotopletismografiei: modul operațional de transmitere (‘trans-ilumimarea’) în care mostra de țesut este plasată între sursă și detector. Al doilea este modul operațional de reflexie unde LED-ul și detectorul sunt plasate una lângă cealaltă. Bineînțeles, modul transmisiei PPG are mai multe restricții decât cel de reflexie acesta fiind constrâns de locul unde poate fi plasat pe corp. Proba fotopletismografică trebuie fixată în loc pentru a minimiza artefactul generat de miscarea țesut-probă. Sunt și alte artefacte care trebuie luate în considerare în această tehnologie de măsurat.

De exemplu, aretefacte pot apărea de la interferența cu lumina ambientală, dar pot fi reduse prin cateva metode: printr-o fixarea adecvată a probei de piele ( ex. folosindu-se o manșetă Velcro neagră), prin umbrirea adițională a zonei de studiu și efectuarea de măsurători într-o lumină discretă și prin filtrarea electronică.

Cele mai numeroase studii fotopletismografice au fost efectuate pe lobul urechii sau pe deget unde pulsul poate fi detectat cu ușurință, dar numeroase alte zone sunt disponibile pentru evaluări vasculare precum artera supraorbitală, care este localizată deasupra fiecărui ochi și deasemenea și zonele din preajma punctelor arteriale majore.

2.4 Protocolul de măsură și roproductibilitatea

Reproductibilitatea este foarte importantă în măsurările fiziologice clinice, de exemplu pentru a da încredere în detectarea unui răspuns semnificativ în terapie. Numeroși factori afectează reproducitibilitatea, incluzând metoda de prindere pe țesut, presiunea interfeței probă-țesut, lățimea de bandă a amplificatorului, minimizarea mișcării artefactului, postura și relaxarea subiectului, respirația, temperatura camerei și aclimatizarea.

Cu toate acestea, pâna acum, nu sunt standarde internaționale pentru măsuratori PPG clinice. Cercetările publicate tind să fie bazate pe studii care folosesc tehnologii și protocoluri destul de diferite, limitând astfel usurința cu care măsurătorile fizice fotopletismografice pot fi reproduse între centrele de cercetare.

Sunt un număr limitat de studii care cuantifică repetabilitatea sau reproductivitatea măsurătorilor PPG. Un studiu important de Jago si Murray a fost realizat pentru a adresa încertitudinea în măsurătorile PPG pentru un grup de subiecți adulți sănătoși. Au studiat repetabilitatea tranzitului pulsului fotopletismografic în timp (PTT) cu măsurători efectuate de la lobul urechii, degetul de la mână și de la picior, ambele în sesiune și între sesiuni ținute în zile separate. Studiile au arătat importanța controlării factorilor precum postura, temperatura ambientală, relaxarea și aclimatizarea. [3]

Măsurătorile bilaterale s-au dovedit a fi mai repetitive decât cele individuale din moment ce factori precum ritmul cardiac, respirația si tensiunea tind să afecteze ambele parți ale corpului simultan, fenomen ilustrat în Figura 2.3:

Figura 2.3 Fotopletismografie multi-bilaterală. [1]

În Figura 2.3 (a) este ilustrată o privire de ansamblu asupra unui sistem de măsură și analiză PPG cu șase canale, dând astfel posibilitatea comparării pulsului între partea dreaptă și stângă a corpului și între zonele capului si ale picioarelor.(b) un exemplu de înregistrare realizat pe lobul urechii stângi și drepte, degetele index și degetele mari ale unui subiect sănătos. Există o similaritate a caracteristicilor pulsului în partea stângă și dreaptă a corpului dar deasemenea sunt și diferențe clare între zonele de măsură proximale si distale. Cu toate acestea, gradul de asemănare între partea dreptă și stângă a componentelor înnalte și joase ale formei de undă PPG pot fi reduse la pacienții cu boli vasculare sau la cei cu disfuncții autonome.

2.5 Caracterizarea și analiza undei de puls fotopletismografică

2.5.1 Caracterizarea undei de puls

Două caracteristici importante ale componentei alternative ilustrând forma de undă a pulsului a fost descrisă de către Hertzman si Spealman. Apariția pulsului a fost descrisă prin două faze: faza anacrotic-ăfiind marginea ascendentă a pulsului iar cea catacrotic-ă fiind marginea descendentă a pulsului. Prima fază este în principal atribuită sistolei, iar cea de a doua diastolei și reflecțiilor de la periferice. O denivelare dicrotică este deobicei vazută în faza catacrotic-ă la subiecții cu artere sănătoase.

Este util să avem în vedere presiunea sanguină și propagarea acesteia prin arterele individuale. Unda pulsului de presiune este cunoscută ca având schimbări în formă în timpul în care se deplasează spre periferice și trece prin amplificări și alterări ale formei și a caracteristicilor temporale. Se crede că aceste schimbări sunt datorate în principal reflexiei undei de puls și a îngustării arterelor din zona periferică.

Pulsul tensiunii sanguine are similarități cu pulsul volumului PPG, cu schimbări similare care apar în cazul unor boli vasculare, cum ar fi amortizarea și pierderea pulsivității. Amortizarea a fost asociată cu o reducere în conformitatea vaselor și a rezistenței periferice, cu toate că aceste schimbări nu sunt înca explicate în totalitate.

Potențialul evaluării bolilor vasculare cu ajutorul fotopletismogarifiei a fost recunoscut cu multe decade în urmă. Din literatură, multe caracteristici au fost investigate (Figura 2.4), încluzând timpul de înnălțare PPG puls-la-puls, amplitudinea, forma și variația în toate acestea. Forma pulsului poate fi descrisă după normalizareaîn lățimea și înnăltimea pulsului.

2.5.2 Analizarea undei de puls

Măsurarea manuală și tehnicile de extracție a caracteristicilor erau foate folosite în zilele timpurii ale analizei undei de puls, folosind-se tehnici variate precum hârtia de înregistrare a diagramelor și un liniar sau o bandă fotografică magnetică sau de înregistrat. Dezvoltările recente în tehnologia de calcul și în cea a uneltelor de analiză software au permis pre- și post-procesarea sofisticată a formelor de undă fizice.

Este foarte clar că măsurătorile fotopletismografice sunt foarte sensibile la artefactele de miscare a pacientului și/sau a probei precum a fost ilustrat în Figura 2.5. Detectarea automată a miscărilor acestori tipuri de artefacte și obținerea de înregistrări de calitate superioară este un exercițiu complex în procesarea semnalului pe calculator. Filtrare realizată pe calculator, extragerea caracteristicilor și calcularea mediei formei de undă au fost implementate deasemenea în analiza undei pulsului fotopletismografic.

2.6 Aplicații clinice

Fotopletismografia a fost aplicată în numeroase imprejurări clinice, incluzând monitorizarea fiziologică clinică (nivelul saturației al oxigenului din sânge, ritmul cardiac, presiunea sanguină, debitul cardiac și respirator), evaluare vasculară (boli arteriale, conformitatea arterială și îmbătrânirea acesteia, evaluarea venoasă), funcții autonome (funcția vasomotoare și de termoreglare, variabilitatea presiunii sângelui și a ritmului cardiac).

Figura 2.4 Caracterizarea sincronizării pulsului fotopletismografic, amplitudinea și caracteristicile formei. [1]

În (a) sunt reprezentate secțiuni importante ale pulsului care pot fi indentificate automat folosind un calculator de analiză a undei de puls pentru a reda timpul de tranzit a pulsului la piciorul acestuia (PTTf), timpul de tranzit la vârful pulsului (PTTp), și amplitudinea picior-la-vârf (AMP). Zonele importante ale pulsului pot fi utilizate pentru a calcula conturul pulsului normalizat. Exemplele de contur sunt redate in (b) pentru doi subiecți sănătoși.

Figura 2.5 Exemple ale tipurilor de artefacte de măsură și de extreme în variațiile fizice care pot fi văzute în măsurătorile fotopletismografice. [1]

Fiecare măsurătoare este realizată în zona degetului index pe o periodă de 1 min, evenimentele fizice sau artefactele fiind marcate.

(a) un artefact care ilustrează o miscare majoră sau o smucitură a cablului care durează aproximativ 15 s;

(b) Tremuratul mâinii sau a degetului;

(c) o criză de tusă;

(d) modificări marcate în tiparul respirației (o inspirare adâncă sau un căscat). Aceste tipuri de artefacte și schimbări fizilogice trebuie considerate în protocolul de măsură și analizarea ulterioară a pulsului.

2.6.1Saturația oxigenului din sânge

Oximetria sângelui reprezintă una dintre cele mai importante avansuri în monitorizarea pacientului din ultimele decade. Utilizează măsurători fotopletismografice pentru a primii informații de la saturația oxigenului din sângele arterial și deasemenea și pentru ritmul cardiac. Are aplicații pe scară largă în diferite imprejurări clinice, spitale, ambulatorii, medicină sportivă, utilizare la domiciliu și clinici veterinare. În 1990 a devenit standard madatoriu pentru monitorizarea pacientului în timpul anesteziei.

Oxigenarea capilarelor periferice (SpO2 ), poate fi determinată prin iluminarea cu lumină roșie sau aproape infraroșie prin țesuturile vasculare, cu schimbări bruște între lungimile de undă. Amplitudinile semanlului componentei de curent alternativ a undelor roșii și aproape infraroșii sunt sensibile la schimbările în SpO2 datorate diferenței de absorbție a oxihemoglobinei (HbO2 ) și hemoglobinei (Hb) la aceste două lungimi de undă. Din raportul amplitudinii și din componenta de curent continuu fotopletismografică, poate fi estimată saturația. Acest proces utilizează deobicei un factor de calibrare derivat. Se presupune că rezultatul componentei pulsatile este provenit doar din schimbările de volum arterial corespunzător fiecărei bătaie de inimă. Algoritmi avansați au fost concepuți pentru a depășii problema artefactelor generate de miscări care afectau autenticitatea măsurătorilor.

2.6.2 Ritmul cardiac

Acesta este un parametru fiziologic important în numeroase imprejurări clinice, încluzând spitale și ambulatoriile. Componenta de curent alternativ a pulsului PPG este sincronă cu bătăile inimii și astfel poate furniza informații despre ritmul cardiac. Principala problemă care scade încrederea în acest parametru este constituită de artefactele de miscare sau de aritmia cardiacă.

Algoritmi de procesare au fost investigați pentru a creste încrederea detecției ritmului cardiac. Acestia includ filtrări digitale și detectare la trecerea prin zero pentru a separa ritmul cardiac și componentele respiratorii din semnalul fotopletismografic. Algoritmi mai sofisticați au fost aplicați pentru pentru a extrage informații despre ritmul cardiac, încluzându-se tehnici de timp-frecvență bazate pe netezirea distribuției Wigner Ville. Acuratețea măsurătorilor ritmului cardiac au fost evaluate prin compararea cu pulsul obținut de la mâna studiată în repaus sau în curs de efectuare de mișcări controlate, pulsul fiind măsurat de la mâna de referință contralaterală și staționară. O abordare în timp și frecvență a ilustrat o îmbunătățire majoră față de abordările tradiționale (media ponderată a miscărilor (WMA) și transformata Fourier rapidă (FFT)) pentru măsurătorile efectuate în timpul îndoirii degetului. Rata erorilor de puls a fost redusă la 6 bătai pe minut (bpm) în comparație cu 16 bpm pentru WMA și 11 bpm pentru FFT.

2.6.3 Tensiunea arterială

Aceasta este deasemenea un parametru clinic foarte important pentru măsurători. Exemplele includ urmărirea tensiunii arteriale puls-la-puls în studiile funcțiilor autonome și tensiunea arterială a membrelor pentru studiile bolilor vasculare. Câteva abordări pentru măsurătorile fotopletismografice au fost descrise în literatură și în paragrafele care urmează.

FinapresTM (din engleză, FINger Arterial PRESure) tehnologie care a fost introdusă în anii 1980 permițând măsurarea formei de undă a tensiunii arteriale de la deget pe un fundament continuu puls-la-puls. Această metodă este bazată pe descărcarea dinamică vasculară în pereții arteriali ai degetului prin folosirea unei manșete inflamabile pentru deget cu un senzor fotopletismografic încoporat în aceasta. Principala aplicație clinică pentru această tehnologie este monitorizarea sub anestezie și evaluarea funcțiilor autonome. Acest sistem nu mai este valabil comercial.

Măsurători surogate pulsatile a tensiunii arteriale au fost investigate deasemenea, încluzând urmărirea schimbărilor puls-la-puls în tensiune folosindu-se PTT-ul. Acesta este calculat deobicei pentru unda ECG R la piciorul pulsului PPG cu toate că uneori unda Q sau o fracțiune a timpului de ridicare al pulsului este selectat ca un punct de referință în timp.

Măsurători non-invazive ale tensiunii ateriale sunt adeseori folosite în evaluarea a bolilor vasculare periferice, pentru calcularea indexului de presiune brahială a gleznei. Tensiunea membrelor este tradițional măsurată folosindu-se ultrasunete Doppler, cu toate acestea, este relativ costisitor în comparație cu fotopletismografia și este nevoie de gel de cuplare acustică. Tensiunea arterială sistolică (SBP) a fost măsurată deasemenea cu fotopletismografie și manșete pentru încheietura mâinii sau pentru glezna piciorului.

Măsurători la nivelul gleznei pentru tensiune arterială prin intermediul manșetelor nu sunt întotdeauna posibile datorită rigidității arteriale, de exemplu la pacienții cu boli renale avansate sau diabet zaharat. Tensiunea poate fi măsurată cu ajutorul unei probe PPG atașată distal la o ocluzie a manșetei de tensiune, gasindu-se o agreere bună între fotopletismografia cu ecartament (urma lăsată de senzor pe piele) tensionat și tehnici Doppler cu ultrasunet. Măsurători de tensiune arterială realizate la degetul mare de la picior bazate pe fotopletismografie au fost folosite ca și standard pentru validarea noilor abordări optice în măsurătorile digitale ale tensiunii arteriale, incluzând-se metodele bazate pe fluxmetria cu laser Doppler.

Figura 2.6 Sisteme de evaluare cardiovasculară incorporând tehnologi de măsurare non-invazive, puls-la-puls bazate pe fotopletismografie.[1]

Acestă metodă de măsurare reprenzentă în Figura 2.6 a tensiunii arteriale este bazată pe dezvoltarea descărcării dinamice vasculare ai pereților arteriali din deget folosindu-se o manșetă gonflabilă pentru deget cu un senzor fotopletismografic încorporat. În (a) este ilustrat un pacient montat cu manșete de tensiune arterială cu probe PPG duale pentru deget,unitate de intefațare pneumatică și electrică de procesare și condiționare a semnalului pentru semnale fizice: tensiunea arterială, ECG, cardiografie prin impedanță; (b) o schemă care demonstrează importanța și complexitatea intregului ansamblu al sistemului de măsură.

2.6.3 Debitul cardiac

Pentru un adult sănătos în repaus volumul de sănge pompat de către inimă este de aproximativ 5 litri pe minut dar poate fluctua la pacienții cu boli cardiovasculare. Se poate măsura cu acuratețe, este fiabil și non-invaziv fiind astfel un parametru foarte important clinic. Totuși este înca discutabil în literatura de specialitate cu privință la acuratețea acestuia dacă este redat de o evaluare fotopletismografică.

Volumul de cursă poate fi estimat din analiza conturului pulsului derivat din PPG pe o bază puls-la-puls (unde debitul cardiac = volumul de cursă înmulțit cu ritmul cardiac). Mai multe metode au fost explorate incluzând Metoda Analitică de Înregistrare a presiunii (din engleză, Pressure Recording Analytical Method sau PRAM), și metoda ModelFlowTM. PRAM a fost comparată cu standardul de aur Fick de oxigen-direct și medote de termodiluare pentru ca tehnica să fie validată ca monitorizare non-ivazivă a debitului cardiac. Metoda ModelFlowTM de estimare a volumului de cursă utilizează modelul de trei elemente neadaptive WIndkessel pentru a mima proprietăți specifice a întrarii de inpedanță aortică, conformitate Windkessel și rezistență periferică.

2.6.4 Rata Respiratorie

Monitorizarea fizilogică a intervalului de respirație (rata respiratorie) este important în numeroase imprejurări clinice, incluzând în monitorizarea critică, neonatală și în evaluări ale somnului și anestezicelor. Respirația cauzează variații ale circulației periferice, făcând posibilă monitorizarea respirației prin folosirea unui senzor fotopletismografic atașat pielii. Intensitatea variațiilor respirator-induse de frevență joasă(RIIV) în semnalul PPG au fost intens documentate. Este considerat ca RIIV includ contribuții de la circulația venoasă înapoi spre inimă cauzată de alterații în presiunea intra-toracică și deasemenea schimbări în controlul tonului simpatic al vaselor de sânge din stratul cutanat.

Un studiu realizat de Johansson și Öberg în care un semnal RIIV a fost extras digital din măsurători fotopletismografice realizate la nivelul antebrațului și comparat cu măsurători invazive a tensiunii arteriale venoase și deasemenea cu volumul inspirat calibrat. Algorimul de extracție a fost centrat pe un filtru trece bandă. O corelație mare a fost obținută între formele de undă pentru voluntarii sănătoși, cu toate că o măsurătoare absolută a volumului respirator nu a putut fi posibilă. [4]

Schimbări în caracteriscile de sincronizare a pulsului cu respirația au fost investigate. Acestea includ folosirea PTT-ului în urmărirea excitării în cazul apneei (oprirea voluntară sau involuntară a respirației în timpul somnului) obstructive în timpul somnului, ducând la o tehnică de măsurarea non-invazivă a respirației pentru pacienții cu tulburări de respirație cauzate în timpul somnului. Respirația realizată lent și inspirații adânci în testarea funcției autonome pot introduce deasemenea schimbări semnificate în PTT.

Figura 2.7 Caracteristicile fotopletismografice în timpul unui exercițiu de respirație lentă. [1]

În (a) schimbările puls-la-puls în timpul de tranzit al pulsului și un interval ECG, (b) o sumarizare a analizei datelor colectate de la 15 indivizi sănătoși. Timpul de tranzit al pulsului rămâne în urmă față de schimbările în interfvalul RR cu un offset de 3.2 bătăi de inimă.

Figura 2.8 Carateristicile fotopletismografice la o manevră de inspirare adâncă. [1]

Intra-relația reprezentată în Figura 2.8. între adâncitură și schimbările puls-la-puls în timpul de tranzit al pulsului și amplitudinea picior-la-vârf pot fi studiate. Reducerile introduse de adâncitură pot fi văzute clar dealungul variațiilor corelate cu respirația atât înainte cât și după recuperarea inspirării. Relația dinamică între temperatura platformei degetului și caracteristicile de sicronizare a pulsului și amplitudinii pot beneficia de mai multe investigații.

2.7 Evaluări vasculare

2.7.1 Boli arteriale

În circulația preriferică arteroscleroza de severitate crescută poate duce la dureri de picior progresive induse de miscare, durere de repaus și avarii ale țesutului sub forma ulcerațiilor ischemice (cauzate de intrerupera circulației sangvine intr-un țesut sau organ) sau cangrene.

Arteroscleroza este numită deasemenea o boală periferică de ocluzie (PAOD) a cărei răspândire creste odată cu vârsta, în special după al patrulea sau al cincelea deceniu de viață. PAOD este asociată și cu riscul crescut de boli ale aretelor coronare putțnd cauza și atac cerebral, și chiar și formele mai ușoare de PAOD pot interfera semnificativ cu modul de viață al pacienților. Astfel este important să fie stabilită o cauză exactă a simptomelor din moment ce alte condiții cum ar fi afecțiunile musculo-scheletice/spinale și bolile venoase pot produce si simptomele claudicației (șchiopătării).

Detecția afecțiunilor cu fotopletismografia este posibilă deoarece pulsul periferic devine deobicei atenuat, întârziat și diminuat cu cresterea severității afecțiunii vasculare. Figura 2.9 arată neasemănarea între pulsul de degetul mare de la piciorul stăng si drept la un pacient cu afecțiuni arteriale. Majoritatea lucrărilor publicate pun accent pe utilitatea fotopletismografiei pentru detectarea afecțiunilor membrele inferioare.

Figura 2.9 Ilustrarea unei măsurători multi-bilaterale fotopletismografice la un pacient cu afecțiune oculsivă la membrele inferioare. [1]

Pulsurile sunt repreznetate în Figura 2.9 pentru lobul urechii drepte și a celei stângi, degetul index și de la degetul mare de la picior pe o perioadă de câteva secunde. Arată atenuarea, întârziera relativă între picioare și reducerea amplitudinii pentru pulsul de la piciorul afectat. Similaritatea clară bilaterală a pulsului preluat de la lobul urechii si de la degete este consistentă deoarece nu sunt afecțiuni semnificative în aceste zone.

2.7.2 Conformitatea arterială și imbătrânirea

Procesul de întărire (rigidizare) a arterelor începe să apară după primul sau al doilea deceniu de viată la subiecții sănătoși și poate fi accelerat de condiții medicale cum ar fi afecțiuni renale sau din cauza diabetului zaharat. Evaluarea obiectivă a îmbătrânirii vasculare este foarte importantă din moment ce rigiditatea arterială este asociată cu hipertensiunea, un factor de risc pentru atacul cerebral și pentru afecțiuni ale inimii.

Cu căt este mai rigidă artera cu atat pulsul va trece mai repede prin ea la capilare, exemplu redat de velocitatea undei de puls (PWV). Prin urmare augumentarea presiunii undei pulsului de înnaintare cauzată de întoarcerea undei reflectate este o altă caracteristică importantă care poate fi descoperită la pacienții cu rigiditate arterială. Aceste fenomene în corelație cu vârsta pot fi explorate prin investigarea pulsului fotopletismografic și a caracteristicilor formei și sincronizării.

În general, timpul de tranzit al pulsului (PTT) este invers proporțional cu velocitatea undei de puls. Cu toate acestea, timpul de tranzit al pulsului înclude timpul undei ECG QRS, explicată în Figura 2.10,la evacuarea sângelui din ventriculul stâng. Totusi a fost acceptată ca și o metodă surogată și non-invazivă de măsurare a conformității arteriale. S-a dovedit ca timpul de tranzit al pulsului scade cu vârsta la zonele de la ureche și degetele de la mâni și picioare, cel mai mare efect produs de vârstă fiind regăsit la degetul de picior. Dominanța reducerii asociate vârstei în conformitatea aortică poate explica această descoperire la degetele de la picioare.

Timpul de tranzit al pulsului între două puncte dealungul unui segment arterial poate fi folosit deasemenea pentru evaluarea rigidității arteriale. Velocitatea undei de puls a fost evaluată fiind folosite măsurători transcutanate fotopletismografice a întârzierii undei de puls între două puncte diferite dealungul unui segment arterial.

Figura 2.10 Reprezentarea schematică a unui ECG normal.[5]

Figura 2.10 prezintă un ECG tipic cu cinci deflecții. Unda Q este deflecția în jos după unda P, unda R este deflecția crescendentă iar S deflecția după unda R.

Figura 2.11 Schimbări în caracteriscicile fotopletismografice odată cu înnaintarea în vârstă. [1]

(a) timpul de tranzit al pulsului;

(b) forma normalizată a pulsului. Fiecare formă normalizată este formată pe baza datelor adunate de la 20 de subiecți. Relațiile de reducere în fucție de vârstă în timpul de tranzit al pulsului sunt cele mai mari la degetul de la picior și consistente în funcție de efectul de îmbătrânire al aortei. Triangulația usoară în fomele de undă normalizate odată cu avansarea în vârstă pot fi sesizate deasemenea.

2.8 Concluzii privind fenomenul fotopletismografic

Fotopletismografia prezintă un potențial enorm ca și modetodă non-invazivă de monitorizare biomedicală având numeroase aplicații clinice și totodată fiind folosită și la detectarea anumitor condiții vasculare.

Datorită problemelor cauzate de artefacte precum cele de miscare sau generate de unele condiții medicale precum aritmia cardiacă, de dificultăți în repetabilitate și de neîntelegerea în totalitate a formei de undă a acesteia, determină ca fotopletismografia să nu fie încă standardizată internațional.

Cu toate acestea consider că odată cu progresul în tehnologia necesară acestei stiințe, precum optimizarea LED-urilor, fotodetectorilor și amplificatoarelor de tans-impedanță folosiți, avansarea studiilor și algoritmilor formei de undă care vor permite întelegerea ei în profunzime și eliminarea sau compensarea artefactelor, vor duce la implementarea universală a fotopletismografiei în spitale și ambulatorii dar și în monitorizarea generală la domiciliu printr-o tehnologie Low Power de costuri reduse.

COPITOLUL 3. CONSIDERENTE PRIVIND MONITORIZAREA TEMPERATURII CORPULUI

Majoritatea termometrelor valabile clinic raportează temperatura oricărui țesut care este măsurat, cu acuratețe la majoritatea pacienților. Temperatura corpului trebuie măsurată la pacienții care au anestezie generală care depășeste 30 de minute și la pacienții care sunt supuși unei intervenții chirurgicale majore sub anestezie neuraxială.

Temperatura corpului centrală este în general reglată cu rigurozitate. Toate tipurile generale de anestezie produc un efect profund dependent de doza administrată care reduce temperatura centrală a corpului declanșând defensive contra frigului incluzând șunturi aretero-venoase și tremurări.

3.1 Monitorizarea temperaturii centrale și regionale, nivele de acuratețe

Temperatura corpului nu este omogenă, putând fi: adânc toracică, abdominală, a sistemului nervos central; ea fiind deobicei situată într-o gamă de la 2 la 4º mai rece decât a mâinilor și a picioarelor – iar majoritatea suprafeței pielii este mult mai rece. Spre deosebire de temperatura internă, care este regulată cu strictețe, temperatura pielii variază deosebit de mult în funcție de mediul ambiental; temperatura țesutului periferic depinde de expunera curentă la mediu, istoricul expunerii, temperatura internă și termoreglarea vasomotorie. Temperatura centralănu este în nici un caz caracterizată complect de fondul de căldură a corpului și distribuție, fiind cel mai bun indicator singular al statusului termal la oameni.

Monitorizarea temperaturii centrale (de exemplu a membranei timpanice sau a arterei pulmonare) este folosită să se monitorizeze hipotermia intraoperatorie, să prevină supraîncălzirea și să faciliteze detecția hipertermiei maligne. Deoarece aceste zone nu sunt neapărat valabile sau convenabile, o varietate de zone "aproape centrale" sunt folosite deasemenea clinic.Acestea includ gura, axila, vezica și suprafața pielii, fiecare având limitații distinctive dar pot fi folosite clinic în situații adecvate.

Ce nivel de acuratețe este necesar clinic încă nu s-a stabilit, dar o regulă generală folosită în numeroase cazuri este că inexactitatea zonei și a termometrului să nu depăsească 0.5ºC. Aceasta este bazată pe faptul că cea mai mică diferență poate fi asociată cu complicații induse de hipotermie.[26]

Temperatura pielii sau a mușchilor poate fi folosită pentru a evalua miscarea vasomotorie și să asigure validitatea monitorizării neuromusculare periferice. Temperatura muschilor este folosită în determinarea temperaturilor periferice de compartiment și a ditribuției regionale a căldurii. Atât măsurători ale temeperaturii interne cât și a pielii sunt necesare în determinarea efectelor termoregulatoare ale diferitelor medicamente anestezice și pentru estimarea mediei temperaturii corpului.

3.2 Tipuri de termometre care permit monitorizarea temperaturii centrale și regionale

Termometrele cu mercur într-o incintă de sticlă sunt lente și împovărătoare; mercurul vărsat este un hazard biologic, sticla spartă poate duce la vătămări iar curățirea cu antiseptic și reutilizarea prezintă posibilitatea apariției infecțiilor, astfel ajungându-se încet la dispariția lor din majoritatea clinicilor și spitalelor – cu toate că ramân utile pentru calibrarea în laborator a altor sisteme.

Termometrele electronice prezintă numeroase avantaje si au înlocuit în mare parte termometrele cu mercur. Cele mai comune sunt cele cu termistorii si termocuplele. Termistorii sunt semiconductorii sensibili la temperatură, iar temocuplele depind de un curent mic care este generat când două metale diferite sunt alăturate. Ambele dispozitive sunt suficient de precise pentru uzul clinic și au un preț suficient de mic pentru a fi ușor înlocuibile.

Termistorul este un dispozitiv care își schimbă rezistența în funcție de temperatură. Numeroși oxizi metalici sunt combinați cu lianți și aprinși pentru a forma un termistor. Pot avea fie un coeficient pozitiv de temperatură (PTC) al rezistenței sau unul negativ (NTC), cel negativ fiind mult mai comun.

Pentru aplicații profesionale, un termistor este așezat intr-o incită a unei sonde. Deoarece termistorii sunt în general construiți cu o toleranță de 0.1ºC, sondele sunt interschimbabile și considerate dispensabile. Pentru utilizarea la domiciliu termistorul poate fi integrat într-o incintă de plastic, reducăndu-se astfel costurile.

Numeroși termistori cu sau fără terminale sunt reprezentați în Figura 1. Cei mai mici pot măsura doar câteva zecimi dintr-un milimetru, au timp de reacție foarte mic și pot avea o acuratețe de 0.1ºC. Unele companii oferă termistori NTC interschimbabili care pot fi incorporați într-un caterer sau ac. O sondă atât de mică îmbunătățește abilitățile chirurgului de control asupra cantității de căldură aplicată pentru a reduce vătămarea celulelor aflate în proximitate.

Termistorii sunt dispozitive non-liniare ultilizate pe scală largă în numeroase aplicații de măsurare a temperaturii datorită stabilității, acurateței și costurilor mici prezentate de acestia. Totodată, fiind neliniari, tensiunea care cade pe acestia sau curentul care trece prin ei trebuie să fie liniarizat printr-o metodă pentru a putea fi derivat intr-o temperatură corespunzătoare. Problema poate fi apreciată prin luarea în considerare a ecuației standard folosită de majoritatea producătorilor:

RT=RT0exp (3.1)

unde: RT = rezistența la temperatură (T)

RT0 = rezistența la temperatura de calibrare, deobicei la 0ºC sau 273.15ºC

β = panta termistorului caracterizată de R-T.

Figura 3.1 Termistori de diferite mărimi.[7]

Senzorii cu infraroșu sunt alt tip de termometru care a devenit popular în ultima decadă. Funcționează prin evaluarea energiei infraroșii emisă de toate suprafețele care au peste zero grade absolut. În consecință pot fi folosite fară a atinge pielea măsurată. Aceste termometre sunt precise și au preț relativ mic. Modelele clinice pot măsura temperatura suprefeței pielii cu o precizie de o zecime de grad.

Când măsurătorile infraroșii sunt obținute de pe membrana timpanică rezultatul este temperatura centrală. Cu toate acestea aproape toate sistemele valabile sunt prea mari să încapă mai mult de câțiva milimetrii în canalul auditiv, nereușind astfel să ajungă destul de aproape de membrana timpanică pentru a putea măsura temperatura de pe suprafața acesteia.

Cum sunt folosite în mod normal, direcționate pe canalul auditiv sau lângă artera temporală, sistemele cu infraroșu sunt insuficient de precise pentru a putea fi folosite clinic, fapt fiind ilustrat și înFigura 3.2:

Figura 3.2 Diferența între o termocuplă de membrană timpanică și temperatura canalului auditiv măsurată de un termometru cu infraroșu Quickthermo. Diferența mediată între temperatura centrală și cea furnizată de termometrul cu infraroșu a fost de 1.1ºC. Trei alte termometre cu infraroșu au fost evaluate, dar niciunul nu a fost destul de precis pentru uzul clinic (SD = deviație de standard).[6]

3.3 Monitorizarea temperaturii și complicațiile induse în absența acesteia

Monitorizarea temperaturi centrale este recomandată în majoritatea anesteziilor generale pentru a facilita atât detecția hipertermiei maligne cât și a hipotermiei. Hipertemia malignă este cel mai optim detectată de tahicardie (accelerarea bătăilor inimii) și de o creștere la final de flux a PCO2-ului (presiunea parțială a dioxidului de carbon) la o proporție dintr-o ventilație pe minut. Cu toate că o creștere a temperaturii interne nu este singurul semn al hipertermiei maligne, ajută cu certitudine la diagnosticare.

Mult mai comună decât hipertermia malignă este hipertemia intraoperativă având alte etiologii încluzând încălzire excesivă, febră infecțioasă, sânge în al patrulea ventricul celebral și transfuzii nepotrivite de sânge. Deoarece hipertermia are numeroase etiologii severe, oricare hipertemie perioperatorie are nevoie de atenție în diagnosticare.

Cea mai comună tulburare perioperatorie este făra discuție hipotermia. Studii de perspectivă au arătat că si o hipotermie ușoară poate cauza numeroase complicații adverse. Complicații induse de hipotermie pot duce la: rezulate morbide miocardice secundare, infecții ale rănilor chirurgicale, coagulopatie(sindrom hemoragic datorat tulburărilor de coagulare a sângelui), cresterea transfuziilor alogenice, echilibru negativ al nitrogenului, întârziere a vindecării rănilor, prelungirea spitalizării, tremurări și disconfort al pacientului.

Cauza majoră la majoritatea pacienților cu hipotermiei cauzată în timpul anesteziei generale este dată de redistribuirea temperaturii centrale spre periferice reducându-se astfel temperatura internă cu aproximativ 0.5-1.5ºC în prima jumătate de oră de la inducerea anesteziei. Hipotermia este rezultatul redistribuirii căldurii interne și a altor factori a căror împortanță în funcție de pacient este greu de precizat. Perturbări ale temperaturii centrale în primele 30 de minute de anestezie sunt dificil de interpretat și deobicei măsurătorile nu sunt necesare. Temperatura corpului trebuie monitorizată la majoritatea pacienților aflați sub anestezie generală mai mult de 30 de minute și la toți pacienții a căror intervenție chirurgicală durează mai mult de o oră. Astfel măsurarea temperaturii corpului a devenit un standard esențial prentu anestezia generală prelungită, în special pentru operații majore unde riscul hipotermiei este major.

Hipotermia, datorată în general redistribuirii călduri centrale spre periferice este comună în timpul anesteziei epidermice și spinale putând fi la fel de severă ca și în cazul anesteziei generale. Deoarece anestezia neruaxială deteriorează răspunsul termoregulator, pacienții și medicii sunt adeseori necostienți de faptul că hipotermia s-a dezvoltat. Din această cauză temperatura centrală trebuie măsurată în timpul anesteziei regionale la pacienții predispuși la hipotermie, fiind incluși și cei aflați sub o intervenție chirurgicală intr-o cavitate a corpului.

3.4 Concluzii privind monitorizarea temperaturii corpului

Monitorizarea temperaturii pare un lucru trivial la prima vedere, fapt ce nu poate fi mai fals. Standardele impuse pentru aceasta sunt necesare pentru evitarea complicațiilor majore ce pot apărea în timpul anesteziei generale, neuraxiale sau în timpul intervențiilor operatorii.

Desi temperatura centrală este cel mai bun indicator al statusului termal uman, acesta poate fi măsurată cu acuratețe doar de pe membrana timpanică, esofagul distal și sub circumstanțe adecvate poate fi estimată din gură sau axilă. Acestea fiind metode oarecum invazive sau neconfortabile nu pot fi abordate în acest proiect bazat pe metode non-invazive.

Se va alege monitorizarea temperaturii periferice cu un senzor de temperatură cu o rezoluție ridicată, care sa poată reda variații mici în temperatură, compensând astfel inexactitatea recomandată a zonei și a termometrului de 0.5ºC.

CAPITOLUL4. TEHNOLOGIA LOW POWER ȘI COMPONENTE LOW POWER

În subcapitolele care vor urma se va urmării câteva tehnici de reducere a consumului de energie, în special al puterii dinamice și al curentului de scurgere. Se vor prezenta diverse tehnici de administrare a energiei precum suprimarea fascicului de ceas, optimizarea multi-Vth, multi tensiuni și suprimarea fascicului de energie.

Se vor analiza componente și dispozitive folosite în proiect care lucrează în domeniul Low Power; punându-se accent pe tensiunea de alimentare, pe tehnicile de reducere a consumului de energie, pe schemele bloc și electronice pentru determinarea modului de funcționare, a protocolurilor de comunicare pe care le suportă și aplicațiile tipice prin care pot fi implementate în proiect.

4.1 Analiza tehnologiei low power din perspectiva consumului de energie

Atât companiile cât și tehnologiile de proces au adus puterea în fața tuturor factorilor care constrâng proiectarea electronică. Cererea tot mai mare pentru performanță înnaltă, operare pe baterii, sisteme pe-cip în comunicații și calculatoare au schimbat concentrarea de pe constrângerile tradiționale, cum a fi zona, performanța, costul si fiabilitatea la cunsumul de energie. La fel de important, cu toate că nu atât de evident, este necesitatea de a reduce energia consumată pentru sistemele ne-portabile, cum ar fi stațiile de bază, unde căldura disipată si cunsumul de energie sunt factori critici.

La noduri de proces mai mici de 100 nm, consumul de energie datorat scurgerilor (pierderilor de energie statică) s-a alăturat activităților de comutare (consumul de putere dinamică) ca o principală îngrijorare de administrare a puterii. S-a raportat faptul că pierderile constituie peste 40% din cheltuielile de energie la nodurile de 65 nm. Dependența pătratică a scurgerilor de energie la un tranzistor complect fac ca optimizarea scurgerilor sa fie o proiecare mandatorie. Prin urmare, proiectanții și-au redirecționat eforturile spre explorarea de tehnici variate care reduc scurgerile, si astfel, cresc viața bateriilor în produsul final.

Consumul de energie poate fi împărțit în două unități:

Puterea dinamică – cea care este consumată de un dispozitiv cănd acesta schimbă activ dintr-o stare în alta. Aceasta constă din energie de comutare, consumată când sunt încărcate si descărcate sarcinile de pe un dispozitiv și din puterea internă consumată în timpul încărcării dispozitivului.

Figura4.1 Energia statică și dinamică.[8]

Curentul de scurgere – energia consumată de un dispozitiv neraportată la schimbările de stare. Scurgerile de energie sunt defapt consumate când un dispozitiv este și static și în comutare, punându-se accent cel mai mult când este în starea inactivă, toată puterea consumată în această stare fiind risipită.

Sunt numeroase tehnologii care au fost dezvoltate in ultimii 10 ani care se adresează unei reduceri agresive a consumului energetic pentru majoritatea proiectelor ASIC (Circuite Integrate cu Aplicații Specifice) și SoC ( Sisteme pe Cip). Acestea pot include multi-comutare, tranzistoare cu prag, multi-surse pentru multi tensiuni, scalarea dinamică a tensiunii si frecvenței și polarizarea substraturilor.

Folosirea oricarie tehnologii din cele menționate vine cu costuri și avantajele, care variză depinzând de tehnica folosită.Pe scurt, ele introduc riscul timpului de proiectare și au impact asupra tuturor aspectelor de dezvoltare ASIC și SoC, incluzând proiectul, implementarea și verificarea.Fiecare tehnică folosită trebuie considerată având în vedere cerințele sistemului.

4.1.1Tendința crescătoare a costului de mers în gol datorat tehnicilor ineficiente

La dimensiuni sub 100 nm, proprietățile materiale ale siliconului se schimbă. La acest punct, caracteristicile sunt atat de mici încât siliconul nu mai este un izolator perfect, permițând electronilor să treacă peste partițiile de silicon. Cu cât geometria este mai mică, cu atât este mai subțire partiția de silicon, cu atât este mai mare pierderea de energie datorată scurgerilor.

Schițele tradiționale de low power, cum ar fi scaderea tensiunii de alimentare VDD și suprimarea fascicului de ceas, devin mai puțin eficiente și chiar mai puțin dorite datorită faptului că reducerea tensiunii duce la întârzierea circuitului. Pentru a menține performanța, proiectanții compensează pentru această întârziere crescută prin scăderea tensiunii de prag. Din păcate, acest lucru creste radical curentul de scurgere datorită naturii exponențiale a curentului de scurgere în regimul de sub-prag al tranzistorului.

4.1.2 Tehnici de administrare a energieidinamice și de mers în gol

Proiectanții au realizat numeroase tehnici low power pentru a reduce scurgerea de energie. Aceste tehnici se folosesc de unele forme de operare sleep. Plasarea de structuri de suprimare a fasciculului este o tehnică destul de cunoscută pentru reducerea curentului de scurgere în modul Standby, menținându-se viteze înnalte în modul activ. În modul Standby una sau mai multe porțiuni ale circuitului sunt oprite și calea de la sursă la împamântare este blocată, eliminându-se scurgerile în acele zone. Un efect secundar a suprimării fasciculului de energie este pierderea de informații în elementele de stocare. Ca și rezultat, proiectanții folosesc elemente cu memorie de rentenție pentru a reține infomații vitale în timpul modului sleep pentru a putea fi restaurate la pornire. Aceasta este retenția în modul sleep.

Unele concepte folosesc o operare convetional de sleep în care sursa de alimentare a întregului proiect este taiată când circuitul nu este folosit. Asemenea modele nu au nevoie de regiștrii în care informațiile să fie stocate. Power down în notebook-uri este un exemplu al acestei modalitățti de sleep. Cu toate acestea chiar și cu operația convențională de sleep, verificarea functională a ansamblului pentru a ne asigura că părțile pornite functionează corect pe când unele sunt în sleep și nu în ultimul rând pentru a se verifica dacă sistemul va opera corect când se vor alimenta din nou părțile adormite.

Alte tehnici au fost dezvoltate pentru a reduce energia dinamică și de scurgere printre care:

Suprimarea fasciculului de ceas – deconectarea ceasului când infomația care întră în dispozitiv nu se schimbă. Această tehnică este folosită pentru reducerea puterii dinamice.

Figura 4.2 Suprimarea fasciculului de ceas.[8]

Optimizarea multi-Vth – constă în înlocuirea celulelor Low-Vth rapide, care consumă mai mult curent în gol, cu celule Hight-Vth mai încete, care consumă mai puțin curent în gol.

Figura 4.3 Optimizarea multi-Vth[8]

Din moment ce tehnologiile crează componente tot mai mici, curentul de mers în gol a crescut exponențial, cerând astfel tehnici de reducere a consumului tot mai agresive. Similar, cresterea frecvenței de ceas a dus la cresterea consumului de energie dinamică și astfel se depășeste capacitatea rețelelor de surse de alimentare, fapt care devine în special acut când acest fenomen apare la geometrii foare mici, facând această densitate de energie atât o problemăîn sine cât și de consum de energie.

Numeroase tehnici avansate Low Power au fost create pentru aceste probleme. Cele mai comune în ziua de astăzi sunt:

Multi-tensiunile – operarea a diferitelor zone la nivele de tensiune diferite. Doar zone specifice care au nevoie de tensiuni mai mari pentru a fi în parametrii de performanță sunt conectate la surse de înnaltă tensiune. Alte portiuni ale modelului operează la tensiuni mai mici, permițând econimisirea semnificativă de energie. Multi-tensionareaesteîn general o tehnică folosită pentru a reduce energia dinamică, dar tensiunile joase cauzeză și scăderea curentului de mers în gol.

Figura 4.4 Multi-tensiuni.[8]

Suprimarea fasiculului de energie – oprirea complectă a traseelor de alimentare pentru diferite zone ale unui model când acestea nu sunt folosite, cunoscută și sub numele de oprire MTCMOS. Din moment ce alimentarea o fost în totalitate oprită pentru aceste zone, energia consumată de acestea este în principiu zero. Această tehnică este folosită pentru a reduce curentul de mers in gol.

Figura 4.5 Suprimarea fasciculuil de energie.[8]

Este foarte comun să vedem multi-tensionare și suprimarea fasciculului de energie în acelas model, unde regiuni diferite operază la tensiuni diferite și una sau mai multe din aceaste regiuni poate fi oprită.

4.2 Microcontrolerul Atmega328P-PU

Acest microcontroler Low Power CMOS pe 8-biți este bazat pe arhiterctura imbunătățită AVR de tip RISC (Reduced Instruction Set Computer), executând instrucțiuni complexe într-un singur ciclu de ceas, Atmega328P-PU ajunge la 1 MIPS(milion de instrucțiuni pe secundă) pe MHz permițând proiectantului sistemului să optimizeze consumul de energie prin scăderea vitezei de procesare.

Miezul AVR combină un set de instrucțiuni complexe cu 32 de regiștrii de uz general. Toți regiștrii sunt controlați direct de Unitatea Logică Aritmetică (ALU), permițând ca doi regiștrii independeți să fie accesați într-o singură instrucțiune executată într-un ciclu de ceas. Arhitectura rezultată este mult mai eficientă din perspectiva codului ajungându-se la de zece ori mai multe date transferate decât în microcontrolerele convenționale bazate pe arhitectură CISC (Complex Instruction Set Computer).

Caracteristicile microcontrolerului Atmega328P-PU au fost analizate în special pentru domeniul de tensiune în care lucrează, energia consumată în diferite moduri de operare, arhitectura procesorului și perifericele :

Performanță ridicată, Low Power Atmel® AVR® microcontroler pe 8 biți;

Arhitectură RISC avansată:

131 de instrucțiuni puternice – majoritatea executabile într-un singur ciclu de ceas;

32 × 8 regiștrii de lucru de uz general;

operație complect statică;

pâna la 20 MIPS la 20 MHz;

multiplicator pe-cip de 2 cicluri;

Segmente de memorie de enduranță mare non-volatile:

4K/8Kbytes de memorie Flash programabilă In-System cu capacițăți de citire în timpul scrierii;

1Kbytes EEPROM (Electrically Erasable Programable Read-Only Memory);

2Kbytes SRAM (Static Random-Access Memory);

cicluri de scriere/stergere: 10000 Flash/ 100000 EEPROM;

rețienerea datelor: 20 de ani la 85ºC/100 ani la 25ºC;

Secțiune de cod Boot opțională cu biți independeți de blocare;

Programare In-Sistem prin programul Boot pe-cip;

Operație adevărată de citire în timpul scrierii;

blocare programabilă pentru securitatea software-ului;

Caracteristici periferice:

două timer-e/numărătoare pe 8 biți;

un timer/counter pe 16 biți;

numărător în timp real cu oscilator separat;

șase canale PWM;

USART serial programabil;

23 de linii generale de întrări și ieșiri;

23 de regiștrii de lucru de uz general;

trei timer-e/numărătoare cu modele de comparare;

port serial SPI;

ADC de 10-biti pe 6 canale;

un timer programabil Watchdog cu oscilator intern;

interfață serială SPI Master/Slave;

comparator analogic pe-cip;

Trăsături speciale ale microcontrolerului:

Power-on la reset și detectare Brown-out programabilă;

oscilator intern calibrat;

surse interne și externe de întrerupere;

șase moduri Sleep: inactiv, reducere a zgomotului ADC, Power-save, Power-down, Standby și Standy extins;

Tensiunea de operare:

1.8 – 5.5 V;

Temperatura de lucru:

-40ºC la 85ºC;

Gradul de viteză:

0 – 4MHz la 1.8 – 5.5V, 0 – 10MHz la 2.7 – 5.5.V, 0 – 20MHz la 4.5 – 5.5V;

Consumul de energie la 1MHz, 1.8V, 25ºC:

modul activ: 0.2 mA;

modul Power-down: 0.1 µA;

modul Power-save: 0.75 µA; [9]

Modul Idle oprește CPU-ul (Central Process Unit) în timp ce permite SRAM-ului, timer-ului/numărătorului, USART-ului, interfeței seriale pe două fire, portului SPI și sistemului de întrerupere să funcționeze. Modul Power-down salvează datele de pe regiștrii dar oprește oscilatorului, dezactivînd toate funțiile cipului pâna la următoarea întrerupere sau reset de hardware.

În modul Power-save, timer-ul asincron continuă să funcționeze, permițând utilizatorului să mențină o bază de timer în timp ce restul dispozitivului este adormit. Modul de reducere a zgomotului ADC opreste CPU-ul și toate modulele de intrare și ieșire cu excepția timer-ul asincron și ADC-ului, pentru a minimiza zgomotul de comutare în timpul conversiei ADC. În modul Standby, cristalul/rezonatorul oscilator funcționează în timp ce restul dispozitivului doarme, astfel permițând o pornire foarte rapidă cu un consum de energie redus.

Atmel® oferă librăria QTouch pentru încorporarea funcționalităților butoanelor tactile capacitive, cursoarelor și roților în microcontrolerele AVR®. Achiziția de semnal de transfer prin încărcarea patentată oferă o sensibilitate robustă.

Figura 4.6 Schema bloc a microcontrolerului Atmega328P-PU.[9]

Dispozitivul este fabricat folosind tehnologia Atmel de densitate înnaltă a memoriei non-volatile. Memoria Flash pe-cip ISP permite ca memoria programului să fie reprogramată în sistem folosind o interfață serială SPI, prin intermediul unui programator convențional non-volatil sau printr-un program Boot pe-cip care rulează pe un miez AVR. Programul Boot poate folosi orice interfață pentru a descărca programul aplicație în memoria Flash.

Software-ul în secțiunea Boot Flash va continua să ruleze în timp secțiunea aplicației Flash este actualizată, furnizând astfel operația de citire în timpul scrierii. Prin combinarea unei unități de procesare centrale pe o arhitectură RISC pe 8 biți cu o memorie Flash In-System autoprogramabilă pe un cip monolitic, Atmega328P-PU este un microcontroler puternic care oferă soluții flexibile și un cost redus pentru majoritatea aplicațiilor.

4.3 nRF24L01 – Modul de emisie recepție în domeniul Ultra Low Power

4.3.1Caracteristicile de consum în baza cărora a fost selectionat transceiverul nRF24L01

Selecția modulului de emisie recepție nu a fost întâmplătoare, acesta fiind ales în urma unui studiu amplu asupra modulelelor de emisie recepție disponibile pe piață. Luând în considerare faptul că întreg proiectului, atât modulul receptor cât și cel emițător, trebuie să lucreze în domeniul Low Power consumul transceiverului nu trebuie ignorat. Astfel, pe baza fișelor de catalog a fiecărui transceiver în parte, a fost realizat Tabelul 4.1:

Tabelul 4.1 Diferite module de emisie recepție și carateristicile lor de consum

S-a pus în special accent pe consumul acestora în diferite moduri de operare precum Standby sau Shutdown, consumul în Rx și Tx, dar și pe tensiunea de alimentare sau puterea de ieșire, pe baza lor alegându-se nRF24L01.

4.3.2 Caracteristicile de consum, comunicare și structura internă a modulului nRF24L01

Acesta este un tranceiver cu un singur cip de 2.4 GHz cu o mecanism de protocol încorporând o bandă de bază (baseband), realizat pentru aplicații wireless care lucrează în ultra low power. nRF24L01 este configurat să opereze în banda de frecvență internațională ISM (industrială, stiințifică și medicală) la frecvența de 2.400 – 2.4835 GHz. Un microcontroler și câteva componente pasive externe sunt tot ce este necesar pentru a realiza un sistem radio acest transceiver.

nRF24L01 este configurat să opereze printr-o interfață serială periferică (SPI). Prin această interfață o hartă a regiștrilor este valabilă, care conține toți registrii de configurare și este accesibilă în toate modurile de operare ale cipului.

Mecanismul de protocol încorporat pentru banda de bază (Enhanced ShockBurst™) este bazat pe comunicația pe pachete și suportă modele variate de la operarea manuală la operații autonome avansate. FIFO-uri (First In, First Out) interni asigură un flux fluent de date intre partea din fața și din spate a radioului și microcontrolerul sistemului. Enhanced ShockBurst™ reduce costul sistemului manevrarea tuturor operațiilor de înnaltă viteză între straturi.

Partea din față și din spate a radioului foloste modulație GFSK (pentru netezirea deviațiilor negative/pozitive în frecvență). Are parametrii care pot fi configurați de utilizator precum frecvența canalului, puterea de ieșirea și rata informațiilor prin aer.

Rata datelor prin aer suportată de nRF24L01 este configurabilă până la 2Mbps, iar combinată cu cele două moduri de salvare a energiei fac acest transceiver foare potrivit pentru aplicațiile ultra low power. Regulatori înterni de tensiune asigură o rație de rejecție a tensiunii de alimentare (PSRR) foarte mare și o gamă largă de tensiuni de alimentare acceptate.

Caracteristici

Radio:

Operare în banda internațională ISM la 2.4 GHz;

126 de canale RF;

Pini comuni Rx și Tx;

Modulație GFSK;

1 și 2Mbps rata de date prin aer;

Transmițătorul:

Puterea de ieșire programabilă la 0, -6, -12, -8 dBm;

11.3 mA la 0 dBm putere de ieșire;

Receptorul:

Filtre integrate de canal;

12.3 mA la 2 Mbps;

Aministrarea puterii:

Regulator de tensiune integrat;

Tensiunea de alimentare 1.9 – 3.6 V;

Model inactive cu timpi de pornire rapizi pentru o administrare avansată a energiei;

Modul standby-I cu un consum de 22 µA, 900 nA în modul power down;

Maxim 1.5 ms timp de pornire din modul power down;

Maxim 130 µs timp de pornire din modul standby-I;

Interfață:

SPI prin 4 pini;

Maxim 8 Mbps;

3 FIFO-uri separate de 32 bytes pentru Rx și Tx;

Intrări care tolerează 5 V; [10]

Figura 4.7 Diagrama bloc a nRF24L01-ului.[10]

După cum se poate observa din Figura 4.7 modulul suportă protocolul de comunicare SPI. După analizarea și testarea transceiverului pe un modul de dezvolatere s-a deteminat ca pinii necesari comunicării acestuia cu un microcontroler fiind reprezentați de MISO, MOSI, CE, CSN, SCK, VSS și VDD.

Figura 4.8 Schema electronică a modulului nRF24L01.[10]

În figura 4.8 este ilustrat integratul nRF24L01 cu cristal oscilator de 16 MHz, rezistori și condesatori de decuplare.

4.4 Caracteristicile de funcționare și protecție a regulatorului de tensiune MCP1700

Regulatorul de tensiune MCP1700 face parte din familia CMOS LDO (Low DropOut) care poate furniza până la 250 mA în timp ce consumă doar 1.6 µA (tipic). Tensiunea de alimentare este specificată ca fiind între 2.3 – 6 V, fiind astfel recomandat pentru aplicațiile care folosesc două sau trei baterii de tip monedă sau o singură baterie de tipul Li-Ion.

MCP1700 este capabil să distribuie 250 mA la o tensiune de intrare diferențială de doar 178 mV (VOUT= 2.8 V). Toleranța tensiunii de ieșire este tipică de ±4% la 25ºC și de ±3% între -40ºC și +125ºC.

Tensiunile de ieșire pentru MCP1700 sunt cuprinse între 1.2 V și 5.0 V (în acest proiect fiind aleasă varinata nereglabilă de 3.3 V). Ieșirea LDO este stabilă când sunt folosiți condesatori de 1 µF. Aceștia trebuie să fie electrolitici, din ceramică, tantal sau aluminiu și folositi pe intrare și ieșire precum este ilustrat în Figura 4.9. Limitarea la supracurent și oprirea la supraîncălzire sunt caracteristici robuste pentru orice aplicație în care regulatorul se dorește a fi folosit.

Figura 4.9 Aplicația tipică pentru regulatorul LDO MCP1700.[11]

4.4.1 Stabilizarea tensiunii de ieșire cu ajutorul amplificatorului intern

O porțiune din tensiunea de ieșire LDO este trimisă către amplificatorul intern de erori și este comparată cu referințele de precizie interne. Ieșirea amplificatorului de erori va ajusta cantitatea de curent care trece prin canalul P al tranzistorului, astfel reglementând tensiunea de ieșire la valoarea dorită. Orice schimbări în tensiunea de intrare sau în curentul de ieșire vor duce la acționarea amplificatorului de eroare reglând astfel tensiunea (Figura 4.10).

Figura 4.10 Diagrama bloc a regulatorului de tensiune.[11]

4.4.2 Protecția la supracurent prin intermediul tranzistorului

Cirucuitele interne ale MCP1700 monitorizează cantitatea de curent prin canalul P al tranzistorului. În cazul unui scurtcircuit sau curent de ieșire excesiv, regulatorul va opri canalul P pentru o periodă scurtă, după care LDO va reîncerca să repornească. Dacă curentul excesiv este încă prezent, ciclul se va repeta (Figura 4.11).

4.4.3 Protecția la supratemperatură prin disiparea puterii

Disiparea internă a puterii în regulatorul LDO este o funcție de intrare-la-ieșire de tensiune diferențială și curent de sarcină. Dacă disiparea de putere din regulator este excesivă, temperatura de joncțiune internă va creste peste pragul tipic de oprire de 140ºC. În acest punct, regulatorul se va opri pentru a se răci până la joncțiunea tipică de pornire de 130ºC. Dacă disiparea de putere este destul de scăzută, dispozitivul va continua să se răcească și să opereze normal. Dacă disiparea de putere rămâne ridicată, circuitul termal de oprire va opri din nou regulatorul, protejându-l astfel de eșec total.

4.5 Studiul posibilităților de interfațare ale senzorului de puls

Senzorul de puls selecționateste dispozitiv usor incorporabil in sistemul de monitorizare medicală datorita dimensiunilor reduse si caracteristicilor Low Power. Acesta este însoțit de mai multe accesorii pentru a facilita achiziția de date mult mai fiabilăsi precisă, încercându-se astfel să se elimine artfactele generate de zgomot.

Figura 4.11 Accesoriile senzorului de puls[15]

Cablu colorat de 60 cm cu conectori – face posibila decuplarea si cuplarea la placa de achiziții mult mai promptă, putând fi deconectat si înlocuit în caz de defectiune.

Agrafa de ureche – de marimea senzorului. Poate fi lipita de spatele senzorului pentru a fi atașată lalobul urechii.

Doua buline cu scai. Se lipesc pe spatele senzorului pentru a face posibila prinderea acestuia de banda velcro. Totodata pot realiza a protecție temporară a componentele electronice expuse de pe spatele senzorului.

Banda velcro . Pentru atasarea senzorului de puls cu bulina cu scai de deget. Securizarea senzorului pe zona de pe care se prelevează măsuratorile este critică pentru eliminarea artefactelor redate de mișcare.

Stick-ere transparente. Se lipesc de partea din fata a senzorului pentru a-l proteja de uleiurile si transpiratia de pe deget. Sunt în special pentru protecția LED-uli și senzorului de lumină de pe fața senzorului.

Cele trei garuri de pe marginea senzorului fac posibila coaserea acestuia de materiale opace, pentru înlâturarea artefactelor generate de lumina ambientală sau provenită din alte surse.

Partea din față a senzorului, ilustrând o inimă albă, este zona care face contact cu pielea. Ea prezintăun orificiu mic și rotund prin care LED-ul luminează din opusă. Poziționat sub LED este un senzor de lumină ambiental, exact ca cele folosite în celulare, tablete si laptop-uri pentru ajustarea luminozității ecranului în diferite condiții de lumină. LED-ul lumineaza degetul sau lobul urechii, aceasta trece prin piele, mușchi și capilare iar senzorul de luminăinterpretează cantitatea delumină întoarsă din acestea.În spatele senzorului sunt montate restul componentelor pentru a nu interfera cu senzorul de luminăpoziționat frontal.

Figura4.12 Parea frontală și dorsală a senzorului de puls.[15]

4.5.1 Interfațarea senzorului pentru achiziția de date

Înainte de folosire senzorul trebuie protejat de pielea care este natural transpirată sau uleioasă, acesta având componentele neprotejate, iar pericolul de scurtcircuitare sau de întroducere a zgomotelor între componente este real. Se foloseste ofolie de vinil pentru a sigila partea frontală a senzorului:

Figura 4.13 Protejarea senzorului cu ajutorul foii de vinil[15]

Partea dorsala a senzorului prezinta si mai multe componente expuse si este necesara izolarea acestuia pentru a nu intra in contact cu materiale conductive sau unde. Cea mai rapida si usoara cale este lipirea unei buline velcro.

Figura 4.14 Protejarea componentelor de pe spatele senzorului cu ajutorul materialului Velcro.[15]

4.5.2 Principiul și modalitatea de funcționare a senzorului

Senzorul se bazeazăpe fenomenul fotopletismografic, o metodă non-invaziva de măsurare a variației volumului sângelui în țesuturi folosind o sursă de lumină și un detector. Având în vedere ca schimbările în volumul sângelui sunt sincrone cu bătăile inimii, această metodă este folosită să măsoare pulsul. Transmitanța și reflectanța sunt cele două modalități de bază a fotopletismografiei.

Pentru transmitanță, o sursă de lumină este emisă în țesut și un detector de lumină este plasat la partea opusă a țesutului pentru măsurarea luminii rezultate. Datorită adâncimii de penetrare limitate prin țesutul organului, transmitanța este aplicată doar în unele părți ale corpului restrânse, cum ar fi degetul sau lobul urechii. Cu toate acestea în reflectanță, sursa de lumină și detectorul de lumină sunt plasate pe aceiaș parte a corpului. Lumina este emisă în țesut iar lumina reflectată este masurată de detector. Cum lumina nu trebuiesa penetreze corpul, reflectanța poate fi aplicată pe oricare parte a corpului. În fiecare caz, lumina detectată, fie reflectată fie transmisă printr-o parte a corpului va varia în simetrie cu fluxul sanguin cauzat de bătăile inimii.

Figura 4.15 arată metoda reflectanței, degetul subiectului este luminat de o diodă luminescentă. Mai multă sau mai puțină lumină este absorbită, depinzând de volumul sângelui din țesut. Prin urmare, intesitatea luminii reflectate variază cu pulsația sângelui redată de bătăile inimii:

Figura 4.15 Tehnica fotopletismografă reprezentată prin reflectanță.[14]

4.5.3 Analizarea componentelor electronice ale senzorului

Semnalul receptat are două componente, una de curent alternativ iar cealaltă de curent continuu. Cea de curent alternativ este cauzată in principal de fluctuațiile pulsatorii in volumul sângelui arterial, care este sincronizat cu bătaile inimii, așadar poate fi folosită ca o sursă de informații cu privire la ritmul cardiac. Componenta de curent continuu trebuie să fie înlăturată pentru a măsura forma de undă a curentului alternativ cu rată ridicată de acuratețe. Din moment ce semnalul alternativ util reprezinta doar o mică porțiune din semnalul total, este necesar un circuit de amplificare eficient pentru a extrage informația dorită din acesta.

Figura 4.16. Schema electronică a senzorului de puls.[12]

LED-ul folosit în circuit AM2520ZGC09, notat D1 KB Revmnt LED SM, este fabricat de Kingbright folosing InGaN-ul pe o diodă luminescentă de culoarea safirului. Vârful lungimii de undă este de 515 nm, iar cea dominantă de 525 nm fiind alimentat de la o tensiune tipică de 3.3V și maximă de 4.1V.

APDS-9008 de la Avago,este un sezonzor foto de lumină ambientală de costuri reduse, cu o ieșire analogică. Constă dintr-un senzor foto potrivit spectral, care oferă responsivitate excelentă apropiată de ochiul uman. Totodată este capabil să producă un curent foto cu câstig ridicat la un nivel suficient pentru a putea fi convertit în tensiune cu o valoare standard a unui rezistor extern.

Figura 4.17 Configuratia tipică a senzorului foto APDS-9008[13]

Cantitate de tensiune convertită, Vout, este în principal dependetă proportional de curentul foto care este generat de strălucirealuminii pe senzorul foto și de sarcina rezistenței folosite, RL. Cresterea strălucirii luminii și/sau a rezistenței va crește tensiunea de ieșire.

Luminozitatea este măsurată în LUX-i, care descriu cât de intensă este o sursă de lumină pe care o percep ochii noștrii. Sursele de lumină cu acelaș nivel de LUX-i sunt percepute ca având aceași luminozitate de catre ochi. Selectarea rezistenței de sarcină va determina cantitatea de conversie curent-tensiune din circuit. De exemplu o sursă de lumină fluorescentă constă într-o componentă de curent alternativ cu o frecvență de 100MHz. Un condensator de 10uF, care are rolul de filtru trece jos, este recomandat să fie adăugat în paralel cu rezistența de sarcină pentru a reduce pulsațiile.Tensiunea minima de alimentare pentru APDS-9008 estede 1.6V iar cea maximă de 5.5V.

Amplificatorul operațional din schemă, MCP6001_X_OT face parte din tehnologia Microchip și este proiectat în special pentru aplicații de uz general. Acesta are un câstig de 1MHz cu o limită de fază tipică de 90º. Menține deasemenea si o fază tipică de 45º cu o sarcină capacitivă de 500 pF.Poate opera de la o singură sursă de alimentare destul de mică, 1.8 V consumând 100 µA. Este proiectat folosind procese avansate CMOS.

4.6 Senzorul digital de temperatură TCN75A

TCN75A este realizat de Microchip Technology Inc și este un senzor digital de temperatură care transformă temperaturile între -40ºC și +125ºC în date digitale cu o acuratețe de ±1%ºC (tipic).

Acesta vine și cu regiștrii programabili de utilizator care funizează flexibilitate pentru aplicațiile de percepere a temperaturii. Setările regiștrilor permit măsurători configurabile de utilizator în rezoluția 0.5ºC – 0.0625ºC, modificări ale modurilor de economisire a energiei Shutdown și One-shot și specificarea atât a limitelor de temperatură cât și a celor de histerezis. Când temperatura depășeste pragurile specificate, TCN75A furnizează un semnal de alertare. Utilizatorul are posibilitatea de a seta polaritatea semnalului de alertare ca și un Low-activ sau High-activ sau ca și o temperatură de întrerupere pentru sistemele bazate pe microprocesoare.

Senzorul este bazat pe standardul industrial de comunicare I2CTM, interfață serială compatibilă prin două fire, permițând ca până la opt dispozitive să fie controlate printr-o singură magistrală de date. Aceste caracteristici fac senzorul de temperatură TCN75A ideal pentru aplicațiile sofisticate, de cost redus și de monitorizare a temperaturii în diferite domenii.

Figura 4.18 Aplicația tipică a senzorul de temperatură TCN75A.[19]

Senzorul operează la o tensiune mică de alimentare între 2.7 – 5.5 V, având un curent de funcționare tipic de 200 µA și maxim de 500 µA, iar timpii de conversie la o rezoluție între 0.5 – 0.0625ºC sunt între 30 – 240 ms.

4.6.1 Considerații pentru schema electronică și de amplasare

TCN75A nu are nevoie de componente adiționale înafară de un microcontroler pentru măsurarea temperaturii. Totuși este recomandat un condesator de decuplare cu valoarea între 0.1 – 1 µF care să fie folosit între pinii VDD și GND. Este recomandat ca acesta să fie ceramic și de înnaltă frecvență. Condesatorul trebuie să fie amplasat cât mai aproape posibil de pinii de alimentare pentru o protecție la zgomot eficientă.

Senzorul măsoară temperatura prin monitorizarea tensiunii de pe o diodă localizată în vopsea. O cale termală de impedanță scăzută între vopsea și placa de circuit printată (PCB) este furnizată de către pini. Astfel TCN75A monitorizează cu eficiență temperatura PCB-ului. Cu toate acestea, o cale termală pentru aerul abiental nu este la fel de eficientă datorită caracteristicilor pachetului de plastic a dispozitivului care funcționează ca și un izolator termic.

Potențialul erorilor datorate de auto-încălzire există dacă senzorul și liniile de comunicare SDA și SCL sunt greu încărcate cu rezistori pull-up. Deobicei eroarea de auto-încălzire este neglijabilă datorită curentului relativ mic consumat de senzor. Cu toate acestea, pentru maximizarea acurateței de măsurare a temperaturii, pinii SDA șiSCL trebuie încărcați ușor.

Figura 4.19 Rezitori pull-up pe interfața serială.[19]

4.7 Analiza interfeței celulare

Principalele componente ale interfeței sunt conectorul cu 60 de pini SM5100B-D, un soclu pentru cardul SIM și un regulator de tensiune SPX29302. Alte componente aferente includ un LED care indică alimetarea interefeței cu tensiune și un buton de reset. Deoarece conectorul SM5100B-D reprezintă cel mai important element, în subcapitolele următoare se va pune accent pe caracteristicile acestuia.

Figura 4.20 Interfața GSM.[20]

4.7.1Specificațiile modulului SM5100B-D din perspectiva consumului și a puterii de transmisie

Temperatura de operare:

în parametrii normali: -10ºC până la +55ºC;

Modul de conectare:

60 de pini;

Tensiunea de alimentare:

VBAT: 3.3 V la 4.2V; tipic 3.6V;

Consumul de energie:

în modul Off: <100 µA;

în modul Sleep: <2.0 mA;

în mould Idle: <7.0 mA;

în modul de comunicare: 350 mA (media, GSM);

în modul de comunicare: 2 A (vârful tipic în timpul slotului Tx, GSM);

Benzile de frecvență:

EGSM900 +GSM850+ DCS1800+PCS1900;

Puterea de transmitere:

clasa 4 (2W) pentru EGSM900/GSM850;

clasa 1 (1W) pentru DCS1800/PCS1900;

Interfața UART1 făra controlul fluxului de date:

interfață UART prin 2 fire;

până la 460 kbps;

4.7.2 Descrierea sursei de alimentare

Sursa de alimentare este una dintre problemele principale în proiectarea terminalelor GSM-ului. Datorită izbucnirii emisiei radio de 577 us în GSM la fiecare 4.615 ms, sursa de alimentare trebuie să fie capabilă să furnizeze vârfuri înnalte de curent într-un timp scurt. În timpul acestor vârfuri, pulsații și căderi de tensiune nu trebuie să depășească anumite limite precum este prezentat în Tabelul 4.1:

Tabelul 4.1 Descrierea pinilor VBAT [21]

În Tabelul 1, (*): reprezintă valori care trebuie garantate în timpul izbucnirilor (în timpul vârfului GSM sau GPRS de 2.0A), iar (**) tensiunile maxime de operare pentru undele radio staționare.

În timpul alimentării modulului cu o baterie, impedanța totală (baterie + protecții + PCB-uri) ar trebui să fie mai mică de 150 mΩ

4.7.3 Consumul de energie

Consumul de energie a fost analizat pentru modurile Off și în EGSM 900 MHz. Sunt reprezentate valorile tipice și maxime, informațiile cele mai importante fiind reprezenate de consumul în timpul izbucnirilor de comunicare Tx și Rx prezentate în Tabelul 4.3:

Tabelul 4.2 Consumul de energie în modul OFF [21]

Tabelul 4.3Consumul de energie în EGSM 900MHz [22]

În Tabelul 6. PCL este nivelul de control al puterii, iar PCL5 sunt emisiile cerute de 2W (puterea maximă).

4.7.4 Diagrama bloc a sistemului

Diagrama bloc, Figura 4.21, a fost analizată în special pentru a vedea tipurile de comunicare pe care le suportă, pentru a putea fi luate în considere în proiectarea modului receptor, fiind aleasă optiunea UART1 prin două fire.

Figura 4.21 Diagrama bloc SM5100B-D.[21]

CAPITOLUL5. ANALIZA PROTOCOLURILOR DE COMUNICARE FOLOSITE ÎN PROIECT

5.1 Introducere în protocolul I2C

I2C (Inter-intergrated circuit) este un protocol pe două linii care poate să opereze la viteze diferite (modul standard, modul rapid și modul de viteză înnaltă). Deși alte protocoluri sunt mai simple și nu au restrcții de viteză, de exemplu protocolul SPI, datorită scalabilității sale I2C este folosit de numeroase dispozitive, incluzând senzorul de temperatură ultilzat în proiect.

5.1.1 Magistrala de date I2C redată de liniile SDA și SCL

Magistrala de date este formată din două linii, numite SDA și SCL. Cea din urmă este linia de ceas și este folosită pentru sincoronizarea tuturor datelor transferate pe magistrala I2C. Cele două linii sunt conectate la toate dispozitivele de pe magistrală. Este necesară o a treia linie pentru masă, iar cea de a patra linie este în general de alimentare pentru dispozitive. Atât linia SCL cât și SDA sunt driver-e de tipul "drene deschise" sau "colector deschis" ceea ce înseamnă că cipul își poate seta îeșirea pe Low, dar nu și pe High. Pentru ca linia să poată fi setată pe High sunt necesari rezistori de pull-up pe linia de alimentare. Este necesar un rezistor de pe linia SCL pe cea de alimentare și încă unul de pe linia SDA pe cea de alimentare. Un sigur set de rezistori pull-up este necesar pentru întreaga magistrală I2C, nu pentru fiecare dispozitiv în parte, la fel cum este ilustrat în Figura 5.1 :

Figura 5.1 Magistrala I2C cu rezistori de pull-up.[23]

Valoarea rezistorilor nu este critică, putând fi folosiți cu o valoare între 18 kΩ și până la 47 kΩ. Absența rezistorilor va determina starea de Low constantă a liniilor iar magistrala I2C nu va funcționa.

Dispozitivele de pe magistrala I2C sunt fie masteri fie sclavi. Masterul este cel care conduce linia de ceas, iar sclavii dispozitivele care răspund către master. Un sclav nu poate iniția un transfer pe magistrală, doar un master poate face acest lucru. În general se află mai mulți sclavi pe magistrală și un singur master, dar este posibil să fie și mai mulți.

5.1.2 Protocolul de transmitere a datelor pe magistrala I2C

Când un master dorește să comunice cu un sclav începe prin a transmite o secvență de start pe magistrală. Secvența de start este una dintre cele două secvențe speciale definite pentru magistrala I2C, cea de a doua fiind secvența de stop. Cele două secvențe sunt importante deoarece sunt singurele locuri de pe magistrală în care liniei de date (SDA) îi este permis să se schimbe în timp ce linia de ceas (SCL) este pe High. Când informația este transferată, linia SDA trebuie să rămână stabilă și să nu se schimbe în timp ce lina SCL este pe High. Secvențele de start și de stop marchează începutul și finalul comunicării masterului cu sclavul.

Figura 5.2 Secvențele de start și de stop de pe magistrala I2C.[24]

Infomația este transferată în secvențe pe 8 biți. Biți sunt plastați pe linia SDA începând cu MSB (cel mai semnificativ bit) și teminându-se cu LSB (cel mai puțin semnificativ bit). Printr-un impuls linia SCL este setată pe High și mai apoi pe Low. Pentru fiecare 8 biți transferați dispozitivul care ii recepționează trimite înapoi un bit de confirmare, așadar sunt defapt 9 impulsuri de CLK pentru a transfera 8 biți de date. Dacă dispozitivul receptor trimite înapoi un bit de ACK Low reprezintă faptul că a recepționat informația și este pregătit să primească alt byte. Dacă trimite înapoi un bit pe High atunci indică ca nu mai poate accepta date și ca masterul trebuie sa oprească transferul prin trimiterea unei secvețe de oprire.

Figura 5.3 Transferul datelor pe magistrala I2C.[24]

5.2 Liniile de date aferente protocolului SPI și caracteristicile lor

Aceasta modalitate de comunicare intre dispozitive are o mare relevanta aici, majoritatea fiind conectate cu ajutorul ei. SPI (Serial Peripheral Interface) este o magistrală de date sincronă – informația poate sa meargă în ambele direcții simultan, spre deosebire de magistrala I2C. Pentru a permite transmisia de date sincronă, magistrala SPI foloseste patru fire denumite:

MOSI – Master-out, Slave-in. Aceasta linie transporta infomartia de la Master spre dispozitivul sau dispozitivele controlate;

MISO – Master-in, Slave-out. Aceasta linie transporta informatia de la dispozitivele controlate prin SPI inapoi spre Master.

SS – Slave Select. Aceasta linie ii spune dispozitivului de pe magistrala ca se doreste sa se comunice cu el. Fiecare dispozitiv SPI are nevoie de o linie unica de SS inapoi spre Master.

SCK – Serial clock.

În microcontrolerul Atmega328P-PU acești pinii dedicați comunicării SPI sunt aflați pe portul B:

Tabel 5.1 Localizarea și atribuțiile pinilor magistralei SPI.

Informația călătorește înainte și înapoi între liniile MISO și MOSI făcând legătura între un singur master și un sclav SPI precum este ilustrat in Figura 5.4 :

Figura 5.4 Un master legat la un singur slav prin intermediul protocolului SPI.[23]

Comunicarea poate avea loc doar când linia SS este setată pe Low. În alte cuvinte, pentru a comunica cu un dispozitiv SPI, se setează linia SS pentru acel dispozitiv pe Low, se comunică cu el, apoi o setează din now pe High. Dacă se doresc mai multe dispozitive pe aceiaș magistrală SPI, este necesar câte un SS pentru fiecare sclav în parte, la fel cum este ilustrat în Figura 5.5 :

Figura 5.5 Comunicarea SPI cu mai mutle dispozitive.[23]

Protocolulul de comunicare SPI conține un singur master. Așadar un singur dispozitiv central inițiază comunicarea cu sclavii. Când masterul SPI doreste să initieze sau sa primiească informații de la un sclav setează linia SS pe Low și activează semnalul de ceas pe o frecență folosită de ambele dispozitive. Masterul generează informația pe linia MOSI în timp ce eșantionează linia MISO (Figura 5.6).

Figura 5.6 Comunicarea SPI tipică.[23]

În Figura 5.6 biți de date pe liniile MOSI și MISO comută în funcție de marginea descendentă a semenalului de ceas SCLK și sunt esantionate în funcție de marginea ascendetă a semanlului de ceas SCLK. Modul SPI poate defini care margine ascendentă sau descendetă a liniei SCKL este folosită pentru comutare sau eșantionare.

Informatia trimisa dispozitivului este sub forma de octet. Cand se comunica cu dispozitivele SPI, trebuie sa stim cum va accepta dispozitivul informatia – MSB sau LSB primul. MSB (Most Significant Bit) este partea stanga a numarului binar si LSB (Less Significant Bit) este partea dreapta a numarului ca si in Fig:

Figura 5.7 Forma unui octet.

Inafara faptului ca se trimit valori numerice pe magistrala SPI, numere binare pot reprezenta comenzi. Se pot reprezenta opt setari on/off folosind un octet de informatie, astfel incat parametrii unui dispozitiv pot fi setati prin trimiterea unui octet de informatie.

5.3 Transmitera octeților prin protocolul UART

Acest tip de protocol este o componentă principală a cominicației seriale a subsistemelor unui calculator și o caracteristică comună integrată în majoritatea microcontrolerelor. UART-ul ia octeți de date și transmite biți individuali intr-o maniera secvențială. La destinație, un al doilea UART reasamblează biți intr-un octet complect. Transmisiile seriale sau informația digitală transmisă printr-o singură sârmă sau alt mediu este mult mai eficient din punctul de vedere al costului decat o transmisie paralelă prin mai multe sârme. Comunicația poate fi "duplex complect" (ambele dispozitive trimit si primesc date în acelaș timp) sau "jumătate de duplex" (dipozitive trimit și transmit pe rând).

5.3.1 Transmiterea asincronă a biților prin protocolul UART

Transmiterea asincronă permite datelor să fie transmise fără ca expeditorul să fie nevoit să trimită un impuls de ceas la receptor. În acestc caz, expeditorul și destinatarul trebuie să se pună de acord asupra parametrilor de timp (rata de baud) precedenți transmisiei și biti speciali sunt adăugați fiecărui mesaj pentru a sincroniza unitățile primite și transmise. În transmisia asincronă, expeditorul trimite un bit de start, de la 5 la 8 biți de informație (LSB primul), un bit opțional de paritate și apoi 1, 1.5 sau 2 biți de stop.

Când un mesaj este transmis UART-ului pentru transmisii asincrone, bitul de start este adăugat la începutul cuvântului, acesta fiind folosit să informeze destinatarul că un mesaj este pe cale să fie trimis, astfel fortând ceasul din destinatar să se sincronizeze cu cel de pe expeditor. Este important de notat că frecvența de drift între două ceasuri nu trebuie să depăsească 10%. Cu alte cuvinte ei trebuie sa aibă aceaias rată de baud.

După bit-ul de start, biți individuali de date sunt transmiși , începând cu cel mai puțin semnificativ bit (LSB). Când toată informația a fost transmisă, un bit opțional de paritate este trimist expeditorului. Acest bit este deobicei folosit de destinatar pentru a efectua verificări sumare de erori. În final, bit-ul de stop va fi transmis marcând finalul transmisiei.

Când destinatarul a primit toți biții, va verifica pentru biții de paritate și mai apoi pentru cel de stop. Când bit-ul de stop nu apare când ar trebui va considera tot octetul deformatat și va reda o eroare de încadrare către procesorul gazdă cand informația este citită. Cel mai comun motiv pentru apariția acestie erori este datorat faptului ceasurilor expeditorului și destinatarului care funținau la viteze diferite.

Figura 5.8 Formatul de pachet al UART-ului: 1 bit de start, 8 biți de date, bit de paritate și un bit de stop.

5.3.2 Valorile de tensiune și tipul de comunicare de pe nivelul TTL

Majoritatea microcontrolerelor cu UART folosesc nivelul TTL (Transistor-transistor Logic). Este cea mai simplă formă de UART, atât nivelul logic 1 cât și 0 sunt reprezentați de 5 și respectiv 0 V precum este ilustrat în Figura 5.9:

Figura 5.9 Nivele de tensiune TTL.

Nivelele de tensiune TTL de pe UART sunt frevent utilizate în comunicațiile între microcontrolere. Sunt necesare doar două fire pentru comunicarea duplex complectă precum este ilustrat în Figura 5.10:

Figura 5.10 Comunicarea UART între două dispozitive.

5.3.3 Standardul pentru date seriale binare RS-232

RS-232 (Recommended Standard 232) este standardul pentru datele binare seriale care conetează DTE-ul (Data Terminal Equipment) și DCE-ul (Data Comunication Equipment). Este foarte ultilizat în porturile seriale ale calculatoarelor. Una dintre diferențele seminificative între nivelul TTL al UART-ului și RS-232 este nivelul tensiunii. Nivelele valide ale tensiunii sunt ±3 V și ±15 V, iar semnalele aproape de 0 V nu sunt considerate valide pentru RS-232 precum sunt ilustrate în Figura 5.11, respectiv Figura 5.12:

Figura 5.11 Nivelele tensiunii pentru RS-232.

Figura 5.12 Nivelele tensiunii pentru informația 0×4B cu 1 bit de start, 8biți de date și un bit de stop.

CAPITOLUL 6. PROIECTAREA ANSABLULUI EMITĂTOR, RECEPTOR ȘI A SENZORULUI COMPOZIT ȘI REALIZAREA PRACTICĂ A ACESTORA

În acest capitol se urmăresc pașii după care au fost proiectați atât modulul emițător cât și cel receptor ilustrându-se schemele bloc și electronice, principiile după care au fost realizate darși reguli de proiectare impuse ansamblurilor.

6.1 Proiectarea ansambluluiemițător

Acesta a fost proiectat în jurul unui microcontroler, componenta principală a modulului fiind însărcinată cu achiziția sau interpretarea datelor de la cei doi senzori, de puls și temperatură și mai apoi transmiterea acestora printr-un modul de emisie recepție. S-a întocmit o schemă bloc ilustrată în Figura 6.1 și s-a decis ca întreaga alimentare a sistemului, după analizarea posibilitătilor de alimentare a microcontrolerului, tranceiverului și a senzorilor din fișele de catalog, la 3.3 V, astfel întreg ansamblul încadrându-se în domeniul Low Power.

Figura 6.1 Schema bloc al ansamblului emițător

În Figura 6.1 datele colectate de senzorii de puls și temperaturpă sunt achiziționate de microcontroler reprezentat prin Atmega328, sunt mai apoi transmise prin protocolul SPI spre tranceiver, reprezentat prin nRF24L01, care la va transmite wireless spre ansamblul receptor.

Examinarea amănunțită a schemelor electronice și bloc, pentru determinarea posibilităților de comunicare între componente, a aplicațiilor tipice și exemplelor recomandate în fișele de catalog ale producătorilor, a fost întocmită schema electronică în PADS Logic ilustrată în Figura 6.2:

Figura 6.2 Schema electronică a modulului emițător realizată în PADS Logic.

Majoritatea componentelor, exeptând condesatorii, rezistențele și LED-urile care existau deja în librării, au fost realizate în editorul de decal-uri al programului (Part Editor).

Atât în realizarea decal-urilor cât și a schemei finale s-au respectat condiiții impuse în concursurile de realizare de PCB-uri precum: realizarea de librării dedicate, respectarea ordinii și numerotării pinilor, evitarea suprapunerii și/sau a ieșirii din conturul schematic a componentelor,etichetelor sau traseelor.

Se pot observa în Figura 6.2 și schemele electronice ale senzorului de puls și de temperatură, fiind implementate pentru determinarea numărului și tipurilor de conexiuni necesare pentru funcționarea acestora, amprenta lor nefiind implementate pe PCB-ul emițător, fiind conectate prin intemediul conectorilor de intrare. Asemănător a fost realizat și un decal dedicat pentru transciever, nRF24L01 (schema lui electronică fiind ilustrată în Figura 4.8) realizată din 10 pini pentru alimentare, masă și comunicare SPI.

Conectorii SPI și ICSP sunt folosiți la programarea microcontrolerului. ICSP-ul realizat fizic din 6 pini, o alimentare externă de 5 V (definită pe schemă cu 3.3 V pentru a nu fi generat în PADS Layout o rețea în plus neconectată), o masă, un pin de reset care vine din slave select-ul masterului în resest-ul microcontrolerului, MISO, MOSI și SCKL. Ultimi trei pini ai conectorului ICSP-ului vor fi legați la pinii MISO, MOSI și SCLK ai conectorilor SPI, cei din mijloc la magistrala SPI a microcontrolerului iar primii trei la magistrala SPI a trasceiverului (Figura 6.3).

Pentru programarea microcontrolerului, primii trei pini tată vor fi închiși prin intermediul jumper-ilor cu cei trei din mijloc iar pentru comunicarea microcontrolerului cu transceiverului jumperii vor fi mutați pe pinii SPI ai microcontrolerului și ai transceiverului. În Figura 6.3 este ilustrat acest principiu, săgețile albastre reprezentând conexiunile iar cele roșii jumperii.

Figura 6.3 Varianta a) schematică și b) fizică al ansamblului de programare al microcontrolerului.

În Figura 6.2 mai sunt reprezentați și doi comutatori, Comutatorul 1 având rolul închiderii sau deschiderii alimentării circuitului, iar Comutatorul 2 are ca și scop setarea microcontrolerului Atmega328 în două moduri de transmitere:

Transmiterea datelor receptate încontinuu. Când comutatorul este închis, pe pinul digital va apărea un semnal High. În acest mod microcontrolerul va trimite datele achizitionate de la senzori încontinuu făra a fi procesate.

Transmiterea datelor după caz. Când comutatorul este deschis, pe pinul digital va apărea un semnal Low. În acest mod microcontrolerul procesează datele local și le trimite doar când pragurile setate au fost depășite.

Header8, fiind reprezentat fizic printr-un conector cu 8 pini este folosit pentru conectarea senzorilor la placa emițătoare, acesta furnizând două alimentări, două mese și patru pini analogici pentru colectarea datelor.

Figura 6.4 Realizarea schematică a microcontrolerului Atmega328P-PU

În figura 6.4 este exemplificată realizarea unei componente, în acest caz a microcontrolerului Atmega328P-PU, varianta PDIP cu 28 de pini, respectându-se ordinea și numeroatea pinilor, dar și numele și caracteristicile acestora întocmai cum au fost precizate în foaia de catalog. Se evită suprapunea numarului pinilor sau a etichetelor, fiind setată o distantă optimă între acestea.

După finalizarea decal-urilor componentelor, a așezării și interconectării lor în schema electronică s-a trecut la realizarea footprint-ului componentelor (forma de așezare pe placa de circuit imprintată) cu excepția condesatorilor, rezistențelor și LED-urilor SMD a căror footprint generic de 1206 sau 0805 este existent deja în librăriile programului.

Footprint-urile pot fi realizate doar în stransa legatură cu datele prezentate în fișa de catalog la secțiunea Packaging Information (Figura 6.4). Este mandatoriu ca dimensiunile să fie respectate împreună cu toleranțele lor, o abatere de câteva zecimi de milimetru rezultând într-o proiectare inutilă (componeneta nepuntând fi asezată pe footprint-ul ei corespunzător).

Figura 6.5 Dimensiunile oferite de producător necesarea pentru realizarea footprint-ului componentei Atmega328P-PU (varianta PDIP)[9]

În Figura 6.5 se pot vedea dimensiunile fizice ale componenetei precum lățimea și lungimea, înnălțimea, distanța și grosimea pinilor, acestea fiind reprezentate prin litere în dreptul componentei și exprimate în milimetrii în tabel.

În Figura 6.6 se ilustrează proiectarea footprint-ului piesei Atmega328P-PU în PADS Layout, în opțiunea de PCB Decal Editor. Se pot observa câmpurile complectate cu valorile din secțiunea de catalog, valorile fiind setate în sistemul metric iar pinul 1 a fost definit ca fiind dreptunghiular pentru recunoasterea lui pe placă, evitându-se astfel montarea sa eronată.

Figura 6.6 Realizarea footprint-ului componentei Atmega328P-PU

Odată realizate toate footprinturile componentelor și după editarea caracteristicilor electrice (de exemplu ordinea pinilor decal-urilor trebuie sa fie aceaiș sau setată cu cea a fooprint-ului pentru evita conexiunile eronate) schema electronică poate fi trimisă din PADS Logic în PADS Layout (sunt trimise footprint-urile și legăturile dintre aceștia).

Se setează din opțiuni sistemul de măsură în metric (el fiind setat automat la fiecare deschidere nouă în mils) și se poziționează un punct de referință, centrul proiectului de coordonate 0,0 (programul nu are o origine predefinită). Se dispersează componetele cu opțiunea Disperse Components pentru o inspecție de ansamblu a footprint-urilor și conexiunilor .

Se trasează cu ajutorul 2D Line-ului un contur dreptunghiular de 7 pe 5 cm care va reprezenta placa, fiind defint mai apoi ca și contur al plăcii pentru a face posibilă realizarea traseelor și conectării insulelor de cupru la masa fiecărui strat. După amplasarea fiecărei componente pe placă se definesc regulile proiectului prezentate în Figura 6.6:

Figura 6.7 Regulile de distanțiere și de grosime a traseeloransamblului emitător.

În Figura 6.7 grosimea minimă a traseului a fost setată de 0.3 mm, cea recomandată de 0.4 mm și maximă de 0.8 mm. Cea minimă și recomandată a fost definite atât de mic pentru face posibilă generarea traseelor printre pinii componentelor SMD (de exemplu printre pinii regulatorului de tensiune care are package-ul SOT-89 (Small Outline Transistor)) sau printre pinii de programare, evitând astfel erorile generate de program sau incapacitatea de conectare a traseelor. Clearance-ul a fost setat de 0.3 mm din motive asemănătoare cu cele precizate anterior.

Odată finalizate regulile de proiectatere schema este trimisă mai departe, din PADS Layout în PADS Router pentru realizarea traseelor. Aici, datorită faptului ca footprint-urile sunt atat SMD cât și THT schema nu poate fi realizată decât pe două părți. În funcție de posibiliță și de pinii componetelor la care sunt realizate traseele, grosimea acestora variază între 0.3 și 0.8 mm, încercându-se în special ca traseele de masă și alimentare să fie cât mai groase. Schema este mutată alternativ între Layout și Router pentru folosirea comenzilor z1 (pentru vizualizarea și operarea doar pe stratul superior), z2 (pentru vizualziarea și operarea doar pe stratulinferior) și zz (vizualizare suprapunerii ambelor straturi), facilitănd astfel aranjarea traseelor și distanțierea lor față de via-uri, componente și alte trasee.

În final, s-a ales varinta prezentată în Figura 6.8, făra insule de cupru, în defavoarea variatei prezentate în Figura 6.9, cu insule de curpu, datorită experinței anterioare în care prezența insulelor de cupru au dus la apariția de scurtcircuite pe placă după lipirea componentelor SMD (lipsa instrumentelor profesionale precum a unei stații de lipit cu vârf optim pentru componentele SMD) datorită instrumentelor folosite dar și acomplexității necesare lipirii acestora.

Figura 6.8 Layout-ul ansamblului emițătorului fără insule de cupru.

Figura 6.9 Layout-ul ansamblului emițător cu insule de de cupru.

6.2 Proiectarea ansamblului receptor

Acesta a fost realizat asemănător cu ansamblul emițător, întocmindu-se inițial o schemă bloc cu un micocontroler, transceiver, card de memorie și înterfață celulară, ilustrate în Figura 6.10:

Figura 6.10 Schema bloc a ansamblului receptor.

În Figura 6.10,nRF24L01 va colecta datele transmise wireless de omologul său poziționat pe ansamblul emițător și le va trimite prin protocolul SPI spre microcontrolerul Atmega328 care le va stoca pe un card micro SD, iar în cazul în care unele valori critice au fost atinse va atenționa intefața celulară prin protocolul UART, care va emite un mesaj de alertare.

Figura 6.11 Schema electronică a ansamblului receptor

Figura 6.11 ilustrând schema electronică a fost realizată deasemenea în PADS Logic, aceasta find concepută să fie alimentată de la o sursă exterioară de 5.5 V. Stabilizatorul de tensiune MCP1700 din schemă va coborâ tensiunea de alimentare la cea dorită, de 3.3 V necesară alimentării tuturor componentelor. Condesatorii C1 și C2 puși pe intrarea și ieșirea stabilizatorului sunt recomandați de producător pentru creșterea stabilității circuitului.

Unele componente prezintă în fișa de catalog recomandări de realizare a footprint-ului, precum stabilizatorul de tensiune MCP1700, în care pinii 2 și 4 trebuie scurtcircuitați precum în Figura 6.12:

Figura 6.12 Recomandarea producătorului pentru realizarea footprint-ului stabilizatorului de tensiune MCP1700.[11]

Recomandările Figurii 6.12 au fost respecate precum sunt ilustrate în Figura 6.13 în a) (reprezentând regulatorul de pe ansamblul emițător) prin trasarea unei insule dreptunghiulare de cupru care la imprimare și mai apoi la corodare va scurtcircuita cei doi pini, iar în b) (reprezentând regulatorul de pe ansamblul receptor) prin simpla conectare cu un traseu de 0.3 mm, mai gros nefiind posibil datorită principiilor și regulilor de proiectare impuse, asemenea celor din Figura 6.7.

Figura 6.13 Două modalități diferite de respectare a recomandării de amplasare a componentei.

Figura 6.14 Layout-ul ansamblului receptor.

În Figura 6.14 conectorii J1, J2 și J3 au fost amplasați astfel încât conectorii interfeței celulare să poată fi amblasați direct peste ei, acesția fiind necesari pentru alimentarea interfeței și comunicarea celor două module prin protocolul UART.

6.3 Proiectarea senzorului compozit de puls și temperatură

Schema electronică a acestuia nu este foarte complicată (Figura 6.15), senzorul de puls fiind deja de sine stătător, necesar doar realizarea unui PCB pentru componenta de temperatură care să permită și pozitionarea senzorului de puls pe aceasta.

Figura 6.15 Schema electronică a senzorului de temperatură realizată în PADS Logic.

Figura 6.15 a fost realizată după consultarea Figurii 4.18 oferite de producător, aici senzorul TCN75A este legat la un conectori prin intermediul cărora va fi conectat mai departe, prin protocolul de comunicare I2C, la microcontrolerul Atmega328P-PU pentru achiziția de date.

Recomandarea producătorului din Figura 4.19, prin care este sugerată poziționarea rezistorilor de Pull-up (precum necesită protocolul I2C setarea liniilor de comunicare SDA și SCL pe High cu ajutorul rezitorilor de Pull-up, absența lor ducând liniile în starea Low și astfel nefuncționarea magistralei) a fost nerespectată deoarece porturile de intrare analogice ale microcontrolerului prezintă deja rezistori de Pull-up. Astfel s-a respectat o altă recomandare a producătorului în care liniile SDA și SCL nu au fost supraîncărcate cu rezitori de Pull-up și senzorul de temperatură nu va prezenta riscul supraîncălzirii.

Figura 6.16 Layout-ul senzorului compozit

În Figura 6.16 U1 este senzorul de temperatură, cercul hașurat este defint ca și restricție de amplasare, având un scop ilustrativ pentru amplasarea orientativă a senzorului de puls între senzorul de temperatură și zona de lipire a conectorilor U2. Insula maro de cupru este pentru realizarea unei câi termale recomandate de producător, senzorul de puls nemăsurând temperatura ambientală ci a PCB-ului.

6.4 Realizarea practică a PCB-urilor

Odată finalizate footprint-urile în Pads Layout acestea au fost exportate din program ca si PDF-uri pentru imprimarea lor pe foi fotografice (Figura 6.16). Atât modul receptor cât și cel emițător fiind cablaje pe două părți este necesară exportarea atăt a părții de sus cât și a celei de jos. Se deselectează opțiunea Scale to fit (este necesară dimensiunea reală de 100% a cablajului nu cea de potrivire în chenar) iar partea superioară se marchează ca și Mirror image (când imaginea oglindită va fi imprimată pe cupru acesta va rezulta ca fiind neoglindită permitînd montarea componentelor întocmai cum au fost proiectate).

În Figura 6.16 sunt folosite offset-uri atăt pentru partea superioră cât și pentru cea inferioară, în stânga respectiv dreapta, minimizând-se consumul de foaie și permițând utilizarea acestia pentru alte montaje sau alte încercări (imprimarea pe o parte respectiv pe două părți s-a dovedit problematică în funcție de foaia fotografică folosită fiind necesare încercări repetitive până la o imprimare duală optimă).

Figura 6.16 Exportarea layout-ului ca și PDF pentru imprimare.

Figura 6.17 Forma cablajelor exportate în format PDF.

În Figura 6.17:

a) Partea superioară oglindită a ansamblului emițător;

b) Partea inferioară a ansamblului emițător;

c) Partea superioară oglindită a ansamblului receptor;

d) Partea inferioară a ansamblului receptor;

e) Cablajul oglindit al senzorului compozit.

Plăcile cu cupru sunt măsurate și mai apoi secționate cu ajutorul pânezi de bomfaier sau a unui cutter. La aceste secțiuni le sunt finisate marginile cu ajutorul unui pile, pentru ca la următoarea etapă, curățirea, laveta șă nu se agațe în cuprul exfoliat prin tăiere. Curățirea se face cu ajutorul unei soluții cu microgranule, care vor acționa ca un strat abraziv înlăturând astfel prin frecare grăsimea și murdăria.

Odata curățite placa pe o parte se fixează foaia fotografică imprimată cu circutul superior oglindit și se presează cu un fier de călcat încins. În funție de foaia fotografică folosită presarea poate dura între 5 – 15 minute. Această metodă de imprimare a cablajului poartă numele de Press and Peel. Toner-ul transferat de pe foaia fotografică pe placă prin transfer termic va acționa ca și un strat protector la corodare, acesta împiedicând clorura ferică să corodeze traseele imprimate.

Figura 6.18 Circuitul imprimat prin metoda press and peel pe o placă de cupru.

În Figura 6.18 este necesară înlăturarea totală a hârtiei dintre trasee și pini, experiențele anterioare deteminând faputul că și hartia rămasă poate actiona ca și un strat protector la corodare realizându-se astfel scurtcircuituri. Este permisă hârtia pe trasee, dar nu între trasee sau pini.

Odată ce traseele au fost imprimate pe o parte a placii se vor realiza câteva găuri de sincronizare (fie prin via-uri fie prin găurile de montare) peste care va veni cea de a doua foaie fotografică perforată în aceleași locuri cu placa de cupru realizându-se astfel sincronizarea traseelor. Se presează din nou cu fierul de călcat și mai apoi se înlătură foaia după ce a fost scăldată în apă.

Placa imprimată pe ambele părți este apoi scăldată în clorură ferică. În funcție de potența clorurii și temperatura acesteia (agitația termică a soluției) corodarea poate dura între 1 – 2 ore. După corodarea placilor și înlăturarea stratului de toner au rezultat plăcile din Fgurile 6.18, 6.19 și 6.20:

Figura 6.18 PCB-ul corodat pe două părți al ansamblului emițător.Figura 6.19 PCB-ul corodat pe două părți al ansamblului receptor.

În Figura 6.18 a) este partea inferioară a cablajlui iar b) este partea superioară a acestuia, iar în Figura 6.19 a) este partea inferioară a cablajului iar b) este partea superioară.

Figura 6.20. PCB-ul corodat al senzorul compozit.

Sincronizarea celor două părți ale cablajului este destul de dificilă, astel după corodare sunt inspectate la o lumină puternică pentru verificarea suprapunerii via-urilor în special, precum este prezentat în figurile 6.21 și 6.22:

Figura 6.21 Inspectarea alinierii via-urilor și traseelor la ansamblul emițător.

Figura 6.22 Inspectarea alinierii traseelor și via-urilor la ansamblul receptor.

După cum se poate vedea atât în Figura 6.21 cât și în 6.22 via-urile se suprapun perfect una peste cealaltă. Acestea sunt mai apoi găurite cu un burghiu de 0.8 mm (Figura 6.23) iar pentru găurile pinilor de programare este folosit un burghiu de 1 mm.

Figura 6.23 PCB-ul și mașina de găurit cu ajutorul careia au fost realizate găurile.

După ce au fost realizate toate găurile, traseele sunt acoperite de o soluție de spirt și pudră de sacâz. Acesta are rolul în protecția cablajului împotriva oxidării.

În final se încep a se lipii piesele. Se începe cu cele SMD precum rezistențele, condesatorii, stabilizatorul de tensiune și LED-ul. Este folosit flux pe ampreneta componentei, acesta având rolul tragerea în cositorului de pe vărful stației de lipit pe amprenta componentei. Evaporarea fluxului în urma contactului termic este foarte violentă și duce la oxidarea traseelor în lipsa unui strat protector pe acestea. Via-urile sunt realizate prin introducerea unui miez de sârmă și lipirea acestuia la ambele capete.

Figura 6.24 Forma finală a ansablului emițător

în Figura 6.24 1) soclu pentru două baterii de tip monedă de 3 V fiecare, 2) comutator pentru oprirea sau pornirea alimentării circuitului, 3) stabilizator de tensiune,4) conectori pentru nRF24L01, 5) pini pentru programarea microcontrolerului, 6) microcotrolerul Atmega328P-PU, 7) conectori pentru senzorul de puls și temperatură.

Figura 6.25 Forma finală a ansamblului receptor.

În Figura 6.25 componentele principale reprezentate de 1) conectori pentru interfața celulară, 2) soclu pentru alimentare externă de 5.5 V, 3) soclu pentru cardul de memorie, 4) butonul de reset al microcontrolerului Atmega328P-PU.

Figura 6.26 Forma finală a senzorului compozit

În Figura 6.26 este reprezentată forma finală a senzorului compozit în care 1) senzorul de temperaturp TCN75A, 2) senzorul de puls, 3) calea termală pentru senzorul de temperatură.

CAPITOLUL 7. PUNEREA ÎN FUNCȚIUNE ȘI TESTAREA ANSAMBLURILOR PROIECTATE

7.1 Punerea in functiune si testarea senzorului de temperatură TCN75A

Pentru punerea in functiune a senzorului de temperatură se folosește schema electronică ilustrată în Figura 6.15 și schema bloc din Figura 7.1:

Figura 7.1 Schema de punere în funcțiune a senzorului de temperatură.

Având în vedere inerția termică a senzorului (Figura 7.1), pentru corecta funcționare a sensorului, este necesară o perioadă de stabilizare a acestuia la prima punere în funcțiune de aproximativ 5 minute.

Figura 7.2 Temperatura achiziționată și afișată pe monitorul serial.

În Figura 7.2 temperatura măsurată de senzor în contact cu pielea crește cu 0.1 – 0.3ºC pe secundă, rezoluția senzorului fiind capabilă să redea cu acuratețe temperatura exterioară a corpului.

7.2 Punerea în funțiune și testarea senzorului de puls

Senzorul de puls se conectează la o platformă de dezvoltare pentru vizualizarea formei de undă și a bătăilor pe minut (BPM), prin schema bloc reprezentată în Figura 7.3

Figura 7.3 Schema bloc de punere în funcțiune a senzorului de puls.

Asemănător cu senzorul de temperatură, senzorul de puls are nevoie de un timp de configurare, între 10 – 30 secunde, în care este stabilizată forma de undă și BPM-ul cum este afișat și în Figura 7.4:

Figura 7.4 Forma de undă redată de senzorul de puls.

În Figura 7.4 pe lângă forma de undă a pulsului și bătăile pe minut mai mai este redat și IBI-ul (timpul între BPM-uri). La analizarea amânuțită a formei de undă se observă prezența componentelor tipice din care aceasta este alcătuită:

Figura 7.5 Componentele principale ale undei de puls achizitionate de senzor.

în Figura 7.5 1) falia ascendentă anacrotică 2) falia descendentă dicrotică 3) vârful de amplitudine al pulsului 4) intervalul între bătăile pe minut 5) nod dicrotic. Aceleași caracteristici ale formei de undă au fost obținute și în timpul conectării senzorului la un osciloscop pentru vizulalizarea undei:

Figura 7.6 Forma de undă a senzorului de puls obținută prin conectarea la un osciloscop.

S-au efectuat măsurători și în paralel pentru verificarea rezultatelor BPM-urilor măsurate de senzorul de puls prin intermediul comparării cu rezultatele obținute prin intermediul unei aplicații pe telefon (Figura 7.5), care folosește acelaș principiu fotopletismografic prin reflectanță, rezultatele obținute fiind aproximativ indentice.

Figura 7.7 BPM-ul redat de o aplicație fotopletismografică pentru smartphone-uri.

Având ca și reper forma de undă obținută în Figura 7.4 s-au efectuat teste pentru vizualizarea deformărilor formei de undă prin introducerea de artefacte și impactul acestora supra bătăilor pe minut. Pentru efectuarea testelor s-a așteptat ca forma de undă și BPM-ul să se stabilizeze, doar după această perioadă s-a incercat generarea arfefactelor. În Figura 7.8 sunt afișate aceste forme de undă, ele reprezentănd:

a) Un artefact de miscare. Acesta în general nu are un impact asupra BPM-ului dacă senzorul nu a fost desprins de piele. În cazul în care a fost desprins BPM-ul este redat eronat sau senzorul întră intr-o perioada de calibrare (în general între 5-15 secunde), nivelul de eronare depinzând de distanța și durata desprinderii senzorului de piele.

b) Artefact generat de o tremurare susținută. Cazul prezentat este unul destul de favorabil, prin încercări de repetabilitate putând fiind redat mult mai eronat. BPM-ul redat în acest caz poate fi acceptat, dar este recomandat ca acest tip de artefact să fie evitat cu vehemență, valorile redate de BPM în cazuri ulterioare fiind foarte eronate.

c) Forma de undă obținută în urma unui efort susținut. Aceasta este acceptată, IBI-ul fiind mult mai mare ca și cel de control, la fel și BPM-ul,rezultat anticipat pentru un efort susținut.

d) Artefact generat de o tusă. Deformarea undei generată de acesta și impactule aspura BPM dipind în totalitate de persoană și tipul de tusă. Cazul prezentat prezintă doar o mică deformarare asociată cu o creștere de 10-20 BPM.

Figura 7.8 Formele de undă în diferite stări sau cu diferite artefacte.

În urma testelor s-a determinat că senzorul de puls este foate sensibil, fiind capabil să exprime și anxietatea generată de premeditarea tusei și a efectuării capturii de ecran prin crestearea cu 5-10 bătăi pe minut. Continuarea testelor repetitive de analizare a artefactului generat de dusă au dus la obținerea generală la un subiect a Figurii 7.9:

Figura 7.9 Artefact generat de o tusă violentă.

În Figura 7.9 a) reprezintă momentul generării tusei iar b) perioada de recalibrare a senzorului în care semanlul este atenuat aproape la 0. Studiile repetitive, pornite din nivelul de stabilitate al sezorului (forma de undă identică cu cea din Figura 7.4, iar bătăile pe minut intre 60 și 70) au indicat o creștere a BPM-ul în jurul valorii de 80 chiar inaintea momentului tusei (datorat anxietății generate de premeditarea tusei). S-au obținut mai apoi artefacte asemănătoare cu cele din Figura 7.9. După fiecare artefact a urmat o perioadă în care semnalul a fost atenuat aproape de 0 iar BPM-ul a fost inghețat (codul de procesare a undei de puls afișând BPM-ul în urma medierii ultimelor 10 IBI, iar acestea nexistând datorittă faptului că unda este atenuată aproape de 0, nu are ce măsura), numită generic periodă de recalibrare care durează între 10 – 30 se secunde. După perioada de recalbrare BPM-ul repornește de la valoarea de 35-45 după care urcă până în jurul valorilor normale ale pulsului (60-80 BPM).

7.3 Punearea în funcțiune și testarea modulelor nRF24L01 și interacțiunea acestora cu ansamblurile proiectate

Testarea comunicării modulelor nRF24L01 între acestea s-a realizat pe două plăci de dezvoltare cu microprocesorul Atmega328, după schema bloc ilustrată în Figura 7.10:

Figura 7.10 Schema bloc a testării comunicării între două module nRF24L01.

Senzorii folosiți în Figura 7.10 au fost aleși (de temperatură și lumină) cât mai simplu din punct de vedere al complexității codului necesar funcționării și al protocolurilor de comunicare (ambele utilizând doar câte un pin analogic pentru transmitarea datelor) dorindu-se în principal testarea transmisiei de date între cele două transceivere.

Odată ce a fost realizată comunicarea între cele două modului de emisie recepție, codul de emisie a fost încarcat pe ansamblul emițător și mai apoi pe cel receptor pentru verificarea comunicarii modulelor (chiar dacă datele transmise au avut valoarea 0, faptul că modulele comunică este evidențiată prin prezența acestor valori, Figura 7.12).

Comunicarea celor două ansambluri proiectate, de emisie și recepție, nu a putut fi pusă în evidentă datorită absenței unui port serial pe ansambluri pentru vizualizarea datelor.

Figura 7.11 Codul de emisie, cel de recpție și datele achzitionate de modulul emițător și receptate de cel receptor și afișate pe portul serial.

Figura 7.12 Comunicarea modulului receptor/emitător cu o platformă de dezvoltare.

7.4 Punerea în funcțiune și testarea interfeței celulare

Interfața celulară a fost testată după schema bloc reprezentată în Figura 7.13, acesta comunicând prin protocolul UART în care sunt necesare doar cele două linii, Rx și Tx:

Figura 7.13 Schema bloc de comunicare a interfeței celulare cu platforma cu Atmega328

După montarea interfeței celulare pe platfoma de dezvoltare, pe aceasta a fost încărcat un cod de testare a funcționalității acesteia. Neobținerea datelor dorite au dus la concluzia că intensitatea curentului electric funizat de cablul USB întreg ansamblului nu este sufiecient, fiind conectată și o sursă exterioară care poate furniza 5.5 V și 2.5 A. Astfel, prin intermediul acesteia au fost obținute datele dorite, ilustrate în Figura 7.14:

Figura 7.14 Testarea funcționalității interfeței celulare

În Figura 7.14 datele obtinute pe monitorul serial reprezintă:

+STID: 1 – cartela SIM inserată;

+STIND: 0 – cartelă SIM înlăturată;

+STIND: 11 – modul înregistrat la o rețea;

+STIND: 9 – audio pornit;

+STIND: 3 – modulul AT este parțial pregătit;

+STIND: 4 – modulul AT este pregătit.

S-a reușit și trimiterea de mesaje de platfoma de dezvoltare, dar nu și de pe modulul receptor proiectat, această problemă fiind încă în curs de rezolvare.

Bibliografie

1. http://new.biomedix.com/userfiles/ppg%20clinical%20phys.%20meas..pdf

2. http://link.springer.com/article/10.1007%2Fs11517-006-0070-0

3. http://iopscience.iop.org/0143-0815/9/4/003/

4. http://link.springer.com/article/10.1007%2FBF02513264

5.http://www.learntheheart.com/ecg-review/ecg-interpretation-tutorial/qrs-complex/

6. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2614355/#!po=6.52174

7.http://www.evaluationengineering.com/articles/201103/temperature-measurement-improves-patient-care.php

8.http://www.synopsys.com/Solutions/EndSolutions/advanced-lowpower/verification-lowpower/Pages/advanced-low-power-techniques.aspx[8]

9. http://www.atmel.com/Images/doc8161.pdf

10.http://www.nordicsemi.com/eng/nordic/download_resource/8041/1/40720627

11.http://www.keelog.com/files/MCP1700.pdf

12.http://dlnmh9ip6v2uc.cloudfront.net/datasheets/Sensors/Biometric/PulseSensorAmpd%20-%20Schematic.pdf

13.http://www.avagotech.com/docs/AV02-1169EN

14.http://embedded-lab.com/blog/?p=5508

15.http://pulse-sensor.googlecode.com/files/PulseSensorAmpedGettingStartedGuide.pdf

16.https://www.kingbrightusa.com/images/catalog/spec/AM2520ZGC09.pdf

17.http://www.avagotech.com/pages/en/optical_sensors/ambient_light_photo_sensors/apds-9008/

18.http://sternlab.org/wp-content/uploads/2008/10/pulse-sensor-beating-heart-headband.pdf

19.http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/21935D.pdf

20.https://www.sparkfun.com/products/9607

21.https://www.sparkfun.com/datasheets/CellularShield/SM5100B%20Datasheet.pdf

22.http://dlnmh9ip6v2uc.cloudfront.net/datasheets/Cellular/SM5100B-D_HW_spec_V1.0.0.pdf

23. http://www.byteparadigm.com/applications/introduction-to-i2c-and-spi-protocols/

24.http://www.robot-electronics.co.uk/acatalog/I2C_Tutorial.html

23.http://www.byteparadigm.com/applications/introduction-to-i2c-and-spi-protocols/

25.http://tutorial.cytron.com.my/2012/02/16/uart-universal-asynchronous-receiver-and-transmitter/

26.http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11004060