ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟ ΠΙΕΣΟΜΕΤΡΟ ΑΣΛΑΝΙΔΗΣ ΑΝΤΩΝΙΟΣ ΑΕΜ:1463 ΠΑΝΤΕΛΕΙΟΥ ΠΑΝΤΕΛΗΣ ΑΕΜ:1530. ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: Δρ. ΠΟΓΑΡΙΔΗΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ

Transcript

1 ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟ ΠΙΕΣΟΜΕΤΡΟ ΑΣΛΑΝΙΔΗΣ ΑΝΤΩΝΙΟΣ ΑΕΜ:1463 ΠΑΝΤΕΛΕΙΟΥ ΠΑΝΤΕΛΗΣ ΑΕΜ:1530 ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: Δρ. ΠΟΓΑΡΙΔΗΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ 13

2 Περιεχόμενα 1. Αρτηριακή Πίεση Επισκόπηση Θεωρία Αρτηριακή πίεση Όργανα πίεσης του αίματος Η σημασία της πίεσης του αίματος Μέθοδοι μέτρησης της αρτηριακής πίεσης Άμεσες Τεχνικές Έμμεσες τεχνικές (μη επεμβατικές) Auscultatory Method (Ακροαστική Μέθοδος) Μέθοδος ταλάντωσης (Oscillometric method) Αυτόματη Ακροαστική Τεχνική Τονομετρία (Tonometry Technique) υπό-ήχος και υπέρ-ήχος Νοσοκομειακή τεχνική παρακολούθησης της αρτηριακής πίεσης Πληθυσμογραφικές τεχνικές Δυναμική Τεχνική Παλμού 1.4 Κατάσταση του Προβλήματος Στόχοι της εργασίας. 1.6 Δομή Εργασίας. 2. Μικροεπεξεργαστές 2.1 Μικροελεγκτές. 2.2 Μικροελεγκτής PIC18F Οργάνωση μνήμης του PIC18F Το reset και οι διακοπές 2.5 Θύρες Εισόδου/Εξόδου 2.6 Η μονάδα A/D Converter 2.7 Xρονιστές/Απαριθμητές Η περιφερειακή μονάδα CCP 3. Ηλεκτρονικά στοιχεία 3.1 Εισαγωγή. 3.2 Αισθητήρας Πίεσης Pressure Sensor Φίλτρα και Ενισχυτές. 3.4 Μετατροπέας Αναλογικού σε ψηφιακού (A/D Converter). 3.5 Σταθεροποιητής Τάσης.. 4. Υλοποίηση Πιεσόμετρου 4.1 Εισαγωγή 4.2 Σχηματικό Διάγραμμα.

3 5. Λογισμικό και Κώδικας 5.1 Γενικές πληροφορίες για το MPLAB. 5.2 Χρήσιμες ιδιότητες του ΜPLAB 5.3 Κώδικας C και Ανάλυση του. 6. Συμπεράσματα και τεστ Συγκρίσεων. 6.1 Προσθήκη Οθόνης 6.2 Μεγαλύτερη αυτονομία συσκευής. Βιβλιογραφία..

4 Κεφάλαιο Επισκόπηση Η πίεση του αίματος είναι μια από τις πιο σημαντικές μετρήσεις που δείχνουν την κατάσταση της υγείας του ατόμου. Λάθος ανάγνωση της αρτηριακής πίεσης μπορεί να οδηγήσει σε διάφορες ασθένειες που μπορούν να καταπολεμηθούν με θεραπεία. Οι ασθένειες που σχετίζονται με την αρτηριακή πίεση συνήθως τις ονομάζουμε ως «σιωπηλοί δολοφόνοι». Οι συνέπειες που προκαλούνται, μπορούν να είναι είτε καρδιακή δυσλειτουργία είτε πρόβλημα στα όργανα του σώματος μας. Λαμβάνοντας υπόψη ότι οι ασθένειες που σχετίζονται με την αρτηριακή πίεση είναι πολύ επιβλαβής για το ανθρώπινο σώμα, προληπτικά μέτρα πρέπει να ληφθούν. Η υψηλή αρτηριακή πίεση είναι μια ασθένεια που αναπτύσσεται με μορφή επιδημίας κυρίως σε ανεπτυγμένες χώρες. Στατιστικές μελέτες δείχνουν το μεγάλο αριθμό των περιπτώσεων των τελευταίων δεκαετιών, η οποία δημιουργεί την αντίληψη ότι η πρόληψη και ο έλεγχος αυτής της ασθένειας, είναι πολύ καλύτερος από ότι η θεραπεία του. Σήμερα, η ανάγκη για αξιόπιστες ιατρικές τεχνολογίες και σωστή ανάλυση των περιπτώσεων είναι επιθυμητή, δεδομένου ότι οι χρήστες προτιμούν να μπορούν οι ίδιοι να κάνουν ιατρική διάγνωση από μόνοι τους. Η παρακολούθηση από το σπίτι παρέχει μια ακριβή καταγραφή των μετρήσεων στη πάροδο του χρόνου και βοηθά στο σχεδιασμό μιας ολοκληρωμένης και αποτελεσματικής αγωγής. Επιπλέον, ο έλεγχος της αρτηριακής πίεσης είναι ένα βήμα προς την κατεύθυνση ενός πιο υγιεινού τρόπου ζωής. 1.2 Θεωρία Αρτηριακή πίεση Η αρτηριακή πίεση ορίζεται ως η πίεση του αίματος προς τους τοίχους της αρτηρίας. Είναι η συνισταμένη δύο δυνάμεων. Η μια δύναμη δημιουργείται από την καρδιά, καθώς στέλνει αίμα στις αρτηρίες μέσω του κυκλοφορικού συστήματος. Η άλλη δύναμη είναι η δύναμη των αρτηριών που αντιστέκονται στη ροή του αίματος. Τα φαινόμενα αυτά φαίνονται στα δυο παρακάτω σχήματα (Σχήμα 1.1-Σχήμα 1.2).

5 Σχήμα 1.1: Μέτρηση της δύναμης που ασκείται στα τοιχώματα των αρτηριών Σχήμα 1.2: Η κυκλοφορία του αίματος στην καρδιά Η αρτηριακή πίεση μετριέται σε χιλιοστά υδραργύρου (mmhg) και καταγράφεται ως δύο αριθμοί : συστολική πίεση( μεγάλη πίεση) "με" διαστολική πίεση( μικρή πίεση). Για παράδειγμα, ο γιατρός θα μπορούσε να πει 130 με 80 δηλαδή 130/80 mmhg, ως μέτρηση της πίεσης του αίματος. Η μέτρηση λαμβάνεται όταν ο γιατρός τοποθετεί την περιχειρίδα γύρω από το βραχίονα και φουσκώνει την περιχειρίδα. Η πίεση που ασκείται από τη μανσέτα, θα μπλοκάρει την ροή του αίματος στο αγγείο. Καθώς η πίεση απελευθερώνεται αργά, ξεφουσκώνοντας την μανσέτα το αίμα αρχίζει να ρέει και πάλι και ο γιατρός μπορεί να ακούσει τη ροή του αίματος χρησιμοποιώντας ένα στηθοσκόπιο. Ο αριθμός κατά τον οποίο το αίμα αρχίζει να ρέει και πάλι,καταγράφεται ως η μέγιστη πίεση εξόδου από την καρδιά και είναι ο αριθμός 130 για το παράδειγμα μας (συστολική). Στη συνέχεια, ο γιατρός θα συνεχίσει την απελευθέρωση της πίεσης συνεχίζοντας το ξεφούσκωμα της περιχειρίδας και ακούει μέχρι να μην υπάρχει ήχος. Ο αριθμός 80 δείχνει την πίεση στο σύστημα, όταν η καρδιά είναι χαλαρή (διαστολική). Σύμφωνα με τη Αμερικάνικη Ένωση Καρδιολογίας( American Heart Association ), η

6 βέλτιστη πίεση του αίματος σε σχέση με ένα καρδιαγγειακό κίνδυνο είναι μικρότερη από 120/80 mmhg. Ωστόσο, ασυνήθιστα χαμηλές μετρήσεις θα πρέπει να αξιολογούνται για να αποκλείσουμε άλλα ιατρικά αίτια. Εάν ο ασθενής παρουσιάζει χαμηλές αναγνώσεις πίεσης για αρκετές μετρήσεις, υπάρχει πιθανότητα να έχει χαμηλή αρτηριακή πίεση (υπόταση). Η συστολική πίεση μεταξύ 120 και 139 mmhg ή η διαστολική πίεση μεταξύ του 80 και 89 mmhg θεωρείται επικίνδυνη ώστε να υπάρχει υψηλή αρτηριακή πίεση (προ-υπέρταση). Επιπλέον, αρτηριακή πίεση 140/90 mmhg θεωρείται αυξημένα υψηλή (υπέρταση). Τα φάσματα της αρτηριακής πίεσης και η κατηγοριοποίηση τους, που συνιστά η Αμερικάνικη Ένωση Καρδιολογίας συνοψίζονται στον παρακάτω Πίνακα 1.1. Κατηγορία Συστολική (mmhg) Διαστολική (mmhg) Κανονική <130 <85 Προ-υπέρταση Υπέρταση Στάδιο 1 ( Ήπιο ) Στάδιο 2 ( Μέτριο) Στάδιο 3 (Σοβαρό) Στάδιο 4 (Πολύ σοβαρό) Πίνακας 1.1 Εμβέλεια Αρτηριακής Πίεσης Η ανάγνωση της αρτηριακής πίεσης είναι γνωστό ότι αλλάζει ανάλογα τον άνθρωπο. Συνιστάται από τους ειδικούς ότι ιδανικά, η αρτηριακή πίεση θα πρέπει να ελέγχεται τουλάχιστον δύο φορές το χρόνο και πρέπει να ελέγχεται πιο συχνά αν είναι υψηλή. Μερικοί από τους παράγοντες που επηρεάζουν την αρτηριακή πίεση μπορεί να ταξινομηθούν σε διάφορες κατηγορίες όπως το φύλο, ο τρόπο ζωής η ηλικία και πολλοί άλλοι. Η επεξεργασία αυτών των παραγόντων θα αναλυθεί παρακάτω Όργανα πίεσης του αίματος Παραδοσιακά, ένα πιεσόμετρο χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της αρτηριακής πίεσης. Η λέξη προέρχεται από το ελληνικό "σφυγμός " (παλμός), καθώς και ο επιστημονικός όρος μανόμετρο εισήχθη από τον Scipione Riva Rocci, ένας Ιταλός Ιατρός κατά τη διάρκεια του Ένα πιεσόμετρο αποτελείται συνήθως από μια φουσκωτή περιχειρίδα, μια μονάδα μέτρησης (το μανόμετρο υδραργύρου), ένας σωλήνας για τη σύνδεση του δύο, και (στα μοντέλα τα οποία δεν φουσκώνουν αυτόματα) μια μανσέτα για φούσκωμα που συνδέεται επίσης με άλλον σωλήνα στην περιχειρίδα. Η μανσέτα περιέχει μία μονόδρομη βαλβίδα για να αποφευχθεί ακούσια διαρροή της

7 πίεσης ενώ υπάρχει μια ρυθμιζόμενη βαλβίδα με κοχλία για το χειριστή για να επιτρέψει την πίεση στον σύστημα να πέσει με έναν ελεγχόμενο τρόπο. Σήμερα, υπάρχουν πολλοί τύποι πιεσόμετρου που χρησιμοποιούνται στις κλινικές και τα νοσοκομεία, όπως το ηλεκτρονικό πιεσόμετρο (Electronic sphygmomanometer), συμβατικό πιεσόμετρο (Conventional sphygmomanometer) και πιεσόμετρο με υδράργυρο (Aneroid sphygmomanometer) όπως φαίνεται στα παρακάτω σχήματα 1.3, 1.4 και 1.5. Σχήμα 1.3: Ηλεκτρονικό Πιεσόμετρο Σχήμα 1.4: Συμβατικό Πιεσόμετρο

8 Σχήμα 1.5: Πιεσόμετρο με υδράργυρο Λόγω της εξέλιξης της τεχνολογίας, οι συσκευές ελέγχου της πίεσης του αίματος χρησιμοποιούν ηλεκτρονικά μέσα και ψηφιακές ενδείξεις. Σε αυτές τις περιπτώσεις, η πίεση του αίματος εμφανίζεται σε μια μικρή οθόνη ή ακούγεται ένα μπιπ, και δεν χρησιμοποιείται στηθοσκόπιο. Τα περισσότερα ψηφιακά μέσα έχουν αυτόματο μηχανισμό φουσκώματος, που αντικαθιστούν την μανσέτα με τον κοχλία για απλότητα και άνεση. Τα ψηφιακά σύστημα μέτρησης πίεσης είναι ευρέως γνωστά για την ευκολία τους και την αξιοπιστία τους, ακόμη είναι προτιμότερα σε θορυβώδη περιβάλλοντα. Ως εκ τούτου, τα σημερινά πιεσόμετρα ακόμη υιοθετούν τις ίδιες τεχνικές μέτρησης αλλά χρησιμοποιούν νέα χαρακτηριστικά. Μερικά πιεσόμετρα μετράνε πίεση με άλλες μεθόδους όπως η μέθοδος του δακτύλου, η μέθοδος στο καρπό και η επιτραπέζια μέθοδος. Αναλύσεις πρέπει να γίνουν κατά το σχεδιασμό ενός ψηφιακού μετρητή πίεσης καθώς οι ηλεκτρονικές συσκευές είναι πολύ ευαίσθητες σε λειτουργία θερμοκρασίας και υγρασίας Η σημασία της πίεσης του αίματος Η υψηλή αρτηριακή πίεση είναι μια πολύ συνηθισμένη κατάσταση στη σύγχρονη κοινωνία. Έχει υπολογιστεί ότι ένας στους πέντε Αμερικανούς, περίπου 50 εκατομμύρια άνθρωποι, υποφέρουν από υψηλή αρτηριακή πίεση. Σε γενικές γραμμές περισσότερο οι άνδρες από ότι οι γυναίκες έχουν υψηλή αρτηριακή πίεση, και ο αριθμός των πασχόντων και των δύο φύλων αυξάνεται ραγδαία με την ηλικία. Περίπου το 5% των περιπτώσεων της υψηλής αρτηριακής πίεσης προκαλείται από προβλήματα στα νεφρά, αλλά τα αίτια για το άλλο 95% των περιπτώσεων είναι άγνωστα. Υπάρχουν μια σειρά από παράγοντες, όπως η φυλή, η ηλικία, η παχυσαρκία,

9 το στρες, το κάπνισμα και η έλλειψη άσκησης που μπορούν να συμβάλουν στην πιθανότητα ένας άνθρωπος να αναπτύξει υψηλή πίεση, αλλά συνήθως δεν είναι μια αιτίες αυτές άμεσα υπεύθυνη. Η πλειοψηφία των ατόμων με υψηλή αρτηριακή πίεση δεν βιώνουν συμπτώματα, αλλά αν αφεθεί χωρίς θεραπεία η υπέρταση μπορεί να οδηγήσει σε σημαντικά προβλήματα υγείας. Συνεπώς, η παρακολούθηση της πίεσης είναι ζωτικής σημασίας προκειμένου να εντοπίσουμε περιπτώσεις υψηλής πίεσης και να τις θεραπεύσουμε νωρίς πριν αναπτυχθούν προβλήματα υγείας. Η παρατεταμένη υψηλή αρτηριακή πίεση βλάπτει την επένδυση των αρτηριακών τοιχωμάτων, καθιστώντας τα παχιά και σκληρά. Αυτή η κατάσταση είναι γνωστή ως αρτηριοσκλήρυνση. Η χοληστερόλη είναι πιο πιθανό να προσκολλείται στα κατεστραμμένα τοιχώματα των αρτηριών, στενεύοντας τις αρτηρίες και κατά συνέπεια εμποδίζοντας το αίμα να ρέει διαμέσου του σώματος σωστά. Η καρδιά πρέπει να εργαστεί περισσότερο για να αντιστάθμιση την στένωση των αρτηριών. Με την πάροδο του χρόνου αυτό προκαλεί στην καρδιά πρήξιμο και παραμόρφωση, τελικά, σταματά να λειτουργήσει κανονικά, με αποτέλεσμα υγρά να διοχετεύονται εντός των πνευμόνων. Αν η καρδιά δεν μπορεί να λειτουργήσει αρκετά σκληρά για να αντισταθμίσει τη στένωση των αρτηριών, τότε λιγότερο αίμα διοχετεύεται στο σώμα από την καρδιά. Λιγότερη ροή αίματος προς την καρδιά μπορεί να προκαλέσει πόνο στο στήθος και στηθάγχη, και τελικά η ροή μπορεί να σταματήσει τελείως, προκαλώντας καρδιακή προσβολή. Η λειτουργία των νεφρών είναι να φιλτράρουν τα απόβλητα από το αίμα, αλλά εάν η ροή του αίματος σε αυτά μειώνεται τότε γίνονται λιγότερο αποτελεσματικά και τα απόβλητα συσσωρεύονται στο αίμα. Τελικά μπορεί να αποτύχουν τελείως να καταστραφούν και ο μόνος δρόμος είναι η αιμοκάθαρση ή μεταμόσχευση νεφρού. Η υψηλή αρτηριακή πίεση μπορεί επίσης να οδηγήσει σε εγκεφαλική βλάβη και μειωμένη όραση. Εάν ένας θρόμβος αίματος εμφανιστεί σε μία από τις στενώσεις των αρτηριών που οδηγούν στον εγκέφαλο ένα θρομβωτικό εγκεφαλικό επεισόδιο μπορεί να συμβεί. Εναλλακτικά τα αδύνατα αιμοφόρα αγγεία στον εγκέφαλο μπορεί να σπάσουν λόγω της υψηλής πίεσης και οδηγούμαστε σε αιμορραγικό εγκεφαλικό επεισόδιο. Μια 25-ετή μελέτη ατόμων επιβεβαίωσε ότι οι νεαροί άνδρες με υψηλή αρτηριακή πίεση είναι πιο πιθανό να πεθάνουν από καρδιακή νόσο ή άλλες αιτίες από εκείνους με φυσιολογική αρτηριακή πίεση, και αυτό μεταφράζεται σε μια εκτίμηση μικρότερου προσδόκιμου ζωής από δύο έως τεσσάρων χρόνια. Οι ερευνητές ζητούν πλέον από όλο το πληθυσμό για πρόληψη από την αυξημένη αρτηριακής πίεση μέσω υγιούς τρόπου ζωής και τον έλεγχο για τον εντοπισμό αυξημένης αρτηριακής πίεσης σε παιδιά, εφήβους και σε νεαρούς ενήλικες, γιατί ο έλεγχος της πίεσης και τα προβλήματα που την ακολουθούν μπορούν να ξεκινήσουν πολύ νωρίς.

10 1.3 Μέθοδος μέτρησης της αρτηριακής πίεσης Υπάρχουν λίγες διαθέσιμες τεχνικές που χρησιμοποιούνται για την μέτρηση της αρτηριακής πίεσης η κάθε μια από αυτές έχει τα δικά της πλεονεκτήματα και τις αδυναμίες της. Δύο δημοφιλή προσεγγίσεις μπορούν να ταξινομηθούν σε δύο μεγάλες κατηγορίες γνωστές ως επεμβατικές(invasive) και μη-επεμβατικές(non-invasive) μέθοδοι. Όπως υποδηλώνει το όνομα, επεμβατική μέθοδος περιλαμβάνει καθετηριασμό (cut), όπου ο ασθενής πρέπει να υποβληθεί σε μικρή χειρουργική επέμβαση. Από την άλλη, η μη επεμβατική τεχνική προσφέρει απλότητα, ευκολία, άνεση και η διαδικασία προτιμάτε περισσότερο από τον ασθενή. Η επεμβατική μέθοδος αναμφίβολα δίνει τις πιο ακριβείς μετρήσεις, αλλά χρησιμοποιείται σπάνια δεδομένου ότι είναι πιο επικίνδυνη και ο ασθενής μπορεί να υποφέρει από υπερβολική απώλεια αίματος. Ακόμη και σήμερα, οι επεμβατικές διαδικασίες καθετηριασμού χρησιμοποιείται σπάνια λόγω του κινδύνου λοίμωξης. Παρά το γεγονός ότι η μη επεμβατική μέθοδος θυσιάζει ένα βαθμό ακρίβειας στη μέτρηση, οι διαδικασίες που ακολουθείτε παρέχει απόλυτη ασφάλεια στον ασθενή και φια αυτό εφαρμόζεται ευρέως. Δυο κύριες μέθοδοι μη επεμβατικής μέτρηση είναι γνωστές, η Ακροαστική (Auscultatory) και η ταλαντωσιμετρική μέθοδος (oscillometric). Στην πραγματικότητα, υπάρχουν διάφορες μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση της πίεσης του αίματος και οι οποίες θα συζητηθούν πιο μετά Άμεσες Τεχνικές Η λειτουργία της άμεσης τεχνικές μέτρησης μπορεί να συνοψιστεί σε πολύ απλούς, δηλαδή έχουμε έναν μετατροπέα πιέσεως ο οποίος συνδέεται με το αγγειακό σύστημα μέσω ενός καθετήρα ή σωληνίσκου που εισάγεται σε ένα αιμοφόρο αγγείο, ακολουθούμενο από μία μονάδα μικροελεγκτή με τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα και τους αλγορίθμους για τη κατάσταση του σήματος, την επεξεργασία του και τη λήψη αποφάσεων. Υπάρχουν πολλά πλεονεκτήματα για το σύνολο μεθόδων που χρησιμοποιούν αυτές τις τεχνικές, όπως τα εξής: i. η πίεση μετράται πολύ γρήγορα, συνήθως μέσα σε έναν καρδιακό κύκλο. ii. η μέτρηση γίνεται σε ένα πολύ υψηλό επίπεδο ακρίβειας και επαναληψιμότητας. iii. η μέτρηση είναι συνεχής, οπότε μπορούμε να έχουμε ένα γράφημα της πίεσης σε σχέση με το χρόνο. ίν. η μέτρηση είναι ανεκτική στην κίνηση. Επομένως, οι άμεσες τεχνικές χρησιμοποιούνται όταν είναι απαραίτητο η ακριβής παρακολούθηση των ζωτικών σημείων των ασθενών, για παράδειγμα κατά τη διάρκεια της εντατικής θεραπείας και στο χειρουργείο. Παρόλο που η άμεσες τεχνικές έχουν

11 πολλά κοινά, υπάρχουν διαφορές στις λεπτομέρειες των διαφόρων προσεγγίσεων. Εξωαγγειακή μετατροπή είναι μια άμεση τεχνική που χρησιμοποιείτε στη μέτρηση της αρτηριακής πίεσης. Σύμφωνα με την τεχνική αυτή, ο καθετήρας σε αυτόν τον τύπο των συσκευών είναι γεμάτη με ένα αλατούχο διάλυμα, το οποίο μεταδίδει τη πίεση σε ένα θάλαμο που στεγάζει τη διάταξη του αισθητήρα. Ως ένα μικρό μειονέκτημα, αυτή η δομή επηρεάζει τη μετρούμενη πίεση μέσω της δυναμικής συμπεριφοράς του καθετήρα. Δεδομένου ότι ο καθετήρας έχει μια γνωστή συμπεριφορά, το αποτέλεσμα αυτό μπορεί να ελαχιστοποιηθεί σε ασήμαντα επίπεδα μέσω των υπολογιστικών αντισταθμήσεων (Gibbs). Μια άλλη άμεση τεχνική είναι η ενδοαγγειακή μετατροπή. Ο μετατροπέας είναι στο άκρο του καθετήρα σε αυτόν τον τύπο των συσκευών. Στη συνέχεια, το μετρούμενο σήμα δεν επηρεάζεται από την διέλευση του ρευστού μέσα στον καθετήρα. Η διάμετρος του καθετήρα είναι μεγαλύτερη σε αυτή την κατηγορία των μετατροπέων. Η νέα τεχνική της απευθείας μέτρησης γίνεται χρησιμοποιώντας την τεχνολογία των μετατροπέων, όπου υπάρχει διαθέσιμο ένα ευρύ φάσμα τεχνολογιών μετατροπέων ώστε να κατασκευάσουμε και άλλους μετατροπείς. Αυτά περιλαμβάνουν μεταλλικά ή ημιαγώγιμους μετρητές πίεσης, πιεζοηλεκτρικά, μεταβλητής χωρητικότητας, μεταβλητής επαγωγή, και οπτικών ινών. Κατάλληλοι οδηγοί και κυκλώματα διασύνδεσης συνοδεύουν την κάθε τεχνολογία (Webster, pp ). Ένα από τα πλεονεκτήματα των άμεσων τεχνικών μέτρησης είναι ότι, δεν περιορίζονται στην μέτρηση της αρτηριακής πιέσεως απλά. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να μετρήσουν την κεντρική φλεβική θρόμβωση, πνευμονική αρτηριακή, αριστερού κόλπου, δεξιού κόλπου, μηριαίας αρτηρίας, φλέβα ομφάλιου λώρου, αρτηρία ομφάλιου λώρου, και ενδοκρανιακές πιέσεις, με την εισαγωγή του καθετήρα στην επιθυμητή θέση (Hambly). Κυματομορφές πίεσης μπορούν να πραγματοποιηθούν όπως φαίνετε στο Σχήμα 1.6. Σχήμα 1.6 : Κυματομορφή πίεσης, συστολική και διαστολική πίεση, μέση πίεση από ένα μόνιτορ της κατηγορίας invasive Καθώς ο χρόνος περνά, η άμεση τεχνική δεν χρησιμοποιείται λόγω κάποιων λαθών. Άμεσα συστήματα μέτρησης της πίεσης έχουν την ευελιξία να εργάζονται με μια ποικιλία μετατροπέων / ανιχνευτών. Είναι σημαντικό ότι οι ανιχνευτές συνδυάζονται με τη κατάλληλο αλγόριθμο. Τα περισσότερα από τα σύγχρονα μηχανήματα κάνουν αυτή την αντιστοιχία αυτόματα, εξαλείφοντας την πιθανότητα λάθους από το χειριστή. Μια πρόσθετη πηγή σφαλμάτων παρουσιάζεται όταν φυσαλίδες αέρα έχουν παγιδευτεί στον καθετήρα. Αυτό αλλάζει το δυναμική των ρευστών του καθετήρα, προκαλώντας μια αθέλητη αναντιστοιχία μεταξύ του καθετήρα και του αλγορίθμου της επεξεργασίας σήματος. Αυτό μπορεί να προκαλέσει στρεβλώσεις στις κυματομορφές και σφάλματα στις αριθμητικές τιμές της πιέσεως που μετράνε. Είναι δύσκολο να αναγνωριστεί αυτό

12 το κατασκεύασμα από τις κυματομορφές, οπότε είναι καλύτερο να αποφευχθούν οι φυσαλίδες αέρα στον καθετήρα Έμμεσες τεχνικές (μη επεμβατικές) Οι μετρήσεις της πίεσης του αίματος που λαμβάνονται από μη-επεμβατικές μεθόδους αποτελούν απαραίτητη διαδικασία για την αξιολόγηση και τη θεραπεία ασθενών σε ένα ιατρικό περιβάλλον. Αυτή η διαδικασία έχει εφαρμοστεί κατά κάποιο τρόπο σχεδόν αυτόματη, κυρίως με τη χρήση του εξοπλισμού με βάση την μέθοδο της ταλαντωσομετρίας (oscillator method), που απεικονίζεται στο Σχήμα 1.7 Σχήμα 1.7 : Εικονογράφηση του ταλαντομετρικής μεθόδου Η συντριπτική πλειοψηφία των μετρήσεων πίεσης δεν απαιτούν συνεχής παρακολούθηση ή εξαιρετική ακρίβεια. Συνεπώς μη-επεμβατικές τεχνικές χρησιμοποιούνται στις περισσότερες περιπτώσεις, μεγιστοποιώντας την άνεση του ασθενούς και την ασφάλεια του. Επί του παρόντος συσκευές που διατίθενται για μη επεμβατική μέτρηση είναι: Χειροκίνητες συσκευές: αυτές οι συσκευές χρησιμοποιούν την ακροαστική τεχνική (auscultatory technique).

13 Ημι-αυτόματες συσκευές: αυτές οι συσκευές χρησιμοποιούν τεχνικές ταλάντωσης (oscillatory techniques). Αυτόματες συσκευές: ενώ η πλειοψηφία αυτών των συσκευών χρησιμοποιούν τεχνικές ταλάντωσης, υπάρχουν μερικές που χρησιμοποιούν ταχύτητα παλμού κύματος ή πληθυσμογραφικές μεθόδους (plethysmographic methods) Auscultatory Method (Ακροαστική Μέθοδος) Η ακροαστική μέθοδος είναι η πρωτότυπη τεχνική που έχει χρησιμοποιηθεί από πολλούς γιατρούς και παραμένει η πλέον κοινή μέθοδος μέτρησης του ΝΒΡ(Non- Invasive Blood Pressure) σήμερα. Βασίζεται στην αρχή, του χειροκίνητου φουσκώματος της περιχειρίδας γύρω από το βραχίονα (τυπικά), φράσσοντας την αρτηρία του βραχίονος, και μετά ξεφουσκώνοντας αργά αργά τη περιχειρίδα ακούγονται οι ήχοι Korotkoff. Οι ήχοι Korotkoff προκαλούνται από την σφυρηλάτηση του αίματος ενάντια στο αρτηριακό τοίχωμα, όταν η συμπίεση της αρτηρίας απελευθερώνεται. Η έναρξη του ήχου Korotkoff υποδηλώνει την συστολική πίεση, ενώ η πλήρης εξαφάνιση του ήχου Korotkoff σηματοδοτεί το διαστολική πίεση. Το Σχήμα 1.8 παρακάτω απεικονίζουν πώς η συστολική και η διαστολική πίεση λαμβάνονται. Σχήμα 1.8 : Προσδιορισμός της πίεσης του αίματος με τη χρήση ακροαστικών Μέθοδος ταλάντωσης (Oscillometric method) Η oscillometric μέθοδος μέτρησης που χρησιμοποιείται στις περισσότερες οθόνες σε κρεβάτια ασθενών (που δείχνουν την πίεση ) και παρόλο που υπάρχουν κάποιες διαφορές μεταξύ των κατασκευαστών, η αρχή της μεθόδου είναι η ίδια. Με αυτή την τεχνική, μία περιχειρίδα εφαρμόζεται επίσης στον βραχίονα του ασθενούς ή στο πόδι και την φουσκώνουμε σε ένα σημείο πάνω από τη συστολική πίεση, έτσι φράσσουμε τη ροή του αίματος μέσα στην αρτηρία. Η περιχειρίδα κατόπιν ξεφουσκώνει σε διάφορα επίπεδα πίεσης, επιτρέποντας στο αίμα να ρέει μέσω της αρτηρίας σε βήματα (Σχήμα 1.9 (α) και στο Σχήμα 1.9 (β)).

14 Σχήμα 1.9 (α): Πίεση με κλιμακωτό ξεφούσκωμα της περιχειρίδας Σχήμα 1.9 (β): Κάνοντας ζουμ στο διάγραμμα της πίεσης βλέπουμε μικρές ταλαντώσεις που δημιουργούνται από τη ροή αίματος στην αρτηρία. Η πιο μεγάλη ταλάντωση αντιστοιχεί στην πίεση Mean. Καθώς η πίεση στην περιχειρίδα μειώνεται, οι παλμοί της πίεσης του αίματος εντός της αρτηρίας διαστέλλουν τους μαλακούς ιστούς στα άκρα. Αυτές οι διακυμάνσεις στην περιφέρεια του βραχίονα προκαλούν ταλαντώσεις πίεσης στην περιχειρίδα, η οποίες μπορούν να γίνουν αισθητές από μετατροπείς εντός της οθόνης. Κατά τη διάρκεια του ξεφουσκώματος της περιχειρίδας, η έναρξη και η αύξηση των ταλαντώσεων υποδηλώνει την συστολική. Η μέγιστη ταλάντωση ανιχνευόμενη υποδεικνύει τη μέση αρτηριακή πίεση, ενώ η περιοχή διαστολής χαρακτηρίζεται από την μείωση και εν τέλει την εξαφάνιση των ταλαντώσεων. Αν παρακολουθούμε ένα μόνιτορ με την τεχνική NBP, καθώς η περιχειρίδα ξεφουσκώνει ένα βήμα κάθε φορά, ανιχνεύουμε δύο ταλαντώσεις σχετικά ίσου πλάτους (ανίχνευση κορυφών). Ο χρόνος μεταξύ των βημάτων του ξεφουσκώματος εξαρτάται από τη συχνότητα αυτών των όμοιων παλμών. Ωστόσο, εάν το NBP μόνιτορ δεν είναι σε θέση να βρείτε ένα παλμό μέσα σε μερικά δευτερόλεπτα, αυτό θα ξεφουσκώσει για το επόμενο βήμα. Η διαδικασία της εύρεσης δύο όμοιων ταλαντώσεων σε κάθε βήμα οδηγεί σε τεχνική απόρριψη λόγω της κίνησης του ασθενούς και ενισχύει σημαντικά την ακρίβεια. Η αρτηριακή κυματομορφή της πίεσης του αίματος, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο oscillator φαίνεται στο Σχήμα 1.10.

15 Σχήμα 1.10 : κυματομορφή της πίεσης του αίματος, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο oscillator Αυτόματη Ακροαστική Τεχνική Αυτές οι συσκευές λειτουργούν με βάση αλγόριθμους ήχου για την εκτίμηση του SBP και του DBP. Χρησιμοποιώντας όμως ένα μικρόφωνο, οι συσκευές αυτές έχουν έλλειψη της δυνατότητας της επαλήθευσης. Εκτός αυτού, αυτοί οι ενσωματωμένοι αλγόριθμοι ήχου δεν μπορούν να λειτουργήσουν σωστά σε συνθήκες ασθενών όπως ασθενής με υπόταση (π.χ. χαμηλή πίεση αίματος), όπου ο ήχος Korotkoff ενδέχεται να είναι υποτονικός. Για να γίνουν οι αυτόματες μετρήσεις πιο αξιόπιστες, δημιουργήθηκαν συσκευές με την oscillometric μέθοδο Τονομετρία (Tonometry Technique) Το τονόμετρο είναι ένα όργανο που χρησιμοποιείται για την καταγραφή του σφυγμικού κύματος πίεσης. Αυτό επιτυγχάνεται πιέζοντας ένα «αντικείμενο» πλήρες υγρού (π.χ. αρτηρία ή οφθαλμικό βολβό) ενάντια σε ένα σκληρό «αντικείμενο» (π.χ. οστό). Το τονόμετρο μετρά τη δύναμη που απαιτείται για την παραμόρφωση του «αντικειμένου». Για την περίπτωση της αρτηριακής τονομετρίας, η εξωτερική δύναμη που καταγράφει το τονόμετρο είναι ανάλογη της εσωτερικής πίεσης της αρτηρίας ακολουθώντας τον τρίτο νόμο του Νεύτωνα. Τα αρτηριακά τονόμετρα βασίζονται στην ικανότητα να «αισθάνονται» δυνάμεις και μετατοπίσεις επιφανειακών αρτηριών μέσω ενός μορφομετατροπέα- αισθητήρα, ο οποίος μετατρέπει τις μηχανικές δυνάμεις σε ηλεκτρικό σήμα. Ένας αλγόριθμος πρέπει να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό της πίεσης του αίματος από το λαμβανόμενη κυματομορφή. Επιπλέον, η κυματομορφή παρουσιάζει παρόμοια εξέλιξη με τη μέτρηση του καθετήρα (επεμβατική). Ωστόσο, η τονομέτρηση έχει αρκετούς περιορισμούς που επηρεάζουν την απόδοση της. Περιορισμοί όπως η υψηλή ευαισθησία στη θέση και τη γωνία του αισθητήρα, να μετρήσουμε την περιφερειακή κυκλοφορίας, επίσης απαιτεί τακτική βαθμονόμηση υπό-ήχος και υπέρ-ήχος

16 Η μέθοδος με τους υπό-ήχους προσπαθεί να βελτιώσει την μέθοδο με ακροαστικά, ανιχνεύοντας τους χαμηλής συχνότητας ήχους Korotkoff κάτω από 50 Hz, στην οποία συμπεριλαμβανομένων και των θορύβων. Από την άλλη μεριά, η τεχνική υπερήχων δεν χρησιμοποιείται συνήθως για τη μέτρηση της πίεσης του αίματος. Συνήθως, αυτή χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με άλλες μεθόδους. Κύριο χαρακτηριστικό της μεθόδου αυτής είναι, ότι οι καταγραφόμενες τιμές χρησιμοποιώντας υπέρ-ήχους μπορεί να εξαρτώνται από τον χειριστή Νοσοκομειακή τεχνική παρακολούθησης της αρτηριακής πίεσης Η Νοσοκομειακή τεχνική παρακολούθησης της αρτηριακής πίεσης (ABPM) είναι μια μέθοδος που κάνει τακτικές μετρήσεις της αρτηριακής πίεσης των ασθενών καθώς διεξάγουν κανονικά τις καθημερινές τους δραστηριότητες. Αν και γενικώς χρησιμοποιούνται για 24 ώρες, οι ABPM μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθεί για μέχρι 48 ώρες, αν είναι αναγκαίο. Η πίεση του αίματος είναι ένα μέτρο της δύναμης, του αίματος στα τοιχώματα των αρτηριών. Υψηλή αρτηριακή πίεση (υπέρταση) βάζει ένα πρόσθετο φόρτο εργασίας στη καρδιά, ενώ η χαμηλή αρτηριακή πίεση (υπόταση) μπορεί να οδηγήσει σε λιποθυμία (συγκοπή). Η αρτηριακή πίεση μετράται με τη χρήση ενός βραχίονα ρεβέρ (πιεσόμετρο) και εκφράζεται ως συστολική πίεση- διαστολική πίεση. Συστολική πίεση είναι το υψηλότερο επίπεδο της πίεσης του αίματος μέσα στα τοιχώματα των αρτηριών και αντιστοιχεί στην συστολή της κοιλίας. Η διαστολική πίεση είναι η χαμηλότερη πίεση στην οποία το αίμα παραμένει εντός της αορτής. Η αρτηριακή πίεση μετράται είτε με μέτρηση που έγινε από γιατρό στο γραφείο του ή από τον ίδιο τον ασθενή με ένα προσωπικό πιεσόμετρο (σαν αυτό που βρίσκουμε στα περισσότερα φαρμακεία). Τόσο η κλινική ανάγνωση όσο και οι αυτό-δοκιμές της πίεσης θεωρούνται "χαλαρές" αναγνώσεις. Διαφορετικά μόνιτορ μπορούν να χρησιμοποιηθούν, καθώς και οι μετρήσεις μπορούν να γίνονται σε διαφορετικές ώρες της ημέρας. Για τους περισσότερους ασθενείς, η περιστασιακή πίεση είναι ό, τι χρειάζεται για την παρακολούθηση της τρέχουσας αρτηριακής πίεσης ή για να βοηθήσει στην ανίχνευση διαταραχών της αρτηριακής πίεσης. Ωστόσο, ορισμένες συνθήκες είναι πιο δύσκολο να διαγνωστούν ή να παρακολουθηθούν. Όταν έχουμε τέτοιες συνθήκες,η παρακολούθηση της αρτηριακής πίεσης (ABPM) μπορεί να είναι χρήσιμη. Το Σχήμα 1.11 που ακολουθεί παρουσιάζει ένα εργαλείο για το ABPM.

17 Σχήμα 1.11: Εργαλείο μέτρησης πίεσης με τη μέθοδο ABPM Πληθυσμογραφικές τεχνικές Η ψηφιακή πληθυσμογραφία δακτύλου (digital plethysmography), η πληθυσμογραφία εμπέδησης και η φωτοπληθυσμογραφική παλμική οξυμετρία αποτελούν εναλλακτικές τεχνικές, οι οποίες έχουν χρησιμοποιηθεί για τη συνεχή καταγραφή των κυματομορφών της αρτηριακής «πίεσης». Το σήμα της φωτοπληθυσμογραφικής παλμικής οξυμετρίας ομοιάζει με την κυματομορφή των περιφερικών αρτηριακών πιέσεων και γι αυτόν το λόγο έχει προταθεί ότι μπορεί να αποτελέσει χρήσιμο εργαλείο στη μη επεμβατική παρακολούθηση των διακυμάνσεων της ΑΠ. Περιορισμός της συγκεκριμένης τεχνικής είναι η αδυναμία βαθμονόμησης των μεταβολών του σήματος σε σχέση με τις τιμές της ΑΠ (σε mmhg). Παρ όλο που απαιτείται περαιτέρω τεχνολογική πρόοδος και αποσαφηνίσεις σχετικά με την εκτίμηση των ακριβών τιμών ΑΠ, η τεχνική μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό άλλων παραμέτρων (π.χ. εκτίμηση των ανακλώμενων κυμάτων πίεσης μέσω του δείκτη προσαύξησης της πίεσης augmentation index) και για την ανάλυση των ποσοστιαίων αλλαγών της ΑΠ (και όχι των απόλυτων αλλαγών σε mmhg) Δυναμική Τεχνική Παλμού Κύματα παλμού παράγονται από την καρδιά καθώς αυτή στέλνει αίμα, και ταξιδεύουν μπροστά από το αίμα. Με την επίλυση αναλυτικής εξισώσεις της ρευστοδυναμικής, έχει αποδειχθεί ότι οι αλλαγές στην πίεση του αίματος εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό στις μεταβολές της ταχύτητας του κύματος του παλμού. Η πίεση του αίματος μπορεί να υπολογίζεται συνεχώς από την ταχύτητα του κύματος παλμού, η οποία με τη σειρά της υπολογίζεται από EKG παραμέτρους και τα περιφερειακά κυματομορφές παλμών μετρούνται με αισθητήρα SpO2 στο δάχτυλο ή στο πόδι. Αυτή η μέθοδος είναι κατάλληλη για συνεχή παρακολούθηση, καθώς και για την ανίχνευση ξαφνικών μεταβολές στην πίεση του αίματος για να προκαλέσει έναν oscillometric κύκλο (Williams).

18 1.4 Κατάσταση του Προβλήματος Στις μέρες μας οι περισσότεροι από τους ανθρώπους είναι απρόθυμοι να ελέγχουν την αρτηριακή τους πίεση τακτικά. Συνήθως, όταν αντιμετωπίζουν κάποια ασθένεια μόνο τότε αναζητήσουν επαγγελματική βοηθά. Όπως γνωρίζουμε ασθένειες που σχετίζονται με την πίεση του αίματος είναι επιβλαβείς για τον άνθρωπο, για παράδειγμα, υψηλή αρτηριακή πίεση (υπέρταση) και χαμηλή αρτηριακή πίεση (υπόταση). Καθοδηγούμενοι από την παρούσα κατάσταση, οι άνθρωποι επιθυμούν ένα απλό και αξιόπιστο όργανο μέτρησης της πίεσης που μπορεί να ταιριάζει στην καθημερινότητα τους. Χάρη στην εξέλιξη της τεχνολογίας, τα όργανα που μετράνε την πίεσης του αίματος έρχονται σε ποικιλία μεγεθών, εξοπλισμένα με προστεθούν λειτουργίες. Για να ανταποκριθούμε σε αυτές τις απαιτήσεις, σε αυτή την εργασία θα προσπαθήσουμε έναν απλό και χαμηλού κόστους ψηφιακό μετρητή πίεσης που μπορεί να κάνει μια ανάλυση της πίεσης σε πραγματικό χρόνο. 1.5 Στόχοι της εργασίας Οι βασικοί στόχοι της εργασία αυτής είναι i. Η κατασκευή ενός ηλεκτρονικού πιεσόμετρου το οποίο θα είναι εύκολο στη χρήση και αξιόπιστο στις μετρήσεις του ii. Η εν βάθος ενασχόληση μας με στοιχεία όπως ο μικροεπεξεργαστής, αφού απαιτείται η ανάλυση του αλλά κυρίως ο προγραμματισμός του iii. Το πάντρεμα του θεωρητικού μας υπόβαθρου με την πρακτική εφαρμογή του, αφού η θεωρία της εργασίας θα εφαρμοστεί πλήρως στην ηλεκτρονική πλακέτα του πιεσόμετρου. 1.6 Δομή Εργασίας Στο κεφάλαιο 1 δίνουμε μια σύντομη εισαγωγή στη θεωρία και τις τεχνικές μέτρησης της πίεσης του αίματος. Στη συνέχεια, το κεφάλαιο αυτό λέει για τους στόχους της εργασίας. Στο κεφάλαιο 2 αναλύουμε διεξοδικά τη καρδιά του ηλεκτρονικού πιεσόμετρου που είναι ο μικροελεγκτής PIC18F2321. Μιλάμε για τις λειτουργίες του και τις δυνατότητες που αυτό έχει, χωρίζοντας τα σε υποκεφάλαια που τα εξηγούν.

19 Στο κεφάλαιο 3 ασχολούμαστε με όλα τα εξαρτήματα τα οποία θα χρειαστούμε για να κατασκευάσουμε το ηλεκτρονικό πιεσόμετρο. φίλτρα, αισθητήρες πίεσης, πυκνωτές, αντιστάσεις, ρυθμιστές τάσης, μικροελεγκτές κ.α. Στο κεφάλαιο 4 προχωράμε στην υλοποίηση της θεωρίας με την κανονική υλοποίηση του πιεσόμετρου και την κατασκευή της πλακέτας. Στο κεφάλαιο 5 εξηγούμε και αναλύουμε τον κώδικα που γράψαμε για τον μικροελεγκτή γραμμή- γραμμή σε γλώσσα C με την βοήθεια του λογισμικού MPLAB. Στο κεφάλαιο 6 μιλάμε για βελτιώσεις και για τα τελικά μας συμπεράσματα.

20 Κεφάλαιο Μικροελεγκτές Μικροελεγκτής είναι ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα (Integrated Circuit - IC), το οποίο έχει ενσωματωμένα εκτός από τον μικροεπεξεργαστή και διάφορα περιφερειακά όπως πχ. μνήμες RAM, ROM, πόρτες Ι/Ο, χρονιστές/απαριθμητές, σειριακή επικοινωνία, μετατροπέα αναλογικού σήματος σε ψηφιακό, κτλ. Χρησιμοποιούνται σε όλες τις εφαρμογές αυτοματισμού (πχ εργοστάσια, ηλεκτρικές συσκευές, ρομποτική), σε συστήματα ελέγχου (Η/Υ, αυτοκίνητα, κινητά), σε συστήματα ελέγχου προσπέλασης (ασφάλεια), κτλ. Με άλλα λόγια, μπορεί ένας μικροελεγκτής (μέσω των ενσωματωμένων περιφερειακών του) να συνδεθεί με διάφορες εξωτερικές συσκευές, όπως πχ. αισθητήρες, αντιστάσεις, εξωτερικό ρολόι, βηματικούς κινητήρες, διακόπτες, bluetooth, usb, κτλ. και να προκαλέσει ανάλογα με την ρύθμιση του, την επιθυμητή ενέργεια, η να εμφανίσει το αποτέλεσμα στην οθόνη. Με τους μικροελεγκτές PIC (Εικόνα 2.1), ένας εκ των οποίων είναι ο 18F2321, γίνεται η προσομοίωση του ηλεκτρονικού πιεσόμετρου σε αυτή την εργασία, είναι κατασκευή της εταιρίας Microchip, η οποία κατασκευάζει ένα μεγάλο πλήθος μικροελεγκτών έτσι ώστε να ικανοποιούν διαφορετικές απαιτήσεις εφαρμογών κάθε φορά. Είναι διαδεδομένο ότι η ονομασία PIC προκύπτει από τα αρχικά των λέξεων Peripheral Interface Controller αν και η Microchip ποτέ δεν χρησιμοποίησε την ονομασία PIC σαν αρχικά κάποιων λέξεων. Η Microchip ονομάζει τους δικούς της μικροελεγκτές Pic micro MCU's (MicroController Units). Εικόνα 2.1: Mικροελεγκτής PIC Εκτός της Microchip, υπάρχουν πολλές άλλες εταιρίες που κατασκευάζουν μικροελεγκές, οι οποίοι κυκλοφορούν στο εμπόριο. Τέτοιες είναι οι: Atmel, Intel, Maxim, Motorola, Philips, Texas Instruments, Fujitsu, Silicon Laboratories, Toshiba, κτλ. Από αυτούς οι πιο γνωστοί είναι οι: AVR της Atmel 68ΗCXX της Motorola

21 8051, i860, i960 της Intel MAXQ, ΜΑΧ232 της Maxim(συγχώνευση με την Dallas) MSP430 της Texas Instruments 2.2 Μικροελεγκτής PIC18F2321 Σε αυτό το κεφάλαιο περιγράφεται ο μικροελεγκτής PIC16F2321 και τα χαρακτηριστικά του. Δίνεται το μπλοκ διάγραμμα του, εξηγείται η χρησιμότητα του κάθε pin και παρουσιάζεται η οργάνωση της μνήμης προγράμματος (FROM) και της μνήμης δεδομένων (RAM) με τους καταχωρητές που περιλαμβάνει. Επίσης, υπάρχει ξεχωριστό υποκεφάλαιο όπου εξηγείται η λειτουργία των εσωτερικών κυκλωμάτων reset διακοπών(interrupts), καθώς και των περιφερειακών μονάδων Μετατροπέα Αναλογικού σήματος σε Ψηφιακό (A/D converter), Σειριακής Επικοινωνίας (Serial Communication), Θύρες Εισόδου/Εξόδου (Ι/Ο Ports) που χρησιμοποιήθηκαν για την προσομοίωση του ηλεκτρονικού πιεσόμετρου. Στα δύο τελευταία υποκεφάλαια παρουσιάζονται (περιληπτικά) άλλες δύο περιφερειακές μονάδες, οι οποίες δεν χρησιμοποιήθηκαν στην προσομοίωση, αλλά είναι πολύ σημαντικές και ενσωματώνονται στους περισσότερους μικροελεγκτές. Αυτές είναι, η μονάδα Χρονιστών/Απαριθμητών (Timers/Counters) και η μονάδα Σύγκρισης /Σύλληψης/Παραγωγής παλμών PWM (Compare/Capture/PWM). Επίσης, στο υποκεφάλαιο 2.5 περιγράφεται η λειτουργία και η χρησιμότητα μίας ξεχωριστής μνήμης που περιέχουν οι μικροελεγκτές, η οποία είναι η EEPROM. Ο μικροελεγκτής PIC18F2321 διαθέτει μνήμη προγράμματος (Flash ROM) μεγέθους 4096 λέξεων (με την έννοια ότι μία εντολή καταλαμβάνει μόνο μία θέση μνήμης) και μνήμη δεδομένων και καταχωρητών συνολικού μεγέθους 512 bytes. Η τάση λειτουργίας του (VDD), κυμαίνεται μεταξύ -0,3V και 6,5V, ενώ έχει συνολικά 20 ακίδες (pins). To μπλοκ διάγραμμα του δίνεται στο παρακάτω σχήμα 2.2:

22 Σχήμα 2.2: Το διάγραμμα μπλοκ του PIC 18F2321 Από το παραπάνω σχήμα μπορούμε να παρατηρήσουμε τα περιφερειακά που προαναφέρθηκαν στο υποκεφάλαιο 2.1 και που περιγράφονται στα επόμενα υποκεφάλαια, τον καταχωρητή εργασίας (W Reg), την αριθμητική και λογική μονάδα (ALU), τους πολυπλέκτες (MUX), τις μνήμες, τον μετρητή προγράμματος (Program Counter), κτλ. Ορισμένα στοιχεία που υπάρχουν στο μπλοκ διάγραμμα του μικροελεγκτή, τα οποία είναι σημαντικά και δεν έχουν αναφερθεί εξηγούνται παρακάτω: Καταχωρητής Εντολής (Instruction Register): Σε αυτόν τον καταχωρητή αποθηκεύεται η εντολή που δείχνει ο μετρητής προγράμματος (Program Counter) Αποκωδικοποίηση και έλεγχος εντολής (Instruction Decode and Control): Σε αυτό το σημείο ελέγχεται και εκτελείται η εντολή που αποθηκεύτηκε στον καταχωρητή εντολής (Instruction Register)

23 Καταχωρητής σωρού 31 επιπέδων (31-Level Stack): Σε αυτόν τον καταχωρητή αποθηκεύεται η διεύθυνση της επόμενης εντολής που πρόκειται να εκτελεστεί από την CPU μετά την αλλαγή της κανονικής ροής προγράμματος από πρόκληση διακοπής (υποκεφάλαιο 2.4), ή από κλήση της εντολής CALL, η οποία καλεί μία υπορουτίνα και ο μετρητής προγράμματος συνεχίζει με τις εντολές τις υπορουτίνας. Όταν τελειώσει η εκτέλεση της υπορουτίνας τότε ο μετρητής προγράμματος συνεχίζει κανονικά από το σημείο που διακόπηκε η εκτέλεση του καθώς αντιγράφεται σε αυτόν η τιμή του καταχωρητή σωρού (Stack). O αριθμός 31, υποδηλώνει ότι o καταχωρητής σωρού μπορεί να αποθηκεύσει έως και 31 διαφορετικές διευθύνσεις, που σημαίνει ότι η υπορουτίνα που κλήθηκε μπορεί να έχει άλλες 30 κλήσεις τις εντολής CALL (υπορουτίνες) Αναλογικοί Συγκριτές ( Analog Comparators): Είναι μία από τις περιφερειακές μονάδες που υποστηρίζουν οι μικροελεγκτές. Σε πολλές περιπτώσεις (όπως και στην περίπτωση του PIC16F60) συμπεριλαμβάνονται δύο τέτοιες μονάδες. Μπορούν να συγκρίνουν αν μία τάση εισόδου είναι μικρότερη ή μεγαλύτερη από μία τιμή κατωφλίου και για αυτόν τον λόγο είναι χρήσιμοι όταν στον μικροελεγκτή συνδέονται διάφορα είδη αισθητήρων Παρακάτω παρουσιάζεται και το διάγραμμα ακίδων του PIC18F2321: Σχήμα 2.3: Διάγραμμα ακίδων PIC18F2321 Όπως προκύπτει και από το μπλοκ διάγραμμα του μικροελεγκτή (Σχήμα 2.2) στις περιφερειακές μονάδες είναι αφιερωμένα δύο, ή περισσότερα pin. Για αυτόν τον λόγο, η σημασία των συμβολισμών του κάθε pin στο Σχήμα 2.2 έχει τις παρακάτω έννοιες: Τα pin, στα οποία αναγράφονται οι συμβολισμοί RA0-RA7 σημαίνει ότι η PORTA μπορεί να επικοινωνεί μέσω αυτών των ακίδων

24 Τα pin, στα οποία αναγράφονται οι συμβολισμοί RB0-RB7 σημαίνει ότι η PORTB μπορεί να επικοινωνεί μέσω αυτών των ακίδων Τα pin, στα οποία αναγράφονται οι συμβολισμοί RC0-RC7 σημαίνει ότι η PORTC μπορεί να επικοινωνεί μέσω αυτών των ακίδων Τα pin, στα οποία αναγράφονται οι συμβολισμοί AN0-ΑΝ4, ΑΝ8-ΑΝ12 σημαίνει ότι από τα δέκα αναλογικά κανάλια που υπάρχουν, επιλέγεται το ένα από αυτά για τον A/D μετατροπέα. Το pin, στο οποίο αναγράφεται ο συμβολισμός OSC1/CLKI, σημαίνει ότι μπορεί να συνδεθεί σε αυτήν την ακίδα εξωτερικό κύκλωμα ρολογιού (κρύσταλλος) Το pin, στο οποίο αναγράφεται ο συμβολισμός OSC2/CLKO, σημαίνει ότι μπορεί να συνδεθεί σε αυτήν την ακίδα εξωτερικό κύκλωμα ρολογιού (κρύσταλλος). Τα pin, στα οποία αναγράφονται οι συμβολισμοί C1OUT, C2OUT, σημαίνει ότι μέσω αυτών των ακίδων μπορούν να γίνουν ενέργειες που αφορούν τους δύο αναλογικούς συγκριτές (analogic comparators). Το pin, στο οποίο αναγράφεται ο συμβολισμός T0CKI, σημαίνει ότι από αυτό γίνεται η είσοδος ρολογιού για τον χρονιστή TIMER0. Το pin, στα οποία αναγράφονται οι συμβολισμοί T13CKI, σημαίνει ότι από αυτήν την ακίδα γίνονται λειτουργίες που αφορούν τους χρονιστές TIMER1/ TIMER3 Τα pin, στα οποία αναγράφονται οι συμβολισμοί TX/CK, RX/DT, σημαίνει ότι μέσω αυτών των ακίδων μπορεί να πραγματοποιηθεί η ασύγχρονη σειριακή επικοινωνία (USART). Τα pin, στα οποία αναγράφονται οι συμβολισμοί SDI/SDA, SCK/SCL, SDO, σημαίνει ότι μέσω αυτών πραγματοποιούνται λειτουργίες που αφορούν τον σύγχρονο τρόπο σειριακής επικοινωνίας (SSP). Το pin, στο οποίο αναγράφεται ο συμβολισμός MCLR(MASTER CLEAR), σημαίνει ότι μέσω αυτής της ακίδας μπορεί να προκληθεί reset από τον χρήστη κατά την κανονική λειτουργία του μικροελεγκτή. Τα pin, στα οποία αναγράφεται ο συμβολισμός ΙΝΤ0, INT1,ΙΝΤ2 σημαίνει ότι μέσω αυτών των ακίδων μπορεί να προκληθεί διακοπή (interrupt) από εξωτερική πηγή. Το pin, στο οποίο αναγράφεται ο συμβολισμός VPP, σημαίνει ότι μέσω αυτής της ακίδας εφαρμόζεται η τάση προγραμματισμού του μικροελεγκτή Το pin, στο οποίο αναγράφεται ο συμβολισμός VREF, σημαίνει ότι μέσω αυτής της ακίδας μπορεί να τροφοδοτηθεί ο A/D μετατροπέας με εξωτερική τάση αναφοράς Το pin, στο οποίο αναγράφεται ο συμβολισμός VSS, σημαίνει ότι σε αυτήν την ακίδα συνδέεται η γείωση του μικροελεγκτή Το pin, στο οποίο αναγράφεται ο συμβολισμός VDD, σημαίνει ότι σε αυτήν την ακίδα συνδέεται η τάση λειτουργίας του μικροελεγκτή 2.3 Οργάνωση μνήμης του PIC18F2321

25 Ο χάρτης της μνήμης προγράμματος (FROM) του PIC18F2321, δίνεται στο παρακάτω σχήμα 2.4: Σχήμα 2.4: Η μνήμη προγράμματος του PIC18F2321 Ο 13-ψήφιος απαριθμητής προγράμματος (PC) μπορεί να διευθυνσιοδοτεί μέχρι = θέσεις μνήμης (περιοχή από 0000h έως 1FFFFFh). O PIC18F2123 χρησιμοποιεί την περιοχή από 0000h έως 1FFFh. Στο ίδιο σχήμα παρατηρούμε τα τριανταένα επίπεδα του σωρού (31-level stack) στον οποίο (όπως έχει ήδη αναφερθεί) αποθηκεύεται ο PC, όποτε εκτελείται η εντολή CALL, ή όποτε συμβεί διακοπή. Από τον

26 σωρό ανακτάται ο PC όποτε εκτελούνται οι εντολές RETURN, RETLW, RETFIE. Επίσης, μπορούμε να παρατηρήσουμε την διεύθυνση (0000h) με την οποία φορτώνεται ο PC ύστερα από πρόκληση reset (Reset Vector) και όταν συμβαίνει διακοπή (High priority Interrupt Vector) στον μικροελεγκτή (0008h). Περισσότερες πληροφορίες για το reset και τις διακοπές υπάρχουν στις επόμενες ενότητες. Ο χάρτης της μνήμης δεδομένων (RAM), παρουσιάζεται στα παρακάτω σχήματα: Σχήμα 2.5 : Η μνήμη δεδομένων του PIC18F2321

27 Σχήμα 2.6 : Τα τελευταία 128 bytes του bank 15 Σο παραπάνω σχήμα φαίνεται πως είναι οργανωμένη η διεύθυνση μνήμης του μικροελεγκτή PIC18F2321. Υπάρχουν δεκαέξι τμήματα (banks) των 256 byte το καθένα, τα χαμηλότερα bytes του τμήματος 15 (Σχήμα 2.6), είναι κατειλημμένα από τους καταχωρητές ειδικής χρήσης (SFR), οι οποίοι χρησιμεύουν για τον προγραμματισμό της CPU και τον έλεγχο περιφερειακών (υπάρχει αναφορά στα επόμενα υποκεφάλαια), ενώ το bank 1 ολόκληρο και το μισό bank 0 είναι κατειλημμένα) από τους καταχωρητές γενικής χρήσης (GPR), στους οποίους ο προγραμματιστής μπορεί να αποθηκεύσει προσωρινά μεταβλητές. 2.4 Το reset και οι διακοπές Υπάρχουν έξι πηγές πρόκλησης Reset στους μικροελεγκτές PIC της Microchip. Αυτοί είναι οι παρακάτω:

28 1. Reset που προκαλείται κατά την αρχική τροφοδοσία (Power-on-Reset (POR)) στο ολοκληρωμένο. Η τάση τροφοδοσίας (VDD) ξεκινά από το μηδέν και ανεβαίνει έως ότου φτάσει την τελική της τιμή. Επειδή όμως ορισμένα κυκλώματα στο εσωτερικό του τσιπ λειτουργούν με χαμηλότερη τάση από τα άλλα, υπάρχει η ανεπιθύμητη πιθανότητα να βρεθούν σε απροσδιόριστη λογική κατάσταση. Για αυτό τον λόγο κατά την άνοδο της τάσης τροφοδοσίας, μόλις ξεπεράσει η τάση VDD ένα συγκεκριμένο επίπεδο προκαλείται ένας παλμός POR. 2. Reset που προκαλείται από την ακίδα MCLR κατά την κανονική λειτουργία. Όταν προκαλείται Reset με αυτό τον τρόπο (αλλά και από τους άλλους πέντε τρόπους), ύστερα από την επαναφορά του ολοκληρωμένου, οι καταχωρητές δεν έχουν τις τιμές που είχαν κατά την λειτουργία και παίρνουν τιμές οι οποίες ορίζονται από τον κατασκευαστή. 3. Reset που προκαλείται από την ακίδα MCLR ενώ το ολοκληρωμένο βρίσκεται σε κατάσταση SLEEP (χαμηλής κατανάλωσης). 4. Reset που προκαλείται ύστερα από την λήξη του χρονιστή επιτήρησης WDT (Watchdog Timer). 5. Reset που προκαλείται ύστερα από πτώση τάσης τροφοδοσίας (Brown-Out-Reset (BOR)). 6. Επίσης υπάρχουν οι Instruction Reset, Stack full Reset,Stack underflow Reset τις οποίες μπορούμε να συναντήσουμε σε μικροελεγκτές PIC. Όπως έχει ήδη αναφερθεί, ο μετρητής προγράμματος (PC) ξεκινάει από την διεύθυνση 0000h (Σχήμα 2.4) όταν προκαλείται Reset στον μικροελεγκτή. Όπως έχει ήδη αναφερθεί, σε έναν μικροελεγκτή υπάρχει η δυνατότητα πρόκλησης διακοπών(interrupts). Διακοπή, στους μικροελεγκτές μπορεί να προκληθεί είτε από εξωτερική πηγή, μέσω της ακίδας INT, είτε από τα περιφερειακά. Συνήθως, τα περιφερειακά δίνουν μία διακοπή το καθένα, αλλά υπάρχουν ορισμένα περιφερειακά, όπως πχ. η μονάδα σειριακής επικοινωνίας, η οποία μπορεί να προκαλέσει περισσότερες από μία διακοπές. Όταν σε ένα μικροελεγκτή συμβαίνει διακοπή, τότε o PC (Program Counter) φορτώνεται στη διεύθυνση 0008h ή 0018h (Σχήμα 2.4) και από εκείνο το σημείο μπορεί να εκτελέσει τις ενέργειες που έχει προγραμματίσει ο χρήστης μετά την διακοπή (πχ. μπορεί να την απενεργοποιήσει, ή να εκτελέσει κάποια άλλη υπορουτίνα η οποία εξυπηρετεί την διακοπή). Η υπορουτίνα εξυπηρέτησης διακοπής καταλαμβάνει περισσότερο χώρο από μία θέση μνήμης και τοποθετείται σε διαφορετικές διευθύνσεις μνήμης από την 0008h ή την 0018h, αλλά μπορούμε να την καλέσουμε με την εντολή GOTO, από την διεύθυνση 0004h ή την 0018h. Οι καταχωρητές μέσω των οποίων ελέγχονται (ενεργοποίηση / απενεργοποίηση) οι διακοπές των μικροελεγκτών είναι οι παρακάτω: RCON INTCON

29 INTCON2 INTCON3 PIR1, PIR2 PIE1, PIE2 IPR1, IPR2 Οι πρώτοι καταχωρητές (INTCON,INTCON2,INTCON3), εκτός των άλλων λειτουργιών, μία βασική δυνατότητα, είναι η ενεργοποίηση/απενεργοποίηση όλων των διακοπών καθώς και της εξωτερικής διακοπής (INT). Με τους άλλους καταχωρητές (PIE1, PIR1, PIE2, PIR2,IPR1,IPR2), υπάρχει η δυνατότητα ενεργοποίησης/απενεργοποίησης διακοπών που προκαλούνται από τις περιφερειακές μονάδες ξεχωριστά. 2.5 Θύρες Εισόδου/Εξόδου Οι θύρες Εισόδου/Εξόδου (I/O Ports), οι οποίες είναι βασικής σημασίας σε έναν μικροελεγκτή, χρησιμεύουν έτσι ώστε να μπορεί να συνδέεται με άλλες συσκευές, ή άλλους μικροελεγκτές και να επικοινωνεί. Αυτό το κάνει μέσω των ακίδων. Στην ουσία, όταν ένας μικροελεγκτής PIC επικοινωνεί μέσω των θυρών, το κάνει μέσω των ακίδων, οι οποίες μπορούν να αντιστοιχούν έως οκτώ σε κάθε πόρτα. Ένας μικροελεγκτής PIC μπορεί να διαθέτει έως πέντε θύρες (PORTA, PORTB, PORTC, PORTD, PORTE). Ο PIC18F2321 διαθέτει τρεις (PORTA, PORTB, PORTC) και τα pin (ακίδες) που αντιστοιχούν σε αυτές (όπως φαίνεται και από το Σχήμα 2.3, παραπάνω) είναι: RA0, RA1, RA2, RA3, RA4, RA5 για την PORTA RB4, RB5, RB6, RB7 για την PORTB RC0, RC1, RC2, RC3, RC4, RC5, RC6, RC7 για την PORTC Οι ακροδέκτες μπορούν να χρησιμοποιούνται και από άλλα περιφερειακά (Σχήμα 2.3). Για αυτό τον λόγο δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν γενικής χρήσης είσοδος/έξοδος. Για παράδειγμα, εάν σε μία εφαρμογή χρησιμοποιείται ο A/D μετατροπέας στο pin RA0, είναι θεμιτό να οριστεί η PORTA ως είσοδος. Για κάθε θύρα ενός μικροελεγκτή αντιστοιχεί και ένας καταχωρητής, ο οποίος έχει την ίδια ονομασία, δηλαδή για τις τρεις θύρες PORTA, PORTB, PORTC του PIC18F2321, υπάρχουν οι καταχωρητές PORTA, PORTB, PORTC (Σχήμα 2.6). Ο τρόπος με τον οποίο επιλέγεται το αν μία θύρα θα λειτουργήσει σαν είσοδος η έξοδος σε έναν μικροελεγκτή PIC, είναι τροποποιώντας κατάλληλα τον αντίστοιχο καταχωρητή TRIS (Σχήμα 2.5). Για κάθε PORTx υπάρχει και ο αντίστοιχος καταχωρητής TRISx. Τοποθετώντας ένα ψηφίο του καταχωρητή TRISx ίσο με ένα επιλέγεται η αντίστοιχη PORTx ως είσοδος. Αντιθέτως, τοποθετώντας ένα ψηφίο του καταχωρητή TRISx ίσο με μηδέν επιλέγεται η αντίστοιχη PORTx ως έξοδος. Το κάθε pin μιας θύρας μπορεί να οριστεί ανεξάρτητα από τους άλλους. Έτσι, μπορούμε να έχουμε μία θύρα στην οποία κάποια pin να έχουν οριστεί ως είσοδοι και κάποια άλλα ως έξοδοι. Τα δεδομένα που θέλουμε να στείλουμε στην έξοδο μιας θύρας τα γράφουμε στον αντίστοιχο καταχωρητή PORTx, ενώ από τον ίδιο καταχωρητή διαβάζουμε και τα δεδομένα εισόδου. Τα δεδομένα που στέλνονται στην

30 έξοδο μιας θύρας, κλειδώνονται σε αυτήν και παραμένουν έως ότου αλλάξει, μέσω ενός ψηφιακού κυκλώματος, το Data Latch. Όποτε διαβάζονται τα δεδομένα από μία θύρα, διαβάζεται στην πραγματικότητα το αντίστοιχο pin και όχι το Data Latch. 2.6 Η μονάδα A/D Converter Με τον A/D Converter (Analog-to-digital Converter - Μετατροπέας Αναλογικού σήματος σε Ψηφιακό) μετατρέπεται ένα αναλογικό σήμα σε ψηφιακό. Η λειτουργία του A/D Converter είναι περίπου η ίδια σε όλους τους μικροελεγκτές. Η ρύθμισή του επιτυγχάνεται από τους παρακάτω καταχωρητές (Σχήμα 2.4) : ADCON0 ADCON1 ADCON2 ADRES (ADRESH, ADRESL) Το μπλοκ διάγραμμα του μετατροπέα στον PIC18F2321 φαίνεται στο παρακάτω σχήμα 2.7:

31 Σχήμα 2.7: Μπλοκ-Διάγραμμα A/D Converter του PIC18F2321 Από το σχήμα αυτό, φαίνεται ότι ο A/D Converter έχει κάποιους περιορισμούς. Μόνο ένα από τα δώδεκα αναλογικά κανάλια (AN0-ΑΝ11) μπορεί να είναι ενεργό μια συγκεκριμένη στιγμή. Η επιλογή του καναλιού γίνεται από τα τέσσερα ψηφία CHS<3:0> του καταχωρητή ADCON0. Ο καταχωρητής ADCON1 με τα VCFG1 και VCFG0 επιλέγει τη τάση αναφοράς (voltage reference ) που θα περάσει στον A/D Converter και με τα PCFG3-PCFG0 επιλέγει αν θα έχουμε αναλογική είσοδο η ψηφιακό I/O. Ο ADCON3 με τη σειρά του καθορίζει το ρολόι του A/D Converter και την ρύθμιση του ADRES. Αφού έχουμε ολοκληρώσει την μετατροπή, η ψηφιακή τιμή που υπολογίστηκε, η οποία έχει ακρίβεια 10 bit, αποθηκεύεται σε έναν καταχωρητή (τον ADRES). Ο καταχωρητής ADRES ουσιαστικά δεν υπάρχει διότι όλοι οι καταχωρητές στην μνήμη δεδομένων έχουν μήκος 8 bit. Γι' αυτό τον λόγο η τιμή αυτή σπάει σε 8 bit μέσω του ψηφίου ADFM του καταχωρητή ADCON0 και αποθηκεύεται σε έναν από τους ADRESH, ή ADRESL. Στον ADRESH αποθηκεύονται τα 8 πιο σημαντικά (MSB) bit του αποτελέσματος της μετατροπής των 10 bit (δεξιά ρύθμιση), ενώ στον ADRESL

32 αποθηκεύονται τα 8 λιγότερο σημαντικά (LSB) bit του αποτελέσματος της μετατροπής των 10 bit (αριστερή ρύθμιση). Με το ψηφίο GO/DONE ξεκινάει η μετατροπή όταν αυτό γίνεται 1. Το ψηφίο αυτό μηδενίζεται αυτόματα από το υλικό όταν τελειώσει ένας κύκλος μετατροπής. Με το ψηφίο ADON ενεργοποιείται (ADON=1), ή απενεργοποιείται (ADON=0) o A/D Converter. Και τα δύο αυτά ψηφία ανήκουν στον καταχωρητή ADCON0. Ο A/D Converter μπορεί να λειτουργεί ακόμα και όταν το ολοκληρωμένο βρίσκεται σε κατάσταση χαμηλής κατανάλωσης (SLEEP), ενώ με το πέρας μίας μετατροπής μπορεί να προκαλέσει διακοπή. Το αποτέλεσμα αυτής της διακοπής μπορεί να είναι η επαναφορά του μικροελεγκτή από την κατάσταση SLEEP. H συχνότητα λειτουργίας του A/D Converter επιλέγεται από τον καταχωρητή ADCON1 (ψηφία ADCS0:ADCS2 ), η οποία μπορεί να προέρχεται από εσωτερικό, ή εξωτερικό ταλαντωτή. Στον PIC18F2321 υπάρχουν εφτά δυνατότητες επιλογής συχνότητας μετατροπής. Αυτές οι δυνατότητες φαίνονται στον παρακάτω πίνακα: Πίνακας : Επιλογή ADCS0:ADCS2 με αντιστοίχιση σε maximum συχνότητα TAD, είναι ο χρόνος μετατροπής ανά bit. Για μία πλήρη μετατροπή 10 bit απαιτούνται 11 TAD περίοδοι. Tosc είναι το ο χρόνος ταλάντωσης του εσωτερικού ρολογιού. Από τον ίδιο καταχωρητή (ADCON1 ) επιλέγεται και η τάση αναφοράς (VREF) του περιφερειακού, η οποία μπορεί να είναι είτε η τάση λειτουργίας του μικροελεγκτή (VDD), είτε κάποια τάση από εξωτερική πηγή. 2.7 Xρονιστές/Απαριθμητές Οι Χρονιστές/Απαριθμητές είναι περιφερειακές συσκευές που αυξάνουν ή μειώνουν την τιμή του περιεχομένου τους κατά μια μονάδα. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν είτε ως χρονιστές (timers), δηλαδή η τιμή αυτή μεταβάλλεται σε περιοδικά διαστήματα με συχνότητα που ορίζει ο χρήστης, είτε ως απαριθμητές (counters), δηλαδή μετρώντας εξωτερικούς παλμούς που εφαρμόζονται σε συγκεκριμένο pin (T1CKI). Ένα παράδειγμα χρησιμοποίησης των χρονιστών είναι η ρύθμιση τους έτσι ώστε να ποτίζεται ένας κήπος σε συγκεκριμένα χρονικά διαστήματα, ενώ ένα αντίστοιχο παράδειγμα

33 χρησιμοποίησης των μετρητών είναι η μέτρηση των αντικειμένων με φωτοκύτταρο που περνάνε από κάποιο σημείο, κτλ. Οι μικροελεγκτές PIC μέσης κατηγορίας (mid-range) διαθέτουν τρία ανεξάρτητα κυκλώματα χρονισμού/απαρίθμησης. Αυτοί είναι οι TIMER0, TIMER1, TIMER2 και μερικά από τα χαρακτηριστικά τους είναι τα παρακάτω: Ο Timer0 διαθέτει μετρητή μήκους 8 bits και προ-μετρητή 8 bits. Η τιμή των μετρήσεων αποθηκεύεται στον καταχωρητή TMR0. Ο προ-μετρητής είναι προγραμματιζόμενος και μπορεί να διαιρεί την μέτρηση με το 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256. Αυτό σημαίνει ότι μπορεί να προσαυξάνεται κάθε 2, 4, 8,... κύκλους μηχανής. Ο έλεγχος του γίνεται από τον καταχωρητή T0CON. Υπάρχει η δυνατότητα να επιλεγεί εσωτερικό ή εξωτερικό ρολόι για την προσαύξηση του. Επίσης η επιλογή T08BIT στον T0CON μας δίνει τη δυνατότητα να διαλέξουμε αν θέλουμε 8 ή 16 bit counter/timer. Ο Timer1 διαθέτει μετρητή μήκους 16 bits αποτελούμενο από δύο 8-ψήφιους καταχωρητές, τους TMR1H και TMR1L, στους οποίους αποθηκεύεται το αποτέλεσμα. Ο έλεγχος του γίνεται από τον καταχωρητή T1CON (Σχήμα 2.4). Παράγει σήμα διακοπής κατά την υπερχείλιση από το FFFFh στο 0000h. Ως χρονιστής προσαυξάνεται σε κάθε κύκλο μηχανής, ενώ ως απαριθμητής προσαυξάνεται από την ακίδα T1CKI. Διαθέτει προγραμματιζόμενο προ-μετρητή για να πολλαπλασιάζεται η μέτρηση με το 2, 4, 8. Ο Timer2 διαθέτει μετρητή μήκους 8 bits και η τιμή των μετρήσεων αποθηκεύεται στον καταχωρητή TMR2 (Σχήμα 2.5). Ο έλεγχος του γίνεται από τον καταχωρητή T2CON (Σχήμα 2.5). Αυτή η συσκευή διαθέτει δύο προ-μετρητές. Ο ένας προ-μετρητής που ονομάζεται prescaler, διαιρεί τους παλμούς εισόδου πριν από τον μετρητή, ενώ ο δεύτερος που ονομάζεται postscaler, διαιρεί το αποτέλεσμα της μέτρησης. Αυτός ο χρονιστής λειτουργεί σαν βάση χρόνου για την μονάδα CCP. 2.8 Η περιφερειακή μονάδα CCP Η μονάδα CCP (Capture/Compare/Pulse Width Modulation Σύλληψης/Σύγκρισης/Διαμόρφωση Εύρους Παλμού) των μικροελεγκτών PIC, όπως προκύπτει και από την ονομασία της, μπορεί να λειτουργήσει με τρεις διαφορετικούς τρόπους: Μονάδα Σύλληψης Μονάδα Σύγκρισης Μονάδα Διαμόρφωσης Εύρους Παλμού (PWM) Συνήθως ένας PIC διαθέτει δύο μονάδες CPP, την CCP1 και την CCP2, οι οποίες γενικά είναι όμοιες. Ο PIC16F690 έχει μόνο μία τέτοια μονάδα, την CCP1, η οποία αναφέρεται σαν ECCP (Enhanced CCP Βελτιωμένη CCP), η οποία διαθέτει κάποια επιπλέον χαρακτηριστηκά και στον PIC16F690 ελέγχεται από τους εξής καταχωρητές (Σχήμα

34 2.4): CCP1CON, PWM1CON, CCPR1L, CCPR1H, ECCPAS, PSTRCON, ενώ για επικοινωνία χρησιμοποιεί το pin CCP1 (Σχήμα 2.2). Σε κάθε λειτουργία της η μονάδα CCP χρησιμοποιεί και έναν από τους χρονιστές που παρουσιάστηκαν στο προηγούμενο υποκεφάλαιο. Ειδικότερα στον PIC16F690 υπάρχει η παρακάτω αντιστοίχηση των τριών λειτουργιών της CCP με τους χρονιστές που χρησιμοποιούν: Πίνακας 2.2: Αντιστοίχηση λειτουργιών της CCP με τους χρονιστές που χρησιμοποιούν Παρακάτω παρουσιάζονται περιληπτικά οι τρεις λειτουργίες της CCP: Λειτουργία Σύλληψης : Αυτή η λειτουργία χρησιμοποιείται για να συλλάβει την τιμή του καταχωρητή TMR1 του Timer1, όταν η μονάδα CCP δέχεται σήμα στην ακίδα CCP1 και αποθηκεύει το αποτέλεσμα στους καταχωρητές CCPR1L, CCPR1H. Το σήμα αυτό μπορεί να είναι ένα από τα ακόλουθα: 1. Με κατερχόμενο μέτωπο παλμού 2. Με ανερχόμενο μέτωπο παλμού 3. Με ανερχόμενο μέτωπο κάθε 4ου παλμού 4. Με ανερχόμενο μέτωπο κάθε 16ου παλμού Λειτουργία Σύγκρισης: Κατά την λειτουργία αυτή, η μονάδα CCP συγκρίνει την τιμή των καταχωρητών CCPR1L, CCPR1H με την τιμή του καταχωρητή TMR1 και θέτει την ακίδα CCP1 από 0 σε 1, ή το αντίστροφο, ανάλογα με την ρύθμιση που έχει γίνει στον καταχωρητή ελέγχου της CCP, τον CCP1CON. Διαμόρφωση εύρους παλμού: Κατά την λειτουργία αυτή παράγεται η παλμοσειρά ενός σήματος διαμορφωμένη κατά πλάτος (εύρος) σε σχέση με την συχνότητα, και το duty cycle. Ως duty cycle μιας παλμοσειράς ορίζεται ο λόγος της χρονικής διάρκειας ενός παλμού ως προς την συνολική περίοδο της παλμοσειράς και μετράται με επί τοις εκατό %. Η μονάδα CCP χρησιμοποιείται για καταγραφή γεγονότων (events), μετρήσεις χρονικών περιόδων, παραγωγή παλμών και κυματομορφών, κτλ.

35 Κεφάλαιο Εισαγωγή Το ηλεκτρονικό πιεσόμετρο που θα κατασκευάσουμε θα αποτελείται από τα εξής εξαρτήματα-στοιχεία : 1) Αισθητήρας Πίεσης Pressure sensor 2) Φίλτρα Βαθυπερατό και Ζωνοπερατό - Low Pass Filter and Band Pass Filter 3) Ενισχυτή τάσης - Amplifier 4) Μικροελεγκτής - Microcontroller 5) Ρυθμιστής Τάσης- Voltage Regulator 6) Σφυγμόμετρο με περιχειρίδα 7) Πυκνωτές, αντιστάσεις, ποτενσιόμετρα, LEDs, διακόπτες, καλώδια 8) Μπαταρίες με χειροκίνητο μηχανισμό φόρτισης Σε αυτό το κεφάλαιο θα προσπαθήσουμε να αναλύσουμε το κάθε εξάρτημα από αυτά που προαναφέρθηκαν, τι ακριβώς κάνει πως το κάνει και για πιο λόγο το χρησιμοποιούμε. Αφού εξηγήσουμε τη λειτουργία τους θα αναφερθούμε αναλυτικά στην κατασκευή της πλακέτας μας με όλα αυτά τα εξαρτήματα. 3.2 Αισθητήρας Πίεσης Pressure Sensor Οι αισθητήρες πίεσης χρησιμοποιούν τυπικά την πιεζοηλεκτρική αρχή για να μετατρέψουν μία πίεση σε ηλεκτρικό σήμα. Ως μηχανική διάταξη μέτρησης της πίεσης χρησιμοποιεί διάφραγμα,πάνω στο οποίο τοποθετούνται τέσσερις πιεζοαντιστάσεις, δυο για τη μέτρηση των εφαπτομενικών και οι άλλες δυο για τη μέτρηση των ακτινικών παραμορφώσεων, που αναπτύσσονται όταν ασκηθεί πίεση στο διάφραγμα.οι τέσσερις αντιστάσεις συνδέονται ως γέφυρα. Όλος αυτός ο σχεδιασμός γίνεται πάνω στην επιφάνεια ενός τσιπ πυριτίου με τις τεχνικές δημιουργίας ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Η εικόνα ενός τέτοιου αισθητήρα δίνεται στο σχήμα 3.1. Η εφαρμογή της πίεσης στο διάφραγμα καταλήγει σε μια μεταβολή στην τιμή των εν λόγω αντιστάσεων

36 που δημιουργεί μια διαφορετική τάση εξόδου ανάλογη προς την εφαρμοζόμενη πίεση.[31] Σχήμα 3.1 : Ολοκληρωμένο πιεζοηλεκτρικού αισθητήρα πίεσης και ο πιεζοηλεκτρικός αισθητήρας πίεσης. Το Σχήμα 3.2 δείχνει τις διακυμάνσεις που παρατηρήθηκαν σε μια μανσέτα περιχειρίδας καθώς η πίεση αρχικά αυξάνεται και στη συνέχεια σταδιακά πέφτει. Το δεύτερο γράφημα δείχνει την συγχρονική καρδιακή ταλάντωση που παρουσιάζεται στην περιχειρίδα η οποία, όπως υποδείχθηκε παραπάνω, διαφέρει από την πίεση της περιχειρίδας.

37 Σχήμα 3.2 Χρησιμοποιώντας oscillometric πληροφορίες Διαισθητικά, θα μπορούσε κανείς να υποπτεύεται ότι η έναρξη των ταλαντώσεων θα εμφανιζόταν στη συστολική πίεση και η εξαφάνιση των ταλαντώσεων θα συμβεί στη διαστολική πίεση. Στην πραγματικότητα, η έναρξη των ταλαντώσεων συμβαίνει πολύ πάνω από τη συστολική πίεση και οι ταλαντώσεις εξαφανίζονται αρκετά πιο χαμηλά από τη διαστολική πίεση. Ωστόσο, έχει αποδειχθεί ότι η πίεση,, κατά την οποία οι ταλαντώσεις έχουν το μέγιστο πλάτος,, είναι η μέση αρτηριακή πίεση (ΜΑΡ). Εμπειρική και θεωρητική εργασία έχουν δείξει ότι η συστολική και διαστολική πίεση, και αντίστοιχα, συμβαίνουν όταν το πλάτος της ταλάντωσης, και αντίστοιχα, είναι ένα ορισμένο κλάσμα του : είναι η πίεση πάνω από την στην οποία / = 0.55 είναι η πίεση κάτω από την στην οποία / = 0.85 Πρέπει να μετρήσουμε την πίεση πιο πάνω από την υψηλότερη συστολική πίεση (συμπεριλαμβανομένων οποιονδήποτε διακυμάνσεων που μπορεί να υπάρχουν) και πιο χαμηλά από την χαμηλότερη δυνατή διαστολική πίεση (και πάλι, συμπεριλαμβανομένων τυχόν διακυμάνσεων που μπορεί να υπάρχουν). Η συστολική πίεση πάνω από 260 mmhg είναι σπάνια και έτσι μια περιοχή από 0 έως 300 mmhg θα είναι ικανό αν πετύχει το σχέδιο μας. Ωστόσο, οι αισθητήρες πίεσης προσδιορίζονται συνήθως με μονάδα μέτρησης το psi. Δεδομένου ότι 1 mmhg είναι 0,01933 psi, χρειαζόμαστε ένα εύρος από 0 έως 5.8 psi. Εντούτοις, πρέπει επίσης να έχει επαρκή ανάλυση για να περιγράψει με ακρίβεια τις διακυμάνσεις της πίεσης που είναι της τάξης των μερικών mmhg, δηλαδή περίπου 1% του εύρους πίεσης. Το εύρος σε κατάλληλους αισθητήρες πίεσης του εμπορίου είναι από 0 έως 5 και από 0 έως 15 psi. Χρησιμοποιώντας το μικρότερο εύρος θα περιορίσουμε το εύρος της πίεσης του αίματος, την οποία μπορούμε να μετρήσουμε, ενώ χρησιμοποιώντας το μεγαλύτερο εύρος μπορεί να οδηγηθούμε σε λιγότερο ακριβή μέτρηση επειδή η ακρίβεια αυτών των εξαρτημάτων είναι τυπικά ένα κλάσμα (της μέτρησης πλήρους κλίμακας). Τυπικά, η ακρίβεια της ανάγνωσης είναι από 0.2 έως 0.5% της πλήρους κλίμακας ανάγνωσης. 0.5% του 15 psi είναι psi ή αλλιώς 3,9 bar το οποίο είναι πάρα πολύ αβέβαιο ότι θα συλλάβει τις διακυμάνσεις. Η επιλογή του αισθητήρα θα ήταν επομένως μια σχεδιαστική απόφαση μεταξύ μιας συσκευής η οποία δεν μπορεί να λάβει μετρήσεις αρτηριακής πίεσης για ασθενή με εξαιρετικά υψηλή αρτηριακή πίεση (υπέρταση) έναντι μιας που δεν θα μπορεί να συλλάβει σωστά τις διακυμάνσεις.

38 Για την δικιά μας εργασία επιλέξαμε τον αισθητήρα πίεσης MPX5050GP της εταιρίας Motorola (Σχήμα 3.3). Παρόμοια με άλλους αισθητήρες πίεσης, χρησιμοποιεί την πιεζοηλεκτρική αρχή των αισθητήρων πίεσης για να μετατρέψουν την πίεση σε ηλεκτρικό σήμα. Αυτός ο αισθητήρας πίεσης είναι ιδανικός δεδομένου ότι έχει σχεδιασθεί ειδικά για όργανα πίεσης,έχουν ξηρό αέρα και επειδή μπορεί να μετράει πίεση στην περιοχή από 0 kpa έως 50 kpa που αντιστοιχεί σε 0 έως 376mmHg [44]. Στις περισσότερες περιπτώσεις, ο ασθενής θα χρειάζεται να φουσκώνει την περιχειρίδα περίπου μέχρι το 175mmHg που είναι σαφώς εντός των ορίων αυτού του αισθητήρα πίεσης. Μετέπειτα η πίεση μετατρέπεται σε μια τάση εξόδου εντός του αισθητήρα δεδομένης της γραμμικής σχέσης που περιγράφεται στο Σχήμα 3.4. Σχήμα 3.3 Αισθητήρας Πίεσης MPX5050GP Σχήμα 3.4 Σχέση μεταξύ τάσης και πίεσης Η τάση εξόδου του αισθητήρα πίεσης δεδομένης μιας εισόδου 5V, κυμαίνεται από 0 έως 4.75V, το οποίο είναι ένα ιδανικό εύρος για την είσοδο στον μετατροπέα του αναλογικού σήματος σε ψηφιακό (A/D Converter ή ADC). Επιπλέον, ο μετατροπέας πίεσης είναι ήδη signal-conditioned από την εσωτερική λειτουργία ενισχυτή στον αισθητήρα πίεσης (δηλαδή το αναλογικό σήμα έχει ήδη μετατραπεί σε τέτοια μορφή

39 που είναι έτοιμο να ανταποκριθεί στις απαιτήσεις του επόμενου σταδίου επεξεργασίας ) και συνεπώς μπορεί να είναι άμεσα συνδεδεμένος με έναν αναλογικό προς ψηφιακό μετατροπέα για ψηφιοποίηση.μετά την μετατροπή της πίεσης σε τάση από τον αισθητήρα πίεσης, στη συνέχεια θα καταλάβουμε ότι έχουμε να κάνουμε με 2 περιπτώσεις σημάτων πίεσης και θα πράξουμε ανάλογα (θα τοποθετήσουμε κατάλληλα φίλτρα) 3.3 Φίλτρα και ενισχυτές Ανατρέχοντας στο Σχήμα 3.2, είναι σαφές ότι υπάρχουν δύο είδη πληροφοριών στο σήμα πίεσης: η βασική πίεση στην οποία η περιχειρίδα έχει διογκωθεί (ή έχει ξεφουσκώσει) και οι ταλαντώσεις πάνω στο βασικό σήμα. Στο σχήμα 3.5 βλέπουμε ένα διάγραμμα για το πώς προχωράμε από τον αισθητήρα πίεσης μέσω των φίλτρων στον μικροελεγκτή με την μέθοδο oscillometric που χρησιμοποιούμε. Σχημα 3.5 Διάγραμμα oscillometric μεθόδου για το σύστημα ηλεκτρονικό πιεσόμετρο Το βασικό σήμα είναι ένα σήμα χαμηλής συχνότητας και μπορεί να εξαχθεί με τη διέλευση του σήματος μέσα από ένα βαθυπερατό φίλτρο (low-pass Filter) και φυσικά την ενίσχυση του. Βέβαια όπως είπαμε παραπάνω, ο αισθητήρας πίεσης που έχουμε επιλέξει επειδή είναι signal-conditioned, θα μπορούσαμε να αποφύγουμε το βαθυπερατό φίλτρο αλλά και την ενίσχυση (αφού υπάρχει ενσωματωμένος ενισχυτής μέσα στον αισθητήρα πίεσης) και να εφαρμόσουμε την έξοδο του αισθητήρα πίεσης άμεσα στην είσοδο του μικροελεγκτή. Το δεύτερο σήμα που είναι το σήμα των ταλαντώσεων, το οποίο είναι ο καρδιακός συγχρονισμός, μπορεί να εξαχθεί χρησιμοποιώντας ένα διπλού πόλου υψιπερατού φίλτρου (2 pole High pass Filter) και ταυτόχρονα να το ενισχύσουμε σε αποδεκτές τιμές βολτ με έναν ενισχυτή.

40 Ας εξηγήσουμε λίγο τη βγαίνει από τον αισθητήρα πίεσης και τη ενέργειες κάνουμε εμείς. Όπως είπαμε έχουμε 2 σήματα, το σήμα πίεσης ή αλλιώς το cuff pressure signal (από δω και πέρα CP signal) και το σήμα ταλάντωσης (που είναι ενσωματωμένο στο CP) ή αλλιώς το oscillation signal. Το oscillation signal, ταλαντώνεται περίπου στο 1 Hz και ισοδυναμεί με 60 παλμούς / λεπτό, ενώ το βασικό σήμα πίεσης, CP, ταλαντώνεται περίπου από 0 Hz έως 0.04Hz. Αυτό το βλέπουμε καθαρά στο σχήμα 3.6. Εμείς θέλουμε να εξάγουμε το oscillation signal από το CP να το φιλτράρουμε και να το ενισχύσουμε και μετά να το στείλουμε στον μικροεπεξεργαστή. Χρησιμοποιούμε την εξής κατασκευή φίλτρου, Σχήμα 3.7. Σχήμα 3.6 : Συχνότητα φίλτρου

41 Σχήμα 3.7 : High Pass φίλτρο δύο πόλων με τελεστικό ενισχυτή Η συχνότητα όπως γνωρίζουμε για ένα φίλτρο είναι Οπότε Η συχνότητα είναι η συχνότητα αποκοπής (cutoff frequency), δηλαδή όλες οι συχνότητες που είναι μικρότερες του θα αλλοιωθούν, αφού μιλάμε για High Pass Filter, οπότε και το CP σήμα (που έχει συχνότητες έως 0.04 Hz) θα φιλτραριστεί. Το στην αντιστρέψιμη είσοδο του τελεστικού ενισχυτή συμπεριφέρεται ως Low Pass Filter με συχνότητα: Οπότε ότι συχνότητα έχουμε μεγαλύτερη από θα φιλτραριστεί. Επίσης έχουμε ένα κέρδος στο πλάτος του σήματος από τον τελεστικό ενισχυτή της τάξης του ( ) = 151. Το πρώτο μέρος του σχήματος 3.6 ονομάζεται σαν κύκλωμα ενισχυτής μη αναστρέφουσας εισόδου σε συνδυασμό με ρεύμα AC ή στα αγγλικά προτιμότερα ως non-inverting Amplifier, AC coupled και το βλέπουμε ξανά στο σχήμα 3.7

42 Σχήμα 3.7: Non-Inverting Amplifier, AC coupled Σε DC όταν δεν υπάρχει έχουμε σήμα εναλλασσόμενου ρεύματος, οι C1 και C2 αντιμετωπίζονται ως ανοικτοκυκλώματα. Αυτό ουσιαστικά σημαίνει ότι το κάτω άκρο R1 είναι ανοιχτό και επομένως το R1 δεν επηρεάζει πλέον το κύκλωμα. Το αποτέλεσμα είναι ότι έχουμε έναν ενισχυτή τάσης μοναδιαίου κέρδους. Το μοναδιαίο κέρδος σε DC απαιτείται προκειμένου να μειωθούν οι επιπτώσεις των πεπερασμένων εισόδων offset τάσεων. Σε AC, ο C2 και η R3 σχηματίζουν ένα υψιπερατό(high Pass) φίλτρο για σήματα που εμφανίζονται στον κόμβο 7. Ωστόσο, τα R1 και C1 θα σχηματίσουν ένα βαθυπερατό (Low Pass) φίλτρο για το σήμα που εμφανίζεται στον κόμβο 2. Το κέρδος είναι. Αποδεικνύεται ότι το σήμα εισόδου στον κόμβο 1 είναι αυτό που θα ενισχυθεί χωρίς το DC offset. Το σήμα που θα εμφανιστεί στον κόμβο 1 είναι αυτό που θα ενισχυθεί και τίποτα άλλο. Θα παρατηρήσουμε ότι η τάση στην έξοδο του ενισχυτή V4, θα αρχίσει στην αρχή να φθίνει και μετά θα σταθεροποιηθεί σε μια τιμή. Η φθίνουσα πορεία στην αρχή έχει να κάνει με την φόρτιση του πυκνωτή C1 σύμφωνα με το R1C1. Η έξοδος στον κόμβο 1 επίσης εμφανίζεται στον κόμβο 2 και αυτό αντιπροσωπεύει ένα Low Pass φίλτρο που το συνθέτουν οι R1,C1. Η τάση τον κόμβο 6,V6, είναι μια εξασθενημένη έκδοση της τάσης στο κόμβο 2 αλλά χρειάζεται 5 R1C1 σταθερές χρόνου για να διευθετηθεί. Για περισσότερες λεπτομέρειες και ανάλυση για τον Non-Inverting Amplifier, AC coupled επισκεφτείτε την σελίδα Μετά από δοκιμές το στάδιο αυτό, από μόνο του μας δίνει πολύ θόρυβο στο σήμα εξόδου και δεν μπορούμε να κάνουμε μετρήσεις οπότε σύμφωνα με το σχήμα 3.6 περνάμε το σήμα εξόδου από φιλτράρισμα με Low Pass φίλτρο και στη συνέχεια το περνάμε σε ένα buffer. Το φίλτρο δύο πόλων προσφέρει υψηλότερη αντίθεση και πιο έντονο cut-off από τη ζώνη διέλευσης στην ζώνη αποκοπής,σε αντίθεση με του μονού πόλου φίλτρο. Ως εκ τούτου, το πλάτος του φίλτρου στο ένα δέκατο της 3 db συχνότητας εξασθενίζει συνολικά 40 db, σε αντίθεση με τα 20 db του μονού φίλτρου. Τα 40dB πτώση είναι η απόκριση του φίλτρου στο ρυθμό μείωσης στα άκρα της ζώνης αποκοπής (του pass band). Το 2-pole φίλτρο παρουσιάζει μια πιο καθαρή αποκοπή ανεπιθύμητων συχνοτήτων, χωρίς να παραμορφώνονται εκείνες οι συχνότητες στην άκρη του pass band. Επιπλέον, το αρχικό roll-off (είναι ένας όρος που χρησιμοποιείται για να περιγράψει την κλίση, της απόκρισης του φίλτρου στην περιοχή της μετάβασης από τη ζώνη διέλευσης στην ζώνη αποκοπής και συνήθως μετριέται σε DB) στη περιοχή πάνω από την συχνότητα των 3 db ξεκινά αργότερα για ένα φίλτρο δύο πόλων από ότι για ένα φίλτρο μονού πόλου. Συνεπώς, το δύο πόλων φίλτρο έχει μια πιο επίπεδη απόκριση σε υψηλότερες συχνότητες από εκείνες ενός φίλτρου μονού πόλου[13]. Η απόκριση φάσης του δύο-πόλων υψιπερατό φίλτρο διπλασιάζεται επίσης. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα η μεταβολή της φάσης του φίλτρου δύο-πόλων να είναι 90 μοίρες στη συχνότητα των 3 db και τελικά να προσεγγίζει τις 180 μοίρες στο άπειρο. Ενώ η αλλαγή στην φάση στο

43 φίλτρο μονού πόλου είναι 45 μοίρες στη συχνότητα των 3 db και προσεγγίζει τις 90 μοίρες στο άπειρο [39]. Σε γενικές γραμμές, φίλτρα δύο πόλων προσφέρουν υψηλότερη αντίθεση στην άκρη του pass/stop band. Ωστόσο, είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι περισσότερες διακυμάνσεις ή κυματισμοί εμφανίζονται μέσα στην ζώνη διέλευσης οι οποίες μπορούν να επιφέρουν στρεβλώσεις στο σήμα που προσπαθούμε να διατηρήσουμε. Για τους σκοπούς αυτής της σχεδίασης, η δυνατότητα ελαφριών κυματισμών δεν είναι σημαντική. Αυτό που είναι σημαντικό είναι ότι το φίλτρο δύο-πόλων βρίσκεται πιο κοντά στη λογική ενός ιδανικού φίλτρου, επιτρέποντας μεγαλύτερη εξασθένηση των χαμηλότερων συχνοτήτων. Το oscillation signal ποικίλει από άτομο σε άτομο. Γενικά, αυτό ποικίλλει από 1 mmhg έως 3 mmhg. Από τη συνάρτηση μεταφοράς του MPXV5050GP, αυτό θα οδηγήσει σε ένα σήμα τάσης εξόδου από 12 mv έως 36 mv. Εφόσον το φίλτρο δίνει απόσβεση 10 db στο σήμα μας του 1 Ηz(το oscillation signal έχει συχνότητα 1 Hz), το σήμα ταλάντωσης μειώνεται και γίνεται 3.8 mv έως 11.4 mv αντίστοιχα. Διάφορα πειράματα έδειξαν ότι ο συντελεστής ενισχύσεως του ενισχυτή( το gain του ενισχυτή) επιλέγεται να είναι περίπου 150, έτσι ώστε το ενισχυμένο σήμα ταλάντωσης να είναι εντός του όριο εξόδου του ενισχυτή (5.0 mv έως 3.5 V). Το σχήμα 3.8 δείχνει την έξοδο από την αισθητήρα πίεσης και στο σχήμα 3.9 βλέπουμε το εξαγόμενο oscillation signal από τους ενισχυτές. Σχήμα 3.8 : Το σήμα CP μετά την έξοδο από τον αισθητήρα πίεσης

44 Σχήμα 3.9 :Το oscillation signal μετά την ενίσχυση του. Το ολοκληρωμένο LM324 που χρησιμοποιούμε για να κατασκευάσουμε τα φίλτρα και για να ενισχύσουμε το σήμα, έχει μια σειρά από τελεστικούς ενισχυτές όπως βλέπουμε και στο σχήμα Έχει μια επιτρεπόμενη Vcc+ των 16 V και μια Vcc- των -16V, καθώς και μια επιτρεπόμενη τάση εισόδου από -0.3 V έως 32 V [16]. Αυτό είναι ιδανικό αφού οι τάσεις εισόδου, Vcc και Vcc- εμπίπτουν εντός του εύρους των ± 5V. Επιπλέον, ο λειτουργικός ενισχυτής επιτρέπει μια υψηλό κέρδος για την τάση που είναι αναγκαίο για να αποφευχθεί ο κορεσμός του ενισχυτή. Σχήμα 3.10 : Ολοκληρωμένο LM324 Εναλλακτικά φίλτρα θα μπορούσαν να έχουν επίσης σχεδιαστεί χρησιμοποιώντας το LM324, όπως ένα φίλτρο High Pass μονού πόλου ή ένα φίλτρο διέλευσης ζώνης (Pand Pass) με μια συχνότητα αποκοπής περίπου 0.5 Hz. Σε πειραματισμούς με αυτά τα εναλλακτικά φίλτρα διαπιστώθηκε ότι το oscillation signal εξήχθη με επιτυχία από τη DC συνιστώσα. Ωστόσο, οι ταλαντώσεις δεν ήταν τόσο καλές όσο με το δύο-πόλων ενεργό υψιπερατό φίλτρο που χρησιμοποιούμε εμείς σε αυτό το σχεδιασμό. Είναι

45 επιτακτική ανάγκη η εξαχθείς ταλαντώσεις είναι διακριτές και αρκετά μεγάλες για να διακρίνουμε τη μια από την άλλη. 3.4 Μετατροπέας Αναλογικού σε ψηφιακού (A/D Converter) Μόλις το oscillation signal φιλτραριστεί και ενισχυθεί, αμφότερα τα σήματα CP και oscillation signal στέλνονται στο μικροελεγκτή PIC για περαιτέρω ανάλυση. Ο μικροελεγκτής θα πρέπει να συσχετίζει την πίεση σε κάθε δεδομένη χρονική στιγμή με εκείνες των διακυμάνσεων σε συγκεκριμένα σημεία στο χρόνο. Προκειμένου για το μικροελεγκτή να είναι σε θέση να αναλύσει οποιαδήποτε εισερχόμενη τάση, τα αναλογικά σήματα πρέπει να μετατρέπονται σε ψηφιακά χρησιμοποιώντας τον 10-bit μετατροπέα αναλογικού σε ψηφιακό (10 bit Analog to Digital converter) που έχουμε στον PIC18F2321. Η θετική τάση αναφοράς ορίστηκε στα 5V και η αρνητική τάση αναφοράς ορίστηκε στα 0V, οπότε κατά τη μετατροπή τα 0V δίνουν μια δυαδική τιμή 0 ενώ τα 5V δίνουν μια δυαδική τιμή 1024, αφού μιλάμε για 10 bit converter οπότε. Η μετατροπή αναλογικού σε ψηφιακό πρέπει να επιτευχθεί με επαρκή ακρίβεια και με καλό ρυθμό για να συλλάβει τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά. Ο μικροεπεξεργαστής θα πρέπει να συσχετίζει τη πίεση σε κάθε δεδομένη στιγμή με τη θέση της ταλάντωσης σε εκείνο το σημείο στο χρόνο. Ως εκ τούτου, οι ακίδες AN0 και AN1 των Α/D μετατροπέων στον μικροεπεξεργαστή τρέχουν με τον ίδιο ρυθμό και έτσι λαμβάνει δείγματα την ίδια στιγμή. 3.5 Σταθεροποιητής Τάσης Το πιεσόμετρο μας θα έχει ως πηγή ρεύματος μια μπαταρία 9V η οποία θα του δίνει DC τάση για να δουλέψει. Εμείς θα χρησιμοποιήσουμε έναν σταθεροποιητή τάσης για να ρίξουμε την τάση από τα 9V στα 5V. Θα μας βοηθήσει σε αυτή τη διαδικασία το μοντέλο ΤΟ-92 της σειράς L78L00. Η σειρά L78L00 τριών-τερματικών θετικών σταθεροποιητών χρησιμοποιούν περιορισμένο εσωτερικό ρεύμα περιορισμού και θερμικό κλείσιμο (shutdown), κάνοντας τα σχεδόν άφθαρτα. Εάν παρέχεται επαρκή ψύξη παρέχεται, τότε μπορούν να προσφέρουν έως και 100 ma ρεύμα εξόδου. Αυτή η σειρά προορίζεται ως πάγια ρυθμιστής τάσης σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένων τοπικών ή σε κάρτες ρυθμίσεις για την εξάλειψη του θορύβου και σε προβλήματα διανομής που συνδέονται με ενιαίο σημείο ρύθμισης. Επιπλέον, μπορούν να χρησιμοποιηθούν με στοιχεία που υπάρχουν για τη ροή του ρεύματος για να γίνουν ρυθμιστές τάσης. Η σειρά L78L00 χρησιμοποιείται ως δίοδος Zener / αντίσταση σε συνδυασμό αντικατάστασης και προσφέρει μια αποτελεσματική βελτίωση της αντίστασης εξόδου συνήθως δύο τάξεων μεγέθους μαζί με χαμηλότερο αδρανή ρεύμα και μειωμένο θόρυβο. Το εσωτερικό του φαίνετε στο σχήμα 3.11

46 Σχήμα 3.11 : Σταθεροποιητής Τάσης ΤΟ-92 Επίσης στην δικιά μας περίπτωση θα τον χρησιμοποιήσουμε όπως φαίνεται στο σχήμα 3.12, όπως μας αναφέρει το datasheet του ΤΟ-92. Σχήμα 3.12: Ο Σταθεροποιητής τάσης μαζί με 2 πυκνωτές στην είσοδο και στη έξοδο

47 Κεφάλαιο Εισαγωγή Το ηλεκτρονικό μας πιεσόμετρο λειτουργεί με τον εξής τρόπο. Δείτε το σχήμα 4.1 Ανάβω το πιεσόμετρο Περιμένω μέχρι να μας εμφανίσει στην οθόνη μήνυμα Τοποθετήστε τη περιχειρίδα στο μπράτσο του ασθενή Αρχίστε να φουσκώνεται με τη μανσέτα Σιγά σιγά ανοίξτε τη βαλβίδα της μανσέτας για να αρχίσει το ξεφούσκωμα της περιχειρίδας. Θα χρειαστεί 15 sec για πλήρης ξεφούσκωμα Εμφανίζει την συστολική πίεση με ενδειξή στην οθόνη.

48 Σχήμα 4.1 : Λειτουργία ηλεκτρονικού πιεσόμετρου Παραθέτουμε όλα τα υλικά που χρέαζονται για να ξεκινήσουμε την υλοπόιηση. 1) Μία Περιχειρίδα με μανσέτα 2) Ένας Αισθητήρας πίεσης 3) Τέσσερα Leds Λευκό, Μπλε, Πράσινο, Κόκκινο 4) Δυο Ποτενσιόμετρα 5) Δύο κουμπιά 6) Μια πλακέτα 7) Μια βάση τοποθέτησης για μπαταρίες (battery holder) 8) Ένα DIP socket 28 pins και ένα DIP socket 14 pins 9) Ένα switch 10) Ένα ολοκληρωμένο opamp (LM324) 11) Έναν μικροελεγκτή PIC18F2321(λείπει στη φωτογραφία) 12) Ένα κολλητήρι με καλάι (λείπει το καλαι στη φωτογραφία) 13) Έναν σταθεροποιητή τάσης voltage regulator 5V (λείπει στη φωτογραφία) 14) Αντιστάσεις (λείπει στη φωτογραφία) 15) Πυκνωτές (λείπει στη φωτογραφία) 16) PIC programmer (λείπει στη φωτογραφία) 17) Κουτί (λείπει στη φωτογραφία) 18) Σύρματα (λείπει στη φωτογραφία) 19) Μπαταρίες (λείπει στη φωτογραφία) 20) οθονη Βλέπουμε τα υλικά από το Σχήμα 4.2

49 Σχήμα 4.2 : Τα υλικά που θα χρησιμοποιήσουμε

50 4.2 Σχηματικό Διάγραμμα

51 Κεφάλαιο Γενικές πληροφορίες για το MPLAB H Microchip διαθέτει στο εμπόριο δωρεάν το πρόγραμμα MPLAB για την ανάπτυξη των προγραμμάτων που φορτώνονται στην μνήμη ROM των μικροελεγκτών. Το MPLAB είναι ένα ολοκληρωμένο περιβάλλον ανάπτυξης (Ιntegrated Development Enviroment IDE), το οποίο εκτός από συμβολομεταφραστή (assembler) για την μετάφραση του κώδικα που είναι γραμμένο σε assembly, σε γλώσσα μηχανής, οι τελευταίες εκδόσεις του ενσωματώνουν και μεταγλωττιστή (compiler) για τη γλώσσα C. Ορισμένες από τις δυνατότητες του MPLAB είναι οι παρακάτω: Το MPLAB περιέχει εξομοιωτή (simulator) που μιμείται ακριβώς τη συμπεριφορά συγκεκριμένου μικροελεγκτή. Το MPLAB μπορεί να εξομοιώνει ένα μεγάλο αριθμό μικροελεγκτών (Microcontroller Units - MCUs) αλλά και ελεγκτών ψηφιακού σήματος (Digital Signals Controllers- DSCs) Το MPLAB διαθέτει Debugger για εκτέλεση και αποσφαλμάτωση του κώδικα Το MPLAB διαθέτει προγραμματιστή (Programmer) για προγραμματισμό της μνήμης των μικροελεγκτών μέσα από το ίδιο το πρόγραμμα. Τέτοιος είναι o PICSTART Plus που περιγράφεται στο υποκεφάλαιο 1.8 Ένα μειονέκτημα του MPLAB είναι ότι τρέχει μόνο σε πλατφόρμα Windows. Για την ανάπτυξη προγραμμάτων σε άλλη πλατφόρμα (πχ. Linux) θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί άλλο εργαλείο. 5.2 Χρήσιμες ιδιότητες του ΜPLAB Στο MPLAB, η εξομοίωση μπορεί να γίνει βήμα-βήμα. Κατά την εκτέλεση των βημάτων μέσα από το πρόγραμμα μπορούμε να παρακολουθήσουμε τις τιμές που παίρνουν οι καταχωρητές ύστερα από την εκτέλεση κάθε βήματος. Στο MPLAB υπάρχει το παράθυρο Special Function Registers (Σχήμα 5.1), από το οποίο μπορούμε να παρακολουθήσουμε τις τιμές που παίρνουν οι καταχωρητές SFR, ύστερα από την εκτέλεση κάθε βήματος.

52 Σχήμα 5.1: Το παράθυρο Special Function Registers Εκτός από το παράθυρο με τους SFR, υπάρχει και το παράθυρο File Registers, από το οποίο εκτός από τους καταχωρητές SFR, μπορούμε να παρακολουθήσουμε τις τιμές που παίρνουν και οι καταχωρητές GPR (Σχήμα 5.2) που μπορεί να έχουν οριστεί σε ένα πρόγραμμα. Σχήμα 5.2: Το Παράθυρο File Register Μια άλλη σημαντική δυνατότητα του εξομοιωτή βρίσκεται στην διαδρομή (path) Debugger Stimulus (Σχήμα 5.3) του προγράμματος και σύμφωνα με αυτήν μπορεί ο χρήστης κατά την διάρκεια της εκτέλεσης ενός προγράμματος να αλλάζει με το ποντίκι την κατάσταση μίας ακίδας εισόδου, ή μίας ακίδας εξόδου και με αυτόν τον τρόπο να

53 προχωρήσει η βηματική εκτέλεση ενός προγράμματος εάν έχει σταματήσει σε κάποιο σημείο. Σχήμα 5.3: Η επιλογή Stimulus Οι παραπάνω λειτουργίες του MPLAB που περιγράφτηκαν, είναι μερικές μόνο από τις πολλές δυνατότητες που έχει το MPLAB, αλλά αναφέρονται με προτεραιότητα σε αυτό το υποκεφάλαιο διότι σύμφωνα με αυτές θα γίνει η παρουσίαση του προγράμματος της προσομοίωσης του ιατρικού θερμομέτρου στο κεφάλαιο που ακολουθεί. Περισσότερες δυνατότητες του MPLAB (οι κυριότερες) αναφέρονται παρακάτω. Στο κέντρο της γραμμής εργαλείων (toolbar) υπάρχουν τα εικονίδια Build Project και Clean and Build Project που φαίνονται στo Σχήμα 5.4 παρακάτω: Σχήμα 5.4: Τα εικονίδια Build Project και Clean and Build Project Με αυτά τα εικονίδια μετατρέπεται ο κώδικας assembly ή C σε γλώσσα μηχανής. Επίσης έχουμε τα εικονίδια για τη λειτουργία Debug (Σχήμα 5.5) Σχήμα 5.5: Τα εικονίδια εξομοίωσης Με αυτά τα εικονίδια γίνεται η εξομοίωση του προγράμματος. Το πρώτο (από τα αριστερά προς τα δεξιά) εικονίδιο είναι η εντολή Stop με το οποίο σταματά η εκτέλεση του προγράμματος, και. Με το δεύτερο εικονίδιο γίνεται παύση (halt) της εκτέλεσης

54 που ξεκίνησε με την εντολή Run. Το τρίτο εικονίδιο γίνεται επανάληψη της εκτέλεσης Το τέταρτο εικονίδιο είναι το Run,με αυτό εκτελείται το πρόγραμμα όπως θα εκτελούνταν (όχι σε πραγματικό χρόνο) από τον μικροελεγκτή. Το πέμπτο εικονίδιο δίνει την δυνατότητα στον χρήστη να παρεμβάλλει χρονοκαθυστέρηση ώστε να μπορεί να παρακολουθεί τα αποτελέσματα της εκτέλεσης των εντολών. Με το έκτο εικονίδιο γίνεται η εκτέλεση των εντολών βήμα-βήμα, δηλαδή με λίγα λόγια μπορούμε να εκτελούμε μία εντολή κάθε φορά και να ελέγχουμε τις τιμές των καταχωρητών. Με το επόμενο εικονίδιο (το έβδομο) μπορεί να γίνει υπερπήδηση της επόμενης εντολής, ενώ με το όγδοο μπορεί να γίνει έξοδος από μια υπορουτίνα. Με το τελευταίο (το ένατο ) μπορούν να οριστούν σημεία διακοπής στο πρόγραμμα. Υπάρχουν και ορισμένες άλλες σημαντικές επιλογές που μπορεί να επιλέξει ο χρήστης. Τρεις από αυτές είναι, η εμφάνιση σε παράθυρο της μνήμης προγράμματος (Program Memory), το παράθυρο Watch, με το οποίο ο χρήστης μπορεί να επιλέξει να δει τους καταχωρητές που επιθυμεί, και η εμφάνιση σε παράθυρο της μνήμης EEPROM. Και τα τρία αυτά παράθυρα φαίνονται στα τρία παρακάτω σχήματα: Σχήμα 5.6: Το Παράθυρο Program Memory

55 Σχήμα 5.7: Το Παράθυρο Watch Σχήμα 5.8: Το Παράθυρο EEPROM 5.3 Κώδικας C και Ανάλυση του Θα χωρίσουμε τον κώδικα σε τέσσερα κομμάτια, τα οποία θα παραθέτουμε όπως ακριβώς είναι στον κώδικα που κουβάλα ο μικροεπεξεργαστής, δίνοντας βέβαια τις απαραίτητες εξηγήσεις, ακόμη και αναλύοντας τη θεωρία αν θεωρούμε ότι θα μας βοηθήσει να καταλάβουμε καλύτερα τον κώδικα. Το πρώτο κομμάτι κώδικα που θα αναλύσουμε είναι το Σχήμα 5.9 το οποίο είναι το αρχικό μέρος του αρχείου main.c και είναι οι αριθμημένες γραμμές κώδικα από αλλά και το σχήμα 5.5 που είναι η συνάρτηση setuptmrs(). Στο σχήμα 5.9 αναλύουμε μια-μια τις γραμμές: 1-4 : Εισάγουμε τις απαραίτητες βιβλιοθήκες που χρειάζονται γι α να λειτουργήσει το πρόγραμμα. 5-49: Στην γλώσσα C, όλες οι συναρτήσεις που χρησιμοποιούνται στο πρόγραμμα πρέπει να δηλωθούν στην αρχή του προγράμματος, και αυτό το ονομάζουμε δήλωση προτύπων συνάρτησης. Επίσης όσες μεταβλητές θέλουμε να έχουν global εμβέλεια τις δηλώνουμε και αυτές μαζί με τα πρότυπα των συναρτήσεων. Θα χρησιμοποιήσουμε 2