SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE SEÑALES PARA WINDOWS SADW2

Memorias II Congreso Latinoamericano de Ingeniería Biomédica, Habana 2001, Mayo 23 al 25, 2001, La Habana, Cuba
SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE SEÑALES PARA WINDOWS
SADW2
G. Rodríguez, S. Cortes, R. Martínez, A. Gómez
Instituto Nacional de Cardiología Ignacio Chávez. ESIME U. Culhuacan, IPN
Juan Badiano no. 1, Col, Sección XVI, Tlálpan 14080 D.F., México. [email protected]
RESUMEN
2. METODOLOGÍA
Se presenta el diseño de un Sistema de Adquisición de
Datos (SAD) el cual consiste de un Módulo de
Digitalización (MD) que se conecta a una
computadora personal (PC) y de un conjunto de
Programas de Control de Adquisición (PCA)
trabajando en ambiente windows. El MD está basado
en un microcontrolador
PIC, que controla la
adquisición de las señales, la conversión de Analógico
a Digital de las mismas y la transmisión de los datos
digitales hacia la computadora personal por un puerto
de comunicaciones serie, el microcontrolador PIC se
maneja por programas escritos en lenguaje C. Los
programas de control de adquisición se desarrollaron
para correr en la computadora personal bajo ambiente
windows, y se escribieron en lenguaje PASCAL en el
ambiente DELPHI. El sistema de adquisición y la
computadora personal se comunican por un puerto
serial bajo un protocolo de comunicaciones definido
para este propósito. El sistema se ha utilizado para
adquirir señales de un equipo de espectroscopia y para
un sistema de adquisición de electrocardiogramas,
obteniéndose buenos resultados.
Para desarrollar el sistema se usó la técnica de
procesamiento distribuido, dejando como se ilustra en
la fig. 1 la parte del control de la adquisición de datos
a un microcontrolador y la parte de manejo,
visualización y reporte al microprocesador de una
computadora personal PC.
Palabras clave: adquisición de datos, aplicación de
microcontroladores.
1.
INTRODUCCIÓN
Una necesidad cotidiana para los laboratorios de
electrofisiología con los que interactuamos y para el
desarrollo de instrumentación biomédica que realiza
nuestro grupo de trabajo es la adquisición de señales
biológicas. Por otra parte con el alto nivel de
integración alcanzados en la construcción de circuitos
integrados, actualmente se dispone de circuitos que en
un mismo encapsulado contienen varios dispositivos,
hecho que permiten diseñar sistemas complejos con
relativa facilidad. Para el diseño de este sistema de
adquisición de señales se selecciono como núcleo un
microcontrolador PIC 16F877. Este microcontrolador
contiene en un encapsulado de 40 terminales: un CPU
de tecnología RISC (de conjunto de instrucciones
reducido), un controlador de interrupciones, dos
contadores, ocho canales para convertir analógico a
digital, líneas digitales de control, 8Kx14 palabras de
memoria de programa, 368 bytes de memoria de datos
RAM, 256 bytes de memoria EEPROM y que además
se pude programar en lenguaje de alto nivel C. Para
los circuitos complementarios se usan amplificadores
operacionales, que hacen operaciones matemáticas de
ajuste[5].
Fig.1 Diagrama a bloques del Sistema de Adquisición de
Datos SAD3.
El módulo de digitalización de señales se formó como
se muestra en la figura 2 y su operación se describe a
continuación: La señal a digitalizar se selecciona con
el multiplexor analógico MUX1, este pasa la señal a
un amplificador de instrumentación donde es
preamplificada, posteriormente se alimenta al
amplificador programable que da el nivel de
amplificación apropiado y también le resta el nivel de
Corriente Directa (CD) que pueda traer para no saturar
al amplificador A2.
Fig. 2. Diagrama a bloques del Módulo de Digitalización
MDIG-1.
Tanto la amplificación como la retroalimentación
de CD se manejan con dos convertidores Digital a
950-7132-57-5 (c) 2001, Sociedad Cubana de Bioingeniería, artículo 00397
Analógico (D/A) CDA1 y CDA2. Los convertidores
D/A y el selector de la señal de entrada MUX1 se
manejan con líneas de control del mismo
microcontrolador PIC. La programación del módulo
de digitalización se llevó a cabo con el compilador de
lenguaje C de la compañía Byte Craft versión 1.1. [2]
El módulo de digitalización se puede alimentar con
una fuente externa o con baterías dado el bajo
consumo del mismo.
La señal digitalizada, se transmite por un puerto serial
convencional de comunicaciones hacia la PC a una
velocidad de 56K bps, cada bloque de información
contiene las configuraciones de la adquisición y la
información correspondiente a la conversión A/D de
los 4 canales disponibles.
El programa de aplicación para la computadora
personal se desarrolló en DELPHI versión 3.0. para su
funcionamiento en windows de 32 bits. La interfase a
usuario se muestra en la figura 3 y sus funciones se
autodescriben en la ventana del programa y realizan
funciones típicas de windows.
Además de las funciones útiles para la captura de las
señales ya sea en corrida libre o sincronizada , se tiene
selección de canales, posición en pantalla de las
señales adquiridas, almacenamiento de los datos en
diferentes formatos entre ellos el formato ASCII para
su lectura en otras aplicaciones de windows como
Excel o Lotus.
Fig. 3 Pantalla del Sistema de Adquisición de Datos SADW2, NC=Número de canales,
FM=Frecuencia de muestreo, ND=Número de datos a adquirir, posición en X, posición en
Y, Canal activo, Amplificación y Posición en pantalla.
3. RESULTADOS
Se obtuvo un sistema de adquisición de señales que es
pequeño, de bajo costo, práctico para diferentes
requerimientos de adquisición de datos y con las
siguientes especificaciones:
Resolución:
10 bits
Frec. de muestreo máxima por canal: 0.5 KHz.
Comunicación serie
56 K Bps.
Rango de conversión
0 a 5 V.
Voltaje de alimentación:
6 V.
Corriente de consumo
75 mA.
Características del convertidor A/D iguales a las
especificadas por el fabricante[4].
El programa de control de adquisición desarrollado en
Delphi nos proporciona la flexibilidad de poder
utilizar los módulos desarrollados en otros sistemas de
adquisición basados en otras interfases de
comunicación con la computadora como bus serie
universal (USB) [1] o puerto paralelo. Sirviendo
como plataforma básica para futuros desarrollos.
En la figura 4 se muestra un espectro adquirido de
un espectrómetro de difracción de rayos X.
Figura 4 se muestra el trazo adquirido de un espectrómetro de difracción de rayos X
6. REFERENCIAS
4. DISCUSIÓN
Este sistema aunque se diseñó para adquirir señales
biológicas se puede utilizar en otras aplicaciones
donde se requieran frecuencias de muestreo menores
de 0.5 KHz. por canal. Dada la simplicidad del
sistema, también se puede utilizar en el desarrollo de
otros sistemas o equipos que deban adquirir datos y
que requieran comunicarse con otro equipo o parte del
mismo equipo. Debido al bajo consumo del módulo se
puede alimentar con baterías y acoplando ópticamente
el puerto de comunicaciones serie se puede tener un
módulo de adquisición aislado eléctricamente.
5. CONCLUSIONES
Dada la disponibilidad de los microcontroladores y
demás componentes y la facilidad de disponer de las
herramientas de desarrollo en nuestro mercado local,
ha sido posible el desarrollo de un sistema de
adquisición de datos eficiente, de bajo costo y
completamente
manejable.
Además
con
la
implementación del sistema de manejo en windows
con la plataforma de desarrollo DELPHI, se tiene al
alcance de manera fácil mejoras o adecuaciones al
sistema. La instalación del sistema es fácil, ya que el
módulo e conecta a la PC con solo un cable serie
estándar y se instala el programa de aplicación en la
PC. Los dispositivos que utiliza el sistema como
monitor gráfico e impresora, son los mismos que se
definen en la instalación de windows.
[1]
[2]
[3]
D. Anderson, “Universal serial bus system architecture”,
Addison Wesley, 1995.
Byte Craft: MPC Code Develoopment system Byte Craft 421
King Street North Waterloo, Ontario Canada N2J 4E4. 1996.
Lewis C. Eggebrecht: “INTERFACING TO THE IBM
PERSONAL COMPUTER”, Howard W. Sams & Co., 1987.
[4] Microchip: PIC16/17 Microcontroller Data Book 1996/1997
Microchip Technology Inc. 2355 West Chandler Blvd.
Chandler, AZ 85224-6199, 1996.
[5] Willis J.Tompkins, Johon G. Webster: “INTERFACING
SENSORS TO THE IBM PC”, Prentice Hall, 1988.
SIGNAL ACQUISITION SYSTEM
FOR WINDOWS SADW2
ABSTRACT
A design of acquisition system for biological signals is presented. This system is based in a microcontroler
PIC that controls the acquisition of the signals, the conversion from Analog to Digital, and the
transmission of the data to a personal computer through a serial communication port. This system is
formed by one module of circuits handled by a group of programs for the microcontroler PIC written in C
language, and for other programs to run in the PC computer in windows. The acquisition module and the
PC are communicated by a serial port and use a specific protocol. This system has been used to acquire
signals of electromyography equipment and for electrocardiograph system getting good results