CAPTULO IV

DISEO Y CONSTRUCCIN

En el presente capitulo se hace una descripcin detallada de las fases para el

desarrollo del Prototipo Para Generar Seales Cardacas.

La construccin del prototipo consta de las siguientes etapas:

Figura N 4.1. Etapas de Desarrollo.

4.1 ETAPA DE GENERACIN DE SEALES

En la presente etapa se realiz la generacin de las seales mediante la

programacin de un microcontrolador que se seleccion de acuerdo a los requerimientos

del sistema, luego de una revisin a las caractersticas tcnicas del mismo.

4.1.1 Requerimientos del sistema

Para la generacin de las seales, con respecto al microcontrolador, se puede

decir que es necesario que posea lo siguiente:

Entradas pulsantes para seleccionar la opcin que se desee simular.

Salida de seales PWM.

Etapa de Generacin de Seales. (PIC)

Etapa de Acondicionamiento

Salida

Etapa de Visualizacin

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Que se pueda trabajar con una frecuencia de 20 MHz para realizar las

operaciones en tiempo pequeo que no afecte la generacin de las seales.

Una memoria de programa suficiente para almacenar el software con el que

operar el simulador.

Que posea al menos 3 puertos que puedan ser usados como entradas o salidas.

Luego de analizar los requerimientos del sistema, se encontr con un

microcontrolador que posee estas caractersticas el cual es el microcontrolador PIC

16F877.

La programacin del microcontrolador se realizo en lenguaje Assembler,

lenguaje de bajo nivel, ya que consume menos recursos del sistema (Memoria RAM y

ROM), logrando ejecutar el programa con mayor rapidez, obteniendo un control muy

preciso en las tareas realizadas por el microcontrolador. Para la compilacin y

construccin del archivo ejecutable se utiliz el paquete computacional MPLAB.

4.1.2 Programacin del PIC

La generacin de seales en el PIC se realiz haciendo uso de la modulacin por

anchura de pulso PWM. Esta modulacin consiste en generar una serie de pulsos en un

periodo y a una frecuencia determinada. El ciclo de trabajo del PIC, define la anchura de

cada pulso la cual se vara para generar diferentes formas de onda.

Se usa un filtro pasivo, pasa-bajo para generar un voltaje de salida proporcional

al tiempo medio de permanencia en el estado alto, es decir 50% del ciclo de trabajo es

igual a 2.5 V, cuando el Vcc del PIC es 5 V. Esta tcnica de conversin digital anloga

es utilizada para generar salidas analgicas lentas, comprendidas entre 0 y 100 Hz, que

es justo lo que se necesita para generar las seales electrocardiogrficas.

El software diseado, produce una seal de 60 Hz de frecuencia con una

resolucin de 5 bits, o sea se utilizaron 32 muestras ( ), para cada paso que es

generado por el software permite generar 10 ciclos de PWM.

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El nmero de ciclos de modulacin PWM se obtiene mediante la siguiente

ecuacin

Freq_PWM = (freq_seal) * (N pasos) * 10 (4.1)

Para la generacin de las seales electrocardiogrficas, la frecuencia de la seal

puede estar entre 0 y 100 Hz por lo que se asumi un valor de 60 Hz para calcular la

frecuencia de la modulacin PWM.

Freq_PWM = 60 32 10 (4.2) = 19.2 kHz

Como se genera una seal de 19.2 Khz de frecuencia, se emplea un simple filtro

RC pasa bajo de 2 polos para dejar pasar la seal de 60 Hz mientras se elimina las de

1920 HZ y el PWM de 19 KHZ.

Se adopt por el uso de la modulacin PWM para generar las seales requeridas,

debido a que implica un menor gasto, ya que para la conversin digital anloga, solo se

usa un filtro RC de dos polos, en cambio si no se emplea la modulacin PWM, se tendra

que utilizar un convertidor digital anlogo a la salida de los puertos del microcontrolador

y producira un mayor costo, adems con la modulacin PWM se emplea un solo pin de

un puerto dejando libre las dems entradas y/o salidas del puerto.

En el software realizado, la interrupcin de TMR0 se utiliza para generar

intervalos precisos de modulacin PWM. El tiempo de servicio de esta interrupcin

limita el valor mnimo y mximo del ciclo de trabajo para la modulacin PWM, y por

tanto tambin limita el valor mnimo y mximo de voltaje que pueda producirse.

Para obtener las 32 muestras que se introdujeron en el microcontrolador para

generar las seales electrocardiogrficas, se tomo como referencia el trabajo realizado

por R. Karthik [22], estudiante de la universidad de ANNA ubicada en Chennai, India, el

cual consiste mediante un programa diseado en MATLAB generar la seal ECG

normal; cuando se ejecuta el programa, ste arroja las 32 muestras en valores decimales

y en una escala que no es la apropiada para introducirlas en el microcontrolador, por ello

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primero se llevan las muestras a la escala de 255 que es el valor mximo que acepta el

PIC, y luego se extrae la parte entera de esas muestras para as introducirlas al

microcontrolador sin ningn inconveniente. Este programa se encuentra en el anexo B

Luego de conocer el funcionamiento de la modulacin PWM usada para

desarrollar el software, se procede a explicar dicho software mediante el siguiente

diagrama de flujo.

Figura N 4.2. Diagrama general del programa del PIC.

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El programa del microcontrolador consiste en lo siguiente:

Se inicializan los puertos.

Es decir se configuran los distintos puertos como entradas y salidas dependiendo

de los requerimientos, en este caso se configur el puerto B como salida de la

modulacin PWM, el puerto C como salidas a la pantalla LCD, y el puerto A como

entradas de interruptores, luego se configura el pre escalador, y el servicio de

interrupciones.

Se configura la pantalla LCD.

Para ello se configura el puerto C como salida, luego se crea una funcin llamada

Habilitar, la cual se encarga de configurar los pines de control del LCD para que sta

funcione como escritura.

Para inicializar la pantalla LCD, se crea una funcin llamada Inicia_LCD, la

cual configura las lneas del LCD, en este caso la pantalla solo posee 2 lneas de 16

caracteres cada una, luego se configura el estado del cursor.

Para escribir en la pantalla se crean una serie de funciones que sern llamadas en

el programa a medida que se vayan necesitando, la funcin Letra_1lin se encargar de

escribir en la primera lnea de la pantalla empezando desde la posicin cero Simulador

ECG, la funcin Tipos, es la encargada de escribir en la segunda lnea la palabra

Tipo:, la funcin llamada Normal escribe Nor, despus de Tipo: la funcin

Bradicardia, escribe Bra, despus de que se ha escrito Tipo, la funcin

Taquicardia, escribe Taq igualmente despus de Tipo, y la funcin casoB,

escribe --- luego de Tipo:. Cada una de estas funciones ser llamada una por una,

nunca se podrn llamar 2 funciones al mismo tiempo.

Se lee entradas de los interruptores.

El interruptor es de tres estados, lo que indica que solo habr 3 opciones para

seleccionar. Para configurar el puerto A como entradas de los interruptores se crea una

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funcin llamada Reset_Paso, la cual se encarga de leer la seal proveniente de los

interruptores y llamar a las funciones caso1, caso2, caso3, y casoB dependiendo de las

siguientes condiciones: Si el estado del switch esta en 1, se llama a la funcin caso1,

dicha funcin invoca a la funcin taquicardia y produce la seal ECG de salida ajustada

al ritmo de taquicardia, si el switch esta en 2, se llama a la funcin caso2, esta funcin

llama a Normal y se produce la seal ECG de salida ajustada mediante retardos al ritmo

normal del corazn (79 ltm), si el switch est en el tercer estado, se invoca a la funcin

caso3, sta llama a la funcin bradicardia y se produce la seal ECG a la salida ajustada

a un ritmo de bradicardia sinusal, pero si el switch est defectuoso o est entre dos

estados por ejemplo el estado uno y dos, se invoca a la funcin casoB, esta funcin

produce una salida igual a cero. En la Figura N 4.2 se aprecia un diagrama de flujo que

indica el contenido general del software del microcontrolador.

4.1.3 Descripcin de los pines del microcontrolador

Se utiliz el reloj externo del PIC16F877 colocando un cristal de 20MHz

acompaado de dos capacitores (C1 y C2) de 27pF en los pines 13 y 14 correspondientes

a OSC1/CLK1 y OSC2/CLK0; los pines 2, 3, y 4 se configuraron como entradas para

seleccionar mediante un switch los diferentes ritmos sinusales generados por el

microcontrolador, el pin 34 (RB1) se utiliz como salida para la seal PWM, los pines,

15, 16, 17, 18. 23, 24, 25, y 26 se utilizaron para escribir en la pantalla LCD un mensaje

dependiendo de la opcin seleccionada mediante el switch, y los pines 19 y 20 se

utilizaron para habilitar la pantalla LCD y habilitar la escritura en dicha pantalla. En la

Figura N 4.3, se observa la distribucin de los pines del PIC mediante un circuito

diseado en PROTEUS 7.

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Figura N 4.3. Descripcin de los Pines del Microcontrolador.

4.2 ETAPA DE VISUALIZACIN

Para esta etapa se requiere una pantalla LCD y un puerto del microcontrolador, la

pantalla LCD utilizada es la LM016L y se conecta como se muestra en la Figura N 4.3.

Para escribir en la pantalla LCD se configura el puerto C de salida, como se explic

anteriormente, y para habilitar la pantalla para escritura, se conecta el pin 5 del LCD a

tierra.

En la Figura N 4.4 se observa un ejemplo de visualizacin en la pantalla, cuando

el switch se encuentra en la posicin 1 (Taquicardia).

Figura N 4.4. Pantalla LCD del Generador.

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4.3 ETAPA DE ACONDICIONAMIENTO

En la Figura N 4.5, se muestra en un diagrama de bloques las fases del circuito

de acondicionamiento diseado.

Figura N 4.5. Etapa de Acondicionamiento.

4.3.1 Conversin Digital Anlogo

Como se menciono anteriormente, para convertir las seales digitales PWM, a

anlogas se utiliza un convertidor sencillo el cual consiste en un filtro pasivo RC pasa

bajos como el que se muestra en la Figura N 4.6

Figura N4.6 Conversin Digital Anloga.

La frecuencia a la cual se est generando la modulacin PWM es de 60 Hz como

se dijo anteriormente, de all se calculan los valores del filtro pasa bajos de la figura N

4.6 de la siguiente manera.

Seales PWM. Salida del PIC

Convertidor Digital Anlogo

Filtro Activo Pasa Bajo

Amplificador Diferencial

Filtro Pasivo Pasa Bajo

Amplificador Inversor

Red de Extremidades

Salidas

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(4.3)

Se asume C=0.82F

Despejando R y sustituyendo en la ecuacin 4.3 se tiene que el valor de

R=3.23K, aproximndolo a un valor comercial seria R=3.3K.

Antes del filtro pasa bajo activo, se coloca otro filtro pasa bajos pasivo en serie

con el filtro anterior, la razn por la cual se coloca este otro filtro antes del filtro activo,

se debe a que el primer filtro pasivo es para la conversin digital anloga, y el segundo

filtro pasivo es para conseguir la seal anloga con un menor nivel de ruido para que

este sea eliminado con mayor facilidad por el filtro activo. La Figura N 4.7 muestra el

filtro pasivo completo antes de la etapa de filtro activo.

Figura N 4.7. Filtro Pasa Baja Pasivo de dos Polos.

4.3.2 Filtro Activo Pasa Bajo

Al tratarse de seales que tienen un valor pequeo en amplitud y frecuencia, se

necesita un filtro que permita el paso de una determinada banda de frecuencia, las

frecuencias cardacas estn comprendidas entre 1 y 1.33 Hz, pero poseen componentes

que llegan hasta los 60 Hz, por ello se emple un filtro pasa bajo que deje pasar hasta

60 Hz de frecuencia, y atene las frecuencias mayor a 60Hz.

sta etapa se encarga de eliminar totalmente el ruido de la seal generada, para

luego amplificar dichas seales, para esta aplicacin se escogi un filtro butterworth

pasa bajo de segundo orden, este filtro es de -40db, con una atenuacin de 0.707 (3db)

en amplitud de seal. Esta etapa se ilustra en la Figura N 4.8.

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Figura N 4.8. Filtro Activo Pasa Bajo.

Para este filtro se utiliz el amplificador operacional TL084, por ser un

amplificador con baja admisin de ruido y por poseer alta relacin en modo de rechazo

comn (CMMR), este amplificador tiene un empaquetamiento DIP tipo SOIC de 14

pines en el cual esta, integrados cuatro amplificadores operacionales. Los valores del

filtro que se muestra en la figura 4.8 se calcularon de la siguiente manera.

Se parte de la siguiente ecuacin:

(4.4)

Se asume el capacitor C1=0.18F, entonces R=10,41K, aproximndolo a un

valor comercial se obtiene que R= 10K.

Por tanto C2 ser igual a 0,36F, se aproxima a un valor comercial y resulta que

C2 ser igual a 0.39F. Luego R1=R y Rf= 2*10K=20K. Para recalcular el

verdadero valor de la frecuencia de corte, se despeja la frecuencia de la ecuacin N 4.4

y quedara de la siguiente manera:

(4.5)

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Donde la nueva frecuencia de corte es 62,51 Hz.

4.3.3 Amplificador Diferencial

Esta etapa es de suma importancia, ya que aqu es donde se disminuye la

ganancia al sistema, para obtener las seales con los niveles de voltajes requerido por el

electrocardigrafo o el monitor ECG.

En este caso se deben generar seales hasta de 2mv pico-pico, pues estas son

aceptables para el electrocardigrafo, pero el voltaje a la entrada de esta etapa es de 2,2

V aproximadamente, por ello se disea un amplificador en configuracin de diferencial

con una ganancia menor a 1 para que disminuya el valor de la seal.

Para realizar los clculos de los valores del circuito diferencial, se empieza

asumiendo la ganancia que se requiere para el circuito, en este caso esa ganancia es de

0,012. Como ya se conoce que el voltaje de entrada es 2,2V, se puede calcular el voltaje

de salida de este circuito aplicando la siguiente ecuacin.

(4.6)

Por consiguiente el voltaje de salida ser de 26,4 mV, y para obtener las

resistencias del circuito, se asume R1=R2, y R3=R4 y tambin se asume que

R1=82K=R2, por tanto para hallar R3 se emplea la siguiente ecuacin:

(4.7)

Resolviendo para esta ecuacin, la R3 es igual a 984 , aproximndola a un

valor comercial tenemos que R3=R4 = 1K. En la Figura N 4.9 se observa el

amplificador operacin en configuracin diferencial.

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Figura N 4.9. Etapa Diferencial.

Como se aprecia en la Figura N 4.9, en esta etapa es necesario sumar un valor

negativo a la seal generada, ya que a la salida se necesita una seal que posea un valor

tanto negativo como positivo debido a la despolarizacin y repolarizacin de las clulas.

Para esta etapa de amplificador diferencial, se usa de nuevo el amplificador operacional

TL084

Una ventaja que presenta este tipo de circuitos, es la eliminacin del ruido, ya

que si ingresan dos seales en modo comn, estas se eliminan entre s. La seal no solo

ser amplificada sino adems, ser nivelada a un valor en el cual la seal sea simtrica

con respecto al nivel de 0V. Como las seales se generan independientemente, todas las

seales deben pasar por esta etapa.

4.3.4 Filtro Pasivo Pasa- Bajo

En la etapa anterior, se utilizo un potencimetro de precisin, para sumar un

valor negativo a la seal, este potencimetro trae consigo cierta admisin de ruido, por

lo que se vio la necesidad de realizar una segunda etapa de filtrado. El tipo de filtro a

utilizar es un filtro pasivo pasa bajo con una frecuencia de corte igual a la etapa anterior

de filtrado, es decir igual a 60Hz.

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Este filtro tiene la misma configuracin que el circuito de la Figura N 4.6, pero

aumentando un poco la frecuencia de corte, para as aumentar la banda de paso del filtro.

Empleando la ecuacin (4.3) se asume el capacitor de 0.82 F, y se calcula la

resistencia para una frecuencia de corte de 64 Hz aproximadamente. Al realizar este

clculo, se tiene que la resistencia de de 3.0 K, luego despejando la frecuencia de dicha

ecuacin se obtiene que la frecuencia verdadera es de 64.69 Hz un poco ms alta que la

de los filtros anteriores, para descartar posibles cortes en la seal.

4.3.5 Amplificador Inversor

Este amplificador se emplea para dar la ganancia final al sistema, y se utiliza en

configuracin de inversor, debido a que trabaja con ganancias menores a la unidad y

porque se necesita invertir la seal para as obtener a la salida la forma de onda deseada.

Para este caso especfico, el amplificador se utiliza para disminuir el voltaje a la

salida del mismo, el voltaje a la entrada de este amplificador es aproximadamente de

26,40 mV, que es la salida de la etapa de amplificacin diferencial, se dice que este

voltaje es una aproximacin, ya que antes de llegar a la entrada de este amplificador,

existen algunas resistencias en las cuales se produce cierta cada de tensin, en

consecuencia, en la retroalimentacin del amplificador inversor se utiliza un

potencimetro para manipular el voltaje de salida, con la finalidad de descartar cualquier

error de aproximacin.

A la salida de esta etapa se necesita que el voltaje de salida no sobrepase los

2mV pico-pico, para ello se calcula la ganancia del circuito utilizando la ecuacin (4.6);

al resolver dicha ecuacin se obtiene que la ganancia del circuito debe ser

aproximadamente de 0,075.

Para calcular las resistencias del circuito, se emplea la siguiente ecuacin.

(4.8)

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Conociendo que la ganancia requerida es de 0,075, se asume la resistencia R de

130 K, lo que arroja un valor de 9.75 K para RF, y aproximando RF a un valor

comercial, se obtiene que RF es un potencimetro de 10 K. Ver Figura N 4.10.

Figura N 4.10. Amplificador Inversor.

4.3.6 Red de Derivaciones

Esta ltima etapa se encarga de distribuir el voltaje de salida de la etapa anterior

en las distintas extremidades del cuerpo humano, para as poder obtener la seal

electrocardiogrfica.

Como ya se conoce, las extremidades son: RL (Pierna derecha), LL (Pierna

izquierda), RA (Brazo derecho), LA (Brazo izquierdo), y las precordiales son: V1, V2,

V3, V4, V5, y V6.

Los objetivos de este proyecto abarcan la generacin de las 6 primeras

derivaciones las cuales son la derivacin I, II, III, aVR, aVL, y aVF, pero tomando en

cuenta que el electrocardigrafo no tiene un buen funcionamiento si no se conectan

todas las derivaciones antes mencionadas, se agrego a la red, las seis precordiales; no

obstante, esto no indica que las seales precordiales generadas por el simulador sean las

correctas al momento de compararlas con las seales reales, pero si se pueden emplear

como un patrn de referencia para la calibracin de los equipos de ECG.

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La red de extremidades se implement utilizando solo resistencias, haciendo

alusin a la resistencia que presenta el cuerpo humano vista desde 2 puntos diferentes.

La red diseada se presenta en la Figura N 4.11.

Figura N 4.11. Red de Extremidades.

A la salida de cada extremidad va conectado los terminales del

electrocardigrafo o el monitor ECG segn sea el caso.

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Es preciso mencionar que la seal de entrada a la red de extremidades no debe

ser mayor a 2mV para que se pueda observar correctamente en los equipos adquiridores.

Para concluir con la etapa de acondicionamiento, a continuacin se muestra en la

Figura N 4.12, el circuito de acondicionamiento general.

Figura N 4.12. Circuito General de acondicionamiento.

4.4 DISEO DE CIRCUITO IMPRESO Y FABRICACIN DE TARJETA

Una vez que se ha simulado el circuito de acondicionamiento de la Figura N

4.12 en el software PROTEUS Sp V7.6, se procedi a realizar el diseo del circuito

impreso utilizando la herramienta ARES de este mismo software.

Para realizar el circuito impreso, fue necesario trabajar un poco el diseo de la

Figura N 4.12, por ejemplo, se tuvo que agregar un regulador de voltaje 7805 con un

diodo, para poder obtener 5 voltios que van a alimentar el microcontrolador y a la

compuerta Schmitt-trigger, se usa este regulador debido a que la alimentacin total del

circuito se hace con 2 bateras de 9V. cada una las cuales se emplean para la

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alimentacin del amplificador operacional, este amplificador soporta hasta 15V. Otros

componentes que se agregaron al circuito fueron los terminales de bloque para la

alimentacin y para conectar las extremidades, y los terminales Conn-sil para la pantalla

LCD y para el switche.

Cuando se export este circuito para el ARES, fue necesario trabajarlo,

organizando la distribucin de los componentes y las pistas estableciendo un orden

adecuado y entendible visualmente. Tambin se hicieron ajustes en cuanto a los pines de

los integrados, se colocaron un poco ms grandes que las pistas, para evitar problemas al

momento de perforar la tarjeta, para su posterior ensamblaje.

Para el ruteo de las pistas, se utilizo un tamao bastante grande T-60, debido a

que se est trabajando con seales de muy bajo voltaje, y por ende son sensibles a

cualquier perturbacin, tambin se realizo un plano de tierra para proteger el circuito

impreso en la baquelita de interferencias. En la Figura N 4.13 se observa una vista de

los componentes que integran el circuito impreso y a su vez se indican las etapas del

circuito total del generador de seales cardacas.

Figura N 4.13. Circuito PCB de Componentes del Generador de Seales Cardacas.

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En la Figura N 4.13, se observan claramente las etapas de este generador, y

tambin se observa que el amplificador operacional no est incluido en ninguno de los

recuadros, pero en realidad, este componente forma parte del filtro activo pasa baja,

etapa diferencial, y de la etapa inversora.

En la Figura 4.14 se puede apreciar el arreglo de pistas del equipo, como se dijo

anteriormente estas pistas poseen un grosor T60.

Figura N 4.14. Arreglo de Pistas.

En la Figura 4.15 se puede apreciar una vista frontal en 3D de los componentes

ya adheridos a la baquelita, esta herramienta del ARES de ISIS Proteus 7, permite

obtener diferentes vistas del circuito bastante cercanas a la realidad, lo que sirve como

un patrn o gua a la hora de ensamblar la tarjeta de circuito impreso.

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Figura N 4.15. Vista Frontal de la PCB Ensamblada.