inductive voeding en communicatie met implantaatsensor

7/17/2019 Inductive voeding en communicatie met implantaatsensor

1/34

Inductieve voeding & communicatie met implantaat sensor

Door:Romuald DufauxPromotor hogeschool:Jurre De WeerdtPromotor bedrijf:Pelgrims Patrick

PBA in de elektronica-ict

Elektronica

Eindwerk voorgedragen tot het behalen vande graad en het diploma van bachelorPBA in de

elektronica-ict.

Academiejaar 2014-2015Campus De Nayer, Jan De Nayerlaan 5, BE-2860 Sint-Katelijne-Waver

INDUCTIEVE VOEDING & COMMUNICATIE

MET IMPLANTAAT SENSOR


2/34



3/34

Woord vooraf

Deze scriptie vormt de afsluiting van mijn opleiding Elektronica-ICT optie Elektronica aan de

Thomas More Hogeschool. Graag zou ik een woord van dank richten tot allen die hebbenbijgedragen tot de realisatie van deze scriptie.

In het bijzonder bedank ik mijn begeleiders: bedrijfspromotor Patrick Pelgrims voor het

aanbieden van dit uniek onderwerp en de begeleiding hierbij en mijn schoolpromotor Jurre

De Weerdt voor de onmisbare hulp bij de ontwikkeling van zowel hardware als software als

documentatie.

Ook de docenten van de opleiding Elektronica-ICT wil ik bedanken voor het verscha"en van

alle nodige kennis en ervaring en de bereidwilligheid om te pas en te onpas te helpen bij een

vraag of probleem.

Tenslotte gaat mijn dank uit naar mijn ouders, familie en vrienden die mij al die jaren

gesteund hebben in mijn studie en in het bijzonder voor deze Bachelorproef.



4/34

Inductieve voeding & communicatie met implantaat sensor 4

Inhoudstafel

L!st met afkortingen 5

Inleiding 6

1. Probleemstelling 81.1. Draadloze voeding en communicatie 8..............................................................................................................

2. Voorstudie 102.1. Reader Reference design 10...............................................................................................................................

Fabricage van de reader module 10............................................................................................................................................

Opbouw 11....................................................................................................................................................................................

2.2. Sensor Reference design 13...............................................................................................................................

2.3. Praktische bevindingen 15..................................................................................................................................

3. De knie implantaat sensor 163.1. Hardware 16.........................................................................................................................................................

microcontroller 17.........................................................................................................................................................................

De magnetische sensoren 17.......................................................................................................................................................

De NFC transponder 21................................................................................................................................................................

3.1. De antenne 21......................................................................................................................................................

3.2. Praktische bevindingen 22..................................................................................................................................

Rendement 22...............................................................................................................................................................................

Elektromagnetisme 22..................................................................................................................................................................

Gezondheid 22..............................................................................................................................................................................

4. Communicatie 234.1. Inductie 23............................................................................................................................................................

Vermogensoverdracht 24.............................................................................................................................................................

4.2. Modulatie 26........................................................................................................................................................

Uplink 26.......................................................................................................................................................................................

Downlink 27...................................................................................................................................................................................

4.3. Code Composer Studio (CCS) 28.......................................................................................................................

Installatie 28..................................................................................................................................................................................

Project inladen 28.........................................................................................................................................................................

Programmering 29........................................................................................................................................................................

UART debuggen 30.......................................................................................................................................................................

4.4. Broncode 31.........................................................................................................................................................

5. Conclusie 32

Literatuurl!st 33


5/34


Lijst met afkortingen

ADC Analoog naar Digitaal Converter

AMR Anisotropic Magnetoresistance

BOM Bill Of Materials

Emsys Embedded Systems Group van de Thomas More Hogeschool

FRAM Ferroelectric Random-Access Memory

I2C Inter-IC-bus (Seriele bus)

IRQ Interrupt request

MISO Master In Slave Out

MOSI Master Out Slave In

NFC Near Field Communication

PCD Proximity Coupling Device

PICC Proximity Integrated Circuit Card

RF Radio Frequency (draadloze communicatie)

RFID Radio Frequency Identification

SBW Spy Bi Wire

SMD Surface Mount Device

SPI Serial Peripheral Interface (Seriele bus)

UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter


6/34


Inleiding

Knieprotheses worden al bijna 50 jaar geplaatst bij patinten waarbij het gewrichts-

kraakbeen zwaar beschadigd of weggesleten is. Dit kan als gevolg van artrose, eenreumatische aandoening of een aangeboren afwijking. De meeste knieprothesen gaan meer

dan 15 jaar mee (Totale knieprothese, 2012). Deze periode gaat echter altijd gepaard met

een regelmatige controle door een dokter, kinesist of fysiotherapeut. Deze waakt over een

spoedig en e"ectief revalidatieproces en een permanente doeltre"endheid. De

fysiotherapeut baseert het revalidatieprogramma op gewaarwordingen van de patint en op

uitwendige waarnemingen. Een meer objective diagnose bestaat erin om nauwkeurige

gegevens te verkrijgen in de vorm van meetbare waarden en grafieken. Hiertoe werd het

concept bedacht van een in het kunstgewricht implanteerbare sensor die deze gegevens

kan verscha"en.

Dit project bouwt verder op een voorgaande thesis bestaande uit een knie-implantaat met

zes magnetische sensoren dat te plaatsen is aan de onderkant van een knieprothese met

een permanente magneet in het bovenbeen:

De zes sensoren, die twee aan twee gerangschikt worden volgens x- en y-as en die op

strategische plaatsen op het implantaat geplaatst zijn, kunnen de beweging van het

bovenbeen ten opzichte van het onderbeen detecteren door de veranderingen in hetmagnetisch veld van de magneet in het bovenbeen op te meten. De computer leest

vervolgens draadloos de gegevens in die deze sensoren meten.

Het huidige systeem maakt gebruik van een bedrade voeding en een RF-systeem om de

data naar een computer door te sturen. In biomedische toepassingen is het echter af te

raden om percutane bedrading (bedrading door de huid heen) te gebruiken. Ook het

gebruik van een batterij is moeilijk voor systemen die langdurig moeten kunnen actief zijn.

Bovendien kan het gebruik van batterijen gevaarlijk zijn in een biomedische toepassing.

Schets van

knieprothese met

permanente magneet in

het bovenbeen en

implantaat in het

onderbeen.


7/34


Het doel van dit project is om een systeem te demonstreren dat draadloos kan

communiceren met de buitenwereld en dat gevoed kan worden door middel

van inductieve koppeling. Het systeem kan dan permanent in het been achter

blijven zonder dat het ooit onderhoud nodig heeft of vervangen zou moetenworden. Als de data van de sensor ingelezen moet worden kan de patint

een speciale brace rond het been plaatsen. Deze brace bevat een

gentegreerde antenne, batterij en microcontroller die de gegevens naar een

USB-geheugenstick kan wegschrijven of zelf doorsturen naar een computer.

Op die manier kan men op lange termijn (uren, dagen) biomedische informatie

verzamelen en kunnen dokters en/of fysiotherapeuten de nodige

informatie in real time evalueren en de houding van de patient

bijsturen indien nodig.

Voorgaande iteraties van knie

implantaat sensor, ware grootte


8/34


1. PROBLEEMSTELLING

In opdracht van de Emsys onderzoeksgroep van de Thomas More hogeschool met als

onderzoeks-coordinator Patrick Pelgrims en in samenwerking met de onderzoeksgroep

ESAT MICAS @ KULeuven werd de vraag geformuleerd of een implanteerbare sensor voor

een knieprothese volledig draadloos kan gemaakt worden.

Het systeem moet de data kunnen overbrengen van 6 magnetische sensoren van elk 16 bit

aan een samplerate van 200 Hz. Dit komt overeen met een datarate van 19,2 kbps. Het

moet voldoen aan de specifieke vormvereisten van de knieprothese en moet volledig

onderhoudsvrij zijn zodat het gedurende meerdere jaren in het lichaam kan blijven en zijn

functionaliteit behoudt.

De 6 magnetische sensoren moeten twee aan twee gerangschikt zijn volgens een x- en een

y-as en moeten op vooraf bepaalde locaties geplaatst worden (zie oranje kruisjes op

afbeelding hierboven). Op deze manier kan het magnetisch veld opgemeten worden van de

permanente magneet die zich in het bovenbeen bevindt.

Hiertoe moet gezocht worden naar de juiste technologie om het systeem draadloos te

voeden, de metingen uit te voeren en de gegevens draadloos naar de buitenwereld te

sturen.

1.1. Draadloze voeding en communicatie

De belangrijkste uitdaging bestaat erin de juiste technologie voor voeding en communicatie

te kiezen. Er zijn verschillende systemen die gebruik maken van inductieve koppeling om

een toestel draadloos te voeden. Sommigen gebruiken een propritair systeem zoals

67 mm

39mm

Vormvereiste van de

implantaat sensor,

ware grootte


9/34


bijvoorbeeld draadloos oplaadbare tandenborstels. Andere toestellen maken gebruik van

een gestandaardiseerd systeem zoals de Qi-standaard en de NFC-standaard.

De Qi-standaard werd ontwikkeld door het Wireless Power Consortium en werkt op

frequenties tussen 100 en 300 kHz. Het wordt voornamelijk gebruikt om draagbare

toestellen zoals smartphones te herladen. De standaard laat een kleine hoeveelheid

dataverkeer (2 kbps) toe om de laadprocedure te kunnen cordineren.

Near Field Communication (NFC) is een andere standaard met vele varianten. Een Radio

Frequency Identification (RFID) implantaat is een voorbeeld van een NFC chip die gebruikt

wordt om draadloos een object te kunnen identificeren. De meeste varianten maken gebruik

van een 13,56 MHz draaggolf om draadloos een kleine

microcontroller te voeden alsook gegevens zoals bijvoorbeeld

het volgnummer van een RFID-tag door te geven. Deze

standaard is dus meer gericht op het versturen van data dan

het voeden van het systeem. Datarates van 100 kbps tot

enkele mbps zijn mogelijk terwijl vermogens van enkele

tientallen milliwatt overgebracht kunnen worden.

Aangezien 100 kbps voldoende is voor de 19,2 kbps datarate

die vereist is om alle gegevens tijdig te kunnen overbrengen

lijkt NFC een ideale keuze. De gelimiteerde beschikbaarheid

van de voedingsspanning moet echter wel in het achterhoofd

gehouden worden.

Er zijn verschillende NFC-chips en ontwikkelplatformen beschikbaar van bedrijven zoals

onder andere Texas Instruments en NXP. Dit project werd gebaseerd op enkele reference

designs van Texas Instruments.

RFID implantaat draadloos herlaadbare

tandenborstel

draadloze Qi lader

voorbeeld reference design van

TexasInstruments (TIDA-00217)


10/34


2. VOORSTUDIE

2.1. Reader Reference design

Om een NFC-chip te kunnen inlezen is een reader vereist. Deze reader zal een

elektromagnetisch veld opwekken dat de implantaat sensor van stroom kan voorzien en kan

gebruikt worden om te communiceren tussen de reader en de implantaat sensor.

Fabricage van de reader moduleDe reference design bestanden kunnen gratis gedownload worden van de website van

Texas Instruments en bestaan uit schema's, de Bill Of Materials (BOM) en Gerber-files.1

Om hiervan een printplaat te maken moet men de Gerber files naar een printed circuit board

(PCB) fabricagebedrijf naar keuze sturen. Het fabricagebedrijf kan de print meestal in n

twee weken maken en opsturen. Na de fabricage van de printplaat moeten de componentenmet behulp van de BOM en de schemas op de juiste plaats gesoldeerd worden. Aangezien

er zowel componenten aan de onder- en bovenkant moeten komen werd geopteerd om alle

componenten met de hand te solderen. Bij het testen van de print bleek dat er een fout zat

in de gerber-files waardoor de baan van het IRQ-signaal aan de onderkant van de print

kortgesloten werd met het GND-signaal. Om dit te corrigeren volstond het om het baantje

met behulp van een breekmes door te snijden:

http://www.ti.com/tool/TIDM-NFC-EZ430-MODULE1

eZ430-TRF7970A UART Module

Reference design voor NFC

reader van TexasInstruments,

ware grootte
http://www.ti.com/tool/TIDM-NFC-EZ430-MODULE


11/34


OpbouwDe reader-print bevat alle componenten die nodig zijn om een NFC-tag te voorzien van

stroom en om deze in te lezen. Dit zijn de belangrijkste componenten:

$ een gentegreerde spoel-antenne met 4 wikkelingen aan de rechterzijde van de print;

$ een U.FL-coax connector voor een externe antenne;

$ debug pinnen en 2 debug LEDs;

$ een MSP430G2553 microcontroller om de NFC-chip aan te sturen;

$ een TRF7970a chip voor de NFC-communicatie;

$ een SBW programmeer- en debug-interface voor het programmeren van de

microcontroller.

De debug pinnen maken het mogelijk om de

SPI-communicatie tussen de micro-controller

en de NFC-chip te controleren met behulp van

bijvoorbeeld een logic analyzer. De rode en

groene LED kunnen gebruikt worden bij het

debuggen van het programma of om aan te

geven of de module een NFC-chip in de buurt

heeft gedetecteerd. Bovendien zijn er twee

gaten voorzien voor het solderen van header-

pinnen zodat de LEDs als input/output

gebruikt kunnen worden.

De MSP430G2553 microcontroller van Texas Instru-

ments kan men zowel programmeren als debuggen via

de Spy Bi Wire (SBW) interface (zie hoofdstuk Code

Composer Studio). De buitenste pinnen (TXD en RXD)

dienen voor UART communicatie, maar kunnen ook

gebruikt worden om een tweede SPI-connectie aan te

maken. In dat geval wordt de TXD-pin het MOSI signaal,

de RXD-pin wordt MISO, de rode LED-pin wordt CLK en

de groene LED-pin wordt SS.

GND

GND LED GRN

LED RED

SS MOSI VCC

IRQ MISO CLK

SPI

RXD

VCC

SBWTC

KSBWT

DIOGN

D

TXD

SBW programmeer- en debug-pinnen

aan de linkerzijde van de printplaat

SPI debug-pinnen onderaan links

op de printplaat


12/34


Tussen de TRF7970a chip en de antenne bevindt zich een

RLC-matching netwerk dat bestaat uit weerstanden,

condensatoren en spoelen. Dit matching netwerk is

afgestemd op de antenne (in dit geval de gentegreerde

antenne). Indien men een externe antenne wil gebruiken

moet men een deel van dit netwerk uitschakelen door twee

condensatoren te desolderen (zie afbeelding rode cirkel) en

een externe antenne (met aangepast matching netwerk) aan

te sluiten via de U.FL connector (rode pijl).

De TRF7970a wekt het elektromagnetisch veld op

voor de NFC-voeding en -communicatie. Deze chip

werkt met een voedingsspanning van 3V3 of 5V. Bij

3V3 kan de chip een veld opwekken van 50 mW

(17%dBm) terwijl het bij een voedingsspanning van 5V

200 mW (23 dBm) kan opwekken. De MSP430G2553

microcontroller werkt echter enkel op een voedings-

spanning van 3V3, maar de TRF7970a is hierop

voorzien en kan werken met twee verschillende

voedingsspanningen: 5V voor de RF-communicatie

en 3,3V voor de serile communicatie. Het reference

design is hier echter niet op voorzien, maar met behulp van een breekmes kan men de baan

die de connectie tussen de twee voedingsspanningen maakt doorsnijden (rode pijl) en deTRF7970a apart voeden met 5V via de VCC-debug pin.

Omwille van de vele kleine foutjes en inconsistenties lijkt het mij best om deze print opnieuw

te tekenen in een softwarepakket zoals Altium en om te zorgen voor een dubbele

voedingsspanning van 3V3 en 5V. Maar omdat de focus ligt op het demonstreren van een

werkend systeem werd geopteerd om deze print te behouden.

SPI debuggen door

middel van logic

analyzer en MSP

debug interface


13/34


2.2. Sensor Reference design

Om de NFC configuratie te testen alvorens de eigenlijke implantaat sensor te ontwikkelen

werd opnieuw beroep gedaan op een Texas Instruments reference design (TIDA-00217).

Ook hier zij de reference design bestanden beschikbaar op de website van TexasInstruments .2

De belangrijkste componenten op deze print zijn:

$ een gentegreerde spoel-antenne met 6 wikkelingen (3 boven en 3 onderaan);

$een RF430CL330H chip voor NFC communicatie en spanningsopwekking;

$ een Ultra Low Power MSP430FR5969 microcontroller;

$ 8 debug pinnen en 2 debug LEDs;

$ een SBW programmeer- en debug-interface voor het programmeren van de

microcontroller.

De RF430CL330H NFC-interface is rechtsreeks verbonden aan de antenne. Door middel

van twee schottkydiodes zorgt deze chip ervoor dat een (relatief) grote condensator van

100% microfarad wordt opgeladen door het magnetisch veld. De spanning die over deze

condensator komt te staan wordt rechtstreeks gebruikt om de microcontroller (en eventueel

andere componenten) te voeden. De NFC-chip zorgt er ook voor dat de spanning over de

condensator nooit groter wordt als 3V3 (ook al wordt de spanning over de antenne meestal

groter).

De RF430CL330H wordt aangestuurd door de Ultra Low Power MSP430FR5969. Deze chip

werd door Texas Instruments speciaal gekozen omwille van zijn zeer laag energieverbruik.

Dit laag energieverbruik (0,4 microampre in standby) wordt mede gehaald door het

gebruik van Ferroelectric-RAM geheugen.

http://www.ti.com/tool/TIDA-002172
http://www.ti.com/tool/TIDA-00217


14/34


Naast de twee LEDs en de debug-pinnen is er ook nog een zeer kleine TMP103

temperatuursensor van Texas Instruments aanwezig op het bord. Deze sensor (0,75 x 0,75

mm groot!) heeft onderaan vier Ball Grid Array (BGA) pinnen: twee voor de voeding en twee

voor het uitlezen van de sensor over I2C.

Om de werking van het reader- en het sensor-bord te testen werd een programma voor hetreader bord geschreven en ingeladen. Ook de samplecode (msp430fr5969 with TMP103)

voor het sensor bord werd ingeladen. Het resultaat is dat de sensor een temperatuurmeting

doet met de TMP130-chip. Wanneer de reader de sensor uitleest krijgt het de tekst

Temperature: XXC toegestuurd. De reader stuurt deze tekst dan via de UART-interface

door naar de Code Composer Studio (CCS) ontwikkelomgeving.

Het design van de sensor is eenvoudiger te solderen (omdat de meeste componenten aan

de bovenzijde stonden) en is ook beter geconcipieerd als het reference design van de

reader. Er ontbreekt echter wel een I2C uitgang om de performantie van de magnetische

sensoren en ADCs (zie volgend hoofstuk) uit te testen.

UART console in

Code Composer

Studio

draadloze

temperatuurmeting

met TMP130


15/34


2.3. Praktische bevindingen

Met de combinatie van de reference designs van de reader en de sensor kan men een goed

beeld vormen van hoe het uiteindelijk product zal presteren: met een veldsterkte van 50 mW

en een afstand van ongeveer 1 centimeter kan men naast het (zeer lage) verbruik van deRF430CL330H en de MSP430FR5969 een stroom van ongeveer 5 milliampre met een

spanning van ongeveer 3 volt induceren. Dit komt overeen met een vermogen van ongeveer

15 mW (3 V x 5 mA = 15 mW). Dat wel zeggen dat ongeveer 30% van de opgewekte energie

van de reader beschikbaar is voor de randcomponenten van de sensor.

De beschikbare energie kan nog eens verviervoudigd worden door een modificatie van de

reader met een breekmes of het ontwikkelen van een nieuwe reader printplaat.


16/34


3. DE KNIE IMPLANTAAT SENSOR

Er is nu genoeg informatie gekend in verband met de performantie van het beoogde NFCsysteem om de eigenlijke knie implantaat sensor te maken.

3.1. Hardware

De knie implantaat sensor bestaat uit een printplaat waar alle componenten op de

bovenkant gesoldeerd zijn. De print bevat vier lagen om al de verbindingen tussen de

componenten op compacte wijze te maken en werd getekend in het Altium softwarepakket.

De hoofdcomponenten zijn: de microcontroller, de magnetische sensoren met bijhorende

ADCs, de NFC-chip met bijhorende spoel antenne en een 6-pin interface om de

microcontroller te programmeren en te debuggen.

Programming &

Debug interface

NFC-chip &I2C / SPI jumpers

Microcontroller

3x Magnetische sensoren

met bijhorende ADCs

67 mm

39mm

Spoel antenne

Printplaat van de

knie implantaat

sensor

De Vier lagen

van de knie

implantaat

sensor in

ware grootte


17/34


microcontroller

Al de componenten op de print worden aangestuurd door een ultra low power

MSP430FR5969 microcontroller van Texas Instruments.

Deze chip heeft 40 input/outputs waarvan er 16 worden gebruikt. Om zo weinig mogelijk

stroom te verbruiken maakt deze chip gebruik van 64 KB Ferroelectric RAM (FRAM). Dit is

dezelfde microcontroller als deze van het sensor reference design. Dit werd zo gekozen

omdat de code op die manier rechtstreeks kan overgenomen worden van de test code maar

een andere microcontroller met minder pinnen en misschien een lager stroomverbruik zou

ook gebruikt kunnen worden.

De MSP430FR5969 bevat ook een 12 bit ADC en een interne temperatuursensor. Als de

opwarming als gevolg van het elektromagnetisch veld en de microcontroller verwaarloosd

worden (enkele milliampres zullen quasi geen temperatuurverschil creren) kan men de

lichaamstemperatuur en de eventuele opwarming van het gewricht opmeten en doorsturen

via NFC. Aangezien temperatuurschommelingen traag gebeuren hoeft deze meting niet aan

200 Hz gebeuren, maar kan dit bijvoorbeeld aan een frequentie van 1 Hz gebeuren.

Links boven op de printplaat is er een 6-pin Spy Bi Wire (SBW) debug interface die het

mogelijk maakt om de microcontroller te programmeren. Dit is dezelfde debug interface als

beide reference designs. Met de twee middelste pinnen (SBWTCK en SBWTDIO) kan men

de microcontroller programmeren en debuggen, de tweede en de vijfde pin dienen voor de

voeding (GND en 3.3V), en de twee buitenste pinnen (TXD en RXD) kan men gebruiken om

te communiceren met de microcontroller via UART.

De magnetische sensorenBij de keuze van de magnetische sensoren zijn verschillende factoren belangrijk: de

nauwkeurigheid, het stroomverbruik en de samplerate. Een van de doelstellingen is dat een

samplerate van ongeveer 200 samples per seconde gehaald moet worden. Een hogere

samplerate houdt echter ook meestal een hogere energieverbruik in. Aangezien de voedingbeperkt is moet er een gulden middenweg gezocht worden tussen samplerate en

MSP430FR5969microcontroller van

Texas Instruments

3.3V

SBWTCKSBWTDIO

RXD

GND

TXD

6-pin SBW

interface voor het

programmeren en

debuggen.


18/34


energieverbruik. Om een goede nauwkeurigheid te garanderen moet men een magnetisch

veld opwekken dat voldoende groot is om te voorkomen dat het magnetisch veld van de

Aarde of andere storingsvelden de metingen zou benvloeden. Het magnetisch veld van de

Aarde ligt op de meeste plaatsen tussen de 25 en 65 microTesla. Het is dus best om te

werken met een grootte-orde van miliTeslas (mT), ongeveer 100x groter dan het veld van de

Aarde. Enkele mogelijke sensoren zijn HMC1512 en HMC5883 van Honeywell en LIS3MDL

van STMicroelectronics.

Het stroomverbruik van deze sensoren hangt af van de instellingen, maar ligt meestal rondde 2%mA per chip. Er werd gekozen voor de HMC1512 van Honeywell omdat het sterke

magnetische velden kan opmeten en omdat het de waarden in de vereiste x- en y-as kan

opmeten (2 ipv. 3% assen tegelijkertijd). Deze sensor werd ook al gebruikt in een vorige

iteratie van dit project. De HMC1512 vereist echter een externe analoog-digitaal converter

(ADC).

Het magnetisch veld wordt dus opgemeten door 3 keer een HMC1512 Anisotropic

Magnetoresistance (AMR) sensor van Honeywell. Deze sensor topologie maakt gebruik van

het magnetoweerstand fenomeen waarbij de weerstand van bepaalde metalen veranderd

naar gelang de richting van het inwerkend magnetisch veld. Dit is in contrast met de vaker

gebruikte hall-e"ect sensoren waarbij een magnetisch veld een klein spanningsverschil

opwekt over een geleider. Om te voorkomen dat het magnetisch veld van de Aarde de

sensormetingen benvloed is een krachtige permanente magneet nodig. Het voordeel van

AMR sensoren is dat het grotere ranges (rond 8 miliTesla ) met een grotere resolutie kan3

meten als een hall-e"ect sensor. Deze veldsterkte komt overeen met de veldsterkte van een

neodymium magneet van ongeveer 5x5x5 mm op een paar centimeter afstand, dit is

ongeveer 150 maal groter als de veldsterkte van de Aarde .4

Meetbare veldsterkte Resolutie Opmerkingen

HMC1512 werkgebied rond 8 mT afhankelijk van ADC 2 assen, externe ADC vereist

HMC5883 0,8 mT 12 bit 3 assen, I2C

LIS3MDL 1,6 mT 16 bit 3 assen, I2C, SPI

Datasheet HMC1501-1512.pdf pagina 53

(http://www51.honeywell.com/aero/common/documents/myaerospacecatalog-documents/Missiles-Munitions/HMC1501-1512.pdf)

Veldsterkte Aarde: 25 tot 65 microTesla (http://en.wikipedia.org/wiki/Earth's_magnetic_field)4

HMC1512

ADS1115
http://en.wikipedia.org/wiki/Earth's_magnetic_fieldhttp://www51.honeywell.com/aero/common/documents/myaerospacecatalog-documents/Missiles-Munitions/HMC1501-1512.pdf


19/34


De HMC1512 bestaat uit een dubbele wheatstone brug en vereist dus een di"erentile ADC.

Er werd gekozen voor de ADS1115 van Texas Instruments. Deze dubbele di"erentile ADC

kan 16 bit waarden opmeten over verschillende spanningsgebieden en aan sample-

frequenties tot 860 Hz en dit aan een zeer laag energieverbruik van minder dan 300

microampre per chip. De sensor wordt ingelezen via een I2C bus en er kunnen tot

maximaal 4 ADS1115 sensoren op 1 I2C bus geplaatst worden.

De twee Wheatstone bruggen in de HMC1512 bestaan uit variabele weerstanden van

2100%&. Dat wil zeggen dat er een stroom vloeit tussen 3V3 en GND van 3.3V/2100&=

1,57 mA per brug. Omdat dit redelijk veel is werd er gezocht naar manieren om dit

stroomverbruik te verminderen. Door de voeding van de brug tussen twee weerstanden van

1 k&te plaatsen wordt de stroom ongeveer gehalveerd (3,3V/(2100+2x1000)&= 0,80 mA).

Het nadeel is dat hierdoor de di"erentieelspanning tussen A+ en A- halveert en dat er

daarom meer ruis kan optreden bij de meting van de ADC. De 1k weerstanden zijn SMD

componenten die op de print gesoldeerd worden en kunnen dus gemakkelijk verwisseld

worden met een lagere of hogere weerstand om het stroomverbruik te regelen of de ruis te

verminderen. De ADS1115, die de spanning tussen A+ en A- opmeet heeft ongeveer 1milliseconde nodig om een sample te meten terwijl deze om de 5 ms een sample neemt. De

overige 4 milliseconden hoeft de Wheatstone brug dus niet onder spanning te blijven staan.

Daarom wordt de positieve voeding van de brug aan een output pin van de microcontroller

geplaatst. Het schema ziet er dan zo uit:

Aangezien de ADS1115 maar n di"erentile input per sample kan nemen (door het

gebruik van een interne multiplex of mux) worden de Wheatstone bruggen gegroepeerd alsbruggen A en B. Op die manier kan men eerst de A bruggen activeren door pin P3.0 hoog te

R+!R

R+!R

R-!R

R-!R

A+ A-

3V3

A+ A- B+ B-

HMC1512

ADS1115

ADC

MUX

I2C

Interface

A+ A- B+ B-

HMC1512

ADS1115

ADC

MUX

I2C

Interface

A+ A- B+ B-

HMC1512

ADS1115

ADC

MUX

I2C

Interface

CLK

SDA

Microcontroller

P3.0

P3.1

I2C

Wheatstone brug

met differentile

uitgangen A+ en A-


20/34


zetten, vervolgens de A-bruggen op te meten met elke bijhorende ADS1115, daarna de B-

bruggen te activeren door P3.0 laag te zetten en P3.1 hoog te zetten en ten slotte de B-

bruggen op te meten met de bijhorende ADS1115 converters.

De drie ADS1115 converters zitten op dezelfde I2C bus waardoor ze dus elk een

verschillend adres moeten hebben om te voorkomen dat data tegelijkertijd op de busgeplaatst wordt. De instelling van het adres gebeurt door de ADDR-pin zoals aangegeven in

onderstaande tabel:

De ADDR-pin van de drie ADS1115 converters moeten dus respectievelijk verbonden

worden met GND, met VDD en met SDA. Dit impliceert dat de drie ADC-converters niet

exact tegelijkertijd kunnen samplen aangezien elke ADS1115 apart met zijn adres moet

aangesproken worden. Om het verschil in tijd te minimaliseren

Naast het veld van de permanente magneet is er ook het wisselveld van de NFC-antenne

dat stoorsignalen zou kunnen veroorzaken. De NFC-antenne werkt op een carrierfrequentie

van 13.56%MHz en de amplitude wordt gemoduleerd met een frequentie van 105.94 kHz. In

onderstaande frequentieresponsgrafiek van de ADS1115 kan men zien dat voor frequenties

hoger dan 10%kHz de amplitude bijna met 80 dB onderdrukt wordt. Dat wil zeggen dat een

stoorsignaal van meer dan 10%kHz bijna 10 000 keer (10(80/20)= 10 000) verzwakt wordt.

De Least Significant Bit (LSB) van een 16 bit sample is 65 %535 keer kleiner (216 -1) dan de

full-scale waarde. Dat wil zeggen dat als de NFC antenne een even groot wisselveld opwekt

als het veld van de permanente magneet, de ADC maximaal 7 LSBs storing (65 535 / 10

000 = 6.55 LSB) zou kunnen opmeten die afkomstig is van het NFC veld. In werkelijkheid is

het veld van de NFC antenne zon 1000x kleiner als het veld van de permanente magneet.

De aanwezigheid van het NFC wisselveld zal dus weinig tot geen invloed hebben op de

metingen van het veld.

I2C ADDR-pin Adres

Verbonden met GND 1001000

Verbonden met VDD 1001001

Verbonden met SDA 1001010

Verbonden met SCL 1001011

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Gain(dB)

1 10 100 1k 10k

Input Frequency (Hz)

Data Rate = 8SPS

FREQUENCY RESPONSE

IS1

S1

CA1

CB

CA2

S2

S20.7V

0.7VAINN

AINP

Werking van deADS1115.

Links

De interne structuur vande ADC converter.

Rechts

De frequentierespons.


21/34


De NFC transponder

De NFC transponder is dezelfde als het sensor reference design, namelijk: RF430CL330H.

Deze chip kan aangestuurd worden door SPI of I2C. De print werd voorzien van soldeer-

pads die het mogelijk maken om te kiezen tussen het communiceren met SPI of I2C tussen

de microcontroller en de NFC-chip. Door twee SMD jumpers (0 &weerstanden) horizontaal

te solderen wordt de connectie met I2C gemaakt, twee verticale jumpers maken de SPI-

verbinding:

Op die manier kan men de broncode aanpassen zodat de magnetische sensoren via I2C

aangestuurd worden en de communicatie met de NFC-transponder via SPI gebeurt.

3.1. De antenne

De antenne van de reader kan menmaken door drie windingen met een

gewone koperdraad te maken. Om de

performantie te verhogen kan men nog

de inductiviteit van de spoel meten en

een correct matching netwerk tussen de

antenne en de reader plaatsen.

RF430CL330H NFC-

transponder van Texas

Instruments

I2C of SPI selectie

door middel van 0"

SMD weerstanden

Reader met

koperdraad spoel en

implantaat sensor


22/34


3.2. Praktische bevindingen

RendementDe beschikbare stroom voor de sensor hangt af van de afstand tot de spoel van de reader.

Maar het stroomverbruik is ook hoger bij een hogere samplerate. Als er te veel stroom wordtgetrokken dan zal de spanning dalen. Als de spanning onder de minimumspanning van 2V

komt valt de microcontroller uit. Om dit te voorkomen zijn er volgende opties:

$ de samplerate verlagen;

$ aantal windingen van reader verminderen om de genduceerde spanning te verhogen;

$ een NFC reader gebruiken met een hoger uitgangsvermogen.

ElektromagnetismeHet is belangrijk dat er in de knieprothese zo weinig mogelijk ferromagnetisch metaal zit. Inhet metaal kan namelijk een inductiestroom worden opgewekt waardoor het

elektromagnetisch veld verstoord of tegengehouden kan worden met als gevolg dat er

minder stroom zal opgewekt worden in de implantaat sensor.

Hiertoe werd de hoeveelheid koper op de print tot een minimum gehouden

door gebruik te maken van grondvlakken met een hatched pattern (zie

afbeelding).

Ook het veld van de permanente magneet moet onverstoord blijven. Daarom wordt hetbovenste deel van de prothese gemaakt in Zirkonium in plaats van het vaak gebruikte

Titanium. Zirkonium is namelijk een metaal dat elektromagnetische golven zeer goed

doorlaat (Khan & Rehman 2014).

GezondheidTheoretische en experimentele studies geven aan dat een in de tijd gelimiteerde

blootstelling aan 4 Tesla (enkele duizenden malen groter als het magnetisch veld van de

reader) door middel van een magnetic resonance imaging (MRI) scan niet schadelijk is

gebleken voor de miljoenen patinten die deze MRIs ondergaan hebben (Schenck, 1992).

Bovendien is de implantaat sensor volledig opgebouwd uit passieve componenten en zal bijhet wegnemen van de reader elke mogelijke elektronische activiteit stilgelegd worden.

Langdurige blootstelling aan het elektromagnetisch veld van de reader zou echter wel

gezondheidsrisicos kunnen inhouden waarvoor verder onderzoek in verband met deze

risicos is aangeraden.

Hatched pattern


23/34


4. COMMUNICATIE

4.1. Inductie

NFC is een verzamelnaam voor verschillende korte afstandsprotocollen die gebruik maken

van een draaggolf van 13,56 MHz. Een NFC setup bestaat altijd uit een Proximity Coupling

Device (PCD) dat een draaggolf genereert en n (of meerdere) Proximity Integrated

Circuit Cards (PICC) die het gegenereerde veld gebruiken als voeding en als draaggolf om

data op te modelleren. De energie wordt overgebracht door middel van spoelwikkelingen:

De draaggolf wordt naast energie transportmedium ook gebruikt als datatransport medium.

Door gebruik te maken van verschillende modulatietechnieken kan in beide richtingen

gecommuniceerd worden tussen PCD en PICC.

Voor de datalaag wordt meestal gebruik gemaakt van het NFC Data Exchange

Format (NDEF). Dit formaat bepaalt hoe pakketten en commandos worden verstuurd van

PCD tot PICC of omgekeerd. Voor de fysieke laag van NFC zijn verschillende standaarden

ontwikkeld waaronder ISO14443 Type A en B en ISO15693. Deze standaarden bepalen hoe

de data gemoduleerd wordt op de draaggolf.

ISO14443 Type A is de oudste en meestgebruikte standaard. Vele smartphones zijn voorzien

van een NFC-lezer die dit formaat kan inlezen. Voor dit project werd echter gekozen voor de

ISO14443 Type B standaard en het NDEF protocol. Enkele voordelen van deze standaard

ten opzichte van andere standaarden zijn:

$ Datarates tot 847 KHz mogelijk

$ Ongepatenteerde Non-Return-to-Zero (NRZ) code modulatie

$ Amplitude Shift Keying (ASK) van 10%

De hogere datarate is ruimschoots genoeg voor 19,2 kbit/s die nodig is voor deze

toepassing. In tegenstelling tot andere ISO protocollen die On-O" Keying (OOK) of

Amplitude Shift Keying (ASK) van 100% als modulatietechniek gebruiken is er bij een ASK

modulatie van 10% altijd een veld aanwezig. Dit heeft als voordeel dat er meervermogensoverdracht mogelijk is van PCD naar PICC en dat de PICC beter kan

PICC 1

PCD

PICC 2

Energie wordt

overgebracht van PCD

naar PICC d.m.v. spoelen.


24/34


communiceren met de PCD zonder de synchronisatie met de PCD te verliezen. De werking

van een ASK modulatie wordt in het volgende hoofdstuk over de modulatie verder uitgelicht.

VermogensoverdrachtOm de energie van de PCD naar de PICC over te brengen wordt meestal gebruik gemaakt

van PCB spoelen. Dit zijn spoelen die rechtstreeks op de printplaat (PCB) worden getst. Dit

is gebruikelijk omdat het makkelijker te vervaardigen is als gewikkelde spoelen en omdat het

plaatsbesparend is.

Als de spoelen van de PCD en de PICC op elkaar worden geplaatst, dan gaan deze spoelen

zich gedragen zoals de spoelen van een transformator. Bij een transformator worden er 2

wikkelingen rond een ferromagnetisch metaal gewonden. Dit heeft als gevolg dat een

aangelegde wisselspanning op de ene wikkeling een wisselspanning op de andere wikkeling

zal induceren. De verhouding van het aantal wikkelingen bepaalt de amplitude van de

genduceerde spanning volgens de volgende formule:

Waarbij nhet aantal wikkelingen en Ude genduceerde spanning is. De subscript p duidt

de primaire winding aan (de wikkeling waar een spanning aangelegd wordt) en de subscript

s de secundaire winding (de wikkeling waar een spanning genduceerd wordt). Als me dus

het aantal windingen aan de secundaire kant verhoogt zal de genduceerde spanning ook

hoger zijn.

Het verschil tussen een transformator en een NFC-systeem is dat het ferromagnetischmetaal hier niet aanwezig is en vervangen wordt door lucht. Dit heeft als gevolg dat de

spanningsoverdracht minder e'cint gebeurt en dat de e'cintie daalt in functie van de

afstand tussen beide spoelen. Aangezien de PICC een minimumspanning nodig heeft om te

kunnen functioneren kan er geopteerd worden om het aantal secundaire windingen groter te

nemen als het aantal primaire.

Als voorbeeld nemen we twee windingen met een e'cintie van 70%, primaire- en

secundaire wikkelingen van respectievelijk 4 en 6 windingen en primaire wisselspanning van

5V:

De genduceerde spanning zal dan nog altijd 5,25V bedragen.

Ondanks het feit dat de genduceerde spanning geregeld kan worden zal het genduceerd

vermogen altijd verlieslatend zijn. Het is dus van groot belang om het verbruik van de PICC

zo laag mogelijk te houden.


25/34


26/34


4.2. Modulatie

Communicatie tussen PCD en PICC gebeurt in twee richtingen. Dat wil zeggen dat er in

beide richtingen data wordt gemoduleerd op een zelfde draaggolf van 13,56 MHz. Om te

vermijden dat beide kanten elkaars data verstoren worden twee verschillendemodulatietechnieken gebruikt en wordt er door de ISO standaard afgesproken welke data

wanneer mag verstuurd worden. De ISO standaard specificeert een datarate van 106 Kbit/s

voor de communicatie in beide richtingen. Dit komt overeen met 128 periodes van de carrier

per bit. Het is ook mogelijk om de datarate te verhogen door het aantal periodes te

verminderen.

UplinkCommunicatie van de PCD naar de PICC gebeurt door Amplitude Shift Keying (ASK) van

10%. Dat wil zeggen dat bij het zenden van een logische 0 de amplitude van de draaggolf

met 10% verminderd wordt. Bij een logische 1 blijft de draaggolf op 100% van denominale intensiteit. Om betrouwbare dataoverdracht te garanderen wordt elke bit (logische

0 of 1) gedurende 128 periodes van de draaggolf uitgezonden. Het resultaat van de

draaggolf ziet er dan bijvoorbeeld zo uit (voor de eenvoud werden de 128 periodes ingekort

tot 8):

De PICC zal deze amplitudeverschillen opvangen en de logische data eruit halen. Dit kan

bijvoorbeeld door onderstaande schakeling:

100%

90%

1 0 1 1 0 1

0

100%

90%

0

Vref

0

1

1 0 1

0

Vin

Vg

Vout

Vin

Vref

+

-

Vout

Vg1 2 3

Boven

voorbeeldschakeling om

logische data uit het

carrier-signaal te halen

Rechts

resultaat en intermediairestappen van de

schakeling


27/34


Het signaal wordt eerst gelijk gericht (1), daarna wordt door middel van een lowpass-filter

de carrier-frequentie eruit gehaald (2) en tenslotte wordt het signaal vergeleken met een

referentiespanning Vref (3) om zo weer een digitaal signaal Vout te verkrijgen.

Als de data van de PCD naar de PICC gestuurd is blijft de amplitude van de carrier op

100% staan zodat de PICC data kan terugsturen.

DownlinkAls de PICC data wil terug sturen naar de PCD, dat moet deze gebruik maken van het

carrier veld dat de PCD heeft opgewekt. De PICC kan het veld meer of minder belasten

waardoor de PCD deze belastingfluctuaties kan detecteren. De PICC mag het veld echter

niet te zwaar belasten aangezien het op die manier zijn eigen voeding wegneemt. Daarom

gebeurt datamodulatie van de PICC naar de PCD door middel van Binaire Phase Shift

Keying (BPSK). Bij deze modulatietechiek wordt het veld belast met een bepaalde

subcarrier-frequentie en wordt de fase van deze subcarrier al dan niet 180 verdraaid naar

gelang er een logische 0 of logische 1 moet verzonden worden. De frequentie van de

subcarrier is 1/16 van de carrierfrequentie terwijl de data bitstream aan 1/128 van de

carrierfrequentie wordt uitgezonden. Dit wil zeggen dat de subcarrier 8 periodes (128/16)

doorloopt per bit. Het resultaat van de belastte draaggolf ziet er dan bijvoorbeeld zo uit:

In bovenstaand voorbeeld kan je zien hoe de carrier omgekeerd wordt (180 gedraaid) bij

een logische 0 ten opzicht van de logische 1. Door de carrier met deze subcarrier tebelasten kan de PCD deze fluctuaties detecteren en weer omzetten in een bitstream.

1 0 1 1

Su

bcarrier

Belastte

carrier

1 0 1 1


28/34


4.3. Code Composer Studio (CCS)

Code Composer Studio is een ontwikkelingsomgeving (IDE) die ontwikkeld

wordt door Texas Instruments (TI) en die gebruikt kan worden om het merendeel

van hun microcontrollers te programmeren.

InstallatieDe software kan gratis (mits registratie) gedownload worden voor windows en linux op hun

website: http://www.ti.com/tool/CCSTUDIO. Bij de ontwikkelingsomgeving hoort ook een

programmer of debugger op USB om de microcontroller te programmeren. Op windows

worden de drivers voor deze programmer samen met CCS genstalleerd. Na installatie ziet

de IDE er zo uit:

Project inladen

Om een voorbeeldproject in te laden

volstaat het om te klikken op import

project. Vervolgens kan u de folder kiezen

waar het project zich bevindt. CCS zal

automatisch alle projecten in die folder

detecteren. Vink de juiste projecten aan en

klik op finish om het project te importeren

(zie scherm afbeelding links)
http://www.ti.com/tool/CCSTUDIO


29/34


Programmering

Om een MSP-430-microcontroller te programmeren is een programmer of debugger nodig.

Voor dit project worden 2 microcontrollers (MCUs) gebruikt, een MSP430G2553 en een

MSP430FR5969. Beide kunnen geprogrammeerd worden met een MSP-FET430UIF

debugger, maar het is handiger om een launchpad (bv. een MSP-EXP430G2 launchpad, zie

foto) te gebruiken.

Door header-pins (6) te solderen op de plaats van de Spy Bi Wire (SBW) interface (zie foto

links) kan het TIDM-bordje (midden) makkelijk aangesloten worden op de Launchpad. Voor

het TIDA-bordje (rechts) is een speciale launchpad voor FRAM devices vereist (bv. MSP-

EXP430FR5969).

Een maal het target-bord aangesloten is kan de microcontroller geprogrammeerd worden

door op het compile icoontje (afbeelding links) en daarna op het debug icoontje (rechts) te

klikken:

Als het bord geprogrammeerd is kom je in de debug omgeving. Om het programma te

starten klik je op het resume icoontje (groen):

SPY BI WIRE LAUNCHPAD MET TIDM BORD TIDA BORD

LAUNCHPAD


30/34


UART debuggenDe Spy-Bi-Wire interface bevat ook TX en RX pinnen die het mogelijk maken om te

debuggen via UART. Er is echter een plugin nodig om de UART te activeren in CCS. Deze

kan genstalleerd worden door in CCS te navigeren naar het menu:

Window > Show View > Other

In het venster klikt u op Terminal en vervolgens op OK. In de debug-omgeving wordt er

dan een terminal venster toegevoegd. Klik op het connect icoontje om te concentreren op

de UART interface:

Als de connectie niet werkt kan het zijn dat de juiste COM-poort nog moet geselecteerd

worden door op het settings icoontje te klikken. Als het aangesloten bordje UART gegevens

doorstuurt zullen deze gegevens in dit scherm getoond worden. Ook kan het scherm

gebruikt worden om gegevens terug te sturen naar het bord.

Connect Settings


31/34


4.4. Broncode

Zowel de reader als de sensor bevatten een microcontroller die geprogrammeerd moet

worden. Dit is het verloop van het programma op de reader:

Van zodra de implantaat sensor spanning krijgt zal deze beginnen met de initialisatie:

Start

init timerinit pin interrupt

SPI

Sleep

Timer interrupt

Send ATTRIB

Pin interrupt

Request data

SPI interrupt

Resend data via SPI

Start

init pin interrupt

init I2C

Pin interrupt

set P3.0 highset P3.1 low

Sample ADC 1ASample ADC 2A

Sample ADC 3A

set P3.0 lowset P3.1 high

Sample ADC 1ASample ADC 2ASample ADC 3A

Write Samples to

NDEF memory

Sleep


32/34


5. CONCLUSIE

Het is mogelijk om een implanteerbare sensor met zes magnetische 16-bit sensoren vooreen knieprothese volledig draadloos te maken. Het implantaat voldoet aan de specifieke

vormvereisten en is onderhoudsvrij.

De samplerate is echter de limiterende factor voor de haalbaarheid van een voldoende grote

afstand (enkele centimeters) tussen de reader die buiten het been komt en de sensor die in

het been gemplanteerd zit. Naast de gegevens van de magnetische sensoren kan men ook

de temperatuur in de prothese meten. Om de gegevens te bewaren of te visualiseren moet

men dan een reader buiten het been plaatsen die met behulp van een winding rond de knie

de sensor van spanning voorziet en de gegevens inlaadt via het NFC protocol.

Als de aftand tussen de windingen van de reader en de implantaat sensor te groot wordt

kan men eventueel opteren om de samplerate te verlagen tot onder 200 Hz. Een andere

optie is om het aantal windingen van de spoel van de reader te verminderen.

Om het systeem verder te optimaliseren kan men een nieuwe print voor de reader module

maken. Op deze manier kan er een groter elektromagnetisch veld opgewekt worden. Ook

kan de interne antenne weggelaten worden omdat deze dan overbodig is.


33/34


Literatuurlijst

UZA (augustus 2012). Totale knieprothese. gevonden op 25 mei 2015 op UZA website: https://www.uza.be/sites/default/files/

uza_knieprothese.pdf

Schenk, J. F. (Maart, 1992). Health and Physiological Effects of Human Exposure to Whole-Body Four-Tesla Magnetic Fields

during MRI. Annals of the New York Academy of Sciences, 649, 285-301. Gevonden op 26 mei 2015 op Online Library Web

site: http://dx.doi.org/10.1111/j.1749-6632.1992.tb49617.x

Khan K. & Rehman, S. (2014). Materials Research Bulletin, Volume 50
http://dx.doi.org/10.1111/j.1749-6632.1992.tb49617.xhttps://www.uza.be/sites/default/files/uza_knieprothese.pdf


34/34


inductive voeding en communicatie met implantaatsensor

Documents