MSP430F169 CC1020 kablosuz tansiyon nabız ölçümü

Kablosuz algılayıcı uygulaması (osilometrik ölçüm yöntemi ile kablosuz tansiyon aleti)

Günümüzden kablosuz bilgi iletisiminin gelismesi ile gerek endüstriyel alanlarda olsun, gerek medikal uygulamalarda olsun sistemlerin tekrar gözden geçirilmesi gerekmektedir. Sistemler kablosuz bilgi iletisimi ile gelistirilebilirlikleri artmakta ve performansları daha da gelistirilmektedir.

Yapılan uygulama ile hastalardan elde edilen veriler, ana merkeze daha hızlı ve daha güvenilir bir şekilde aktarılmaktadır. Sistem smart sensörlerin yapısında olan genislenebilirlik ve gelistirilebilirlik sayesinde daha da genis ortamlara yayılabilmekte ve sistemlerden kaynaklanan hatalar azaltılmaktadır.

Akıllı Sensörler: Sensörler hayatımızın bir çok alanında kullanılır. Örneğin buzdolaplarının sıcaklığının ne kadar olduğunu yada bize nükleer reaktörlerdeki hangi tankın sıcaklığının hangi değerlerde seyrettiğini bize bildirir.

Sensör Ağların Tanıtımı: Günümüze kadar farklı tiplerde ve büyüklüklerdeki sensörler, tetikleyici rolüyle elektronik sistemlerin bir parçası olarak kullanılmaktaydı. Mikro elektro-mekanik sistem (MEMS) ve telsiz iletisimi alanlarındaki teknolojik gelismeler sonucu sensörler için farklı uygulama alanları doğdu

CC1020 Norrow bandlı uygulamalar için düşük güçlü RF tranceiver

Uygulamaları: 12.5 ve 25 KHz’den daha fazla kanal bosluğu ile Düşük güçte kablosuz UHF veri alma ve verme 402 / 424 / 426 / 429 / 433 / 447 / 449 / 469 / 868 ve 915 MHz ISM/SRD band sistemleri

AMR (Antenin giris gücünün ölçülmesi)
Kablosuz alarm ve güvenlik sistemleri
Ev otomasyonu
Düşük güçlü telemetri

Ürün Özellikleri: CC1020 Düşük gerilim ve Düşük güç gerektiren kablosuz uygulamalar için tasarlanmıştır. CC1020 daha çok ISM için ve SRD frekansları (402 / 424 / 426 / 429 / 433 / 447 / 449 / 469 / 868 ve 915) için tasarlanmıştır. Sistem aynı zamanda diğer frekanslarda ,402 – 470 ve 804 – 940 MHz, kolayca çoklu kanal uygulamaları için
programlanabilir. CC1020 temel uygulama parametreleri seri port üzerinden programlanabilir ve bu CC1020’yi esnek ve kullanılmasını kolaylaştırır.

Temel özellikler içeren sistemlerde CC1020 microdenetleyicilerle çok az dıs pasif elemanlar eklenilerek kullanılır. CC1020, Chipcon® firmasının ürettiği bir eleman olup, SmartRF® – 02 teknolojisi, 0.35µm CMOS, ile üretilmistir.

Teknik Özellikler

True Single Chip UHF RF transceiver
Frekans aralığı 402 – 470 ve 804 – 940 MHz
Yüksek hassasiyet (12.5kHz kanalı için -118dBm’daha fazla)
Programlanabilir çıkış gücü
Düşük akım tüketimi (RX: 19.9mA)
Düşük gerilim beslemesi (2.3V ile 3.6V)
Ek olarak IF filtre gerektirmez
Çok az ek eleman gereksinimi
Küçük ölçüler(QFN 32 paketi)
Pb-free paketi
Sayısal RSSI ve tasıyıcı sense indikatörü
Veri oranı 153.6 kBaud
OOK, FSK ve GFSK veri modülasyonu
Entegre edilmiş bit es zamanlayıcısı
Image Rejection Mixer
Programlanabilir frekans
Frekans atlaması yönteminin uygulanması için uygundur

CC1020’nin özellikleri Düşük-IF alıcısıdır. Alıcı RF işareti Düşük gürültü yükselteci tarafından (LNA ve LNA2) yükseltilir ve IF frekansına dörtlü(I/Q) olarak downconverted yapılır. IF frekansında, I/Q işareti karmasık olarak filtre edilir, yükseltilir ve ADCs tarafından sayısala çevrilir.otomatik kazanç denetleyicisi, bir senkronizasyonunu, demodülasyonu ve hassas kanal filtrelemesini sayısal olarak yapar. CC1020 sayısal olarak demodüle edilmiş verileri DIO pini üzerinden çıkış olarak verir. Senkronize edilmiş veri saati, DCLK pininde elde edilebilir hale getirilir. RSSI sayısal formatta elde edilebilir ve seri porttan okunabilir.

İletim modunda, sentezlenmis RF frekansında doğrudan güç yükselteci tarafından (PA) beslenir. RF çıkışı, DIO pininden beslenen sayısal bit akısı tarafından frekans kaydırmalı anahtarlamadır (FSK). Dsteğe bağlı olarak Gaussian filtresi, Gaussian FSK(GFSK)’yi elde etmek için kullanılır. Frekans sentezleyicisi, eksiksiz on-chip LC VCO’yu içerir ve alıcı modda downconverter karıstırıcıları için LO_I ve LO_Q işaretlerinin üretimi için 90 derece faz bölücü içerir. VCO, 1.608 – 1.880 GHz frekansları arasında çalışır. CHP_OUT pini ve VC on-chip VCO’nun kontrol düğümüdür. Harici döngü filtresi bu pinler arasındadır. Kristal XOSC_Q1 ve XOSC_Q2 arasına bağlanmalıdır. Kilitleme işareti, PLL’den elde edilebilir.

Konfigürasyon Yazılımı: Chipcon firması CC1020 kullanıcıları için SmartRF® Studio adlı bir program üretmistir. Biz de uygulamamızda bu programı kullandık. CC1020’nin konfigüre edilmesi için mikroislemciye gerekli giris bu 16’lık sayı düzeninde (heksadesimal) numaralar ile verilir. Buna ilaveten program giris/çıkış karsılastırma devresi, PLL döngü filtresi ve LC filtrenin ihtiyaca göre elemanları değistirilebilir.

PLL Kitleme işareti: İsteğe bağlı olarak, bir mikroislemci pini kitleme işaretini göstermek için kullanılır. Bu işaret, PLL kilitli olduğu zaman, lojik olarak low seviyededir. Diğer bir kullanım
yeri de, diğer içsel test işaretlerini göstermede kullanılır.

4 Telli Seri Konfigürasyon Ara Yüzü: CC1020 slave modda iken, entegre 4 telli SPI ara yüzü ile (SPI PDI, PDO, PCLK ve PSEL) konfigüre edilebilir. 8 bit konfigüre edilebilir saklayıcı vardır ve bu saklayıcıların her birinin 7 bitlik bir adresi vardır. CC1020’yi tamamen konfigüre
edebilmek için, 33 veri çerçeve gönderilmelidir ve bu her bir çerçeve içerisinde 16 bittir (7 adres biti, 8 veri biti ve R/W biti). PCLK frekansına, bütün konfigürasyonu gerçeklestirmek için ihtiyaç vardır ve zamanlama değeri bundan alınır.

MSP430F169

Texas Instruments’ın ürettiği ultra Düşük güçlü microdenetleyicisi MSP430 ailesi, özellikle Düşük güç uygulamaları için tasarlanmıştır. Düşük güç tüketimi 5 farklı güç modu ile ayarlanır. Güçlü 16 bit RISC CPU mimarisi, 16 bit saklayıcıları ile maksimum verimlilik hedeflenmistir. Dijital olarak kontrol edilen osilatörü (DCO) sayesinde Düşük güç modlarından aktif moda 6 µs ‘den daha az sürede uyandırmaya izin verir. Bu “hızlı uyanıs” Düşük güç tüketiminin temel mantığını olusturur.

2 tane16 bit sayıcı,
Hızlı 12 bit a/d dönüştürücü,
Çift 12 bit d/a dönüştürücü
2 tane UART, SPI, I2C arayüzeyleri
DMA ve I/O

MSP430/16x serileri halinde ailere sahiptir. Tipik uygulamaları ise;

Sensör Sistemleri,
Endüstriyel Kontrol Uygulamaları,
Mobil Aletleri Dçermektedir.

MSP430 serisi çeşitli uygulamalara yönelik farklı modüller içeren ultra Düşük güçlü bir mikrodenetleyici ailesidir. Düşük güç tüketimi sayesinde temelde pilli uygulamalar için tavsiye edilen bir çözümdür.

MSP430 16-bit RISC Mimarisi, 16-bit CPU tümlesik saklayıcı ve sabit üreteç ile maksimum kod verimi elde edilmektedir, Sayısal kontrollü osilatör 6 µs’den daha kısa sürede stabil çalışmaya baslayabilmektedir,

MSP430x16x serileri iki tümlesik 16 bit zamanlayıcı,
12-bit A/D çevirici,
12-bit D/A çevirici,
2 seri haberleşme ara yüzü(USART)
DMA ve 48 I/O pine sahiptir.

Analog sinyalleri yakalayan algılayıcı sistemleri içeren tipik uygulamalarda sayısal değerlere dönüştürülüp islem yapılır ve veri ana sisteme iletilir. Zamanlayıcılar, sayısal motor kontrolü, tasınabilir sayaçlar, optik networklerin kontrolü gibi endüstriyel uygulamalar hep aynı temel mantık vardır. Analog bilgi alınır, sayısala dönüştürülür gerekirse islenir ve iletilir.

Özellikleri

Düşük besleme voltajı aralığı 1,8V … 3,6V,
Asırı Düşük güç tüketimi;
Aktif mod=1,1 µA 1 MHZ’ de 2,2V’da
Hazır Bekleme modu
Kapalı modu (RAM saklama) =0,2 µA
6 µs ‘den daha az zamanda Stand-by modundan uyanma,
16 bit RDSC yapısı ,125 ns komut çevrim zamanı,
3 kanal dahili DMA,
12 bit A/D dönüştürücü dahili referans ile model ve tutma ve autoscan özelliği,
Çift 12 bit DA senkronizasyonlu dönüştürücü,
3 tutma karsılastırma saklayıcıları ile 16 bit zamanlama,
3 ve 7 karsılastırma saklayıcıları ile zamanlama,
Seri haberleşme arayüzü (USART0 USART1) istenirse SPI, I2C UART modunda çalıştırılabilir.
Giris gerilimini kontrol eden denetleyici,
60Kb+256byte Flash Memory,
2Kb RAM.

CPU Tanıtımı: MSP430 CPU’su 16 bit RISC mimarisine sahiptir. Program saklayıcısına ilaveten durum saklayıcısı ve yığın işaretçisi bulunur. Azaltılmıs komut uygulama zamanı sağlayan 16 bit saklayıcılar ile entegre edilmiştir. Saklayıcıdan saklayıcıya operasyon uygulama zamanı, CPU saatinin bir çevrimidir. Saklayıcılarının, R0’dan R3‘e kadarı özel saklayıcılar olan; program sayacı, yığın işaretçisi, durum saklayıcısı ve sabit üreteci olarak ayrılmıstır.

Çalışma Modları: MSP430, biri aktif ve diğerleri de Düşük güç olmak üzere yazılımsal olarak seçilebilir 6 farklı çalışma moduna sahiptir. Kesme olayı 5 Düşük güç modundan mikrodenetleyiciyi uyandırır, istenilen servisi uygular ve istenilen Düşük güç moduna geri döner. Asağıda 6 tane yazılım ile seçilebilen çalışma modları vardır.

Kesme Vektör Adresleme: Kesme vektörleri ve ortam güç baslatma adresleri (0FFFh-0FFEh) adres aralığında bulunurlar. Vektör kesme isleyicisinin 16 bit adreslerini içerirler. Kesmeler MSP430 ailesinin Düşük güç tüketimini sağlayan en önemli özelliğidir. Bu özellik sayesinde, modüller ve CPU birbirlerinden farklı isletim tarzlarında çalışabilirler ve kesme olayı bu durumu tamamiyle destekler. Bir kesme islemi, sistemi RETI komutunu kullanarak yapılır.

Düşük Güç Tüketim Yeteneği: Düşük güç tüketim yeteneği, temelde CPU ve çevre modüllerinin yazılımsal kontrollü osilatörün hızlı bir şekilde uyanabilme özelliğinden faydalanarak mümkün olduğunca çok uyutulması mantığına dayanır. Bu saat sistemi, optimize sistem maliyeti ve en Düşük güç tüketimini korur.

Bootstrap Loader (BSL) Yükleyici: MSP430 (BSL) kullanıcıları flash belleği’ni ve UART seri ara yüzünü kullanarak, programlamayı sağlar. BSL’in hafızaya erisimi bir sifre ile korunmaktadır. Yani isteyen herkesin kod hafızasına bu yolla erisimi engellenmis olur. Yeni nesil BSL yapısında ise Texas firması sifrenin yanlıs girilmesi durumunda hafızayı silerek yazılan kodların güvenliğini arttırmıstır.

Flash Bellek: Flash bellekler JTAG portla, bootstrap loader ile veya sistemdeki CPU veya DMA modülü kullanılarak programlanabilir.

DMA Kontroller: DMA kontroller bir bilgiyi bir adresten başka bir adrese kopyalamak ile görevli bir modüldür. DMA’in avantajı bu saklayıcılarına hedef ve kaynak adresleri verildiğinde kopyalama islemini gerçeklestirebilmek için CPU’ya ihtiyaç duymamasıdır. örnek olarak ADC den okunan değerlerin bulunduğu ADC12MEM0 saklayıcısındaki bilgiler her istenen saat çevriminde bir baslangıç adresi verilen hafızaya kopyalanabilmektedir. Bu islem sırasında sadece çalıştığı için ADC modülü ve kopyalama yaparken çalışan DMA modülünün aktif olması yeterlidir.

Osilatör ve Sistem Saati: MSP430x16x donanımı ailesi, yüksek hız kristal osilatöre ve dijital kontrollü osilatöre (DCO) ilaveten bir de Düşük güç tüketiminin desteklenmesi için Düşük hızlı harici bir osilatörü (ACLK) destekler. Bu osilatör tipik olarak 32768 Hz ayarlıdır. Zaman saati bu osilatörü baz alarak çalışır. Ana saat modülü, sistemin Düşük güçlü olduğu göz önüne alınarak dizayn edilmiştir. DCO’nun da güç çekmemesini sağlamak ve bekleme modunda kapalı durmasını sağlamak için DCO 6 µs’den daha kısa bir sürede stabil sinyal üretebilen bir duruma gelebilmektedir.

Gerilim Denetleyici: Voltaj denetleyici (SVS) devresi, besleme gerilimi, kullanıcının seçtiği seviyeden asağı düstüğünü algılamak için dizayn edilmiştir. Donanım otomatik olarak tekrar baslatılır. Mikrodenetleyici belirlenenden daha Düşük voltajlarda da çalışabileceği için çıkış portlarının istenen gerilim seviyelerini sağlamaması durumu programın doğru kosması fakat mikrodenetleyiciden ona bağlı diğer birimlere esik seviyelerinden daha Düşük gerilimlerin gitmesinin engellenmesini sağlar.

Watchdog Timer: WDT modülünün ilk fonksiyonu yazılımsal bir hata olustuğunda donanımı RESET etmesidir. Eğer bu özelliği kullanılmak istenmiyorsa belirlenen aralıklarla kesme üretmesi sağlanabilir. Bu kullanımıyla bir sayıcı/zamanlayıcı gibi de çalışabilmektedir. 4 farklı zaman için kesme üretebilir ve osilatör olarak ACLK, DCO veya hızlı osilatör isteğe göre seçilebilir.

USART0: MSP430 ailesinin içinde dahili olarak 2 adet USART modülü bulunmaktadır. Bu modül 3 farklı modda çalışabilmektedir.

Timer-A3: 3 adet tutma ve karsılastırma saklayıcıları ile 16 bit (timer /counter) sayıcı ve zamanlayıcıdan olusur. Timer A3 çoklu tutma karsılastırma, PWM çıkışları ve zamanlamayı sağlar. Timer A3 ayrıca kesme kapasitesine de sahiptir. Tasma durumlarında da kesmeler yapabilir.

Timer B7: 7 tane tutma karsılastırma saklayıcıları ile birlikte, 16 bitlik (timer/counter) zamanlayıcı ve sayıcıdır. B7 genis kesme kapasitesi vardır. Tutma karsılastırmadan her biri sayıcıdaki tasma durumunda kesmeleri gerçeklestirir.

Karsılastırıcı (Comparator) – A: Karsılastırıcı–A MSP430F169’un içindeki tek karsılastırıcıdır. Giris olarak başka modüllerden gelen gerilimleri(referans gerilim üreteci, sıcaklık sensörü gibi) veya dısardan gelen gerilimleri alarak birbirleriyle karsılastırabilmektedir. Bu modül 1MHz’den daha hızlı karsılastırma sonucunu üretmektedir. Bu noktada ADC’ye hassasiyeti karsılastırılamayacak kadar az da olsa bir alternatiftir denebilir.

Program Counter(PC/RO)(Program Sayıcı): Uygulanacak bir sonraki komutu işaret eder. Her komut çift byteların numaralarıyla kullanılır ve buna bağlı olarak PC ‘de artıslar olusur. 64KB adres bosluğundaki komut girisleri kelime sınırlarında uygulanılır.

Yığın işaretçisi(SP/RI): CPU tarafından kesme dönüş adreslerini depolamak için kullanılır. SP, software tarafından tüm komutları ve adresleme modları ile kullanılır. RAM içine SP hazırlanır. Kullanıcı tarafından ve çift adresleme ile hazırlanır.

Durum Saklayıcısı(SR): (SR/R2) kaynak ve hedef saklayıcı olarak kullanılabilir, saklayıcı modunda sadece kelime komutları ile adreslenebilir. Adres modlarının genel kombinasyonları sabit jeneratörü desteklemek için kullanılır.

DAC12: MP430F15x ve MP430F16x cihazlarının iki es parçalı 12-bit DAC’ları vardır. Her DAC12 modülü çıkış voltajı DAC olan bir 12-bit R-ladder’dir. Her DAC12 modülü pozitif referans için AVCC veya ADC12 modülünden 1.5-V yada 2.5-V referans
sinyali kullanabilir.

C VE ASSEMBLY ile MSP430: C ve assembly kodu birlikte MSB 430 uygulamalarında kullanılabilir. C ve assembly kombinasyonlarının assembly Düşük düzey kontrolü, etkinlik, yüksek düzey dili, gücü ve hızı sayesinde kullanıcı faydalı olmaktadır. Complier (derleyici)saklayıcı islemcilerinin iki grubunu kullanır.

Brown-Out: Mikroislemcinin yapısında bulunan Brown-Out özelliği mikrodenetleyicinin, çevre birimlerin esik seviyesinin altında anlamsız (diğer modüller için esik değerin altındaki çıkışlar okunamayacaktır ve yanlıs gözükecektir.) yere çıkış üretmesini engelleyerek mikroislemciyi reset eder.

200 kPa On-CHIP sıcaklık hassasiyetli kalibreli basınç sensörü

MPX2200 serisi aygıtları direkt olarak uygulanan basınç değerlerine uygun olarak yüksek doğrulukta ve doğrusal olarak gerilim çıkışı verir. Bu devre elemanlar silikon piezodirençli basınç sensörleridir. Sensör strain gauge yapıda olup tek monolithic silikon diyaframı vardır. Yongaya ince film direnci ağı entegre edilmiştir. Bu yonga daha düzgün bir şekil vermek amacı ile lazer kullanılmıstır ve ofset kalibrasyonu ve sıcaklık ilavelidir. Bu sensör bizim de uygulamamızda olduğu gibi hava pompalarında yaygın olarak kullanılır. Diğer kullanım alanları ise robotik uygulamalar, seviye indikatörleri, tıbbi teshis, basınç kontrollü anahtarlama, barometreler, yükseklikölçerlerde kullanılır. 0 ile 200kPa (0 ile 29psi) arası basınç ölçer ve 40mV çıkış gerilimi vardır.

Özellikleri

Sıcaklık hasiyetli 0ºC ile +85ºC
±0.25% doğruluk
Yonga yapıları için kullanımı kolaydır
Doğruluk payı yüksektir, diferansiyel ve ölçüm konfigürasyonu

Tipik Uygulamaları

Robotik uygulamalar
Seviye indikatörleri
Tıbbi teshis cihazları
Basınç kontrollü anahtarlama-Barometreler
Yükseklik ölçer

Voltaj çıkışı ve Uygulanmıs Diferansiyel Sensör Basıncı Sensörün diferansiyel gerilim çıkışı uygulana diferansiyel basınç ile direkt olarak orantılıdır. Sensörün referans vakumu vardır. çıkış gerilimi basınç tarafında (P1) çizilen vakumun ki kadar, izafi olarak, düser. Diferansiyel sensörün çıkış gerilim değeri, P1 ve P2 tarafına uygulanan basıncın artmasıyla artar. Aynı şekilde, çıkış gerilimi P2 ve P1 tarafına uygulanan basınç değeri ile artar.

Basınç P1/Vakum P2 Tarafı Bilgileri Basınç sensörünün P1 ve P2 olmak üzere 2 tarafı vardır. P1 tarafı basıncı, P2 tarafı ise vakum tarafını gösterir. Basınç tarafı dısarıdan izole edilmiş, silikon jel ilekaplıdır. Diferansiyel sensör pozitif basınç uygulanması (P1 > P2) ile kullanılır.

KAYNAKLAR

[1] Dr. Takoi K. Hamrita, Kurt L. Wolfe, Nivedita P. Kaluskar, “Advances in Smart Sensor Technology”

[2] www.ieee.org

[3] E. Yazgan, M. Korurek, “Tıp Elektroniği”, DTÜ Yayınları 1966, ISBN 975-561- 073-1

[4] How to measure the blood pressure http://www.drbloodpressure.com/05-mesurer8.shtml

[5] Davıd Prutchı, Mıchael Norrıs, “Desıgn And Development Of Medıcal Electronıc Instrumentatıon”, ISBN 0-471-67623-3

[6] CC1020 CHIPCON Application Notes ve Datasheets

[7] MSP430F169 Texas Instruments Application Notes

[8] www.iar.com (MSP430XX Derleyicisi Dçin)

[9] www.freescale.com ( MPX2200 datasheet, applications )

[10] Ramon Pallas-Areny and John G. Webster, Sensors and Signal Conditioning, John Wiley, New York, 1991.

[11] Harry L. Trietley, Transducers in Mechanical and Electronic Design, Marcel Dekker, Inc., 1986.

[12] Dan Sheingold, Analog-Digital Conversion Handbook, Third Edition, Prentice-Hall, 1986.

[13] P. Malcovati, C. Azeredo Leme, P. O’Leary, F. Maloberti, and H. Baltes ”Smart Sensor Interface with A/D Conversion and Programmable Calibration”, Ieee Journal Of Solid-State Circuits, Vol. 29, No. 8, August 1994

[14] M. Mozek, D. Vrtacnik, D. Resnik, U. Aljancic, M. Cvar, S. Amon “Calibration and Error Correction Algorithms for Smart Pressure Sensors”, IEEE MELECON 2002, May 7-9,2002, Cairo, EGYPT

[15] W. Sansen, A. Claes, D. De Wachter, L. Callewaert, and M. Lambrechts “A Smart Sensor For Biomedical Applications

Hazırlayan: Tevfik KADIOĞLU – Tıp elektroniği konusunda Türkçe kaynak bulmaz zor bu çalışmada bir çok konu ele alınmış tıp elektroniği diyorum fakat projede çok detaylı bilgiler var ayrıca c ve assembly dili ile yazılmış kaynak kodlarıda bulunuyor elektronik ile ilgilenen bir çok kişi için çok faydalı olacaktır. Emeği geçen hazırlayan kişilere teşekkürler.