Modelagem da arquitetura para o padrão IEEE 1451

O Institute of Electrical and Electronics Engineers define, através do padrão 1451, um conjunto comum de funcionalidades, comandos e folhas de dados eletrônicas para conectar transdutores inteligentes (sensores e atuadores) a sistemas baseados em microprocessadores, instrumentos e redes de comunicação. Estas funcionalidades são independentes do meio físico de comunicação (1451.X) entre os transdutores inteligentes (TIM ) e o nó central (NCAP) (SONG; LEE, 2008).

O padrão IEEE 1451 possibilita o desenvolvimento da arquitetura, especificando detalhes de operação e conexão entre os blocos, sendo possível fazer a associação dos trans- dutores inteligentes, TIMs, com os blocos dos instrumentos biomédicos e do processador de aplicação conectado à rede, NCAP, com o bloco Controle do equipamento descrito anteriormente. Para tal, o modelo da Figura 14 é comparado à estrutura do padrão IEEE 1451 da Figura 15.

Apesar da Figura 15 apresentar a arquitetura de ligação entre um só TIM e NCAP, o padrão IEEE 1451 permite a criação de uma rede de transdutores inteligentes conectados a um nó central NCAP, ou seja, vários blocos TIM podem se conectar a um só processador de aplicação, o qual coordena toda a comunicação entre os nós, semelhante ao proposto

Figura 15 – Modelo do padrão IEEE 1451.

Fonte: (IEEE, 2007).

na Figura 14.

Para adequar o diagrama de blocos com os instrumentos integrados ao padrão IEEE 1451 são necessários alguns ajustes na estrutura interna de cada instrumento de medição a fim de associar os blocos internos às camadas da norma IEEE 1451 exibidas na Figura 16, onde as camadas do TIM são associadas com os componentes de hardware e firmware a serem implementados na arquitetura dos módulos biomédicos em desenvolvimento. A principal mudança é a inclusão de um módulo denominado TEDS, o qual contém uma folha de dados eletrônica que descreve as principais características do módulo transdutor. Este bloco está presente fisicamente no instrumento, geralmente gravado em memória interna ao processador.

Seguindo as especificações do protocolo IEEE 1451, é possível identificar os componentes de hardware para um instrumento de medição genérico. Os blocos Sensor, Atuador e Condicionamento do sinal são especificados para cada instrumento, no qual um processador, que pode ser desde um microcontrolador embarcado a um computador pessoal, implementa duas rotinas básicas de firmware, denominadas: Processamento do sinal e API IEEE 1451.0.

Figura 16 – Componentes de hardware e software para os instrumentos conforme o proto- colo IEEE 1451.

Fonte: Autoria própria.

O processamento do sinal, controla as interfaces ADC, DAC e GPIO, além de executar algoritmos de conversão do sinal medido para dados digitais. Já a rotina de programação API IEEE 1451.0 segue as especificações do padrão, estabelecendo uma interface padronizada de comunicação com o NCAP.

O módulo de comunicação é genérico, determinado de acordo com os recursos do processador e os requisitos da aplicação, e pode ser dividido em interfaces de comunicação sem fio: ZigBee, WiFi e BT; e interfaces de comunicação com fio: CAN, RS232, I2C, UART, SPI, GPIO. As configurações da interface de comunicação utilizada pelo módulo transdutor devem ser descritas pela folha de dados PHY TEDS, como explicado na seção Fundamentação Teórica.

O TEDS pode ser armazenado dentro do processador em uma memória não volátil (ROM). O procedimento para criação das folhas de dados que descrevem cada TIM segue as orientações do Anexo O - TEDS implementation of a simple sensor de IEEE (2007).

O bloco de Controle do equipamento é especificado para concentrar a comunicação com todos os instrumentos do monitor de UTI a fim de: controlar a leitura dos sensores, a exibição dos dados e a interação com o usuário. No padrão IEEE 1451, essas funcionalidades correspondem ao processador de aplicação conectado a rede, NCAP, o qual NIST (2016) afirma que pode ser um microcontrolador de 8-bits para controlar uma rede de dispositivos

(DeviceNet), até um microprocessador de 32-bits para controlar uma rede Ethernet. O

principal componente de hardware do NCAP é o processador, no qual são implementadas duas rotinas básicas de software: Monitor de UTI e API IEEE 1451.0.

Figura 17 – Componentes de hardware e software do bloco de controle do equipamento conforme o padrão IEEE 1451.

Fonte: Autoria própria.

A rotina Monitor de UTI corresponde ao software de aplicação que controla o funcionamento do equipamento. As funções definidas nesse grupo são responsáveis pela interação com o usuário por meio de botões, leds e buzina, além da apresentação dos dados na Tela de exibição que pode ser implementada em um display LCD. Por fim, a rotina de aplicação do equipamento utiliza os serviços da API IEEE 1451.0 para realizar as leituras dos dados dos sensores e das folhas de dados eletrônica TEDS.

As rotinas API IEEE 1451.0 são especificadas pela norma IEEE 1451.0 (IEEE, 2007) e consistem em mensagens de comando e resposta, que são enviadas através de um canal de comunicação para os transdutores conectados ao NCAP.

A arquitetura em conformidade com o padrão IEEE 1451 é exibida na Figura 18, onde os instrumentos avaliados separadamente são integrados, formando um equipamento de monitoramento multiparamétrico compatível com normas internacionais.

Figura 18 – Arquitetura do equipamento Monitor de UTI conforme padrão IEEE 1451.

Fonte: Autoria própria.

Os módulos de comunicação utilizados por NCAP e TIM devem ser iguais e seus parâmetros descritos pela folha de dados eletrônica PHY TEDS para que o canal de comunicação entre os módulos seja estabelecido. A arquitetura proposta corresponde a um equipamento que não faz utilização de nenhuma rede de dados, restringindo-se a operação local.

Os padrões IEEE 1451.2 (STIM) e IEEE 1451.5 (WTIM) são recomendados para utilização nos módulos transdutores inteligentes tendo em vista que as duas normas definem interfaces de comunicação digital entre TIM e NCAP, a primeira, comunicação com fio e a segunda, comunicação sem fio. Além disso, estes dois padrões não estabelecem nenhuma restrição aos sensores e atuadores presentes no módulo transdutor.