Desenvolvimento de um sistema de biotelemetria com enlace indutivo formado por bobinas 3D

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UNIVERSIDADE TECNOL ÓGICA FEDERAL DO PARAN Á DEPARTAMENTO ACAD ÊMICO DE EL ÉTRICA

CURSO DE ENGENHARIA EL ´ETRICA

ANDR ´EA MACARIO BARROS

DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE

BIOTELEMETRIA COM ENLACE INDUTIVO FORMADO

POR BOBINAS 3D

TRABALHO DE CONCLUS ˜AO DE CURSO

PATO BRANCO 2018

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ANDR ´EA MACARIO BARROS

DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE

BIOTELEMETRIA COM ENLACE INDUTIVO FORMADO

POR BOBINAS 3D

Trabalho de Conclus ão de Curso de graduaç ão, apresentado á disciplina de Trabalho de Conclus ão de Curso 2, do Curso de Engenharia El étrica da Coordenaç ão de Engenharia El étrica - CO-ELT - da Universidade Tecnol ógica Federal do Paran á - UTFPR, C âmpus Pato Branco, como requisito parcial para obtenç ão do t´ıtulo de Engenheiro Eletricista.

Orientador: Prof. Dr. F ´abio Luiz Bertotti

PATO BRANCO 2018

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TERMO DE APROVAC¸ ˜AO

O Trabalho de Conclus ão de Curso intituladoDESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE BIOTELEMETRIA COM ENLACE INDUTIVO FORMADO POR BO-BINAS 3D do acad êmico Andr éa Macario Barros foi considerado APROVADO de acordo com a ata da banca examinadoraN◦ 179 de 2018.

Fizeram parte da banca examinadora os professores:

Prof. Dr. F ´abio Luiz Bertotti

Prof. Dr. Diogo Ribeiro Vargas

Prof. Dr. Ricardo Bernardi

A Ata de Defesa assinada encontra-se na Coordenaç ão do Curso de Engenharia El étrica

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Um covarde pensa que estar ´a sempre vivo Se permanecer longe de conflitos;

Mas a velhice n ˜ao o deixa descansar em paz, Embora as lanc¸as possam poupar sua vida.

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AGRADECIMENTOS

Agradec¸o `a Deus por estar ao meu lado em todos os momentos da minha vida.

Agradeço ao meu pai Andr é, minha m ão Izabel, ao meu irm ãozinho Gabriel e meu av ô Ant ônio por me apoiarem de todas as formas.

Agradec¸o ao meu orientador por acreditar em mim.

Agradec¸o aos meu colegas de curso e aos servidores da Sala de Apoio da Engenharia El ´etrica pelas trocas de ideias.

Agradec¸o ao meu colega Luian pelas valiosas dicas.

Agradeço meu Grupo Escoteiro Coroados/15 pela compreens ão nas in úmeras vezes em que tive que me ausentar ao longo do per´ıodo do TCC.

Por fim, agradec¸o a todos que se envolveram direta ou indiretamente para o desenvolvimento desse trabalho.

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RESUMO

O presente trabalho abrange as diversas etapas para o desenvolvimento de um sistema de biotelemetria, determinando as melhores t écnicas para comunicaç ão entre as unidades que formam o sistema. O sistema utilizou um amplificador classe E, retificador classe D, modulaç ão e demodulaç ão em amplitude e o link indutivo é formado por bobinas 3D. Ap ós a an álise te órica, foi desenvolvido um sistema de bi-otelemetria no qual ocorreu com êxito a transmiss ão de energia e dados via enlace indutivo 3D para dist âncias de 2 mm e 5 mm entre as bobinas a uma taxa de trans-miss ão de 9600 bps. A transtrans-miss ão de energia ocorreu para uma dist ância m áxima de 10 mm.

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ABSTRACT

This work covers the various steps for the development of a biotelemetry system, it determines the best techniques for the communication between Units that form the system. The system used a class-E amplifier, class-D retctifier, amplitude modulation and demodulation and the inductive link is formed by 3D coils. After the theorical analysis, a biotelemetry system was developed and occurred the transmission of data and energy through the 3D inductive link for distances of 2 mm and 5mm between the coils for a data rate of 9600 bps. The energy transmission occurred for a maximum distance of 10 mm.

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Esquema b ´asico de um sistema de biotelemetria com

trans-fer ˆencia de dados via enlace indutivo. . . 14

Figura 2: Esquema b ásico de um sistema de biotelemetria com trans-fer ência de dados via radio-frequ ência. . . 14

Figura 3: Enlace indutivo com formado por tr ˆes bobinas. . . 17

Figura 4: Enlace indutivo com bobinas de ferrite 3D. . . 18

Figura 5: Fluxo concatenado na bobina da unidade sensora em tr ês posiç ões diferentes. . . 19

Figura 6: Representac¸ ˜ao do enlace indutivo. . . 20

Figura 7: Representac¸ ˜ao do enlace indutivo por meio do equivalente T. . 20

Figura 8: Representaç ão do Sistema por matriz de imped âncias. . . 20

Figura 9: Esquema da Unidade Sensora do Sistema de Biotelemetria. . . 21

Figura 10: Topologia do retificador classe D. . . 22

Figura 11: Topologia do Retificador Classe E. . . 22

Figura 12: Diferença entre t écnicas de modulaç ão. . . 24

Figura 13: Diferenc¸a entre as t ´ecnicas ASK, LSK e OOK. . . 25

Figura 14: Esquema da Unidade de Leitura do Sistema de Biotelemetria. . 25

Figura 15: Topologia do amplificador classe D. . . 26

Figura 16: Topologia do amplificador classe E. . . 27

Figura 17: Esquema do Sistema de Biotelemetria a ser desenvolvido. . . . 28

Figura 18: Bobinas na Unidade Sensora. . . 29

Figura 19: Circuito desenvolvido para retificaç ão e regulaç ão da tens ão proveniente do link indutivo. . . 30

Figura 20: Circuito desenvolvido para modulac¸ ˜ao dos dados. . . 32

Figura 21: Circuito driver para acionamento do MOSFET. . . 33 Figura 22: Circuito de Demodulac¸ ˜ao desenvolvido para Unidade de Leitura. 34

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Figura 23: Circuito completo desenvolvido. . . 36 Figura 24: Variaç ão no posicionamento das bobinas da Unidade Sensora. 37 Figura 25: Sa´ıda do Amplificador Classe-E sem a transmiss ão de dados. . 38 Figura 26: Sinal nas bobinas da Unidade Sensora sem a transmiss ão de

dados. . . 38 Figura 27: Sinais nas bobinas da Unidade Sensora resultantes da Modulac¸ ˜ao

de Dados para a dist ância de 2mm. . . 40 Figura 28: Sinais nas bobinas da Unidade Sensora resultantes da Modulaç ão

de Dados para a dist ância de 5mm. . . 41 Figura 29: Sinal na bobina da Unidade de Leitura resultante da Modulaç ão

de Dados para dist ância de 2 mm. . . 42 Figura 30: Sinal na bobina da Unidade de Leitura resultante da Modulaç ão

de Dados para dist ância de 5 mm. . . 42 Figura 31: Sinal de sa´ıda do circuito Detector de Envolt ória para dist ância

de 2 mm. . . 43 Figura 32: Sinal de sa´ıda do circuito Detector de Envolt ´oria para dist ˆancia

de 5 mm. . . 44 Figura 33: Sinal de sa´ıda do circuito Subtrator para a dist ância de 2 mm. . 44 Figura 34: Sinal de sa´ıda do circuito Subtrator para a dist ância de 5 mm. . 45 Figura 35: Sinal de Sa´ıda demodulado para dist ância de 2 mm. . . 46 Figura 36: Sinal de Sa´ıda demodulado para dist ância de 5 mm. . . 46

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1: Comparac¸ ˜ao entre Retificadores Classe D e Classe E . . . 23

Tabela 2: Comparaç ão entre amplificadores e suas efici ências . . . 26

Tabela 3: Caracter´ısticas das bobinas da unidade sensora . . . 29

Tabela 4: Componentes utilizados na Unidade Sensora . . . 32

Tabela 5: Componentes utilizados no Amplificador Classe E . . . 33

Tabela 6: Componentes utilizados na demodulac¸ ˜ao . . . 35

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LISTA DE S´IMBOLOS

Tens ˜ao Induzida φ Fluxo Magn ´etico

t Tempo

k Acoplamento Magn ´etico L Indut ˆancia

R Resist ˆencia

I Corrente

M Indut ância M útua C Capacit ância

IOmax Corrente m ´axima de consumo

f Frequ ˆencia

VC Ripple de tens ˜ao no capacitor

L Indut ˆancia

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SUM ÁRIO 1 INTRODUÇ ÃO . . . 13 1.1 BIOTELEMETRIA . . . 13 1.2 OBJETIVOS GERAIS . . . 15 1.2.1 Objetivos Espec´ıficos . . . 15 1.3 JUSTIFICATIVA . . . 15 1.4 ORGANIZAÇ ÃO DO TRABALHO . . . 15 2 FUNDAMENTAÇ ÃO TE ÓRICA . . . 17 2.1 ENLACE INDUTIVO . . . 17 2.1.1 Operaç ão . . . 18 2.2 UNIDADE SENSORA . . . 21

2.2.1 Circuito de Retificac¸ ˜ao . . . 21

2.2.2 Modulac¸ ˜ao . . . 23

2.3 UNIDADE DE LEITURA . . . 25

2.3.1 Circuito de Amplificac¸ ˜ao . . . 26

2.3.2 Demodulac¸ ˜ao . . . 27

3 MATERIAIS E M ´ETODOS . . . 28

3.1 ENLACE INDUTIVO . . . 28

3.2 UNIDADE SENSORA . . . 30

3.2.1 Circuito de Retificac¸ ˜ao . . . 30

3.2.2 Modulac¸ ˜ao . . . 31

3.3 UNIDADE DE LEITURA . . . 32

3.3.1 Circuito de Amplificac¸ ˜ao . . . 32

3.3.2 Demodulac¸ ˜ao . . . 34

4 RESULTADOS . . . 36

4.1 TRANSMISS ˜AO DE ENERGIA . . . 37

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5 CONCLUS ˜OES . . . 48

AP ˆENDICE A - C ´ODIGOS MSP430G2553 . . . 53

A.1 C ´ODIGO MSP430G2553 UNIDADE SENSORA . . . 53

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13 1 INTRODUC¸ ˜AO

O desenvolvimento da área cient´ıfica e suas tecnologias tornou poss´ıvel a relaç ão entre disciplinas, como a eletr ônica e a medicina [Bertotti 2010], proporcio-nando o surgimento da engenharia biom édica. Uma de suas sub- áreas é a bioteleme-tria, a qual permite o monitoramento remoto de seres vivos. O uso dessa tecnologia possibilita o envio de sinais por dist âncias da ordem de mil´ımetros a quilom êtros, de-pendendo da t écnica e aplicaç ão, e o monitoramento de grandezas fisiol ógicas em tempo real [Cooke et al. 2004].

1.1 BIOTELEMETRIA

A biotelemetria auxilia no monitoramento de doenças cr ônicas como diabe-tes, Alzheimer e asma [Nikita 2014]. Apenas no Brasil, o n úmero de diab éticos atingia cerca de 9 milh ões em 2015 [Brasil 2015], os asm áticos somavam aproximadamente 6,4 milh ões maiores de 18 anos no mesmo ano [Brasil 2015] e 1,2 milh ões eram as pessoas portadoras de Alzheimer com mais de 65 anos no ano de 2013 [Vieira 2013]. Tais dados refletem pessoas com necessidades de monitoramento cont´ınuo, proposta central da biotelemetria.

Uma das t écnicas presentes na biotelemetria utiliza unidades implant áveis, cuja comunicaç ão ocorre sem fio entre o circuito inserido no sistema biol ógico e o meio externo. Entre suas in úmeras aplicaç ões encontram-se dispositivos que realizam o monitoramento do n´ıvel de glicose [Nikita 2014], aplicaç ão de medicamentos [Smith et al. 2007], estimulaç ão do sistema neural [Chestek et al. 2009], monitoramento da frequ ência card´ıaca [Plummer et al. 2001] e realizaç ão de endoscopias [Yan et al. 2007, Carta et al. 2009].

As configuraç ões b ásicas de sistemas de biotelemetria que utilizam unida-des implant áveis podem ser observadas nas Figuras 1 e 2. Os sistemas s ão formados pela unidade de leitura, unidade sensora e enlace indutivo. As unidades comunicam-se comunicam-sem fio, podendo relacionar-comunicam-se por meio de radiofrequ ência (RF), Figura 17, ou por meio de bobinas magneticamente acopladas (enlace indutivo) [Carta et al. 2009,Chow et al. 2013], Figura 1. O uso da configuraç ão do enlace prov ê maior transfer ência de

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1.1 Biotelemetria 14 energia quando comparado `a RF [Nikita 2014].

Unidade

de

Leitura

Unidade

Sensora

Alimentação Dados

Figura 1: Esquema b ´asico de um sistema de biotelemetria com transfer ˆencia de dados via enlace indutivo.

Fonte: Autoria Pr ´opria.

Unidade

de

Leitura

Unidade

Sensora

Alimentação Dados

Figura 2: Esquema b ásico de um sistema de biotelemetria com transfer ência de dados via radio-frequ ência.

A biotelemetria possibilita a aproximaç ão do paciente com seu tratamento [Nikita 2014]. Contudo, é uma área que ainda necessita estudos quanto a forma de alimentaç ão da unidade implant ável. Como ela deve possuir tamanho reduzido, h á dificuldades quanto ao uso de baterias, o que gera a necessidade de alimentaç ão externa. O sistema proposto comunica-se por meio de enlace indutivo formado por

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1.2 Objetivos Gerais 15 bobinas 3D magneticamente acopladas.

1.2 OBJETIVOS GERAIS

Desenvolver, implementar, analisar e avaliar o desempenho de um sistema de biotelemetria alimentado por enlace indutivo formado por bobinas 3D.

1.2.1 OBJETIVOS ESPEC´IFICOS

Os objetivos espec´ıficos que pretende-se alcanc¸ar s ˜ao:

• Determinar a t écnica de alimentaç ão da unidade sensora mais apropriada e que utilize a energia proveniente do enlace indutivo.

• Determinar a t écnica de modulaç ão que apresente efic ácia na transmiss ão dos dados a partir da energia dispon´ıvel no enlace indutivo.

• Assegurar uma dist ˆancia maior ou igual a 2 mm entre a unidade de leitura e a unidade sensora.

1.3 JUSTIFICATIVA

O trabalho proposto consiste no desenvolvimento de um Sistema de Bio-telemetria, o qual utiliza-se de encale indutivo formado por bobinas 3D. O enlace 3D, diferentemente das tradicionais bobinas planares, permite que a transfer ência de ener-gia entre a unidade implantada e a unidade externa ocorra em diferentes direç ões e alinhamentos entre as bobinas.

Mostra-se importante tamb ém a aus ência de baterias. As baterias no cir-cuito implant ável comprometem o tamanho do dispositivo e possuem vida útil, ou seja, requerem a retirada do dispositivo para trocas e manutenç ão, podendo assim causar o desconforto do paciente e at é comprometer seu tratamento [Hannan et al. 2012].

1.4 ORGANIZAC¸ ˜AO DO TRABALHO

O presente trabalho est á dividido em 5 cap´ıtulos. O Cap´ıtulo 1 trata- da introduç ão, onde s ão apresentadas definiç ões a cerca do assunto principal do pre-sente trabalho e definidos os objetivos e justificativa do trabalho, bem como é apre-sentada sua organizaç ão.

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1.4 Organizaç ão do Trabalho 16 No Cap´ıtulo 2 é apresentada a fundamentaç ão te órica detalhada em tr ês t ópicos principais: enlace indutivo, unidade sensora e unidade de leitura. Sendo que no t ópico sobre as unidade sensora e unidade de leitura, tamb ém abordado sobre modulaç ão e demodulaç ão, respectivamente.

No Cap´ıtulo 3 s ˜ao apresentados os m ´etodos adotados para o desenvolvi-mento de cada uma das partes do sistema de biotelemetria, bem como os materiais utilizados em cada parte do sistema.

No Cap´ıtulo 4 s ˜ao apresentados os resultados obtidos. Por fim, o Cap´ıtulo 5 apresenta as conclus ˜oes obtidas com o desenvolvimento do trabalho.

(19)

17 2 FUNDAMENTAÇ ÃO TE ÓRICA

2.1 ENLACE INDUTIVO

O enlace indutivo foi escolhido para a conex ão entre as unidades e é res-pons ável pela comunicaç ão entre elas e alimentaç ão da unidade sensora. Um enlace indutivo consiste, basicamente, em indutores acoplados magneticamente. Logo, seu princ´ıpio de funcionamento baseia-se na lei de Faraday da induç ão eletromagn ética, ou seja, ao excitar-se a bobina prim ária, tem-se uma tens ão induzida na bobina se-cund ária, respeitando a equaç ão [Halliday et al. 2009]:

= ∆φ

∆t (1)

Na qual:

: Tens ˜ao induzida. φ: Fluxo magn ´etico. t: Tempo.

O enlace pode possuir diferentes configuraç ões e quantidade de bobinas. Ele pode ser formado por bobinas planares 2D, as quais possibilitam a transfer ência de energia nos eixos X e Y, podendo ser formados por duas, tr ês e at é quatro bobi-nas. A Figura 3 apresenta a configuraç ão do enlace indutivo formado por tr ês bobinas planares. Unidade de Leitura Regulação de Tensão Microcontrolador Driver _Transmissora Carga

Figura 3: Enlace indutivo com formado por tr ˆes bobinas. Fonte: Adaptado de RamRakhyani e Lazzi 2013.

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2.1 Enlace Indutivo 18

(a) Representaç ão te órica do en-lace indutivo.

(b) Representaç ão pr ática do en-lace indutivo.

Figura 4: Enlace indutivo com bobinas de ferrite 3D. Fonte: Autoria Pr ´opria.

O enlace indutivo tamb ém pode ser formado por bobinas 3D, possibilitando que a transfer ência de energia tamb ém ocorra no eixo Z [Uchida et al. 2017], essa configuraç ão pode ser vista na Figura 4. O enlace indutivo proposto segue essa configuraç ão, a qual foi desenvolvida por [Carta et al. 2009] e foi escolhido por possuir maior flexibilidade quando comparado às bobinas 2D [Uchida et al. 2017]. Enquanto as bobinas planares comunicam-se e transferem energia entre si apenas quando est ão paralelas, uma de frente à outra, as bobinas 3D possibilitam a comunicaç ão e trans-fer ência de energia por ditrans-ferentes direç ões. Assim, esse arranjo de bobinas pos-sui grande aplicaç ão na área de c ápsulas endosc ópicas, uma vez que as c ápsulas encontram-se em movimento dentro do corpo [MR et al. 2014].

2.1.1 OPERAC¸ ˜AO

A comunicaç ão e transfer ência de dados ocorre devido o acoplamento mag-n ético (k), ou seja, a bobimag-na da umag-nidade de leitura é excitada com corremag-nte altermag-nada e ocorre a induç ão de uma tens ão nas bobinas da unidade sensora. O esquema simplificado do arranjo das bobinas 3D na Unidade Sensora pode ser visto na Figura 4b.

Observa-se que trata-se basicamente de tr ês indutores perpendiculares en-tre si na unidade sensora. Isso faz com que ao excitar-se a unidade haja uma bobina na qual é poss´ıvel que o fluxo magn ético proveniente da Unidade de Leitura seja

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con-2.1 Enlace Indutivo 19

Un. de Leitura

Un. Sensora

(a) Bobina da unidade sensora na posic¸ ˜ao A

Un. de Leitura

Un. Sensora

(b) Bobina da unidade sen-sora na posic¸ ˜ao B

Un. de Leitura

Un. Sensora

(c) Bobina da unidade sensora na posic¸ ˜ao C

Figura 5: Fluxo concatenado na bobina da unidade sensora em tr ês posiç ões diferentes.

catenado, mesmo com a mudança de posiç ão das bobinas. Assim, é poss´ıvel que ocorra a alimentaç ão da unidade sensora em mais direç ões, como na Figura 5.

Considerando o apresentado na Figura 5, pode-se utilizar para o enlace in-dutivo a representaç ão do modelo de duas bobinas uma vez que apenas uma bobina por vez da Unidade Sensora ter á contribuiç ão significativa quanto à tens ão induzida. Logo, o sistema pode ser representado de acordo com o circuito mostrado na Figura 6, na qual a bobina secund ária varia de acordo com a Figura 5, onde L representa as indut âncias do lado prim ário (L1) e do lado secund ário (L2), R representa as

re-sist ências associadas às bobinas do lado prim ário (R1) e do lado secund ário (R2), I

significa as correntes circulando no lado prim ´ario (I1) e do lado secund ´ario (I2) e M

representa a indut ˆancia m ´utua entre as bobinas.

Aplicando o modelo T de transformadores chega-se no circuito represen-tado pela Figura 7.

(22)

se-2.1 Enlace Indutivo 20 L₁ L₂ M₁₂ R1 R2 V₁ V2 I1 I₂

Figura 6: Representaç ão do enlace indutivo. Fonte: Autoria Pr ópria.

M

R1 R₂

V₁ V2

I1 I2

L₁- M L₂- M

Figura 7: Representac¸ ˜ao do enlace indutivo por meio do equiva-lente T.

guintes express ˜oes no dom´ınio de Laplace (s):

V1(t) = R1· I1+ L1· I1· s + M12· I2· s (2)

V2(t) = R2· I2+ L2· I2· s + M12· I1· s (3)

Observa-se que ´e poss´ıvel representar o sistema por meio de sua matriz equivalente de imped ˆancias, conforme ilustrado pelo Figura 8.

V₁ _V 2 I1 I2 Z₁₁ Z₁₂ Z₂₁ Z₂₂

Figura 8: Representaç ão do Sistema por matriz de imped âncias. Fonte: Autoria Pr ópria.

(23)

2.2 Unidade Sensora 21 V = " V1 V2 # = " R1+ j · ω · L1 j · ω · M12 j · ω · M12 R2 + j · ω · L2 # · " I1 I2 # = Z · I (4)

Logo, ´e poss´ıvel afirmar que [Nikita 2014]:

V2 =

V1· I2

I1

(5)

2.2 UNIDADE SENSORA

A unidade sensora é respons ável por receber a energia enviada pela uni-dade de leitura, por converter essa energia em uma tens ão e corrente cont´ınuas a fim de alimentar um circuito de mediç ão, assim como enviar os dados obtidos para a Unidade de Leitura.

Para que os dados coletados sejam transmitidos à unidade de leitura, estes precisam ser modulados e transmitidos atrav és do enlace indutivo. Por este motivo, unidade sensora conta com um circuito modulador. A Figura 9 apresenta o esquema b ásico a ser desenvolvido para unidade sensora.

Figura 9: Esquema da Unidade Sensora do Sistema de Biotelemetria. Fonte: Autoria Pr ´opria.

2.2.1 CIRCUITO DE RETIFICAC¸ ˜AO

A unidade sensora deve consumir o m´ınimo de energia poss´ıvel, principal-mente quando a energia deve ser armazenada em um capacitor, por exemplo, a fim de alimentar o circuito sem a presença da unidade de leitura. S ão v árias as topologias que podem ser utilizadas na retificaç ão do sinal. Contudo, no presente trabalho ser ão levadas em conta duas topologias capazes de atingir altos valores de efici ência tra-balhando com valores de frequ ência de operaç ão em torno de 1 MHz ou mais [Kkelis et al. 2015, Park e Rivas-Davila 2016, Kazimierczuk e Czarkowski 2011, Kazimierczuk 1990]: s ão os retificadores classe-D e classe-E. A topologia dos retificadores classe-D

(24)

2.2 Unidade Sensora 22 pode ser vista na Figura 10.

Figura 10: Topologia do retificador classe D. Fonte: Autoria pr ´opria.

O retificador classe D possui melhor operaç ão quando utilizado em aplicaç ões que trabalham em alta frequ ência e altas tens ões [Kkelis et al. 2015], possuindo alta efici ência [Park e Rivas-Davila 2016] e implementaç ão mais simples quando compa-rado ao retificador classe E. Sua efici ência elevada é justificada uma vez que trata-se de um retificador de meia-onda, logo as perdas por chaveamento e conduç ão do diodo s ão reduzidas [Lenaerts e Puers 2009]. A topologia do retificador classe-E pode ser vista na Figura 11.

Figura 11: Topologia do Retificador Classe E. Fonte: Autoria Pr ´opria.

O circuito retificador classe E tamb ém possui bom comportamento para al-tas frequ ências e alta efici ência, por ém ele trabalha melhor com baixas tens ões [Kkelis et al. 2015, Kazimierczuk 1990], sendo geralmente empregado em circuitos excita-dos por amplificadores classe-E [Kazimierczuk 1990]. Contudo, sua implementaç ão é mais complexa quando comparada a do retificador classe D [Kkelis et al. 2015] por possuir mais componentes. Assim, os retificadores classe E costumam ser preteridos em aplicaç ões que utilizam energia proveniente de enlace indutivo [Lenaerts e Puers 2009]. A Tabela 1 faz um comparativo entre as caracter´ısticas dos retificadores classe E e classe D.

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2.2 Unidade Sensora 23

Tabela 1: Comparac¸ ˜ao entre Retificadores Classe D e Classe E

Caracter´ıstica Classe D Classe E

Tens ão Altas Tens ões Baixas Tens ões Frequ ência Alta Frequ ência Alta Frequ ência Implementaç ão Menor Complexidade Maior Complexidade

Fonte: Adaptado de Kazimierczuk e Czar-kowski 2011,Park e Rivas-Davila 2016,Kkelis et al. 2015, Kazimierczuk 1990

2.2.2 MODULAC¸ ˜AO

A unidade sensora é o circuito que primeiro recebe os dados provenientes do microcontrolador e os envia à unidade de leitura via enlace indutivo, por isso ela necessita de um circuito de modulaç ão. A modulaç ão pode ser em amplitude, fase ou frequ ência, sendo as principais t écnicas Amplitude Shift Keying (ASK), Phase Shift Keying (PSK) e Frequency Shift Keying (FSK), respectivamente.

A modulaç ão ASK baseia-se na variaç ão da amplitude da portadora depen-dendo do bit transmitido. Trata-se de uma t écnica de modulaç ão muito utilizada em aplicaç ões biom édicas devido sua simplicidade [Kiourti 2010, Nikita 2014], por ém ela n ão possui um bom comportamento quanto à pot ência entregue à unidade sensora [Ki-ourti 2010], pois ela varia a tens ão de alimentaç ão conforme o bit transmitido, assim h á uma perda na pot ência entregue à carga em curtos intervalos de tempo. Al ém disso, essa t écnica que mais sofre com interfer ências por depender da amplitude do sinal [Vlajic 2016].

Na modulaç ão PSK ocorre a variaç ão de fase da portadora de acordo com o bit transmitido, logo essa t écnica é menos suscet´ıvel a erros quando comparada à ASK e à FSK [Nikita 2014] j á que n ão depende da amplitude, nem da frequ ência, vari áveis que podem ser alteradas na presença de ru´ıdo externo. Contudo, é uma t écnica que possui maior complexidade na recuperaç ão do sinal [Vlajic 2016, Nikita 2014].

A modulaç ão FSK ocorre a alteraç ão de frequ ência, ou seja, a frequ ência da portadora é alterada dependendo dobit transmitido. Assim, a FSK sofre menos in-terfer ência quando comparada à ASK, uma vez que n ão depende da amplitude [Vlajic 2016, Nikita 2014]. Contudo, a largura de banda ocupada pelo espectro de frequ ência da modulaç ão FSK é cerca do dobro ocupado pela modulaç ão ASK [Nikita 2014, Vla-jic 2016], logo ela é mais recomend ável para aplicaç ões com transmiss ão de dados com grande largura de banda [Ghovanloo e Najafi 2004]. As diferenças entre os sinais

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2.2 Unidade Sensora 24 modulados pelas tr ˆes t ´ecnicas citadas podem ser vistas na Figura 12.

Figura 12: Diferença entre t écnicas de modulaç ão. Fonte: Autoria Pr ópria.

Existem ainda duas t écnicas de modulaç ão pertinentes a esse trabalho e que s ão derivadas da modulaç ão ASK: a Load Shift Keying (LSK) e a On-Off Keying (OOK). Na modulaç ão LSK ocorre o chaveamento de uma carga no circuito, ou seja, h á a inserç ão de uma carga no circuito dependendo do valor do bit a ser transmitido.

´

E uma t écnica de grande simplicidade e por isso é a mais utilizada nos Sistemas de Biotelemetria [Kiourti 2010]. Entretanto, por se tratar de uma variaç ão da t écnica ASK ela possui as mesmas desvantagens da ASK [Nikita 2014].

J á na modulaç ão OOK ocorre a aus ência do sinal dependendo dobit trans-mitido, logo trata-se de uma t écnica muito semelhante à ASK, por ém h á a diferença de que h á menos pot ência entregue a carga uma vez que a OOK anula o sinal. A Figura 13 ilustra as modulaç ões ASK, LSK e OOK e suas diferenças.

(27)

2.3 Unidade de Leitura 25

Figura 13: Diferença entre as t écnicas ASK, LSK e OOK. Fonte: Autoria Pr ópria.

2.3 UNIDADE DE LEITURA

A unidade de leitura é respons ável pela excitaç ão do enlace indutivo com uma tens ão alternada e recepç ão dos dados provenientes da unidade sensora. O esquema b ásico da unidade de leitura t´ıpica pode ser visto na Figura 14.

Ampliﬁcador Modulador

Computador _μCon

Figura 14: Esquema da Unidade de Leitura do Sistema de Biotele-metria.

(28)

2.3 Unidade de Leitura 26 2.3.1 CIRCUITO DE AMPLIFICAC¸ ˜AO

Observa-se que é necess ário a unidade de leitura possui um circuito ampli-ficador de pot ência para a excitaç ão da bobina prim ária. Assim, procura-se maximizar a energia transferida por meio do enlace à Unidade Sensora. Usualmente, trata-se de um amplificador classe D ou E [Nikita 2014], uma vez que eles s ão capazes de prover altos valores de corrente na bobina prim ária a partir de valores relativamente baixos de tens ão. A topologia do amplificador classe D pode ser vista na Figura 15 e a topologia do amplificador classe E pode ser vista na Figura 16.

Figura 15: Topologia do amplificador classe D. Fonte: Autoria Pr ´opria.

A Tabela 2 ilustra um comparativo realizado por [Ali et al. 2009] entre os amplificadores e suas respectivas efici ˆencias.

Tabela 2: Comparaç ão entre amplificadores e suas efici ências

Amplificador Efici ˆencia M ´axima

A 50% B 78.5% AB <78.5% C At ´e 90% D 80-95% E 100% (te ´orico)

Fonte:Adpatado de Ali et al. 2009

(29)

Figura 16: Topologia do amplificador classe E. Fonte: Autoria Pr ´opria.

implant ´aveis devido sua alta efici ˆencia e simplicidade em termos de componentes [Ni-kita 2014].

2.3.2 DEMODULAC¸ ˜AO

Na unidade de leitura tamb ém encontra-se o circuito demodulador micro-controlado, respons ável pela an álise e demodulaç ão dos dados enviados pela uni-dade sensora. O circuito de demodulaç ão encarrega-se de detectar a onda portadora e extrair dela o sinal modulante.

A t écnica de demodulaç ão deve corresponder à t écnica de modulaç ão es-colhida. Logo, para uma t écnica de modulaç ão do tipo ASK, deve-se utilizar uma t écnica de demodulaç ão do tipo ASK tamb ém.

Assim como a modulaç ão, a demodulaç ão pode ser do tipo ASK, FSK e PSK. A t écnica de demodulaç ão do tipo ASK é encarregada de detectar a variaç ão de amplitude da portadora [Nikita 2014, Vlajic 2016]. A demodulaç ão do tipo FSK realiza a mediç ão do per´ıodo da portadora, determinando assim o n´ıvel l ógico do sinal modulante a depender da frequ ência medida [Ghovanloo e Najafi 2004]. Por fim, a demodulaç ão do tipo PSK determina a fase da portadora e compara o sinal com uma refer ência para a determinaç ão do n´ıvel l ógico do sinal modulante [Nikita 2014, Vlajic 2016].

(30)

28 3 MATERIAIS E M ´ETODOS

O sistema de biotelemetria desenvolvido pode ser representado pelo dia-grama da Figura 17. Ampliﬁcador μCon Computador Demodulador Retiﬁcador, Regulador de Tensão Modulador Unidade de Leitura μCon Unidade Sensora Enlace Indutivo

Figura 17: Esquema do Sistema de Biotelemetria a ser desenvolvido. Fonte: Autoria Pr ´opria.

A Figura apresenta o prot ótipo um sistema de biotelemetria. Na unidade sensora encontra-se o circuito de retificaç ão e regulaç ão de tens ão que ajusta o sinal de entrada para um n´ıvel adequado para alimentaç ão do microcontrolador e o micro-controlador envia dados ao circuito modulador. Na unidade de leitura, encontra-se o circuito amplificador, que alimenta a bobina prim ária com tens ão alternada, o circuito de demodulaç ão encarregado extrair o sinal modulante da portadora e o microcontro-lador que recebe esse sinal e o envia ao computador.

3.1 ENLACE INDUTIVO

A metodologia utilizada para o desenvolvimento do enlace indutivo foi a mesma proposta por [Carta et al. 2009] e pode ser vista nas Figuras 5.

Para as bobinas da unidade sensora e da unidade de leitura, foram utiliza-dos dois n úcleos cil´ındricos de ferrite da fabricante Thornton. Em torno utiliza-dos n úcleos foram enrolados fios de cobre esmaltados com bitola AWG30 para a formaç ão das bobinas. Idealmente, o n úcleo deveria ser sim étrico para que as bobinas resultantes obtivessem o mesmo valor de indut ância, contudo foram utilizados os n úcleos dis-pon´ıveis. Os n úcleos possuem 1,9 cm de comprimento e 1 cm de di âmetro.

(31)

3.1 Enlace Indutivo 29 Procurou-se obter a maior indut ância poss´ıvel nas bobinas da unidade sen-sora em funç ão das limitaç ões f´ısicas do n úcleo, ou seja, sua assimetria. O n úmero de voltas, bem como a indut ância, medida com o LCR meter, atingida para cada bobina podem ser vistas na Tabela 3.

Tabela 3: Caracter´ısticas das bobinas da unidade sensora

Bobina N ´umero de Voltas Indut ˆancia

Bobina 1 33 42.5 µH

O arranjo de bobinas na unidade sensora pode ser visto na Figura 18.

Figura 18: Bobinas na Unidade Sensora. Fonte: Autoria Pr ´opria.

A frequ ência de operaç ão do sistema foi escolhida com base na frequ ência m áxima de operaç ão do ferrite utilizado. Esse valor de frequ ência foi determinado de forma pr ática, as bobinas foram separadas dos demais circuitos e foi aplicado um valor fixo de tens ão alternada à bobina prim ária por ém frequ ência vari ável e monitorada a tens ão na bobina secund ária. O valor de tens ão m áximo bobina secund ária foi para a frequ ência de 800 kHz, sendo essa ent ão definida como a frequ ência portadora do trabalho.

(32)

3.2 Unidade Sensora 30 frequ ência entre 500 kHz e 4 MHz s ão recomend áveis para unidades implant áveis por causarem danos reduzidos aos tecidos. Logo, a frequ ência utilizada no presente traba-lho enquadra-se no cen ário desej ável para uma futura aplicaç ão na área de biom édica. A bobina da unidade de leitura trata-se de uma bobina solenoidal com o mesmo tipo de n úcleo cil´ındrico da bobina utilizada na unidade sensora. Foram dadas 33 voltas e obtida uma indut ância de 40.3µH.

3.2 UNIDADE SENSORA

3.2.1 CIRCUITO DE RETIFICAC¸ ˜AO

Para o desenvolvimento do circuito de retificaç ão e regulaç ão utilizou-se o retificador classe D e o circuito pode ser visto na Figura 19.

μCon

Demodulador

Text

Figura 19: Circuito desenvolvido para retificaç ão e regulaç ão da tens ão proveniente do link indutivo.

Para a escolha entre os retificadores classe E e classe D levou-se em conta principalmente a complexidade do sistema. Observou-se em [Kkelis et al. 2015] que idealmente o retificador classe D comporta-se melhor para altas tens ˜oes, por ´em

(33)

con-3.2 Unidade Sensora 31 tinua sendo eficiente mesmo para sistemas em baixa tens ão. Assim como, Lenaerts e Puers 2009 aponta a utilizaç ão do retificador classe D para sistemas compostos por enlace indutivo formado por bobinas 3D como mais adequado quando comparado ao classe E.

O capacitor foi calculado com base em Kazimierczuk e Czarkowski 2011 e a equac¸ ˜ao utilizada foi:

C = 0.55 · IOmax f · VC

(6) Na qual:

C: Capacit ˆancia.

IOmax: Corrente m ´axima de consumo.

f: Frequ ência de operaç ão.

VC: Ripple de tens ˜ao no capacitor.

Considerou-se o consumo do microcontrolador de 3.8 mA, que foi previa-mente avaliada em [Barros et al. 2017], a tens ão de sa´ıda que procura-se atingir é de 1,9 V, o ripple de 0,1% e a frequ ência de 800 kHz. Chegou-se em uma capacit ância de cerca de 1.3µF.

Foram escolhidos os diodos PMEG4002EJ devido sua baixa tens ão direta (cerca de 0,28 V para uma corrente de 4 mA), tamanho reduzido e baixa capacit ância de junç ão [Nexperia 2009]. O microcontrolador utilizado foi o MSP430G2553 da Texas Instruments foi utilizado para simular os dados provenientes de um sensora devido operaç ão com baixa tens ão de alimentaç ão [Instruments 2013] e disponibilidade. Por fim, foi utilizado um diodo zener 1N746 na sa´ıda da do circuito de retificaç ão a fim de limitar a tens ão de entrada do microcontrolador em no m áximo 3,3 V. Os valores de todos os componentes utilizados na unidade sensora podem ser vistos na Tabela 4.

3.2.2 MODULAC¸ ˜AO

Como resultado da comparaç ão entre as diferentes t écnicas de modulaç ão procurou-se focar na simplicidade do circuito na unidade sensora. Logo, a t écnica escolhida foi a LSK. O circuito respons ável pela modulaç ão dos dados pode ser visto na Figura 20.

O MOSFET utilizado foi o AO3400 devido seu baixo consumo, seu tamanho reduzido [Alpha&Omega 2011] e disponibilidade. O resistor R4 do gate do MOSFET

(34)

Tabela 4: Componentes utilizados na Uni-dade Sensora Componente Valor C1, C2, C3 100 nF D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7 PMEG4002EJ C4 100 nF C5 1µF D8 1N746 µCon MSP430G2553

Figura 20: Circuito desenvolvido para modulaç ão dos dados. Fonte: Autoria Pr ópria.

foi calculado com base em Infineon 2015 e os resistores da modulaç ão foram determi-nados de forma pr ática. Logo, os componentes utilizados foram R1 igual a 62 Ω e R2 e R3 de 82 Ω e R4 de 220 Ω.

3.3 UNIDADE DE LEITURA

3.3.1 CIRCUITO DE AMPLIFICAC¸ ˜AO

Por possuir maior efici ência, al ém da boa operaç ão em altas frequ ências, o amplificador desenvolvido foi o classe E e pode ser visto na Figura 16. É necess ário um circuito driver para acionamento do MOSFET presente no amplificador. O circuito selecionado foi o UCC27512 devido seu baixo custo e resposta r ápida [Instruments 2012]. A configuraç ão do circuito pode ser vista na Figura 21.

(35)

Figura 21: Circuito driver para acionamento do MOSFET. Fonte: Adaptado de Instruments 2012.

deduzidas e apresentadas em Grebennikov e Jaeger 2002. S ˜ao elas:

L = 0.732 · R ω (7) e C = 0.685 ω · R (8) Nas quais: L: Indut ˆancia.

ω: Frequ ˆencia angular.

Os valores calculados foram L=5.8 µ H e C = 3,4 nF. O MOSFET utilizado foi o IRF820 devido sua boa operaç ão em alta frequ ência [Vishay 2011], sua tens ão entre o gate e o source é de at é 500 V e a corrente de dreno de no m áximo 2,5 A na temperatura ambiente. Portanto, os componentes utilizados podem ser vistos na Tabela 5.

Tabela 5: Componentes utiliza-dos no Amplificador Classe E

Componente Valor L 5.8 µH C 3.3 nF R 40 Ω R3 100 Ω C2 100 nF Driver UCC27512

(36)

3.3 Unidade de Leitura 34 3.3.2 DEMODULAC¸ ˜AO

Por ter-se escolhido a modulaç ão LSK, a demodulaç ão foi a ASK. O es-quema do circuito desenvolvido para demodulaç ão pode ser visto na Figura 6.

AMPLIFICADOR μCon DETECTOR DE ENVOLTÓRIA SUBTRATOR FILTRO PASSA-BAIXAS FILTRO PASSA-ALTAS COMPARADOR FILTRO PASSA-BAIXAS

Figura 22: Circuito de Demodulaç ão desenvolvido para Unidade de Leitura. Fonte: Autoria Pr ópria.

O circuito consiste basicamente num detector de envolt ória, seguido de um circuito subtrator com ganho, o qual aumenta a diferença entre os valores m áximo e m´ınimo provenientes do detector de envolt ória. O sinal ent ão passa por um fil-tro passa-baixas passivo com frequ ência de corte aproximadamente em 200 kHz, uma vez que a transmiss ão de dados ocorre em 20 kHz o filtro foi projetado para uma d écada acima. Ap ós essa etapa, o sinal passa por um circuito passa-altas pas-sivo para atenuaç ão de poss´ıveis componentes DC e eliminaç ão de sinais em baixa frequ ência. Em seguida, o sinal entra num circuito comparador para determinaç ão do n´ıvel l ógico do dado. Por fim, a sa´ıda do circuito é de um divisor resistivo para ajuste do n´ıvel de tens ão.

A equac¸ ˜ao utilizada para o dimensionamento dos filtros foi:

R · C = 1

ω (9)

Os valores utilizados para os componentes da demodulac¸ ˜ao podem ser vistos na Tabela 6.

(37)

Tabela 6: Componentes utiliza-dos na demodulac¸ ˜ao

Componente Valor R1 33k Ω D1 1N4148 R2 47 kΩ C1 1 nF R3, R5 1 kΩ R4, R6 10 kΩ R7 820Ω C2 1 nF C3 1 nF R8, R9 82 KΩ R10 10 kΩ R11 Potenci ˆometro 20 kΩ R12 1 kΩ R13 Potenci ˆometro 5kΩ Sub, Comp TLV2316

(38)

36

4 RESULTADOS

O sistema completo desenvolvido pode ser visto na Figura 23.

Figura 23: Circuito completo desenvolvido. Fonte: Autoria Pr ´opria.

Para obtenç ão dos resultados, o microcontrolador utilizado MSP430G2553 na unidade sensora simulando os dados como sendo um sinal PWM de 20 kHz. As duas unidades foram dispostas com uma dist ância de 2 mm, como proposto, para que ocorresse a comunicaç ão e transfer ência de energia sem fio. O circuito de demodulaç ão ao recuperar o dado o enviava ao computador via UART. A Figura 23 apresenta o sistema em m ódulos, cada m ódulo representa:

1. Microcontrolador sendo alimentado pela unidade sensora e simulando os dados para envio.

(39)

4.1 Transmiss ˜ao de Energia 37 3. Enlace indutivo com as bobinas separadas por 2 mm.

4. Circuito driver para acionamento do MOSFET do amplificador. 5. Amplificador classe E excitando a bobina.

6. Circuito de demodulac¸ ˜ao.

7. Microcontrolador recebendo os dados do demodulador e enviando via UART para o computador.

8. Computador exibindo os dados recebidos via UART no software AccessPort. 9. Sinal de envio representando os dados.

10. Sinal de sa´ıda do demodulador.

Antes de iniciar-se a avaliaç ão dos resultados um aspecto deve ser esclare-cido: quando dizer-se que a bobina 1 est á ativa, significa que a bobina 1 é a bobina da unidade sensora na qual o fluxo proveniente da unidade de leitura concatena, logo na Bobina 1 haver á a tens ão induzida. Esse aspecto pode ser visto Figura 24 e reforça a Figura 5.

(a) Bobina 1 ativa (b) Bobina 2 ativa

(c) Bobina 3 ativa Figura 24: Variac¸ ˜ao no posicionamento das bobinas da Unidade Sensora.

4.1 TRANSMISS ˜AO DE ENERGIA

Primeiramente, foi avaliada a transmiss ão de energia entre as bobinas do enlace indutivo sem a transmiss ão de dados. As bobinas foram mantidas a uma dist ância de 2 mm e a alimentaç ão do microcontrolador foi efetuada via unidade sen-sora, assim os sinais resultantes da transmiss ão de energia foram avaliados. O sinal de sa´ıda do amplificador classe E pode ser visto na Figura 25.

(40)

4.1 Transmiss ˜ao de Energia 38

Figura 25: Sa´ıda do Amplificador Classe-E sem a transmiss ˜ao de dados.

Os sinais resultantes nas bobinas da unidade sensora podem ser vistos na Figura 26.

(c) Bobina 3 ativa

Figura 26: Sinal nas bobinas da Unidade Sensora sem a trans-miss ˜ao de dados.

(41)

4.2 Transmiss ão de Energia e Dados 39 Figura 26 referente às entradas dos retificadores classe D. Observa-se a transfer ência de energia entre as unidades, a qual ocorreu satisfatoriamente. Nota-se a carac-ter´ıstica do retificador classe D utilizado evidenciada nas Figuras 26a e 26b, as quais ilustram ondas quadrada referente a tens ão de entrada do retificador.

Foi avaliada tamb ém as m áximas dist âncias entre as unidades para as quais o microcontrolador era alimentado com tens ão de no m´ınimo 1,8V. Os resul-tados podem ser vistos na Tabela 7.

Tabela 7: Dist ˆancias M ´aximas entre as Bobinas

Bobina Dist ˆancia (mm)

1 10

2 6

3 8

4.2 TRANSMISS ˜AO DE ENERGIA E DADOS

Para o teste da transmiss ão de energia e dados via enlace indutivo, manteve-se a dist ância de 2 mm entre as unidades, por ém agora al ém do microcontrolador ser alimentado pela Unidade Sensora ele tamb ém enviava o PWM com 20 kHz de frequ ência. A tens ão de alimentaç ão do microcontrolador foi mantida em 1,9 V para as tr ês posiç ões consideradas e representadas na Figura 24. Al ém de cumprir o obje-tivo proposto de 2 mm entre as Unidades foi atingida a dist ância m áxima de 5 mm no qual ainda era poss´ıvel a realizaç ão da comunicaç ão de dados. Os resultados para a dist ância de 5 mm tamb ém s ão apresentados.

Os sinais modulados nas bobinas da unidade sensora juntamente com os dados provenientes do microcontrolador pode ser visto na Figura 27 e na Figura 28.

(42)

4.2 Transmiss ˜ao de Energia e Dados 40

Figura 27: Sinais nas bobinas da Unidade Sensora resultantes da Modulaç ão de Dados para a dist ância de 2mm.

(43)

Figura 28: Sinais nas bobinas da Unidade Sensora resultantes da Modulaç ão de Dados para a dist ância de 5mm.

Na Figura 27, a onda que representa os dados proveniente do microcontro-lador é apresentada juntamente com o sinal modulado na bobina da unidade sensora. Nota-se a conformidade do resultado e o comportamento do modulador escolhido, uma vez que a figura est á de acordo com o apresentado na seç ão de fundamentaç ão te órica na Figura 13.

Os sinais na bobina da unidade de leitura com a transmiss ˜ao de dados podem ser vistos nas Figuras 29 e 30.

(44)

Figura 29: Sinal na bobina da Unidade de Leitura resultante da Modulaç ão de Dados para dist ância de 2 mm.

Figura 30: Sinal na bobina da Unidade de Leitura resultante da Modulaç ão de Dados para dist ância de 5 mm.

(45)

demodu-4.2 Transmiss ão de Energia e Dados 43 lador foram registradas as sa´ıdas do circuito detector de envolt ória e do subtrator, as quais podem ser vistas nas Figuras 31 e 33, respectivamente, para dist ância de 2 mm entre as bobinas e nas Figuras 32 e 34 para dist ância de 5 mm.

Figura 31: Sinal de sa´ıda do circuito Detector de Envolt ´oria para dist ˆancia de 2 mm.

(46)

Figura 32: Sinal de sa´ıda do circuito Detector de Envolt ´oria para dist ˆancia de 5 mm.

Figura 33: Sinal de sa´ıda do circuito Subtrator para a dist ˆancia de 2 mm. Fonte: Autoria Pr ´opria.

(47)

Figura 34: Sinal de sa´ıda do circuito Subtrator para a dist ˆancia de 5 mm. Fonte: Autoria Pr ´opria.

As Figuras 29 e 30 mostram o sinal modulado presente na bobina da Uni-dade de Leitura. Pode-se observar as envolt ´orias desses sinal ao analisar-se as Fi-guras 31 e 32. A envolt ´oria fica mais evidente ao ser observada na sa´ıda do circuito subtrator, como nas Figuras 33 e 34.

Na etapa final os dados originais foram recuperados e podem ser vistos nas Figuras 35 e 36.

(48)

Figura 35: Sinal de Sa´ıda demodulado para dist ˆancia de 2 mm. Fonte: Autoria Pr ´opria.

Figura 36: Sinal de Sa´ıda demodulado para dist ˆancia de 5 mm. Fonte: Autoria Pr ´opria.

As Figuras 35 e 36 apresentam os sinais de sa´ıda resultantes do circuito demodulador e pode-se observar o êxito obtido na demodulaç ão dos dados. Os dados

(49)

4.2 Transmiss ão de Energia e Dados 47 ent ão foram transmitidos via comunicaç ão UART do microcontrolador para o compu-tador, na qual per´ıodo do dado recebido é representado por um byte. A transfer ência dos dados ocorreu da forma esperada tratando-se de dados simulados por uma onda quadrada de per´ıodo fixo, por ém no caso de uma aplicaç ão, os dados s ão vari áveis e sem per´ıodo fixo podendo ent ão perder o sincronismo caso seja implementado o mesmo c ódigo apresentado no Ap êndice A. Logo, no caso de uma aplicaç ão pr ática, sugere-se a implementaç ão de codificaç ão Manchester, por exemplo, a qual solucio-naria esse problema [Bronzino e Peterson 2015].

(50)

48 5 CONCLUS ˜OES

Foi poss´ıvel realizar a transmiss ão de dados e energia com a dist ância igual e maior que proposta entre as unidades, sendo assim provado ser poss´ıvel a realizaç ão da transfer ência de dados e energia por meio do enlace indutivo formado por bobinas 3D. Para chegar-se no desenvolvimento do sistema, foi realizado um es-tudo comparativo entre as diversas t écnicas de desenvolvimento das partes do sis-tema e desenvolvidas as que mais se adequassem aos requisitos de projeto.

Contudo, foram encontradas in úmeras dificuldades na operaç ão do circuito em alta frequ ência. A placa do circuito do amplificador de pot ência teve que ser man-tida separada dos demais circuitos da Unidade de Leitura, bem como a malha de terra do circuito foi mantida a certa dist ância dos trilhos nos quais havia o sinal em alta frequ ência. Caso contr ário, um valor de tens ão era induzido na refer ência interferindo no funcionamento do restante do circuito como um todo.

´

E poss´ıvel afirmar que a biotelemetria é um ramo de estudo da Engenharia Biom édica que est á em evoluç ão. Considerando apenas este trabalho, h á a possibi-lidade de in úmeras mudanças, desde a aquisiç ão de dados reais se um ser-vivo, at é a inserç ão de uma bateria na unidade de leitura tornando o sistema port átil com os dados sendo enviados via Wi-Fi.

Considerando uma poss´ıvel aplicaç ão, deve-se tomar como trabalhos fu-turos o estudo de de dissipaç ão t érmica da unidade sensora, uma vez que devem estar em n´ıveis adequados para implantaç ão em seres-vivos. Al ém disso, estudos mais aprofundados com relaç ão ao comportamento da tens ão de entrada da unidade sensora em funç ão das variaç ões dos ângulos.

Sendo assim, os objetivos propostos foram atingidos em sua totalidade. O objetivo espec´ıfico sobre a determinaç ão da melhor t écnica para alimentaç ão da uni-dade sensora, foi atingido ao explanar-se na fundamentaç ão te órica sobre as diversas t écnicas e concluir com a mais adequada para o projeto. O objetivo espec´ıfico sobre a determinaç ão da melhor t écnica de modulaç ão tamb ém foi atingido do mesmo modo que o objetivo anterior. O último objetivo espec´ıfico foi atingido, obtendo-se dist âncias at é maiores que 2 mm para a transfer ência de dados. Por meio dos objetivos es-pec´ıficos foi poss´ıvel atingir-se o objetivo geral, o qual era desenvolver, implementar,

(51)

5 Conclus ˜oes 49 analisar e avaliar o desempenho de um sistema de biotelemetria alimentado por en-lace indutivo formado por bobinas 3D.

(52)

50

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(55)

53 AP ˆENDICE A - C ´ODIGOS MSP430G2553

A.1 C ´ODIGO MSP430G2553 UNIDADE SENSORA

#include <msp430g2553.h>

int main(void) {

WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;

//Sa´ıda do PWM no BIT 2. P1DIR |= BIT2;

P1SEL |= BIT2;

//Ajustando a frequ^encia para 20 kHz TA0CCR0 = 50; //Duty Cycle de 50% TA0CCR1 = 25; //Modo Set/Reset TA0CCTL1 = OUTMOD_7; //SMCLK e Up mode TA0CTL = TASSEL_2 + MC_1; __bis_SR_register(LPM0_bits); }

A.2 C ´ODIGO MSP430G2553 UNIDADE DE LEITURA

#include <msp430.h>

(56)

A.2 C ´odigo MSP430G2553 Unidade de Leitura 54

unsigned int aux = 0;

void main(void) { { WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; BCSCTL1 = CALBC1_1MHZ; DCOCTL = CALDCO_1MHZ;

//Sele¸c~ao das Portas. BIT 3 ´e a entrada do ADC10.

P2DIR |= 0xFF; P2OUT &= 0x00;

P1SEL |= TXD + BIT3; P1SEL2 |=TXD ;

P1OUT &= 0x00;

//Chamando as fun¸c~oes de configura¸c~ao ini_UART();

ini_ADC();

while(1) {

ADC10CTL0 |= ENC + ADC10SC; VerificaDados();

}

} }

(57)

A.2 C ´odigo MSP430G2553 Unidade de Leitura 55

//RTI ADC

#pragma vector=ADC10_VECTOR

__interrupt void ADC10_RTI(void){ ADC10CTL0 &= ~ENC;

ADC10CTL0 |= ENC; }

void VerificaDados(void){

aux = ADC10MEM;

if (aux > 505){ // Caso o PWM esteja em n´ıvel alto

while (!(IFG2 & UCA0TXIFG)); UCA0TXBUF = 0;

}

else{ // Caso o PWM esteja em n´ıvel baixo

while (!(IFG2 & UCA0TXIFG)); UCA0TXBUF = 1;

} }

void ini_UART(void){

UCA0CTL1 |= UCSSEL_2; //SMCLK

UCA0BR0 = 0x68; //Baud Rate = 9600

UCA0BR1 = 0;

UCA0MCTL = UCBRS_1 + UCBRF_0;

UCA0CTL1 &= ~UCSWRST; IE2 |= UCA0RXIE;

(58)

A.2 C ´odigo MSP430G2553 Unidade de Leitura 56 }

void ini_ADC(void) {

ADC10CTL1 = INCH_3 + ADC10DIV_3; // BIT3 e ADC10OSC/4

ADC10CTL0 = ADC10SHT_3 + ADC10ON + ADC10IE; //Sample and Hold de 64 ciclos ADC10AE0 |= BIT3;

ADC10CTL0 |= ENC; }