Desenvolvimento e Validação de um Conversor Analógico/Digital para Aquisição e Registros de sinais em Matrizes Multi Eletrodo

Desenvolvimento e Validação de um

Conversor Analógico/Digital para Aquisição e

Registros de sinais em Matrizes Multi

Eletrodo

9o. Encontro de Registros Multieletrodos 9o. Encontro de Registros Multieletrodos

Julho de 2013

Francisco Fambrini – Faccamp

Matriz MEA60 padrão Multichannel

Systems

Soquete para MEA60, versão final

• Foi desenhado, prototipado e validado soquete para MEA60 (Novembro

Trabalho anterior: Simulador MEA-SG

• Desenvolvido e testado um simulador eletrônico, microcontrolado, com o

Trabalho anterior: Amplificador para Matriz

Multi-eletrodo

• Desenvolvido e implementado amplificador para sinais elétricos em matriz

Testando o Amplificador

Conversor Analógico/Digital (DAQ)

• Os sinais elétricos presentes nos terminais do soquete da matriz multi-eletrodo são analógicos, de baixa amplitude (entre 5 uV e 200 mV);

• Para serem registrados no computador PC esses sinais precisam ser digitalizados,

Parâmetros importantes do ADC

1-Resolução

2-Taxa de Amostragem (Sample Rate) 3-Faixa dinâmica

Teorema da Amostragem de Nyquist–Shannon

• Um Sinal ou função é limitado em banda se não contém energia em

frequências maiores do que o limite de banda B.

• O teorema da amostragem assegura que as amostras discretas

uniformemente espaçadas são uma representação completa do sinal, se sua largura de banda é menos do que a metade da taxa de amostragem.

• A condição suficiente para uma exata reconstrução a partir das amostras • A condição suficiente para uma exata reconstrução a partir das amostras

em uma taxa de amostragem uniforme (em amostras por unidade de tempo) é que a Frequência de Amostragem seja maior do que duas vezes o limite de banca B.

Nosso protótipo preliminar

• Proposta: utilizar o conversor AD do microcontrolador PIC18F4620: 12

bits, sample rate maximo de 10 KHz, até 12 canais multiplexados, dos quais são testados apenas 2 canais por enquanto.

Firmware gravado no microcontrolador

set_adc_channel (0); //canal 0

delay_us(20);

M1 = read_adc(); // faz a leitura do CH0

set_adc_channel (1); // canal 1

set_adc_channel (1); // canal 1

delay_us(20);

M2 = read_adc(); // faz a leitura do canal 1

tecla = getch( ); //espera o computador pedir o dado

Filtros: Analógicos e Digitais

• Filtros analógicos são construídos utilizando-se hardware (indutores,

resistores, capacitores e amplificadores operacionais). Filtros Digitais podem ser implementados apenas por software ou em FPGAs.

Filtro passa-baixa analógico remove o ruído de alta frequência presente no sinal antes do conversor analógico-digital (A / D).

Desta maneira, o código de saída digital obtido na conversão não contém harmônicas indesejáveis (alias).

Em contraste, a um filtro digital pode ser utilizado para reduzir o ruído em banda de freqüência, usando técnicas de cálculos de médias.

Usando scripts do Matlab

y = zeros(1,N); % Tamanho fixo é mais rápido.

for i=1:N

fprintf( s, '%s', 'a'); fprintf( s, '%s', 'a');

y(i) = str2num( fscanf(s,'%s') ); end

fclose(s);

plot(seq,y); % função lenta executada fora do loop.

xlabel('registro'); ylabel('Tensao (mV)');

Matlab – script 2

•

Esse script apresenta uma segunda figura que mostra o conteúdo

espectral (no domínio da frequência) do sinal amostrado pelo DAC,

aplicando FFT (Fast Fourier Transformer). O trecho abaixo aplica o

FFT sobre as amostras e plota a figura:

figure(2)

L=length(y);

NFFT = 2^nextpow2(L);

NFFT = 2^nextpow2(L);

Y = fft(y,NFFT)/L;

f = Fs/2*linspace(0,1,NFFT/2+1);

plot(f,2*abs(Y(1:NFFT/2+1)))

title('Espectro de Amplitude em Frequencia Unilateral de y(t)')

xlabel('Frequencia (Hz)')

Analisador de Espectro

Plotando 2 canais simultaneamente

• Um terceiro script escrito em Matlab é capaz de plotar 2 canais do conversor

simultaneamente, em baixa velocidade, video no Youtube:

Filtrando artefatos

O principal ruído a ser filtrado é o de frequência igual a 60 Hz, proveniente da rede elétrica. Esse ruído aparece mesmo quando se alimenta o sistema com baterias, pois o sistema capta a EMI (Interferência Eletromagnética) dos fios próximos ligados às tomadas. Um filtro muito usado, por hardware é o chamado Filtro

Filtro Notch por hardware

Filtro Notch por software

É possível economizar hardware, implementando-se um filtro notch por software de modo muito simples no Matlab. O trecho de código abaixo implementa-o no Matlab e é usado no script-3 com a finalidade de

melhorar a filtragem de 60 Hz. A variável que armazena os valores a serem plotados no eixo y é ‘m’. A e B determinam a largura de banda do filtro.

% Filtra m com 60 Hz - notch filter

Wo = 60/(Fs/2); BW = Wo/35; Wo = 60/(Fs/2); BW = Wo/35; [b,a] = iirnotch(Wo,BW);

y = filter(b,a,m);

Filtros digitais recursivos, ou do tipo IIR (Infinit Impulse Response), são aqueles que possuem componentes de realimentação, produzindo um efeito mais intenso na curva de atuação do filtro, e com isto, reduzindo a ordem do filtro.

Filtro IIR no Matlab

Implementando um filtro passa-baixas IIR no

Matlab:

Equação a diferenças do filtro:

y(n)= K*x(n) +y(n-1)*(1-K)

Código no Matlab, simula um sinal senoidal com ruído para

testar os filtros por software

K=1/2^12 b = K a = [1 -(1-K)] Fs=200; % Frequencia de Amostragem Ts=1/Fs; Nx=5000; % numero de Amostras nT=Ts*(0:Nx-1);

fin=10; % frequencia do Sinal fin=10; % frequencia do Sinal

randn('state',sum(100*clock)); %gerando sinal aleatorio com ruido noise=randn(1,Nx); % simulando ruido

noise=noise-mean(noise);

xin=200+9*(cos(2*pi*fin*nT)); xin=xin+noise;

out = filter(b,a,xin); plot(out,xin);

Aliasing

•

Aliasing é o fenômeno através do qual sinais

de frequências diferentes se tornam

indistinguíveis quando amostrados através do

uso de um conversor AD.

Frequencia de Nyquist e Aliasing

Exemplo: Deseja-se ler apenas as frequencias f1 e f2. Note-se que f3 reside na banda de transição do filtro.

Assim, a frequência f3 indesejada foi atenuada, mas sua imagem ainda é amostrada. Note-se também que f4 foi completamente eliminada, porque está acima da faixa de transição.

Filtros Anti-aliasing

•

Filtro RC passa-baixas passivo de 1ª ordem

Como resolver o problema da frequência

imagem f3 ?

• Resposta: usando-se filtros anti-aliasing ativos, com maior taxa de

atenuação por década.

Curva do Filtro Ideal

4 Curvas para Filtros reais

4 tipos de filtros ativos

Butterworth de 4ª ordem _{Chebysev de 3ª ordem}

Ruído de quantização

• O sinal (onda retangular) gerado internamente pelo funcionamento do

conversor AD subtrai-se por “batimento” do sinal que está sendo

Software grátis para Aquisição de dados

Oscilloscope program library: Michael Bernstein, Ju l 2009 http://www.oscilloscope-lib.com

Software de Aquisição de dados rodando no

DAQ

Experimento da folha de árvore na

MEA

Videos no Youtube mostrando os

testes do sistema

1 - Teste do Conversor AD (Fambrini e Saito DAQ)

https://www.youtube.com/watch?v=FYGL5N2hOxE&feature=c4-overview&list=UU5oogEX4pk7PqJuDq6gG7QA

2 - Teste do MEA-SG + amplificador

https://www.youtube.com/watch?v=WTIEb4PUQFo&feature=c4-overview&list=UU5oogEX4pk7PqJuDq6gG7QA

3 - Teste com matriz multi-eletrodo e folhas de arvores com osciloscopio convencional

https://www.youtube.com/watch?v=U4eUE929JRY&feature=c4-overview&list=UU5oogEX4pk7PqJuDq6gG7QA

4 - Teste do sistema de aquisição de dados completo de 1 canal, com folhas de arvores na matriz e também com o MEA-SG

Melhorias a implementar no DAQ

1-Aumentar a resolução do conversor AD, de 12 bits para 16 ou

24 bits;

2-Aumentar a velocidade de transferência de dados entre o

Conversor AD e a porta USB;

3-Usar microcontrolador com DMA (acesso direto a memória);

4-Usar técnicas de buffer de dados para aumentar a velocidade

4-Usar técnicas de buffer de dados para aumentar a velocidade

de aquisição de dados;

5-Fazer um software especifico (em C++ ou Visual Studio) para

registrar os dados, que seja mais leve e mais rápido do que o

Matlab.

Referências

1-Apostila sobre conversores AD on-line:

http://paginapessoal.utfpr.edu.br/rosangela/lcd-e-adc/Dig2Cap4-Conversor%20DA%20e%20AD.doc/view

2-Comunicação Microcontrolador e Matlab:

http://kr3l.wordpress.com/2008/06/23/scope-with-pic-microcontroller-and-matlab/

matlab/

3-Software gratuito de aquisição de dados:

http://www.msp430launchpad.com/2010/12/njcs-launchscope-launchpad-oscilloscope.html

4-DAQ32:

OBRIGADO !

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