cap.1. introducere 2

Prof.Dr.Ing. Sever PACA Circuite programabile cu aplicaii biomedicale

Cap.1. Introducere

1

Cap.1. Introducere

Curs: Circuite programabile cu aplicaii biomedicale

Titular: Prof. Dr. Ing. Sever PACAFacultatea: Electronic, Telecomunicaii i Tehnologia InformaieiCatedra: Electronic Aplicat i Ingineria InformaieiLaboratorul: Proiectarea sistemelor dedicate

Circuite programabile cu aplicaii biomedicale

2Cap.1. Introducere

Cuprins

1. Scopul i importana cursului2. Principiul programabilitii3. Exemplu de structur HW programabil4. Exemplu de structur HW configurabil5. Concluzii referitoare la structuri6. Tendine de dezvoltare7. Exemple reprezentative de aplicaii n medicin8. Bibliografie minimal


Cap.1. Introducere


3Cap.1. Introducere

Obiective

nelegerea principiului de lucru al unui circuit programabil

Prezentarea componentelor de baz ale unui microprocesor elementar

Urmrirea fazelor de execuie ale unei instruciuni nelegerea principiului de lucru al unui circuit

configurabil

Contientizarea importanei electronicii programabile n aplicaiile medicale


Preambul

Diapozitivele a cror coninut conteaz pentru examen sunt marcate cu sigla n dreapta sus.

Pentru examen, suportul de curs (aceste diapozitive), n principiu, sunt suficiente.

Pentru a nelege mai bine, avei i notele de curs (sub forma unei cri n curs de tiprire) care conine materialele n extenso cu explicaii mai cuprinztoare.


Cap.1. Introducere


5Cap.1. Introducere

1. Scopul i importana cursului [1/2] Asistena medical este o component esenial a

oricrei societi moderne care influeneaz n mod hotrtor sntatea populaiei i, implicit, bunstarea acesteia.

O asisten medical de calitate nu poate fi conceput fr aparatur medical performant.

Aparatura medical performant presupune existena unei componente electronice majore care s asigure culegerea datelor i prelucrarea acestora punnd informaia medical ntr-o form ct mai potrivit pentru a fi interpretat de medic.


6Cap.1. Introducere

1. Scopul i importana cursului [2/2] Proiectarea, realizarea precum i performanele

componentei electronice depind, n mod decisiv, de tehnologia momentului.

Scopul cursului este acela de a prezenta principiile de funcionare i a modului de utilizare ale unor circuite digitale complexe programabile i configurabile utilizate pe scar larg n construcia de aparatur medical.

Cunoaterea principiilor de funcionare i a modului de utilizare ale acestor circuite sunt importante att pentru inginerul proiectant ct i pentru inginerul care asigur exploatarea i service-ul acestor aparate.


Cap.1. Introducere


7Cap.1. Introducere

2. Principiul programabilitii [1/3] Se spune despre un circuit integrat digital c este

programabil dac utilizatorul l poate personaliza, prin programare, astfel nct acesta s realizeze o anumit funcie.

Aceste circuite sunt livrate de ctre fabricant fr un anume coninut informaional, ele urmnd a fi personalizate, n funcie de aplicaia dorit, prin programarea fcut de utilizator, fr intervenia fabricantului.

Fabricanii pun ns la dispoziia utilizatorilor resursele hardware i software necesare, sub forma unor medii de dezvoltare, pentru ca utilizatorii s-i poat programa, testa i, la nevoie, depana aplicaia proiectat.


8Cap.1. Introducere

2. Principiul programabilitii [2/3] Exist trei mari categorii de circuite integrate digitale

programabile: circuite de memorie care memoreaz informaia (funcia pe

care trebuie s o realizeze) nevolatil (ROM, PROM, FLASH) sau volatil (RAM);

microprocesoare microcalculatoare care realizeaz anumite funcii prin rularea unui program scris folosind un set prestabilit de instruciuni;

circuite logice programabile la care programarea funciilor logice, care pot varia de la funcii booleene simple pn la automate finite complexe, se face prin arderea sau nu a unor fuzibile sau prin utilizarea unor celule de memorie SRAM a crorconinut furnizeaz circuitului informaiile necesare privind funcia logic care trebuie realizat, conexiunile ntre blocuri etc.


Cap.1. Introducere


9Cap.1. Introducere

2. Principiul programabilitii [3/3] Exist o deosebire esenial n ceea ce privete

programarea microprocesoarelor (microcalculatoarelor) i programarea circuitelor logice programabile.

n cazul microprocesorului, funcia se realizeaz prin rularea unui program scris ca o niruire de instruciuni specifice procesorului. Fiecare instruciune este citit, decodificat, iar apoi, executat de ctre microprocesor.

n cazul circuitelor logice programabile, programarea nseamn alegerea funciilor i a interconexiunilorrealizate de circuit prin arderea unor fuzibile sau prin alegerea coninutului unor celule SRAM. Din acest motiv, se consider c acestor circuite li se potrivete mai mult denumirea de circuite configurabile.


10Cap.1. Introducere

3. Exemplu de structur HW programabil [1/7] Cu ajutorul unui sumator paralel i o serie de pori logice

suplimentare se va realiza o structur HW programabil. Prin aplicarea unei secvene binare pe intrrile de

comand ale circuitului se poate alege una din cele 32 de funcii (operaii) elementare posibil a fi realizate de circuit.

Dac se descompune o aplicaie complex ntr-o succesiune de operaii simple, din cele realizabile de circuit, atunci, prin secvene de comenzi consecutive (programul aplicaiei) aplicate circuitului, acesta v-a realiza funcia complex cerut de aplicaie.


Cap.1. Introducere



3. Exemplu de structur HW programabil [2/7]

Notm cei doi operanzi de patru bii cu X, respectiv Y, iar suma cu S:

X = x3 23 + x2 22 + x1 21 + x0 20

Y = y3 23 + y2 22 + y1 21 + y0 20

S = X + Y = s3 23 + s2 22 + s1 21 + s0 20

Sumator paralel de patru bii




SUMATOR PARALEL DE PATRU BITI

C4

x3 y3

C2

s3

x2 y2

C1

s2

x1 y1

s1

x0 y0

s0

SE SE SE SEC0C3

4 4y30

s30

C4

4

x30

C0

Schema bloc a sumatorului


Cap.1. Introducere




ic ci-1

is

yiix

pigi

Schema sumatorului elementar




0

c=0

c=1

x

xx

c=0

c=1

xx

00

0

000

00 00

0

00

111 1 1

111 1

11

c x c x

xxc*x c x+

Poarta SI Poarta SAU EXCLUSIV

Funcionarea porilor


Cap.1. Introducere




aO

pera

nd A

Ope

rand

B

Functiarealizata

Transport de iesire

Sumatorparalelde 4 biti

3

a

a

a

b

b

b

b

s s s s

x

x

x

x

c

f

f

f

f3

43

3

3

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

22

2

2

2

2

11

1

1

1

1

2

1

0

0

0

0

0

00

4 3

5

4

3

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

s

c

y

y

y

y

Schema sumatorului




s4 s3 s2 s1 s0 Funcia realizat MNEMONICA folosit0 0 0 0 0 0 constant zero0 0 0 0 1 1 constant unu1 1 0 0 0 A + B adunare ADD1 1 0 1 1 A B scdere SUB1 0 0 0 1 A + 1 incrementare INC1 0 0 1 0 A 1 decrementare DEC

Comenzi i funcii realizate


Cap.1. Introducere



4. Exemplu de structur HW configurabil [1/7] Se va exemplifica ideea cu o structur de circuit care s

permit realizarea practic a oricrei funcii booleene.

Orice expresie boolean poate fi scris ca o sum logic de m termeni, fiecare termen la rndul lui fiind un produs logic de n variabile.

Arhitectura de baz a unui circuit logic programabil care lucreaz pe acest principiu va fi format dintr-o mulime (arie) de circuite I, alimentate din exterior cu semnalele de intrare, i o mulime (arie) de circuite SAU, care vor realiza funciile dorite prin sumarea produselor generate de circuitele I.



4. Exemplu de structur HW configurabil [2/7]

Arie decircuite SI

ProduseLogice

circuite SAU

CIRCUIT LOGIC COMBINATIONAL

Intrari IesiriArie de

Arhitectura de baz a circuitului


Cap.1. Introducere



4. Exemplu de structur HW configurabil [3/7] Personalizarea circuitului pentru a realiza o anumit

funcie dorit se face, n cazul de fa, prin programarea conexiunilor necesare realizrii acelei funcii.

Exist mai multe posibiliti de programare a acestor conexiuni n funcie de modul n care este realizat circuitul.

De exemplu, n fiecare punct de interconexiune posibil,fabricantul introduce cte un fuzibil.

Programarea circuitului va nsemna, n acest caz, arderea acelor fuzibile corespunztoare conexiunilor de care nu avem nevoie pentru a ne realiza funcia dorit.



4. Exemplu de structur HW configurabil [4/7] n urma acestui proces de ardere selectiv a fuzibilelor,

putem afirma c am configurat circuitul pentru a realiza o anumit funcie.

Exemplificm prin cazul unui circuit SI cu patru intrri configurat a realiza produsul logic a doar trei variabile.

db a a b db ca d

b da a b c d

FuzibilIntact

FuzibilArs

a

d1b


Cap.1. Introducere



4. Exemplu de structur HW configurabil [5/7] Pentru exemplificare se va considera un exemplu simplu

al unui comparator numeric pentru numere de un bit. Schema bloc i tabelul de funcionare sunt cele de mai

jos.



4. Exemplu de structur HW configurabil [6/7]

Pentru realizarea schemei propuse vom folosi un circuit de tipul PLA (Programmable Logic Area), la care ambele arii sunt programabile.

Circuitul are dou intrri Ai i respectiv Bi i trei ieiri corespunztor rezultatelor comparrii adic A > B, A < B i A = B.


Cap.1. Introducere



4. Exemplu de structur HW configurabil [7/7]Schema comparatorului numeric pentru numere de un bit

a

ay 2

+=_

b

3

a

_

1y

=2

ba

B

y

=

3

_

yy1

_y

Ai i

_ba

a b_

_

a b

bb_a b



5. Concluzii referitoare la structuri [1/3]

Ambele metode de realizare a aplicaiilor ofer avantajul major al flexibilitii, practic neexistnd aplicaii care s nu poat fi realizate n oricare dintre cele dou variante.

Din punct de vedere HW, cele dou metode de realizare a unor aplicaii biomedicale sunt susinute de urmtoarele soluii reprezentative: microcontrolere (varianta programabil), circuite de tip FPGA (varianta configurabil).


Cap.1. Introducere




Programarea microcontrolerelor se face n general n asamblare sau n limbajul C.

Pentru descrierea circuitelor pentru varianta de realizare configurabil sunt folosite limbajele VHDL sau VERILOG configurarea propriu-zis fcndu-se automat cu software specializat.




Din punct de vedere al vitezei de execuie, variantele de realizare cu circuite configurabile sunt mai rapide, iar din punct de vedere al costului de realizare, variantele cu microcontrolere sunt mai ieftine.

Inginerului proiectant i revine sarcina de a alege, pentru o anume aplicaie biomedical, varianta optim din punct de vedere performan cost.


Cap.1. Introducere



6. Tendine de dezvoltare [1/10] Tehnologia actual ofer un volum impresionant de

resurse pe un singur cip sute de milioane de tranzistoare.

Existena acestor resurse ofer posibilitatea inginerilor proiectani de a concepe, pe acelai cip, sisteme ntregi cu grad ridicat de complexitate.

n funcie de domeniul de aplicaie avut n vedere i de gradul de complexitate al aplicaiei, vom regsi n cadrul unei structuri de tipul System on Chip (SoC) componente cum ar fi cele programabile (microprocesoare), cele configurabile (FPGA) i altele. Surs prezentare tendine SoC:

Prof. Dr. Dr. h.c. mult. Manfred Glesner TECHNISCHE UNIVERSITT DARMSTADT



Dezvoltarea System on Chip: Cipurile de ieri devin azi blocuri funconale!

SuntSunt necesarenecesare metodologiimetodologii noinoi de de proiectareproiectare

3.0 1.0 0.5 0.2

20K gatesSchematics & simulation

50K gatesSchematics & Synthesis

500k gatesSimulation,Emulation,Synthesis,

Formal equivalence

2.5 million gatesNew Design Paradigm

Source: ICE

SoC System-on-Chip

6. Tendine de dezvoltare [2/10]


Cap.1. Introducere



Ce este un SoC? Sisteme care integreaz, pe aceeai bucat de

Siliciu, componente eterogene necesit pentru proiectare mai multe tipuri de

resurse software (Electronic Design Automation Tools).

De ce SoCs? (Avantaje) Funcionalitate crescut ncapsulare mai simpl i mai redus Costuri de realizare mai reduse Fiabilitate mrit Consum mai redus de energie

Efect: utilizarea nucleelor IP (IP cores -Intellectual Property)

Source: Dennis Buss, TI

SoC System-on-Chip




Nuclee de microprocesoare CPU, DSP

Memorii RAM (DRAM, SRAM) ROM Flash

Circuite reconfigurabile arii logice programabile (FPGA, CPLD) Interconectri configurabile

Componente micro electro-mecanice (Micro-Electro-Mechanical Systems - MEMS) Pre sczut i performane mbuntite MEMS optice

Circuite analogice, mixte i de radio frecven LNA, VCO, mixere, inductoare CAD i CDA

Software specializat pentru SoCs

Care sunt componentele tipice utiliyate n SoC?



Cap.1. Introducere




Reelele radio (Wireless) sunt potrivite pentru monitorizarea de parametrii sau activiti n unele domenii folosind senzpri integrai i facilitile de comunicaie radio.

Pentru multe aplicaii Standardul existent ZigBeereprezint soluia cea mai potrivit n principal datorit costului redus, consumului redus, a unei instalri uoare i a utilizrii unei benzii libere globale de 2,4 GHz.

ZigBee este construit pe standardul IEEE 802.15.4 i reprezint un protocol standardizat pentru aplicaii wireless n domeniul reelelor radio personale de comunicaie (Wireless Personal Area Network WPAN).

Sisteme Wireless




Principalele caracteristici ale protocolului : global, unlicensed band operation at 2.4 GHz, RF penetration through walls and ceilings (demonstrated 30 m

indoors and 70 m outdoors), automatic or semiautomatic installation, low cost, low data rate (10 Kbs to 115 Kbs).

Suport urmtoarele tipuri de dispozitive: Dispozitive cu funcii reduse Reduced Function Device (RFD), Dispozitive cu funcii complete Full Function Device (FFD).

Standardul ZigBee


Cap.1. Introducere



6. Tendine de dezvoltare [7/10]Modelul tipic al reelei pentru standardul ZigBee



Smart Shirt System (Sensatex) electro-optical fabric

biological sensor data wireless communication infrastructure

application programming interface hardware and software add-ons

washable portable wireless gateway

connection to the internet data processing on a data server

applications child monitoring sports/training vital signs/medical monitoring ...

Personal Computing Space (PCS)


Picture Source: Sensatex Web Pagewww.sensatex.com

Wearables


Cap.1. Introducere



Stationary PC World Dynamic, Real Time Internet Age

Source: Dennis Buss, TI

From the PC Age to the Internet Age




Source: ICE

Semiconductor Market



Cap.1. Introducere



7. Exemple reprezentative medicale [1/9]

Termometrul digital este un dispozitiv esenial utilizat n diagnosticul medical. Creterea temperaturii unei persoane este adesea primul semn al unei infecii sau a multor altor maladii.

Dispozitivele Microchip sunt utilizate n termometru pentru a asigura acuratee, dimensiuni mici i costuri reduse.

Termometru digital (Digital Thermometer)Sursa: www.microchip.com

Termometrul este utilizat pentru msurarea temperaturii corpului uman.



Memoria intern i conectivitatea USB fac posibil identificarea tendinelor de modificare a parametrilor msurai.

Diferenele eseniale ntre implementrile concrete includ interfaa prietenoas cu utilizatorul i acurateea (exactitatea) msurrii.

1.7. Exemple reprezentative medicale [2/9]Tensiometru (Blood Pressure Meter)


Sursa: www.microchip.com

Aparatul pentru msurarea presiunii arteriale permite auto-monitorizarea uoar acas a presiunii arteriale sanguine.


Cap.1. Introducere



Diferenele eseniale ntre implementrile concrete includ uurina de utilizare, dimensiuni convenabile i consum redus.

1.7. Exemple reprezentative medicale [3/9]Glucometru sanguin (Blood Glucose Meters)



Glucometrul este utilizat pentru msurarea concentraiei glucozei n snge, parametru important pentru managementul diabetului.



Dispozitivele Microchip fac ECG-urile mai portabile, mai exacte i mai versatile.

1.7. Exemple reprezentative medicale [4/9]Electrocardiograf (Electrocardiograph)



Electrocardiograful nregistreaz activitatea electric a inimii.

Formele de und rezultate pot fi direct afiate, nregistrate sau analizate n timp real.


Cap.1. Introducere



Produsele Microchip ajut realizarea de concentratoare de oxigen mai eficiente, mai silenioase i extrem de fiabile.

1.7. Exemple reprezentative medicale [5/9]Concentrator de oxigen (Oxygen Concentrator)



Concentratorul de oxigen produce un aer mbogit n oxigen prin eliminarea azotului din aerul ambiant.

Oxigenul este livrat utilizatorului pentru a oferi ajutor n unele boli i situaii.



n anumite boli i situaii, aceast metod de administrare a medicamentelor are avantaje semnificative fa de administrarea oral, hipodermic sau local.

Proiectanii utilizeaz componente Microchip pentru a face dispozitive de electroforez ionic mai sigure, mai versatile i mai uor de utilizat.

1.7. Exemple reprezentative medicale [6/9]Dispozitiv de electroforez ionic (Iontophoresis Device)7. Exemple reprezentative medicale [6/9]


Dispozitivul de electroforez ionic este utilizat pentru administrarea unui anumit medicament prin piele.


Cap.1. Introducere



Valoarea msurat poate fi fie direct afiat, fie transmis altui dispozitiv pentru analiz.

Pulsoximetrul trebuie s fie fizic compact, exact i robust.

1.7. Exemple reprezentative medicale [7/9]Pulsoximetru (Pulse Oximeter)



Pulsoximetrul msoar cantitatea de oxigen nsngele utilizatorului.



Dispozitivul pentru asigurarea unei presiuni respiratorii continuu pozitive (CPAP) asigur o terapie pentru apnea obstructiv n timpul somnului.

1.7. Exemple reprezentative medicale [8/9]CPAP (Continuous Positive Airway Pressure)



Un mic compresor de aer este comandat n funcie de respiraia utilizatorului pentru a menine o presiune constant.

Un dispozitiv CPAP trebuie s asigure o utilizare uoar i o operare silenioas i cu un rspuns rapid.


Cap.1. Introducere



Observm versatilitatea hardware-ului programabil.

Cu un microcontroler, periferice i senzori potrivii, putem realiza cu uurin aplicaii diferite.

Personalizarea se face prin programul scris pentru fiecare aplicaia avut n vedere.

1.7. Exemple reprezentative medicale [9/9]Concluzii




8. Bibliografie minimal[1] Sever Paca, Istvan Sztojanov, Circuite programabile cu aplicaii

medicale, note de curs, n curs de apariie, 2013[2] Randy Katz, Contemporary Logic Design, The Benjamin

Cummings Publishing Company, 1994

[3] John Hennessy, David Patterson, Computer Architecture a Quantitative Approach, Morgan Kaufmann Publisher, San Francisco,1996

[4] Istvan Sztojanov, Sever Paca, Niculae Tomescu, Electronic Analogic i Digital, vol II, Ed. Albastr, Cluj, 2005

[5] Istvan Sztojanov, Microcalculatoare, Ed. Politehnica Press, Bucureti, 2007

cap.1. introducere 2

Documents