RBE. VOL. 7 N. 11990

SISTEMA DE TELEMETRIA BIDIRECIONAL COM APLICAES EMBIOMDICA

por

RN. de LIMAI, RC.S FRElRE2, G.S. DEEp2

RESUMO -- Apresenta-se um sistema de telemetria bidirecional composto deuma unidade central (UC) e de quatro unidades remotas (UR's) para aplicaesem biomdica. Cada unidade baseada no microcontrolador MC68HC1IA8 e nocircuito integrado LM1872. O microcontrolador faz a aquisio, a conversoanalgico/digital e a codificao em largura de pulso dos sinais a seremtransmitidos, alm da decodificao dos pulsos recebidos. O LM1872 faz ademodulao do sinal de RF recebido pela antena, alm da decodificao dospulsos obtidos pela demodulaAo.

INTRODUO

Os sistemas de telemetria so utilizados para a realizao de medidas fsicas eobservao de variveis distncia. Eles so formados, basicamente, de um sensor e de umtransmissor remotos, de um meio de transmisso e de um receptor.

O enlace entre o sensor e o receptor pode ser realizado atravs de cabos eltricos,de portadora em rdio-frequncia, de ondas luminosas (infra-vermelho) e de ultra-som. Osenlaces atravs de cabos eltricos possuem algumas limitaes, tais como: alcance detransmisso para uma dada preciso; baixas taxas de transmisso e perda da capacidade demultiplexao, (Gruenberg, 1967).

Os enlaces atravs de infra-vermelho e de ultra-som tm sido usados em algunstrabalhos (Staskos et Pincock, 1977; Takahashi et Pollak, 1985), porm apresentam algunsproblemas, tais como: consumo elevado, alcance limitado e susceptibilidade ao rudo ambiente,sobretudo no caso de ultra- som.

Com exceo da transmisso de alguns sinais por linhas telefnicas, mais comum ouso de portadora em rdio-frequncia em sistemas de telemetria.

Vrias so as aplicaes a que se destinam os sistemas de telemetria. No setor

I-Mestrando em Engenharia Eltrica, UFPD, Campina Grande-PD2-Professores de Engenharia Eltrica, DEE/UFPB, Campina Grande-PB

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industrial, permitem a medio de grandezas em locais de difcil acesso e em ambientesperigosos (Gruenberg, 1976;Freire, 1988). Na biotelemetria so usados para o monitoramentoclnico de pacientes e para a aquisio remota de dados fISiolgicos de seres humanos e deanimais (Jeutter. 1983).

Na pesquisa biomdica, a telemetria tem sido usada nos seguintes casos: naavaliao das funes fisiolgicas associadas com a mo humana (Freire e Deep, 1989); naavaliao e reeducao da marcha [4]; na avaliao das condies fisiolgicas de atletas durantea prtica de exerccios e na obteno de informaes fisiolgicas de animais (temperaturacorporal, deteco do perodo de ovulao, etc) (Jeutter. 1983).

No monitoramento clnico, a telemetria tem sido usada para avaliar as condies depacientes que se recuperam de ataque cardaco (Jeutter. 1983); para monitorar remotamentepacientes em situao de emergncia, facilitando o diagnstico e a ao quando da chegadadeles em um hospital (Jeutter. 1983); para monitorar pacientes em situao de isolamento(Jeutter. 1983) e para monitorar pacientes durante uma cirurgia, proporcionando-lhe isolaoeltrica (KIey et Davis, 1976).

Eletrocardiograma (ECG), eletroencefalograma (EEG), temperatura, atividaderespiratria e pH so alguns dos principais dados fisiolgicos que podem ser monitoradosatravs de um sistema de telemetria (Freire, 1988; Jeutter, 1983).

o avano da microeletrnica e dos circuitos integrados para desempenhar funescomplexas tem permitido o aumento da versatilidade dos sistemas de telemetria, com umconsequente aumento na confiabilidade e na preciso de medidas. Seguem algumasconsideraes relacionadas com as diversas tcnicas empregadas nos sistemas de telemetria.

A multiplexagem por diviso em tempo usada na maioria dos sistemas detelemetria, permitindo-lhes no s a transmisso de vrios canais, mas tambm, melhoresresoluo, preciso e confiabilidade (Jeutter. 1983). A modulao dupla usada para melhorara relao sinal/rudo e facilitar a transmisso de sinais de.

Essa modulao dupla se apresenta sob diferentes formas em diversos trabalhos, taiscomo: PFM-FM, PWM-AM, PWM-PPM, PCM-PFM, PAM-FM e FM-FM (Freire, 1988).

A escolha do tipo de modulao dupla feita considerando- se alguns aspectos, taiscomo: a largura de faixa disponvel pelo sistema para transmisso; a relao sinal/rudodesejada na sada do sistema como funo da potncia transmitida; a relao sinal/rudo noreceptor acima da qual o sistema deve operar e a eficincia com que o sistema pode utilizar acapacidade de canal (Gruenberg, 1967).

Consumo, peso e tamanho reduzidos so aspectos importantes nos sensorestelmtricos usados em biomdica, sobretudo nos sensores implantveis. Diversos trabalhossobre telemetria de curta distncia j discutiram esses aspectos, alm do tipo de modulao e demultiplexagem, com em Jeutter, (1983).

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o uso de um microcontrolador para a realizao da aquisio; do processamento dedados e da multiplexagem, tambm chamada de codificao, pode reduzir a complexidade dosensor telemtrico, alm de tom-lo mais verstil (Freire e Deep, 1989; Martinet, 1988).

A maioria dos sistemas de biotelemetria composta de um lsensor telemtrico e deum receptor, onde as informaes so enviadas sempre do sensor para o receptor,caracterizando, portanto, um sistema unidirecional.

A comunicao bidirecional necessria em algumas situaes, tais como:

1 - quando se deve mudar os parmetros de medio (ganho dos amplificadores, perodo deamostragem, etc) a partir de processamentos feito pelo receptor;

2 - quando da existncia de um sistema com um s receptor e mltiplos sensores,geograficamente distribudos.

Entre as aplicaes do uso de sistemas de biotelemetria bidirecionais, pode-se citaro monitoramento de vrios pacientes em um hospital ou de vrios atletas durante suasatividades, o qual pode ser realizado a partir de um comando gerado na unIdade central (UC),necessitando, assim, de uma comunicao bidirecional.

A seguir, apresentam-se as consideraes de projeto e de implementao de umsistema de telemetria bidirccional para aplicaes em biomdica.

CONSIDERAES GERAIS DE UM SISTEMA DE TELEMETRIA BIDIRECIONAL

Nos sistemas de telemetria, um sensor telemtrico ou uma unidade remota (UR) faza aquisico, tratamento, codificao e transmisso de dados para um receptor ou uma unidadecentral (UC), que por sua vez faz a demodulao, decodificao, tratamento e armazenagemdos dados recebidos.

A transmisso dos dados, por uma unidade remota, pode ser feita contnua ouperiodicamente. Essa periodicidade pode ser independente ou comandada pela unidade central.

Em alguns sistemas de telemetria, a solicitao de dados feita pela UC a partir dagerao de um campo magntico de valor suficiente para ligar um "reed switch" na UR. Osdados so ento enviados por esta atravs de ondas de rdio (Ayachi, 1984). Entretanto, devidos limitaes inerentes a gerao de um campo magntico para comando de chaves mecnicas, oalcance desses sistemas limitado a algumas dezenas de centmetros.

O alcance pode ser muito maior se a solicitao for feita atravs de ondas de rdio.Neste caso, a UC pode tambm solicitar de uma UR:

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1 - mudanas nas condies de medio, tais como: ganho de amplificadores, intervalo deamostragem, etc;

2 - que seja enviada somente dados referentes a um determinado perodo de amostragem;3 - a sua reprogramao, caso a UR seja baseada em microprocessador.

Generalizando-se este sistema de telemetria bidirecional, chega-se concepo deum sistema representado no diagrama de blocos da fIgUra 1.

Cada uma das unidades central (Ue) e remotas (UR) composta por um receptor eum transmissor.

o sistema apresentado neste trabalho composto de uma unidade central e dequatro unidades remotas, baseadas no microcontrolador MC68HCll e no receptor LM1872. Acomunicao da lUC com uma determinada UR estabelecida depois que a UC envia o cdigocorrespondente a esta UR.

A UC solicita dados de uma UR enviando um cdigo atravs de ondas de rdio, oqual recebido por todas as UR's, mas sendo correspondente apenas a uma delas. Esta URenvia, ento, os dados solicitados, e a UC pode solicitar dados de outra UR.

Os perifricos usados pela UC para comunicao entre operador e o sistema detelemetria, para armazenagem, impresso e visualizao dos dados recebidos das UR's so,respectivamente: teclado, unidade de armazenagem, impressora e visor.

CONSIDERAES DE IMPLEMENTAO DO SISTEMA PROPOSTO

No sistema de telemetria apresentado neste trabalho, usa-se uma dupla modulaopara facilitar a transmisso de sinais dc: a primeira uma modulao em largura de pulso e asegunda uma modulao ASK em rdio frequncia.

Para evitar a utilizao de diferentes portadoras de rdio frequncia e uma faixaespectral larga, optou-se pela utilizao de uma nica frequncia de portadora para todos ostransmissores da UC e das URs. Assim, somente um dos transmissores pode estar transmitindoem um determinado instante.

A faixa de cidado (27MHz) foi escolhida para a primeira implementao pelamaior facilidade de se encontrar no mercado componentes para esta faixa. Entretanto, osresultados tambm so vlidos para uma das faixas de telemetria prximas (30 ou 49 MHz),com fcil adaptao.

O fato de existirem no mercado circuitos integrados especficos para telecomandosimplificou a implementao do sistema de telemetria. Um exemplo desses circuitos o parLM1871 e LM1872, j usado anteriormente em um sistema de telecomando Freire, 1984).

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o LM1871 (National Databook, 1984) um circuito integrado, cuja estruturainterna possibilita, na sua operao normal, a modulao de uma portadora em ASK e agerao de 3 a 6 pulsos modulados em largura de pulso. O nmero de pulsos enviados controlado pelos canais digitais A e B, conforme mostrado na figura 3.

O LM1872 um circuito integrado que possui um amplificador de RF, um osciladorlocal, um misturador, um amplificador de FI, um demodulador e um decodificador. Alm defazer a demodulao do sinal de RF, o LM1872 fornece quatro canais independentes deinformao. Dois desses canais fornecem pulsos modulados em largura enviados pelotransmissor; e os outros dois so canais ONjOFF, que geram um cdigo correspondente aonmero de pulsos enviados pelo LM1871 ou por outro circuito que use a estratgia decodificao dele.

Inicialmente, pensou-se em utilizar esse par. Porm com o uso do microcontroladorpara realizar a aquisio, o processamento e a codificao dos pulsos, exceto a transmisso,optou-se em substituir o LMI871, por um circuito com dois transistores (figura 2) para fazer atransmisso. Apesar de no ser usado o LMI871, a sua estratgia de codifi

Aquisio e processamento de dados

Para tornar o sistema de telemetria mais verstil e confivel, usou-se ummicrocontrolador na UR para realizar a aquisio e processamento dos dados e na UC paraimplementar a lgica de controle do sistema, alm da aquisio e processamento de dados.

o microcontrolador escolhido do tipo MC68HCl1A8 e tem uma configuraointerna com 8k de memria ROM, 512 bytes de EEPROM, 256 bytes de RAM, um conversorA/O de 8 bits com oito entradas multiplexadas, um temporizador de 8 bits com 3 entradas, 4sadas e 1 entrada/sada, comunicao srie sncrona e assncrona e duas portas paraendereos/dados.

Na figura 5, apresenta-se a configurao geral das unidades remotas e central. Adiferena entre elas que na UC no h aquisio dos sinais, portanto as entradas PEO, PEl ePE2 no so usadas.

Quando nenhum dado est sendo enviado ou solicitado, todas as unidades devemficar em estado de espera com seus receptores ligados e transmissores desligados, bastando paraisso fazer o pino do microcontrolador PA4= "O", atravs de software.

Para a central solicitar dados de uma unidade remota (ver figura 6), ela deve enviaruma sequncia de pulsos, com um nmero de pulsos que corresponda ao cdigo AB de 2 bits,referente a UR da qual se deseja obter dados (figura 3). Observa-se que este sistema detelemetria poder ter no mximo 4 unidades remotas, salvo ser for utilizada outra estratgia decodificao, como discutido nas concluses deste trabalho.

A sequncia de pulsos gerada no microcontrolador e modula em ASK a portadorade rdio-frequncia a partir do pino PA4.

Na unidade remota, o receptor LM1872 faz a demodulao e ienvia para omicrocontrolador o cdigo AB de 2 bits atravs de suas entradas PCO e PCl, os pulsosdecodificados PI e P2 atravs das entradas PAO e PAI e o sinal de sincronismo, Vsync atravsdo comparador e de seu pino PA2.

O microcontrolador fica testando continuadamente a entrada PA2 para detectaruma transmisso de outra unidade. Caso ela indique a presena de algum sinal, omicrocontrolador testa as entradas PCO e PCI com o cdigo armazenado na sua EEPROM.

Depois de detectado o seu cdigo, o microcontrolador faz a aquisio dos dados nassuas entradas analgicas PEO, PEl e PE2 e gera uma sequncia de pulsos na sada PA4 a partirdos dados obtidos no seu conversor A/O. Esta sequncia de pulsos modula a portadora emASK.

O receptor LMI872 da central recebe ento os dados modulados em largura depulsos. Atravs de seu temporizador, o microcontrolador decodifica as larguras dos pulsos,

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obtendo, assim, os dados solicitados.

Nessa fase inicial, foram feitos alguns testes que consistiram na transmisso erecepo de sinais dc. Os resultados obtidos foram satisfatrios. A estratgia de comunicaousada, foi a j descrita anteriormente, onde a UC solicita dados de uma UR, porm outrasestratgias esto em fase de implementao, atravs de software.

CONCLUSES

Apresentou-se um sistema de telemetria bidiredonal para aplicaes em biomdica,formado por uma central e quatro unidades remotas. Este sistema b~seado nomicrocontrolador MC68HCI1.

o nmero d:: unidades remotas pode ser an:pliado sem necessidade de l'Umentllf acomplexidade dos circuitos.bastando para isso modificar o software. Uma po

;1/1:1 URl~'Y UR2

L1 URn

Figura 1. Sistema de telemetria com unidade central e n unidades remotas.

Figura 2. Transmissor Ask.

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--CJ--D--D-O-{ .......

Figura 3. Sinais Gerados e decodificados.

. "I'lt.J '='

Figura 4. Receptor com LM1872.

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AOI

A

A.ee

A.e

Figura S. Transmissor, receptor e microcontolador de cada unidade.

REFERNCIAS

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BIDIRECI10NAL TELEMETRY SYSTEM FOR APPLlCATION IN BIOMEDICAL SYSTEM

ABSTRACf- A bidireetional telemetry system consisting of a central unit and 4remote units, for applications in biomedical systems is described. Each unit isbased on 68HCllA8 microcontrolIer and integrated circuit LM1872. The. dataacquisition, A/D conversion and coding of input signals based on pulse width,besides the demodulation of the PWM pulses in the receiver, are done in themicrocontroIler. The dcmodulation of rf signals and decoding of. the pulsesobtained after demodulation is done in the intcgrated circuit LM1872.

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Figura 6. fluxograma de comunicao. ql!ando a ue solicita dados de uma UR.

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