PIBIC / PIBITI / PIBITI / ICJr
Relatório Relatório das Ativid ades de Pesqu P esqu isa 24ªSE 24ªSE MIC - 20 15
ATIVIDADES EXECUTADAS PELO BOLSISTA BOLSISTA / VOLUNTÁRIO DADOS DE IDENTIFICAÇÃO: Do bolsista: Nome: Leonardo Montes Aligleri Curso: Engenharia Elétrica Período total de vigência da bolsa: de 01/08/2013 a 31/07/2016 Período de(tempo vigência da bolsa: de 01/11/2014 até o momento. em que o aluno ficou na bolsa) Tipo de bolsa: PIBIC/CNPq Do orientador: Nome: Pedro Lopes de Melo Unidade Acadêmica: Instituto de Biologia Roberto Alcantara Gomes Dos colaboradores (máximo de 3): Nome: Unidade/IES: Do Projeto aprovado para bolsa(s) PIBIC: Título do Projeto: Estudos experimentais e desenvolvimento de novos instrumentos visando o aprimoramento dos métodos de diagnóstico, telemedicina e terapia de doenças respiratórias
Informarapoio Informar apoio financeiro ao projeto por agências como CNPq, FAPERJ, CAPES, FINEP, PETROBRAS, MCT: (OBS.: Bolsas PIBIC, PIBITI e IC Jr não serão consideradas)
CNPq - Produtividade em Pesquisa nível 1D; Bolsa IC 2014 e Universal 2013. FAPERJ – APQ1 APQ1 2013; APQ1 2014; bolsa FAPERJ/UERJ InovUERJ nível superior 2013; PROCIÊNCIA 2014. RELATÓRIO: I - Título do Trabalho do Bolsista: Sintetizador de baixas freqüências baseado em Arduíno para o estudo do sistema respiratório II - Principais objetivos do projeto p rojeto original: Construir um sintetizador de sinais de dois canais que gere um somatório de senóides com freqüência(s) e defasagem(s) ajustáveis, capaz de servir de modelo para emular grandezas físicas mensuráveis do corpo humano.
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III - Principais etapas executadas no período da bolsa visando ao alcance dos objetivos: Durante o desenvolvimento foram estudadas duas alternativas para o sintetizador, que são a alternativa analógica e a alternativa digital.
Alternativa analógica (monofrequência): Foi construído um defasador analógico variável baseado no circuito proposto pela CALTECH através da apostila Analog Electronics Active Filters publicado pelo Sophomore Physics Laboratory. O circuito, que pode ser visto na figura 1, modifica a fase do sinal de entrada, a variação da fase pode ser controlada através to potenciômetro R. Sua principal desvantagem é a dependência do quanto o sinal é defasado com a freqüência de sinal, como pode ser visto pela equação1. (1)
Figura 1. Circuito defasador analógico
Alternativa digital (monofrequência) Para a alternativa digital foi utilizado um Arduíno, que é descrito pelo fabricante como “... uma plataforma eletrônica open-source baseado em hardware e software de fácil utilização. É destinado para qualquer um fazer projetos interativos”. O Arduíno escolhido foi o Due que possui um micro-controlador AT91SAM3X8E da ATMEL ATMEL que tem um DAC integrado com resolução de 12bits, Sendo essa a principal razão para a sua escolha. O Arduíno foi programado utilizando-se a IDE Arduíno 1.5.8 beta, que no momento em que foi desenvolvido o programa era a única IDE compatível com o este Arduíno. Na figura 2 é possível observar o Arduíno DUE e a ide utilizada para sua programação.
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Figura 2 – Placa Arduíno Due e IDE Arduíno 1.5.8 beta
Com esse Arduíno foi possível gerar sinais de 0.1Hz - 240 Hz com tensão de saída de 2,18VPP e um offset de 1,64V. Para que fosse possível o ajuste do offset e da tensão de saída foram desenvolvidos um pares de circuitos analógicos baseados em amplificadores operacionais capazes de modificar o offset de cada canal individualmente para valores entre ±10V, a modificação é feita por um circuito somador tensão onde a tensão de referencia fornecida por um REF02 e ajustada por um potenciômetro. Um segundo par de circuitos é capaz de amplificar o sinal por um fator de 0V/V a 3 V/V. Na figura 3 pode-se ver o acabamento final após a montagem, Já na figura 4 é possível observar o diagrama esquemático da parte analógica do circuito.
Figura 3 - Gerador de sinais
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VDD
VSS 5V
VCC
R3
200KΩ
VCC 220kΩ VCC
U2 Vin GND
15V R1
15V U1A
2
Entrada CH1
1
220kΩ
TL084CN
BNC
TL084CN
5
7 5
J1
7
4
150kΩ
2
TL082CD
4
1 3
6
trim
REF02CZ
R4 110kΩ
TL082CD
VEE
VCC 15V
-15V
VEE
VEE VDD
VSS 5V
-5V
J2
5KΩ
VCC
R7 50KΩ
BNC
220kΩ VCC
11
C1 1mF
15V 11
U1D
13
C2 1mF
U1C
9
R6
16kΩ
14
8
220kΩ
TL084CN
12
15V
VCC 15V
Entrada CH2
8
-15V
4
-15V
R5
U3B
4
R9
3
6
R2
66kΩ
U1B
11
Vout
-15V
U3A
8
-5V
VEE 15V
15V
VCC
11
150kΩ R10
VEE
TL084CN
10
4
-15V
4
R8 110kΩ
-15V VEE
-15V VEE
VDD
VSS
5V
UERJ - Universidade do Estado do Rio de Janeiro Circuito Para Ajuste de Ganho e Offset com 2 Canais Independentes -5V LIB - Laboratório de Instrumentação Bioméd ica
Autor: Leon ardo Montes Aligleri
5KΩ
Orientador: Pedro Lopes de Melo
Data: 07/11/2014 Revisão: 1.0
Figura 4 – Circuito para ajuste do offset e da amplitude
Alternativa digital (multifrequência) Esta alternativa utilizou a mesma montagem que o anterior (o mesmo hardware) tendo sido modificado apenas o software para que fosse possível a geração do somatório de freqüências. Nessa modificação devem ser inseridas no código do programa as freqüências desejadas, suas respectivas defasagens e sua amplitude relativa às demais senóides, e então deve ser carregado o programa no gerador de sinais. O sinal é gerado nos dois canais, porem as configurações de defasagem e amplitude relativa somente são aplicadas ao canal um, no canal dois todas as defasagens são de 0º e amplitude relativa unitária. Nessa configuração ainda é possível alterar os valores de offset e amplitude durante o uso, porem não e possível alterar a freqüência, defasagem e amplitude relativa, para isso é necessário carregar novamente o programa com as devidas alterações.
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Software para medição da diferença de fase Foi desenvolvido no ambiente gráfico LabVIEW uma aplicação capaz de medir a diferença de fase entre as componentes de um somatório de senóides, sendo necessário para isso que cada componente desse somatório possua também uma senóide de referencia com fase conhecida. A aquisição do sinal é feita através do DAQ NI USB-6009 da National Intruments que é responsável por converter os sinais analógicos para grandezas digitais. Os dados aquisitados são analisados pela VI Spcetral Measurements e de seu resultado são extraídas as informações desejadas de amplitude e fase, sendo que a fase é medida entre uma senóide e sua correspondente de mesma freqüência no outro canal. Seu diagrama esquemático pode ser visto na figura 7.
Figura 7 – Diagrama esquemático do software desenvolvido em LabView
Seu painel frontal, foi desenvolvido de modo a apresentar os sinais aquisitados suas informações de amplitude e as fases relativas. Na figura 8 é possível visualizar o painel frontal desenvolvido.
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Figura 8 – Painel frontal do software desenvolvido em LabView
IV - Apresentação e discussão sucinta dos principais resultados obtidos:
Alternativa analógica Com a alternativa analógica foi possível realizar a defasagem entre as senóides, porem, como esperado, foi possível perceber que a resposta em freqüência da defasagem não era linear e que seria difícil de operar o circuito na faixa de freqüência desejável.
Gráfico 1 - Capacidade de defasagem do circuito
Alternativa digital (monofrequência)
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Na alternativa monofrequência digital obteve-se a defasagem esperada com erro absoluto menor que 0,07º, e uma relação sinal/ruído (harmônicos) maior que 45dB. Na figura 5 é possível observar o sinal gerado, e sua analise FFT, o conjunto foi configurado para operar a 5Hz e uma defasagem de 45º.
Figura 5 – Sinal gerado e FFT
Alternativa digital (multifrequência) Na alternativa digital multifrequência também se obteve a defasagem com um erro absoluto Maximo menor que 0,07º, porem obteve-se uma melhor relação sinal harmônico, isso porque para as freqüências escolhidas, em geral, o harmônico também era um sinal desejado. O sinal gerado, bem como e sua analise de fase e frequência podem ser vistos na figura 6.
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Figura 6 - Analise do Sinal gerado pela alternativa digital (multifrequência) com o software desenvolvido em LabView
Software para medição da diferença de fase
Esse software foi desenvolvido visando verificar se os sistemas descritos anteriormente estavam funcionando como previsto. Nesse quesito ele apresentou um bom funcionamento. Na figura 6 é possível observá-lo em uso medindo fase e amplitude relativa entre um somatório de senóides. V - Relacione os principais fatores negativos e positivos que interferiram na execução do projeto. A. FATORES POSITIVOS: - Experiência enriquecedora em diversas áreas. - O aprendizado de programação na linguagem gráfica LabVIEW - A ajuda do orientador permitiu a aprendizagem de novos conhecimentos, relacionados às áreas de programação, construção de hardware, etc... - A disponibilidade de um computador exclusivo para e elaboração deste projeto no laboratório.
B. FATORES NEGATIVOS:
O desconhecimento prévio das diversas áreas abordadas tornou lento o inicio do projeto.
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VI - Informe se houve produção científica no período: Trabalhos publicados e/ou aceitos para publicação: Apresentações em Congressos: VII - Informe se houve atividades desenvolvidas em outras IES (Instituição de Ensino Superior): VIII - Autoavaliação do bolsista:
O projeto foi de grande importância no sentido de proporcionar a ambientação com as tecnologias utilizadas, a experiência de planejamento e construção dos hardwares e softwares desenvolvidos. O contato com outras áreas de conhecimento ajudou a desenvolver as habilidades de criação com base em requisitos necessários, e ajudou a melhorar a comunicação com diferentes áreas de conhecimento, alem de permitir a interação com áreas da engenharia que não são normalmente abordadas nos cursos de graduação.
IX - Avaliação do bolsista pelo orientador: O bolsista desempenhou com competência e dedicação suas tarefas. A etapa de divulgação dos instrumentos e dos resultados obtidos encontra-se em fase inicial. Em nome de toda a equipe do Laboratório de Instrumentação Biomédica da UERJ, o bolsista e o coordenador do projeto agradecem a UERJ pelo apoio financeiro.
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