Elektr

İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ  FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
MİKROİŞLEMCİ TABANLI BİYOLOJİK VERİ TOPLAMA SİSTEMİ
YÜKSEK LİSANS TEZİ
Tolga Çırak
Anabilim Dalı : Elektronik ve Haberleşme Müh.
Programı : Biyomedikal Mühendisliği
Tez Danışmanı: Doç Dr. Mehmet Korürek
EYLÜL 2009
İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ  FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
MİKROİŞLEMCİ TABANLI BİYOLOJİK VERİ TOPLAMA SİSTEMİ
YÜKSEK LİSANS TEZİ
Tolga Çırak
(504051408)
Tezin Enstitüye Verildiği Tarih : 07 Eylül 2009
Tezin Savunulduğu Tarih : 11 Eylül 2009
Tez Danışmanı : Doç. Dr. Mehmet Korürek (İTÜ)
Eş Danışman :
Diğer Jüri Üyeleri : Doç. Dr. Zümray Dokur Ölmez (İTÜ)
Prof. Dr. Serhat Şeker (İTÜ)
EYLÜL 2009
ÖNSÖZ
“Mikroişlemci Tabanlı Biyolojik Veri Toplama Sistemi” isimli yüksek lisans tez çalışmamı
tamamlamış bulunmaktayım. Bu çalışmanın gerçekleştirilmesinde yardım, destek ve
katkılarını eksik etmeyen değerli hocalarıma, arkadaşlarıma ve aileme sonsuz
şükranlarımı sunarım. Tez çalışmamın her aşamasında büyük emeği bulunan,
karşılaştığım her tür sorunu aşmamda sabırla yol gösteren, engin tecrübesi ve özverisi ile
bilimsel düşünce ufkumu genişleten danışman hocam Sayın Doç.Dr. Mehmet Korürek’e;
değerli fikirleriyle bana yol gösteren Sayın Ahmet İhsan Yüce’ye sonsuz şükranlarımı
sunarım. Yaşantım boyunca her konuda desteklerini sürdüren, bugünlere gelmemde
büyük vesile olan sevgili anneme, babama ve kardeşime sonsuz şükranlarımı sunarım.
Eylül 2009
Tolga Çırak
Elektronik ve Haberleşme Müh.
iii
iv
İÇİNDEKİLER
Sayfa
ÖNSÖZ ....................................................................................................................... iii
İÇİNDEKİLER .......................................................................................................... v
KISALTMALAR ..................................................................................................... vii
ÇİZELGE LİSTESİ .................................................................................................. ix
ŞEKİL LİSTESİ ........................................................................................................ xi
ÖZET........................................................................................................................ xiii
SUMMARY .............................................................................................................. xv
1. GİRİŞ ...................................................................................................................... 1
1.1 Tezin Amacı ....................................................................................................... 3
1.2 Literatür Özeti .................................................................................................... 3
2. LİNER DEĞİŞEN FARK TRANSFORMATÖRÜ............................................. 7
2.1 Amaç .................................................................................................................. 7
2.2 LVDT Algılayıcıların Çalışma Prensibi ............................................................. 7
2.3 LVDT Kuvvetlendiricilerin Çalışma Prensibi.................................................. 10
2.4 Tasarlanan LVDT Kuvvetlendirici ................................................................... 11
3. KÖPRÜ KUVVETLENDİRİCİ.......................................................................... 13
3.1 Amaç ................................................................................................................ 13
3.2 Gerinim Ölçerler............................................................................................... 13
3.3 Köprü Kuvvetlendiricilerin Çalışma Prensipleri .............................................. 14
3.4 Tasarlanan Köprü Kuvvetlendirici ................................................................... 16
4. ISILÇİFT KULLANILARAK HASSAS SICAKLIK ÖLÇÜMÜ ................... 19
4.1 Amaç ................................................................................................................ 19
4.2 Sıcaklığa Bağımlı Direnç (RTD)...................................................................... 19
4.3 RTD Kuvvetlendiricileri Çalışma Prensibi ...................................................... 21
4.4 Tasarlanan Isılçift Sıcaklık Ölçme Devresi ...................................................... 23
5. EMG ELEKTROT TASARIMI ......................................................................... 27
5.1 Amaç ................................................................................................................ 27
5.2 EMG İşaretlerinin Genel Yapısı ....................................................................... 27
5.3 Kas (EMG) Gürültüsü ...................................................................................... 28
5.4 Elektronik Cihazlardan Kaynaklanan Gürültüler ............................................. 29
5.5 Elektrokoter Gürültüsü ..................................................................................... 29
5.6 Hareket Gürültüsü ............................................................................................ 29
5.7 Tasarlanan Aktif EMG Filtre ........................................................................... 30
6. SAYISAL VERİ TOPLAMA BÖLÜMÜ ........................................................... 33
6.1 Amaç ................................................................................................................ 33
6.2 Tasarlanan Merkez Ölçüm Sistemi .................................................................. 33
6.3 ADC Çevirici Devre Tasarımı.......................................................................... 34
6.4 Mikroişlemci Devre Tasarımı .......................................................................... 38
6.5 Güç Katı Devre Tasarımı ................................................................................. 41
6.6 Cihaz İçerisinde Kullanılan Kartlar.................................................................. 42
v
6.7 Tasarlanan Cihazın Görünümü ......................................................................... 44
6.8 Yazılım Tasarımı .............................................................................................. 45
KAYNAKLAR .......................................................................................................... 47
EKLER ...................................................................................................................... 49
vi
KISALTMALAR
LVDT
CMRR
ECG
EMG
ADC
SMPS
NTC
: Linear Variable Differential Transformer
: Common Mode Rejection Ratio
: Electrocardiogram
: Electromyogram
: Analog Sayısal Dönüştürücü
: Anahtarlamalı Güç Kaynağı
: Negative Temperature Coefficient
vii
viii
ÇİZELGE LİSTESİ
Sayfa
Çizelge 4.1 : 10K NTC sıcaklık-ADC değeri tablosu.
ix
20
x
ŞEKİL LİSTESİ
Sayfa
Şekil 2.1 : LVDT giriş ve çıkış işaretleri ..................................................................... 8
Şekil 2.2 : LVDT çalışma prensibi. ............................................................................. 9
Şekil 2.3 : Basit bir LVDT dedektörü........................................................................ 10
Şekil 2.4 : Yön bilgisi elde etme, LVDT sürme ve işaret işleme düzeneği. .............. 10
Şekil 2.5 : LVDT kuvvetlendirici devre şeması. ....................................................... 11
Şekil 2.6 : Analog bölme ve seviye kaydırma devresi............................................... 12
Şekil 3.1 : Yapıştırılabilir türden bir gerinim ölçer elemanı. ..................................... 13
Şekil 3.2 : Kuvvet çubuğunun bir yüzüne yapıştırılmış köprü. ................................. 14
Şekil 3.3 : Kuvvet uygulama çubuğunun iki yüzüne yapıştırılmış ............................ 14
Şekil 3.4 : Kuvvet çubuğuna 4 adet yapıştırılmış köprü............................................ 15
Şekil 3.5 : Tasarlanan köprü kuvvetlendiricisi blok şeması. ..................................... 16
Şekil 3.6 : Enstrümantasyon kuvvetlendirici ............................................................. 17
Şekil 4.1 : NTC elemanının sıcaklık-ADC değeri grafiği ......................................... 21
Şekil 4.2 : Isılçift kuvvetlendirici devre şeması. ....................................................... 22
Şekil 4.3 : NTC ölçme devresi ve pasif alçak geçiren filtre yapısı............................ 22
Şekil 4.4 : NTC ölçme ve ısılçift ölçme blok diyagramı. .......................................... 24
Şekil 4.5 : NTC ve ısılçift devre şeması. ................................................................... 25
Şekil 4.6 : NTC ve ısılçift devresi PCB çizimi. ......................................................... 26
Şekil 5.1 : EMG için tek fazlı ve çift fazlı ölçüm metotları . .................................... 28
Şekil 5.2 : Kas gürültüsü............................................................................................ 28
Şekil 5.3 : Cihaz kaynaklı gürültüler. ........................................................................ 29
Şekil 5.4 : Hareket gürültüsü. .................................................................................... 30
Şekil 5.5 : Aktif EMG elektrot şeması. ..................................................................... 31
Şekil 5.6 : Kaydıma ve seviye dengeleme devresi .................................................... 32
Şekil 6.1 : Ölçme sistemi blok diyagramı.................................................................. 34
Şekil 6.2 : 8 kanal (+5V) - (–5V) ölçme sistemi şeması............................................ 35
Şekil 6.3 : 8 kanal (+5V) - (–5V) ölçme sistemi PCB çizimi .................................... 36
Şekil 6.4 : 16 kanal 0-5V ölçme sistemi şeması ........................................................ 37
Şekil 6.5 : 16 kanal 0-5V ölçme sistemi PCB çizimi ................................................ 37
Şekil 6.6 : Mikroişlemci ARM926JE şeması. ........................................................... 38
Şekil 6.7 : NAND flash ve SDRAM şeması. ............................................................. 39
Şekil 6.8 : TFTLCD bağlantı şeması. ........................................................................ 40
Şekil 6.9 : Besleme devre şeması .............................................................................. 41
Şekil 6.10 : Besleme PCB çizimi............................................................................... 42
Şekil 6.11 : Anakart donanım tasarımı ...................................................................... 43
Şekil 6.12 : Cihaz içerisindeki kullanılan kart tasarımları......................................... 43
Şekil 6.13 : Tasarlanan cihazın iç görünümü ve bağlantılar...................................... 44
Şekil 6.14 : Çoklu EMG işareti gösterim ekranı........................................................ 44
Şekil 6.15 : Merkez ölçme sistemi yazılım yapısı ..................................................... 45
Şekil 6.16 : Uygulama yazılımı blok şeması ............................................................. 46
xi
xii
MİKROİŞLEMCİ TABANLI BİYOLOJİK VERİ TOPLAMA SİSTEMİ
ÖZET
Bu projenin amacı, tıpta, endüstride ve araştırma laboratuarların da ihtiyaç duyulan,
genel amaçlı ve çok kanallı ölçme, işleme, görüntüleme ve saklama yapabilen,
biyomedikal çalışmalar için kullanılabilecek biyopotansiyel kuvvetlendiricilerle
sanayi ve araştırma laboratuarların da kullanılabilecek ölçme düzenlerini içeren,
mikroişlemci destekli bir cihazın gerçekleştirilmesidir. "Veri toplama sistemi" olarak da
bilinen bu ölçme ve eğitim sistemi, her türlü fiziksel, kimyasal, elektriksel ve biyolojik
büyüklük ve işaretlerin ölçülmesi işleminde kullanılabilecektir. Bu işaretlerin işlenmesi için
tasarlanan her kuvvetlendirici katı modül olarak seçilen sistem gözlerinden birine
takılabilmektedir. Cihazın modüler olması, teknoloji ve araştırma laboratuar ve iş
yerlerinde, sıcaklık, yer değiştirme, kuvvet, basınç, gibi reel büyüklüklerin aynı zamanda
ölçülmesine olanak sağlamaktadır. Bu cihaz, her türlü algılayıcının elektriksel işarete
dönüştürülerek kullanılmasına imkan vermektedir.
Cihaz iki ayrı yapıdan oluşmaktadır. Analog Sayısal dönüştürme işlemlerinin
gerçekleştirildiği bir dönüştürücü bölümü, sayısal olarak aldığı verileri işleme,
saklama ve gösterme işlevlerini yerine getiren mikroişlemci bölümünden
oluşmaktadır. Mikroişlemci olarak At91Sam9261 (ARM926JE core) işlemcisi
kullanılmıştır. Bu işlemci seçimi, üzerinde entegre TFT kontrolör bloğu bulunması
nedeniyle tercih edilmiştir. SPI üzerinden ve UART üzerinden aldığı sayısal verileri
işleyerek göstermektedir. SPI üzerinden haberleşmede Texas Instrument analog
sayısal dönüştürücüleri kullanılmıştır.
xiii
xiv
MICROPROCESSOR
SYSTEM
BASED
BIOLOGICAL
DATA
COLLECTING
SUMMARY
In this project, a microcontrolled based general purpose and multichannel measuring,
processing, monitoring and storing unit consisting of different kind of biopotential
amplifiers which is used in Biomedical studies, addition with physical, chemical and
electrical measuring units used in industrial and measuring laboratories was aimed to
be realized. This training and measuring unit which is known as "data acquisition
system", could be used to measure any kind of physical, chemical and electrical
quantities and also biological signals. Each of the amplifiers designed for these
signals can be plugged into one of the chosen system slotes. Thanks to modular
instruction of the system, it is possible to measure temperature, displacement, force,
pressure, velocity, acceleration and volume at the same time, as they are the real
quantities in technology and research laboratories. This unit permits any kind of
transducer to be used.
System is constructed with two different modules. A converter module in which all
analog-digital conversion processes are done and a microprocessor module in which
all functions are fulfilled in digital form and data storing, data displaying functions
are performed. As microprocessor, At91Sam9263 (ARM926JE core) is used in the
project. This microprocessor is chosed due to its capability to control the TFT’s with
its own TFT controller inside. It displays the datas that gathered from SPI and UART
communication channels. For SPI communication, A/D converters of Texas
Instruments are used.
xv
xvi
1. GİRİŞ
Bu
projede,
biyomedikal
çalışmalar
da
kullanılan
çeşitli
biyopotansiyel
kuvvetlendiricileri ile sanayi ve ölçme laboratuarların da kullanılan fiziksel kimyasal
ve elektriksel büyüklük ölçme dizenlerini içeren mikroişlemci tabanlı bir "genel
amaçlı ve çok kanallı ölçme ve işleme sistemi" gerçekleştirilmeye çalışılmıştır.
Kuvvetlendirici
ve
ölçme
düzenleri,
sistem
gözlerinden
istenilen
birine
takılabilmektedir. İstenildiğinde de amaca uygun başka ölçme düzenleri de, modül
olarak, sistemin giriş-çıkış isteklerine uygun tasarlanmak koşuluyla, sisteme
bağlanabilmektedir. Bu yönüyle sistem genel amaçlı bir ölçme sistemi olup isteklere
göre de geliştirmeye açıktır. Sistem, analog kısım ve sayısal kısım olarak iki
kısımdan oluşmaktadır. Sistemin analog kısmını, biyopotansiyel kuvvetlendiricilerle
dönüştürücü kuvvetlendiricileri oluşturmaktadır. Modüllerin sayısal kısmını,
mikroişlemci ve çevre birimleri oluşturmaktadır.
Biyopotansiyel kuvvetlendirici olarak, sistem gözlerinden birine takılabilen
elektromiyogram
kuvvetlendiricileri,
(EMG)
kuvvetlendiricisi
biyoelektrik
işaretleri
tasarlanmıştır.
kuvvetlendiren
Biyopotansiyel
küçük
işaret
kuvvetlendiricileri olup yüksek kazançlıdırlar. Biyoelektrik işaretlerden başlıcaları;
kalp için olan elektrokardiyogram (EKG), kas için olan elektromiyogram (EMG) ve
beyin için olan elektroensefalogramdır (EEG). Biyoelektrik işaretler, genelde fark
işaretleri şeklindedirler ve düşük frekanslıdırlar. Bu nedenle biyopotansiyel
kuvvetlendiriciler fark kuvvetlendiricileri, enstrümantasyon kuvvetlendiricileri,
şeklinde tasarlanırlar ve çalışma frekans bölgeleri de düşüktür. Biyoelektrik
(biyolojik) işaretlerin genlikleri çok küçük (luV-l00mV) olduğundan bunların gürültü
işaretlerinden arınması olarak kuvvetlendirilmeleri büyük önem taşır. Özellikle EKG
kuvvetlendiricilerinde işaretler hasta üzerinden yüzey elektrotları yardımıyla
alındığından, ortamdaki şebeke kaynağından hasta üzerine kapasitif olarak 50 Hz'lik
şebeke frekanslı işaretler kuple olur ve bunların süzülmesi için özel 50 Hz'lik çentik
filtreler (notch filter) kullanılır.
1
Biyopotansiyel kuvvetlendiricilerde dikkat edilmesi gereken önemli bir nokta da ön
kuvvetlendiricili olarak tasarlanan giriş katlarının, izolasyon kuvvetlendiricili
olmasıdır. Elektrotlarla sisteme direkt olarak bağlı olan hasta, şebekeden beslenen
gerilim kaynağından ve sistem çıkışına bağlanan diğer ölçme sistemlerinden
gelebilecek olan kaçak akımlara karşı korunmaktadır.
Fiziksel büyüklüklerin ölçülmesinde kullanılan ölçme düzenleri, ölçülecek
büyüklüğü genelde elektriksel büyüklüğe çeviren uygun dönüştürücülerle ölçülecek
düzenlere bağlanırlar. Örneğin sıcaklık ölçme düzenleri, ısılçift, ısıl direnç gibi
elemanlardan birini, yer değiştirme ölçme düzenleri ise değişken direnç, kapasitif ve
endüktif dönüştürücülerden birini kullanabilir.
Tıpta ve ölçme laboratuarların da, sıcaklık, yer değiştirme, kuvvet, basınç, hız, ivme
ve hacim ölçümleri için çeşitli dönüştürücüler kullanılmaktadır. Bir amaç için birden
fazla teknik kullanan dönüştürücü bulunmaktadır. Bu nedenle dönüştürücüler daha
çok,
kullanıldıkları
tekniklere
göre
(rezistif,
endüktif,
piezolektrik
gibi)
sınıflandırırlar. Fiziksel büyüklüklerin dönüştürülmesinde kullanılan tekniklerin
birbirlerine göre üstünlükleri vardır. Bu üstünlükler; frekans cevabı, giriş empedansı,
ölçme düzenine etkisi, lineerliği, doğruluğu (veya sınıfı), duyarlığı (veya
çözünürlüğü), sıcaklık, nem ve basınç gibi değişken ortam şartlarında uzun süre
kararlılığın korunması, fiyatı, ömrü, kullanım kolaylığı, boyutu, gürültüsü, nominal
sınırları (veya dinamiği), güç harcama sabiti ve besleme kaynağı gerektirip
gerektirmemesi gibi konuları kapsamaktadır.
Sistemde, fiziksel büyüklük ölçme düzenlerinden, sıcaklık, yer değiştirme, gerilme
ölçme düzenleri gerçekleştirilmiştir. Biyolojik işaretlerden olarak EMG işareti
ölçümlenerek bir ekranda çizdirilmektedir.
Sistemde toplam 24 adet analog giriş bulunmaktadır. Bunlardan 8 tanesi 8KHz
örnekleme hızına sahiptir. Kalan 16 analog giriş ise 4KHz / kanal örnekleme hızına
sahiptir. Sistemdeki 4 kanal EMG elektrot girişlerine ayrılmıştır. Sistemde aynı anda
4 EMG işareti izlenip kaydedilebilmektedir.
Dönüştürücü kuvvetlendiricileri de fark kuvvetlendiricileri şeklinde tasarlanarak dış
ortam gürültülerinden kurtulmaya çalışılmıştır. Fark kuvvetlendiricisi şeklindeki
tasarım, ayrıca modüllere daha kararlı ve lineer çalışma olanağı vermektedir. Gene
de ortaya çıkacak olan sıcaklık etkileri ve lineerlikten olan sapmalar, bilgisayar
2
kullanmanın getirdiği üstünlüklerden yararlanarak, sıcaklık kompanzasyonu ve
lineerlikten ayrılmaları kompanze edecek sayısal tablo kullanma yöntemleri ile
giderilmeye çalışılmıştır.
1.1 Tezin Amacı
Bu projenin amacı, tıpta, endüstride ve araştırma laboratuarların da ihtiyaç duyulan,
genel amaçlı ve çok kanallı ölçme, işleme, görüntüleme ve saklama yapabilen,
biyomedikal çalışmalar için kullanılabilecek biyopotansiyel kuvvetlendiricilerle
sanayi ve araştırma laboratuarların da kullanılabilecek ölçme düzenlerini içeren,
mikroişlemci destekli bir cihazın gerçekleştirilmesidir.
"Veri toplama sistemi" olarak da bilinen bu ölçme ve eğitim sistemi, her türlü
fiziksel, kimyasal, elektriksel ve biyolojik büyüklük ve işaretlerin ölçülmesi
işleminde kullanılabilecektir. İşaretlerin işlenmesi için tasarlanan her kuvvetlendirici
katı, sistemin analog girişlerinden ihtiyaca uygun olana bağlanabilmektedir. Cihazın
modüler olması, teknoloji ve araştırma laboratuarları ve iş yerlerinde, sıcaklık, yer
değiştirme, kuvvet, basınç, gibi reel büyüklüklerin aynı zamanda ölçülmesine olanak
sağlamaktadır. Bu cihaz, her türlü algılayıcının elektriksel işarete dönüştürülerek
kullanılabilmesine olanak sağlamaktadır.
1.2 Literatür Özeti
Literatürde çok çeşitli örneklerini ve kullanım alanlarını bulmak mümkündür. Çok
farklı tipte elektronik ölçme sistemleri bulunmakta olup birçok cihazı tek cihaz
içerisinde toplayan modüler bir sistem oluşturulmaya çalışıldı. Cihazın en önemli
avantajı herhangi bir bilgisayara ihtiyaç duymadan veri toplama ve gösterme
işlevlerini yerine getirmesidir. Özellikle cep telefonları ve PDA cihazlarında yaygın
olarak kullanılmakta olan ARM işlemci kullanılmıştır. ARM tabanlı işlemciler
günümüzde
yaygın
olarak
kullanıldığından
geliştirme
altyapısına
kolayca
erişilmektedir. Herhangi bir yazılım ücreti ödemeden Linux işletim sistemi üzerinde
yazılım geliştirilmiştir. Yaygın olarak kullanılması nedeni ile fiyat açısından da
oldukça avantajlıdır. Tercih edilen ekran ise 4.3” TFTLCD olacaktır. Ekran
çözünürlüğü 480 x 272 pikseldir. Seçilen işlemcinin donanımın da TFT kontrolör
modülü de mevcuttur. Bunun dışındaki EMG, LVDT ve ısılçift devreleri basit analog
3
devrelerdir. Anakartı oluşturan ARM işlemci bütün bu kaynaklardan aldığı verileri
işleyip kaydetme görevini yerine getirecektir.
Literatürde (piyasada) çeşitli özelliklerde ısılçift (Isılçift) okuyucu ürünler
bulunmaktadır. Örneğin Stanford Researh Systems tarafından üretilen SR630 Isılçift
Monitor isimli ürün 16 kanaldan B,E,J,K,R,S ve T tipi ısılçiftleri 0.1°C çözünürlükle
okuyabilmektedir.
(-200°C)
-
(+1250°C)
aralığındaki
algılayabilmektedir. Okunan sıcaklık değerlerini
sıcaklık
°C, °F, K veya
değerlerini
DC gerilim
seviyesi olarak üzerinde bulunan ekranda gösterebilmekte veya GPIB, RS232
iletişim protokolleri aracılığı ile dış cihazlara gönderebilmektedir. İletişimin olmadığı
durumlarda 2000 sıcaklık örneğini hafızasında saklayabilmekte ve iletişim
sağlandığında saklanan bu çevrimdışı bilgiyi de dış cihazlara gönderebilmektedir.
Cihaz istenirse giriş kanallarından okunan sıcaklık değerlerinin bir lineer fonksiyonu
olacak biçimde değişen 3 adet çıkış sinyali üretmektedir. Bu işaretler bir kontrol
işareti olarak kullanılabilmektedir. Cihaz üzerinde bulunan tümleşik yazıcı sayesinde
istenirse toplanan sıcaklık verilerine ait grafikleri kağıt üzerine dökebilmektedir.
Ayrıca her bir kanal için kullanıcı tarafından tanımlanan limiti sıcaklık değerlerinin
aşılması durumunda sesli alarm vererek kullanıcıyı uyarabilmektedir.
Benzer şekilde piyasada çeşitli özellikler de LVDT okuyucu sistemleri
bulunmaktadır. Genel olarak otomasyon ve kontrol amaçlı olan ürünler DC veya AC
uyarımlı olarak ayrılmaktadırlar. Örneğin Macro Sensor tarafından üretilen DMC-D2
serisi LVDT okuyucu 120-220V AC uyarımlı standart LVDT sensörleri
okuyabilmekte üzerindeki ekranda çıkış değerlerini gösterebilmekte ve 0-10V veya
0-20mA çıkış işaretleri üretebilmektedir. Okunana değerler RS-232 veya ethernet
arayüzü aracılığıyla dış cihazlara gönderilebilmektedir. 0 - 50°C aralığında
çalışabilen cihazın çıkış işareti doğruluğu sıcaklıktan cihazın ±50 ppm/°C oranında
etkilenmektedir. Maksimum örnekleme frekansı 10Hz olan cihazın çözünürlüğü çıkış
işareti açıklığının 1/99999 da biridir.
EMG cihazlarının piyasadaki ürün ve üretici çeşitliliği, ısılçift okuyucu ve LVDT
okuyucu gibi ürünlerle karşılaştırıldığında oldukça sayıda olduğu görülmektedir.
EMG cihazlarının ısılçift ve LVDT okuyucular gibi otomasyon veya kontrol gibi
genel amaçlı kullanım alanları bulunmamaktadır. Tıbbi araştırmalar, eğitim veya
hastane kullanımı amacına yönelik son kullanıcısı EMG ile ilgili eğitimi olamayan
insanlar için ürün çeşitliliği sınırlıdır ancak yine de piyasada çeşitli amaçlar için
4
üretilmiş ev tipi EMG cihazları bulunmaktadır. Örneğin Mind Media B.V. firması
tarafından üretilen Anti RSI amaçlı boyun ve omuz bölgesi için el tipi bir EMG
cihazı bulunmaktadır. Kibrit kutusu büyüklüğünde ve pil ile çalışan cihaz 2 giriş
kanalına sahiptir ve kullanıcının ölçüm sonuçlarını bir eşik değer ile karşılaştırarak
alınan EMG sinyalinin kullanıcı sağlığı açısından anlamını üzerinde kırmızı ve yeşil
LED’ler ile kullanıcıya bildirmektedir. Cihaz beraberinde standart yüzey tipi EMG
eletrotları da bulundurmaktadır.
5
2. LİNER DEĞİŞEN FARK TRANSFORMATÖRÜ
2.1 Amaç
Doğrusal
yer
değiştirmelerin
algılanması
ve
bunların
görsel
arayüz
ile
görüntülenmesi amaçlanmıştır. Doğrusal yer değiştirme dışında ilave düzenlerle
ivme, hız, basınç, kuvvet ve açısal yer değiştirme büyüklüklerin ölçümü LVDT
algılayıcılar kullanılarak gerçekleştirilebilmektedir. Ölçüm sonuçları biyomedikal
alanlarda, robot kontrol sistemlerinde, servo motor kontrol sistemlerinde
kullanılabilmektedir.
2.2 LVDT Algılayıcıların Çalışma Prensibi
LVDT algılayıcılar, endüktif dönüştürücüler sınıfına girer ve temelde yer değiştirme
ya da uzunluk ölçümünde kullanılmaktadır. Şekil 2.1'de LVDT, şematik olarak
çeşitli yer değiştirme miktarları için çıkış işareti değişimleri gösterilmiştir. Yer
değiştirme sırasında hareketli manyetik çekirdek birincil bobin sargıları ve ikincil
bobin sargıları arasındaki kuplajı değiştirir. Sec.1 bobininde endüklenen gerilim,
birincil bobine uygulanan giriş gerilimi ile aynı fazda, Sec.2 bobininde endüklenen
gerilim ise zıt fazda olacak şekilde ikincil bobinler birbirine seri olarak bağlıdır. Eğer
manyetik çekirdek her iki ikincil bobine de aynı genlikte gerilim endükleyebilecek
şekilde x=0 noktasında duruyorsa ikincil bobin sargılarında endüklenen gerilimlerin
toplamı sıfır olur. Çekirdek (nüve), Sec.1 bobinine doğru hareket ettirilirse, bu
bobinde endüklenen gerilim artacak, Sec.2 bobininde endüklenen gerilim azalacaktır.
Çıkış giriş ile aynı fazda olacaktır. Çekirdek (nüve) Sec.2 bobinine doğru hareket
ettirilecek olursa bir önceki durumun tam tersi meydana gelecektir. Çıkış işareti, giriş
işareti ile 180° faz farklı olacaktır.
7
Şekil 2.1 : LVDT giriş ve çıkış işaretleri
LVDT algılayıcıların diğer endüktif dönüştürücülerden üstünlükleri; küçük yer
değiştirme miktarlarına büyük genlikli çıkış işareti vermesi, duyarlılıklarının yüksek
olması, Sec.1 ve Sec.2 olarak iki ikincil sargıya sahip olması doğrusallığının yüksek
olmasını
sağlamaktadır.
dönüştürücüler
olmaları
LVDT
algılayıcılar,
nedeniyle
de
büyük
çekirdeği
yer
hareket
değiştirmelere
edebilen
cevap
verebilmektedirler. LVDT algılayıcılarda çözünürlük, en küçük çekirdek yer
değiştirme miktarını kararlı olarak ölçebilme yeteneği olarak tanımlanabilir.
Nanometrik hassasiyette LVDT algılayıcılar da tasarlanabilmektedir. LVDT
algılayıcının bobinleri ile manyetik çekirdeği arasında çok az bir sürtünme olması,
ölçme düzeninin ölçüm yapılan sisteme etkisinin az olmasını sağlamaktadır.
LVDT algılayıcıda bobin ve çekirdeğin birbirinden ayrı olması, ikisinin arasının
manyetik olmayan bir malzemeyle yalıtılmasını ve bu şekilde basınç veya aşındırıcı
herhangi bir ortamdan bobin kısmının korunabilmesini sağlamaktadır.
LVDT algılayıcının birincil ve ikincil sargılarının birbirinden tamamen izole edilmiş
olması bu algılayıcıların tampon veya yalıtım devre katlarına gerek duymadan
kullanılabilmelerine olanak sağlamaktadır. LVDT algılayıcının yapısındaki doğal
simetri, onun tekrarlanabilir denge özelliğinde olmasını sağlamaktadır. Bu yüzden
LVDT algılayıcıdaki denge durumu son derece kararlıdır. Bu kararlılık, yüksek
kazançlı kapalı çevrim kontrol sistemlerinde mükemmel bir denge durum göstericisi
olarak kullanılmasına olanak sağlamaktadır.
LVDT algılayıcıları çalışma şekli daha açık olarak Şekil 2.2’de gösterilmektedir.
8
Şekil 2.2 : LVDT çalışma prensibi.
9
2.3 LVDT Kuvvetlendiricilerin Çalışma Prensibi
Yön bilgisinin de elde edildiği basit bir LVDT detektörü Şekil 2.3'de gösterilmiştir.
Diyot, direnç ve kondansatör elemanları basit bir genlik demodülatörü olarak
çalışmaktadır. V1 ve V2 DC gerilimlerinin farkı olarak voltmetreden okunacak VO
gerilimi çıkış büyüklüğü olarak elde edilecektir. Daha karmaşık bir LVDT
kuvvetlendiricisi blok diyagramı Şekil 2.4'de gösterilmektedir. Birincil bobini
besleyen ana osilatörün frekansı (taşıyıcı frekans) 2,5KHz kadardır. LVDT ikincil
bobin çıkışları, bir fark kuvvetlendiricisine bağlıdır. Fark kuvvetlendirici çıkışı ise
çekirdek hareketi ile modüle edilen taşıyıcı işaretteki genlik değişimi bilgilerini elde
etmek üzere dengeli demodülatöre bağlıdır. Faz düzeltici devre, demodülatör için bir
referans işaret fazı sağlamaktadır. Faz farkına da duyarlı olan demodülatör için bu
referans işaretin önemi büyüktür. Faz düzeltici devre, ana osilatörden aldığı işaretin
fazını çok az değiştirerek, ancak LVDT ikincil bobin sargılarında bozulan faz farkını
yenmek üzere, demodülatörün referans girişine uygulamaktadır. Bu faz düzeltici
devrenin fazı, sıfır yer değiştirme girişi için demodülatör çıkışında sıfır gözlenecek
şekilde ayarlanmalıdır ( sıfır ayarı).
Şekil 2.3 : Basit bir LVDT dedektörü.
Şekil 2.4 : Yön bilgisi elde etme, LVDT sürme ve işaret işleme düzeneği.
10
2.4 Tasarlanan LVDT Kuvvetlendirici
Şekil 2.5 : LVDT kuvvetlendirici devre şeması.
Şekil 2.5’de gösterilen devre şeması LVDT kuvvetlendirici için tasarlanmıştır. Devre
girişinde DCP010505DB güç entegresi kullanılmaktadır. Bu entegre girişine verilen
0-5V gerilimi ±5V çıkış gerilimi olarak çevirebilmektedir. Girişte algılayıcının
çalıştırılmasını sağlayan işaretin üretilmesi için CD4047 frekans üretici ve faz farkını
11
üretmek için CD4053 lojik entegreleri kullanılmıştır. Devre tamamen Analog olarak
tasarlanmıştır. Devre içerisinde bir aktif filtre tasarımına da yer verilmiştir.
Algılayıcının giriş uçlarına uygulanan AC işaret ile algılayıcı çıkışında bir seviye
elde edilmektedir. İstenilen çıkış hassasiyeti göre kuvvetlendirme kazancı
belirlenmektedir. Devrede ±3mm algılama yapabilmek bir çıkış ve daha geniş bir
aralık ölçümü için bir çıkış daha yer almaktadır. Devrede TLE2142, TL074 düşük
gürültülü işlemsel kuvvetlendirici kullanılmıştır. Bu devrenin çıkışında da ±6V
düzeyinde bir çıkış elde edilmektedir. Burada da ADC girişine gelmeden önce
kaydırma ve bölme için bir devre kullanılmıştır. Devre, Şekil 2.6’da gösterilmiştir.
Şekil 2.6 : Analog bölme ve seviye kaydırma devresi.
12
3. KÖPRÜ KUVVETLENDİRİCİ
3.1 Amaç
Ağırlık, basınç gibi analog büyüklüklerin ölçümlenmesi için kullanılmaktadır.
Gerinim ölçerler, germe yoluyla malzemenin elektriksel direncinin değiştirilmesi
prensibini kullanarak çalışmaktadır.
3.2 Gerinim Ölçerler
Ağırlık ve basınç ölçme işlemlerinde kullanılan dönüştürücülerden biri de gerinim
ölçerlerdir {"strain gage"lerdir). Gerinim ölçerler, germe yoluyla malzemenin
elektriksel direncinin değiştirilmesi prensibini kullanırlar. Genellikle küçük işaret
değişiklikleri oluşturduklarından bir köprü devresi ile yüksek kazançlı bir fark
kuvvetlendiricisine (köprü kuvvetlendiricisi) gereksinim duymaktadırlar. Köprü
devrelerinde
kullanılmaları,
bunların
ısıl
açıdan
da
kararlı
çalışmalarını
sağlamaktadır. Kullanılan malzeme, metal, yarıiletken veya iletken sıvı olmaktadır.
Metal ve yarıiletken gerinim ölçerlere 30gr'lik bir kuvvet uygulandığında boylarında
50usi'lik bir uzama elde edilmektedir. Gerinim ölçerlerin bağıl boy uzamalarına
(dL/L) karşı gösterdikleri bağıl direnç değişimi (dR/R), geyç faktörü veya gerinim
duyarlığı, G, olarak tanımlıdır ve G = ( dR/R ) / (dL/L) olarak ifade edilir.
Şekil 3.1'de yüzeye yapıştırılabilen türden bir gerinim ölçer şematik olarak
gösterilmiştir. Bunun yanında yapıştırma gerektirmeyen türden olanları da vardır. Bir
kere gerinim ölçer yapıştırıldı mı yapıştırıldığı malzeme yüzeyinin bir parçası
durumuna gelir ve yüzeyle birlikte aynı miktar gerilir ve gerinim ölçerdeki tellerin
boyları uzar ve sonuçta seri bağlı tellerin toplam direnci artar.
Şekil 3.1 : Yapıştırılabilir türden bir gerinim ölçer elemanı.
13
3.3 Köprü Kuvvetlendiricilerin Çalışma Prensipleri
Gerinim ölçerler, genelde Wheatstone köprü devrelerinin kollarından en az birinde
olacak şekilde kullanılırlar. Şekil 3.2'de, gerinim ölçerin, Wheatstone köprüsünün bir
kolunda kullanılma şekli gösterilmiştir. Şekil 3.2'de köprüde kullanılan geyç
elemanının, bir tarafından mesnetli kuvvet uygulama çubuğunun bir yüzüne
yapıştırılmış olduğu temsili olarak gösterilmiştir. Köprü kuvvetlendiricisi çıkışındaki
gerilim, köprü V± gerilimi ile beslendiğine ve kuvvetlendiricinin kazancı K olduğuna
göre, (3.2) olarak hesaplanabilmektedir.
Şekil 3.2 : Kuvvet çubuğunun bir yüzüne yapıştırılmış köprü.
K .Vi δR
δR / R
⎧ R + δR 1 ⎫ K .Vi
vo = K .(Va − Vb ) = K .Vi .⎨
− ⎬=
≈
4 1 + 0,5.δR / R
4 R
⎩ 2 R + δR 2 ⎭
(3.1)
Köprü kolunda Şekil 3.3'de gösterildiği gibi kuvvet uygulama çubuğunun biri alt
yüzüne diğeri üst yüzüne yapıştırılmış iki geyç elemanı kullanıldığında
kuvvetlendirici çıkış gerilimi ifadesi,
Şekil 3.3 : Kuvvet uygulama çubuğunun iki yüzüne yapıştırılmış
⎧ R + δR 1 ⎫ K .Vi δR
vo = K .Vi .⎨
− ⎬=
2⎭
2 R
⎩ 2R
(3.2)
olarak hesaplanabilecektir. İki gerinim ölçerli bu köprü montajı, yarım köprü montajı
olarak da bilinmektedir.
14
Şekil 3.4'de gösterildiği gibi kuvvet uygulama çubuğunun, köprü kollarının dördünü
de besleyecek şekilde dört gerinim ölçer elemanı yapıştırıldığında, köprü çıkış
gerilimi, (3.4) formülündeki gibi olacaktır
Şekil 3.4 : Kuvvet çubuğuna 4 adet yapıştırılmış köprü.
δR
⎧ R + δR R − δR ⎫
vo = K .Vi .⎨
−
⎬ = K .Vi .
R
2R ⎭
⎩ 2R
(3.3)
(3.2), (3.3) ve (3.4) eşitlikleri karşılaştırıldığında, dört kolda da geyç ekranı kullanan
tam köprü montajı, iki kolda ve tek kolda geyç kullanan köprü montajlarına göre
daha yüksek kazanca sahiptir. Tek kolda geyç kullanan köprü montajında, köprü
çıkış gerilimi ile bağıl direnç değişimi arasındaki ilişki, diğer iki montajdakine göre
daha az lineerdir ve lineerlik ancak R>>dR şartı altında geçerlidir. Gene de kuvvet
uygulama çubuğunda tek geyç kullanma zorunluluğu olduğu durumlarda, sıcaklık
kompanzasyonu için, bu aktif geycin bulunduğu kolun komşu kolunda, bu aktif geyç
ile aynı ortamda olan ve üzerine gerilme gelmeyen aynı değerde ikinci bir geyç
kullanılmalıdır. Bu durumda, sıcaklık değişimleri birbirine eş olan bu iki geyç
elemanında da aynı direnç değişimine neden olacak ve köprü dengesi
bozulmayacaktır. Üzerine gerilme gelmeyen ve sıcaklık kompanzasyonu için
kullanılan bu ikinci geyç elemanına "dummy gage" adı verilmektedir. Ağırlık
ölçmede kullanılan, özel forma sahip dört geyç elemanlı kuvvet uygulama çubukları
da "load cell" (yük hücresi) olarak isimlendirilmekte ve sanayide ve ölçme
ortamlarında kullanılmaktadır.
Köprü devrelerinde, köprü köşegenlerinde ortaya çıkan bağlantı noktalarında sıcaklık
farkları nedeniyle ortaya çıkan termoelektrik etkilerden kurtulmak için doğru gerilim
kaynakları yerine alternatif gerilim kaynakları kullanılmaktadır [1]. Bu durumda,
köprü kuvvetlendiricileri, doğru gerilim bileşenlerini kuvvetlendirmeyecek şekilde
15
tasarlanmakta ve doğru gerilim olarak köprü kollarında bulunan termoelektrik
potansiyeller etkisiz bırakılmaktadır.
3.4 Tasarlanan Köprü Kuvvetlendirici
Şekil 3.5'de, tasarlanan köprü kuvvetlendiricisinin blok şeması gösterilmiştir. Bu
şemada, köprü besleme gerilimi olarak l0V'luk kararlı gerilim kaynağı kullanılmıştır.
Köprü
kuvvetlendiricisi,
Şekil
3.5'de
gösterildiği
gibi
enstrümantasyon
kuvvetlendiricisi olarak tasarlanmıştır. Kuvvetlendiricinin sıfır ve kazanç ayarları
birer ayarlı direnç yardımıyla yapılmaktadır. Yük hücresi (load cell) duyarlığı, mV/V
cinsinden, tam skalada (maksimum ölçme değerinde), köprü besleme geriliminde 1V
başına, köprü çıkış gerilimi olarak verilmektedir [8]. Köprü E=10V’luk bir gerilim
kaynağı ile beslenmekte ve yük hücresi 2mV/V’luk duyarlığa sahipken, köprünün
maksimum yükteki çıkış gerilimi 20mV olur. Bu gerilimin, maksimum çevirme
gerilimi 2V olan Analog/Sayısal çeviriciye uygulanabilmesi için
Şekil 3.5 : Tasarlanan köprü kuvvetlendiricisi blok şeması.
16
Şekil 3.6 : Enstrümantasyon kuvvetlendirici
2V/20mV=100 kazanç ile kuvvetlendirilmesi gerekir. Şekil 3.6'da kazancı 100 olarak
gerçekleştirilen enstrümantasyon kuvvetlendiricisi devre şeması gösterilmiştir.
Enstrümantasyon kuvvetlendiricilerinin en temel özellikleri, giriş empedanslarının
yüksek oluşu ve ortak mod gerilimini kuvvetlendirmeyen bir fark kuvvetlendiricisi
olarak tasarlanmalarıdır.
Şekil 3.6’daki devrede düğüm denklemlerinden hareketle, devrenin kazancı
bulunabilir. G, admitansı; Vcm, ortak mod gerilimini ve Vd, fark gerilimini göstermek
üzere, devrenin düğüm denklemleri,
(G3 + G4 + Go )v 2 = G4 vo + G3 v7 + Go v6
(G2 + G1 + Go )v6 = Go v2 + G2 v7 + G1vofs
(3.4)
şeklindedir. Devrenin girişindeki gerilimler ise,
vd
2
v
− d
2
v 2 = v3 = v cm +
v 2 = v3 = v cm
(3.5)
olarak yazılabileceğinden devrenin Vo çıkış gerilimi, (3.5) ve (3.6) eşitlikleri
birleştirildiğinde,
17
vo =
R4 ⎧ 1 ⎛ R2 R3 ⎞ R2 + R3 ⎫
R4 ⎧ R3 R2 ⎫
R4 .R2
⎟⎟ +
+
vofs
⎨1 + ⎜⎜
⎬v d −
⎨ − ⎬vcm −
R3 ⎩ 2 ⎝ R1 R4 ⎠
Ro ⎭
R3 ⎩ R4 R1 ⎭
R3 .R1
(3.6)
olarak elde edilir. R3/R4 = R2/R1 şartı sağlandığında, Vo geriliminde, ortak mod
gerilimine (Vcm'ye) ilişkin terim düşer ve (3.7) eşitliği,
vo =
R4 ⎧ R3 R2 + R3 ⎫
R 4 .R 2
vofs
+
⎬v d −
⎨1 +
R3 .R1
R3 ⎩ R 4
Ro ⎭
(3.7)
durumuna gelir. (3.8) eşitliğinden görüldüğü gibi, Vo ile Vd arasındaki kazanç Ro ile
ve
çıkış
ofset
(doğru
gerilim
kayma)
gerilimi
de
değiştirilebilmektedir.
R4 = 100 KΩ,
R3 = 10 KΩ,
R2 = 10 KΩ,
R1 = 100 KΩ
RO = 3KΩ
olarak seçilirse devrenin kazancı 100 olarak elde edilebilecektir.
18
Vofs
gerilimi
ile
4. ISILÇİFT KULLANILARAK HASSAS SICAKLIK ÖLÇÜMÜ
4.1 Amaç
Ortam sıcaklığını veya herhangi bir yüzey sıcaklığını algılamak amacıyla
kullanılmaktadır.
4.2 Sıcaklığa Bağımlı Direnç (RTD)
Sıcaklık dönüştürücüleri, sıcaklıkla direncin değişmesi (termorezistif etki) veya
sıcaklıkla gerilim üretme (termoelektrik etki) prensiplerine göre çalışırlar. Belli metal
ve
yarıiletkenlerin
dirençlerinin
sıcaklıkla
değişmesi
prensibini
kullanan
termorezistif elemanların sıcaklık-direnç karakteristiği lineer sayılabilir ve bu
durumda,
RT = RO .[1 + α (T − TO ]
(4.1)
bağıntısı geçerli olur ki bu eşitlikte RT, T sıcaklığındaki ve Ro, To sıcaklığındaki
dirençler, a ise malzemenin %/°C cinsinden sıcaklık sabitidir. Malzemesi yarıletken
olan termistörlerin sıcaklık sabitleri metallere göre oldukça yüksek (4 %/°C)
olmasına rağmen lineerlikleri iyi değildir. Metaller içinde ise sıcaklık sabiti 0,4 %/°C
olan platin, oldukça geniş bir sıcaklık aralığında (-180 °C ile +630 °C arasında) en
mükemmel doğrusallığa sahip olan termik direnç elemanıdır. 0 °C ile 100 °C
arasında kullanılan bir platin direnç termometresinde ±% 0,2 civarında bir lineerlik
hatasına ve 0,001°C'lik bir doğruluğa erişilebilmiştir.
19
Çizelge 4.1 : 10K NTC sıcaklık-ADC değeri tablosu.
sıcaklık[°C]
-20
-19
-18
-17
-16
-15
-14
-13
-12
-11
-10
-9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
ADC değeri
83
86
88
91
94
97
100
102
105
108
111
114
117
120
123
126
129
131
134
137
140
143
145
148
151
153
155
158
160
163
165
167
169
172
175
sıcaklık[°C]
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
ADC değeri
177
179
181
183
185
187
189
191
192
194
196
198
199
201
202
204
205
207
208
210
211
212
213
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
Bu bölümde, sıcaklığa bağımlı direnç elemanı olarak termik direnç veya kısaca NTC
elemanı ele alınmış ve (25°C)'de 10KΩ'luk direnç değerine sahip olan NTC elemanı
PT100, RTD kuvvetlendiricisi olarak tasarlanan devrede kullanılmıştır.
20
Çizelge 4.1'de, PT100 elemanının (1°C)'lik artımlarla (-45°C)'den (+100°C)'ye kadar
olan sıcaklık değişimi aralığındaki direnç değişimi verilmiş ve bu değişimin eğrisi
Şekil 4.1’de gösterilmiştir.
250
1000
240
950
230
900
220
210
850
200
800
190
750
180
700
170
160
650
150
600
140
550
130
500
120
110
450
100
400
90
350
80
300
70
60
250
50
200
40
150
30
100
20
50
10
0
0
-45
-35
-25
-15
-5
8-bit ADC Value
10-bit ADC Value
5
15
25
35
45
55
65
75
85
95
Şekil 4.1 : NTC elemanının sıcaklık-ADC değeri grafiği
(-45°C) - (+100°C) gibi geniş bir sıcaklık aralığında çalışıldığında lineer sıcaklıkdirenç ilişkisi,
RT = RO .[1 + k .(T )]
(4.2)
şeklinde de verilmektedir ki burada R0, (25°C)’deki malzeme direncidir. Platin için k
sabiti 0,000392 °C-1 (USA standardı) kadardır .
4.3 RTD Kuvvetlendiricileri Çalışma Prensibi
RTD elemanlarının sıcaklıkla olan direnç değişimleri genel olarak iki yolla algılanır;
a) sabit akım kaynağının bu direnç üzerindeki gerilim düşümünü ölçmek ve b) bu
direnç bir köprü kolunda kullanılıp, köprü çıkış gerilimini ölçmek [1]. Şekil 4.2'de,
1mA'lik kararlı akım kaynağı akımının RTD elemanı uçlarında oluşturduğu gerilimi
kuvvetlendiren bir RTD kuvvetlendiricisi blok şeması gösterilmiştir. fo=1Hz köşe
frekanslı AGF (Alt Bolum 3.3'de anlatıldığı gibi) 50Hz de dahil olmak üzere yüksek
frekanslı gürültüleri bastırmak için kullanılmıştır. Bu devrede NTC elemanından,
alınan analog gerilim değeri ADC dönüştürücü kartı ile sayısal değere
21
çevrilmektedir. Ana işlemci bu değeri ADC çeviriciden SPI haberleşmesi ile alarak
tablo üzerindeki sıcaklık değerine eşitlemektedir.
NTC elemanı dört uçlu olarak gerçekleştirilip kuvvetlendiriciye giden gerilim
uçlarının içerden seçilmesiyle hem akım bağlantı noktalarındaki dirençlerin gürültü
etkilerinden ve hem de akım kaynağından NTC elemanına giden akım taşıyıcı
iletkenlerde sıcaklık dağılımı nedeniyle oluşan direnç değişimlerinin etkilerinden
kurtulmuş olunmaktadır.
Şekil 4.2 : Isılçift kuvvetlendirici devre şeması.
Şekil 4.3 : NTC ölçme devresi ve pasif alçak geçiren filtre yapısı
22
Şekil 4.3'de köprü tipi sıcaklık ölçme ünitesi blok şeması gösterilmiştir. Burada da
sıcaklığa duyarlı NTC elemanı üç uçlu olarak gerçekleştirilmiştir. Bu durumda RL1
ve RL2 bağlantı iletkenleri komşu kollara bölüştürüldüğünden ve bu komşu
kollardaki eş etkiler birbirini yok edeceğinden, bunların gürültü etkileri de köprü
çıkışına yansımayacaktır.
Köprü kuvvetlendiricilerde hata kaynaklarından biri de çeşitli bağlantı noktalarında
oluşan termoelektrik potansiyellerdir. Bu etki, tüm bağlantı noktaları aynı sıcaklıkta
tutularak azaltılabilir veya köprü, alternatif (AC) gerilim kaynağı ile sürülerek
giderilebilir. Isıl direnç dönüştürücülerde örnekli bir hata kaynağı da dönüştürücüden
akan akımın (I) dönüştürücüde oluşturduğu I2RT gücüdür ki bu, dirençte ısı olarak
açığa çıkar. Bu etkiden kurtulmak için köprü, darbe kaynağı ile sürülebilir veya daha
basit bir yol olarak alternatif gerilim kaynağının gerilimi azaltılıp köprü
kuvvetlendiricisinin kazancı artırılır. Dengeleme potansiyometresi ölçme aralığının
başındaki, örneğin 0°C’deki, sıcaklıkta ayarlanarak sıcaklık ölçen devrenin sıfır ayarı
yapılır. Ölçme sıcaklık aralığı çok fazla değilse, Şekil 4.3'deki RL3 bağlantı iletkeni
kaldırılacak biçimde, besleme kaynağının bağlantı noktası içeri, R3 ile RL2'nin
bağlandığı noktaya, alınabilir. 0 - 100°C aralığı için direnç termometresinde lineerlik
hatası maksimum +0,5°C olmaktadır.
4.4 Tasarlanan Isılçift Sıcaklık Ölçme Devresi
Tasarlanan ısılçift devresinin blok diyagramı Şekil 4.4’de verildiği gibidir. Ortam
sıcaklığının ölçülmesi amacıyla bir NTC elemanı yerleştirilmiştir. Kullanılan NTC
seçilen hassas dirençlerle birlikte 0-5V aralığında bir çıkış gerilimi sağlamaktadır.
Okunabilecek seviyede bir çıkış elde edilebildiği için NTC çıkışına herhangi bir
kuvvetlendirici tasarımı eklenmemiştir.
Isılçift çıkışında ise mikroVolt seviyelerinde çıkış elde edilebildiği için, çıkışında
AD8553 enstrumantasyon kuvvetlendirici entegresi kullanılarak kuvvetlendime
yapılmıştır. Devrede 500 kat kuvvetlendirme seçimi yapılmıştır. Devrenin
tasarımında entegrenin kataloğunda verilmekte olan referans devre kullanılmıştır.
Kazanç devresine göre kullanılabilecek dirençler katalokta belirtildiği gibi
seçilmiştir. Hassasiyet için kullanılan dirençlerin %1 lik olmasına özen gösterilmiştir.
23
ThermoCouple
Girişi
NTC Ölçme
Thermocouple
Kuvvetlendirici
0-5V ADC Çıkışı
0-5V ADC Çıkışı
Ortam Sıcaklığı
Fark Sıcaklığı
Şekil 4.4 : NTC ölçme ve ısılçift ölçme blok diyagramı.
Tasarlanan devrenin üzerinde besleme bulunmamaktadır. Besleme ADC dönüştürücü
devresi üzerinden sağlanacaktır. Tasarlanan devrenin şeması Şekil 4.5’de gösterildiği
gibidir.
24
Şekil 4.5 : NTC ve ısılçift devre şeması.
Devrenin PCB çizimi Şekil 4.6’da gösterildiği gibidir. Devreye güç geldiğinin
anlaşılması amacıyla bir LED eklenmiştir. Enerji verildiğinde iki çıkış da çalışmaya
başlamaktadır. Merkez ölçme devresinde seçilen ADC girişlerinden biri NTC birisi
de ısılçift olarak seçilir. Bu seçimlere göre merkez ölçme ve yorumlama devresindeki
25
algoritmalar çalışacaktır. Merkez ölçme ve yorumlama sistemi gösterge panelinde
seçilen sistemlerin çıkışı gözlemlenebilmekte ve kayıt altına alınabilmektedir.
Şekil 4.6 : NTC ve ısılçift devresi PCB çizimi.
26
5. EMG ELEKTROT TASARIMI
5.1 Amaç
Kasılmalar ve bilgi transferine sebep olan kas ve sinir depolarizasyonu yarı geçirgen
bir zardan bazı kimyasalların geçmesi ile oluşmaktadır. Bu iyonik hareket, bir
potansiyel hareketine sebep olur. Uyarılabilir bir hücre depolarize olduğunda, hücre
zarında hücreye yaklaştırılan iki elektrot ile gözlenebilecek geçici bir potansiyel farkı
oluşur. Biyopotansiyel kayıt, sinir ve kasların bu elektriksel etkinlikleri sonucu
oluşan hücre depolarizasyonlarının ölçülmesi işlemidir. Hücre zarı depolarizasyonu,
kas ve sinirlerde benzer şekilde oluşmaktadır. Tepkinin genliği, kaslarda çok daha
etkilidir ( kalp kasının uyarılması sonucu oluşan sinyal genliği, nöral sinir darbesinin
oluşturacağı sinyalden 1000 kat daha fazladır ).
Kas kasılmaları sırasında potansiyel değişimlerinin ölçülmesine Elektromiyogram
(EMG) ve kalbin elektriksel aktivitelerinin ölçülmesine Elektrokardiyogram (EKG).
5.2 EMG İşaretlerinin Genel Yapısı
EKG ölçümü, kalp kası nedeniyle oluşan potansiyel değişimlerinin ölçülmesidir.
Elektromiyogram (EMG) ise kasın elektriksel aktivitesinin ölçülmesidir: Dolayısıyla
EKG kaydı bir tür EMG ölçümüdür. EMG sinyalleri de, ECG ölçümü için kullanılan
aynı ekipmanla ölçülmektedir. EMG sinyalinin boyutu doğrudan uyarılan kas
tellerinin sayısı ile alakalı olmaktadır.
Klinik olarak travmanın ertesinde bir kas grubunun fonksiyonunu izlemek için
kullanılmaktadır. Aynı zamanda şüphelenilen nörolojik bir hasarda kas grubunun
fonksiyonunu yerine getirip getirmediği için de kullanılabilecek bir yöntemdir. EMG
sinyalleri sinir depolarizasyonu sonucu oluşan sinyallerden daha büyüktür.
Dolayısiyle EMG motor sinir bilgisinin gelmesini algılamak için de kullanılmakta
böylece bir kas grubunun gevşemeyi takip eden kasılmasının algılanması mümkün
olmaktadır.
27
Şekil 5.1’de EMG için kullanılan tek fazlı (Monopolar) ve çift fazlı (Bipolar) ölçüm
metotlarını göstermektedir. Ortak mod sinyali minimize etmek Çift fazlı (Bipolar)
yapıda mümkün olduğu için genellikle çift fazlı ölçümler kullanılmaktadır.
Şekil 5.1 : EMG için tek fazlı ve çift fazlı ölçüm metotları .
5.3 Kas (EMG) Gürültüsü
Kasların kasılması milivolt seviyesindeki gerilimlerin oluşmasına neden olmaktadır.
EMG taban hattı genellikle mikrovolt mertebesindedir ve bu yüzden genellikle
önemsizdir. Şekil 5.2’de de görüldüğü gibi kas kasılmasından oluşan işaret, sıfır
ortalamalı band sınırlı Gauss gürültüsünün geçici değişimleri olarak kabul edilebilir.
Bu gürültüye ait parametreler:
Standart sapma: EKG genliğinin tepe-tepe değerinin %10’u. Süre: 50ms.
Frekans bileşeni: DC’den 10 000Hz’e
Şekil 5.2 : Kas gürültüsü.
28
5.4 Elektronik Cihazlardan Kaynaklanan Gürültüler
Elektronik cihaz kaynaklı gürültüler (Şekil 5.3) QRS algılama algoritmaları ile
düzeltilemez. Giriş kuvvetlendiricisi doymadadır ve EKG hakkında herhangi bir bilgi
detektöre ulaşmaz. Bu durumda sistem bir sesli uyarı vererek teknisyeni düzeltici
faaliyet için uyarmalıdır.
Şekil 5.3 : Cihaz kaynaklı gürültüler.
5.5 Elektrokoter Gürültüsü
Elektro cerrahi gürültüsü EKG işaretini tümüyle bozar ve yaklaşık 100kHz ve 1MHz
frekanslı yüksek genlikli bir sinüzoidal olarak temsil edilebilir. EKG işareti 250 ila
1000Hz gibi bir frekansla örneklendiğinde, bu örtüşen işaret de EKG işaretine
eklenmektedir. Genlik, süre ve muhtemel örtüşme frekansı değişken olmalıdır. Tipik
parametreler:
Genlik: EKG genlik tepe-tepe değerinin %200’ü.
Frekans bileşeni: 100kHz-1MHz.
Süre: 1-10 s
5.6 Hareket Gürültüsü
Hareket gürültüsü, (Şekil 5.4) elektrot hareketinden dolayı deri-elektrot arası
empedans değişimi nedeniyle taban hattında oluşan geçici (basamak şeklinde değil)
artefaktlardır. Aşağıda bu gürültü ile ilgili şekil görülmektedir. Bu empedans
değiştikçe, EKG kuvvetlendiricisi, kuvvetlendiricinin giriş empedansı ile gerilim
bölücü oluşturan farklı bir kaynak empedansı görür. Dolayısıyla kuvvetlendiricinin
giriş gerilimi, elektrot pozisyonunun değişimi ile değişen kaynak empedansına
bağlıdır. Hareket artefaktının genel nedeni, nesnenin hareket etmesi veya titremesi
29
olarak kabul edilmektedir. Hareket artefaktından dolayı oluşan taban hattı bozulması,
sinüs dalgasının bir çevrimine benzeyen iki fazlı bir işaret olarak kabul edilebilir. Bu
gürültünün değişkenleri tepe genliği ve süresidir. (Süre 100-500ms arası, genlik ise
EKG genliğinin tepeden tepeye değerinin %500 kadar olabilir.)
Şekil 5.4 : Hareket gürültüsü.
5.7 Tasarlanan Aktif EMG Filtre
Tasarım PCB üzerinde gerçekleştirilmiştir. Amaç, tasarlanmış olan aktif elektrot ile
yapılan ölçümlerin piyasadan alınan bir aktif EMG elektrotuna göre doğruluğunun
test edilmesi olmaktadır. EMG ölçümleri istenilirse yazılacak ek programlarla farklı
görevlerde kullanılabilecektir.
Tasarım, üç bloktan oluşmakta; güç bloğu burada DCP010505DB çift kaynak
kullanılmıştır.
Bu
entegre
ile
±5V
elde
edilmektedir,
enstrumantasyon
kuvvetlendirici olarak INA128 kullanılmıştır. Çıkış filtresi için OPA2227
kullanılmıştır. Devre çıkışında ise Iso124 izole işlemsel kuvvetlendirici kullanılarak
devre tamamen izole edilmiştir.
Iso124 izole işlemsel kuvvetlendirici entegresi girişine ve çıkışına izole iki
kaynaktan besleme gerilimleri sağlanarak çalışmaktadır. Devre şeması Şekil 5.5’de
gösterilmektedir.
30
Şekil 5.5 : Aktif EMG elektrot şeması.
ADC ölçme sistemi 0-5V aralığındaki gerilimleri ölçebilmektedir. EMG devresi ise
±5V aralığında çıkış vermektedir. Devre çıkışına Çıkış işaretini ikiye bölerek 2.5V
31
kaydıran bir işlemsel kuvvetlendirici devresi yerleştirilmiştir. Bu ek devre üzerinde
OPA2227 entegresi kullanılmıştır. Devre Şeması Şekil 5.6’da gösterilmektedir.
Şekil 5.6 : Kaydıma ve seviye dengeleme devresi
Kaydırma devresinin çıkışında hassas bir çıkış elde edilebilmesi için %1’lik dirençler
kullanılmıştır.
32
6. SAYISAL VERİ TOPLAMA BÖLÜMÜ
6.1 Amaç
Analog işaret den sayısala dönüştürülmüş büyüklükleri saklanması işlenmesi
görüntülenmesi görevlerini gerçekleştirecek olan blok tasarlanmıştır.
6.2 Tasarlanan Merkez Ölçüm Sistemi
At91SAM9261 ARM926JE mikroişlemcisi kullanılmaktadır. İşlemci üzerinde TFT
kontrolör bloğu bulunmaktadır. ADC çevirici sistemleri ile haberleşmesi amacı ile
devre üzerinde bir SPI çıkışı bırakılmıştır. İşlemcinin üzerinde TFT kontrolör
bulunmaktadır. ADC üzerinden gelen analog büyüklükleri gösterge üzerinde
gösterilmesi için 4.3” 480x272 piksel Bir TFT LCD kullanılmıştır. Ayrıca İşlemci
üzerinde iki adet ana USB yer almaktadır. Bunlara bağlanacak bir USB ile istenilen
veriler kayıt altına alınabilecektir. Devre 6 katlı PCB teknolojisi ile üretilmiştir. Tuş
kontrolü içinde tasarlanan 8 adet kapasitif tuş kullanılmıştır.
Sistem üzerinde 24 adet ADC çevirici kanal bulunmaktadır. Bunlar seçimli olarak
çalışmaktadır. Aynı anda 24 noktadan data almak mümkün değildir. 16 adet ve 8 adet
olarak iki parça şeklinde tasarım gerçekleştirilmiştir. 8 adet çevirici üzerinde ±5V
kaynak bulunmaktadır. Diğer 16 adet üzerinde ise 0-5V kaynak bulunmaktadır.
Sistemin Blok diyagramı şekil 6.1 de gösterildiği gibidir.
33
Şekil 6.1 : Ölçme sistemi blok diyagramı
6.3 ADC Çevirici Devre Tasarımı
1MSPS çevirme kapasitesine sahip ADS7951(8CH)
ve ADS7953(16CH) ADC
çevirici entegreleri kullanılmıştır. Devrede ayrı ADC çeviriciler kullanılmasının
nedeni bu seviyedeki işlemciler üzerinde ADC bulunmaması ve devrenin iç
gürültüsünden bağımsız bir devre olmasının avantajından yaralanılmasıdır.
ADS7951(8CH)
çevirici devresi üzerinde ±5V, GNDA ve ADC girişi olan
konektörler ve entegreden oluşmaktadır. Devrelerin beslemesi izole 5V kaynaktan
sağlanmaktadır. ±5V kaynak için DCP010505DB entegresi kullanılmıştır. Devrenin
şeması Şekil 6.2’de gösterildiği gibidir. ADS7951(8CH) 12Bit çözünürlüğe sahip
ADC dönüştürücü entegresi 1MSPS örnekleme hızına sahiptir. En yüksek hızda
haberleşme gerçekleştirildiğinde kanal başına 125KHz/kanal örnekleme hızına
34
ulaşılabilmektedir. Okuyacağımız işaretlerin Nyquist frekansına göre 8KHz
örnekleme hızı sistemimiz için yeterli olacaktır. Bu 8 kanal 8Khz/kanal örnekleme
hızına sahiptir.
Şekil 6.2 : 8 kanal (+5V) - (–5V) ölçme sistemi şeması
Devrenin PCB çizimi şekil6.3 de gösterildiği gibidir.
35
Şekil 6.3 : 8 kanal (+5V) - (–5V) ölçme sistemi PCB çizimi
ADS7953(16CH) çevirici devresi üzerinde 5V, GNDA ve ADC girişi olan
konektörler ve entegreden oluşmaktadır. Devrelerin beslemesi izole 5V kaynaktan
sağlanmaktadır. ADS7951(16CH) 12Bit çözünürlüğe sahip ADC dönüştürücü
entegresi 1MSPS örnekleme hızına sahiptir. En yüksek hızda haberleşme
gerçekleştirildiğinde kanal başına 62.5KHz örnekleme hızına ulaşılabilmektedir.
Hazırlanan devrede kullanılan analog sayısal dönüştürme entegresinin çalışma yapısı
nedeniyle örnekleme hızı kanal başına 4KHz/kanal olarak gerçekleştirilebilmiştir.
Devrenin şeması şekil 6.4 de gösterildiği gibidir.
36
Şekil 6.4 : 16 kanal 0-5V ölçme sistemi şeması
Şekil 6.5 : 16 kanal 0-5V ölçme sistemi PCB çizimi
37
6.4 Mikroişlemci Devre Tasarımı
Mikroişlemci
Devre
Tasarımı
Bloklar
halinde
gerçekleştirilmiştir.
Sırayla
Mikroişlemci Bloğu, Bellek Bloğu ve TFTLCD bağlantı Bloğu olmak üzere üç
Bloktan oluşmaktadır. ADC haberleşmesi için SPI ve iki tane CS pini bir konektöre
çıkarılmıştır. Yazılım içerisinden seçilen moda bağlı olarak kanal seçimleri yapılır.
İşaret çizme işlemi yaptırılacaksa 8CH ADS7951 ünitesi seçilmelidir.
Şekil 6.6 : Mikroişlemci ARM926JE şeması.
38
Şekil 6.7 : NAND flash ve SDRAM şeması.
Şekil 6.7 de gösterilmekte olan devre tasarımı, 32bit adres basına sahip SDRAM
geçici hafıza elemanı, NAND flash kalıcı bellek ve EEPROM hafıza elemanlarının
bağlantılarını içermektedir.
SDRAM ve NAND flash ile ana işlemci arasındaki bağlantı PCB tasarımında çizilen
yollara özellikle dikkat edilmesini gerekmektedir. Bu veri yolları ve adres yolları
üzerindeki haberleşme hızı 100MHz olmaktadır. Yüksek frekans PCB bilgisayar
yazılımları ile işaretler tasarım öncesinde mutlaka test edilmelidir.
39
Şekil 6.8 : TFTLCD bağlantı şeması.
Merkez Sistem Devre tasarımı AT91SAM9261 işlemcisi için yayınlanmış olan
referanslar üzerinden hareket edilerek gerçekleştirilmiştir.
Devre üzerinde tuşlarla haberleşmeyi sağlayacak konektörler ve ADC çeviriciler için
özel bir konektör bulunmaktadır.
İşlemci çalışmak için 3V3 ve 1V2 olmak üzere iki değişik kaynağa gereksinim
duymaktadır. Bunun için güçlü ve izole bir SMPS tasarımı gerçekleştirilmiştir.
40
6.5 Güç Katı Devre Tasarımı
Güç katı iki bölümden oluşmaktadır. SMPS katı entegresi olarak TNY272
kullanılmıştır. SMPS katı çıkışında +5V ve +3V3 çıkış elde edilmektedir. İzole
SMPS çıkışı mikroişlemci devresinin beslemesinde kullanılmıştır. Bu besleme aynı
zamanda bağlanacak olan USB flash hafıza elemanı, klavye gibi çevre elemanlarını
da beslemek için kullanılmaktadır. ADC çevirici katlarının beslemesi için trafolu bir
tasarım kullanılmıştır. 5V çıkış vermektedir. Çıkışta bir LDO entegre kullanılmıştır.
Devre şeması ve PCB çizimleri Şekil 6.9 ve Şekil 6.10’da gösterilmektedir.
Şekil 6.9 : Besleme devre şeması
41
Şekil 6.10 : Besleme PCB çizimi
6.6 Cihaz İçerisinde Kullanılan Kartlar
Cihazın içerisinde kullanılmak üzere tasarlanmış olan kartlar
42
Şekil 6.11 : Anakart donanım tasarımı
Şekil 6.12 : Cihaz içerisindeki kullanılan kart tasarımları
43
Şekil 6.13 : Tasarlanan cihazın iç görünümü ve bağlantılar
6.7 Tasarlanan Cihazın Görünümü
Cihazın EMG işaretinin, çizimi sırasındaki görünümü Şekil 6.14’de gösterilmektedir.
Şekil 6.14 : Çoklu EMG işareti gösterim ekranı.
44
6.8 Yazılım Tasarımı
Yazılım tasarımı iki bloktan oluşmaktadır.
Linux işletim sistemi ve SDL
kütüphanesi kullanılarak yazılan Uygulama yazılımı olarak iki anan gruba
ayrılmaktadır.
Merkez
ölçme
sisteminin
yazılım
yapısı
Şekil
6.14’de
gösterilmektedir.
Linux kernel ihtiyaç duyulan özelliklere göre derlendikten sonra Dataflash içerisine
kaydedilmektedir. Sistem enerjilendirildiğinde fabrika çıkışında yazılmış olan
RomBoot yazılımı çalışmaya başlar ve BootUp işlemi başlatılır. BootUp yazılımının
görevi Linux kernel yazılımı ve uygulama yazılımını dataFlash’tan kopyalayarak
SDRAM üzerinde belirlenen adrese kopyalamaktır. Bu sürede işlemci ekranında bir
açılış resmi gösterilmektedir.
ROMBOOT yazılımı
BootStrap
Kernel ve Uygulama Kopyalama
LİNUX KERNEL
Uygulama Yazılımı
Uygulama Çalışmaya Başlıyor
Şekil 6.15 : Merkez ölçme sistemi yazılım yapısı
45
SDL kütüphanesi kullanılarak yazılan uygulama yazılımı içerisinde grafik çizme
ekrana yazı yazma tuşları tarama haberleşmeyi yönetme gibi bloklar yer almaktadır.
Uygulama yazılımı fonksiyonlarının blokları Şekil 6.16’de blok diyagram şeklinde
gösterilmektedir.
ADC verilerini
Düzenleme
Fonksiyonu
Tuş Okuma
Fonksiyonu
SPI haberleşme
İnterrupt
Fonksiyonu
Uygulama Yazılımı
Ana Döngüsü
Seçime Göre
Okunan ADCleri
gösterme
fonksiyonu
Seçime Göre
Grafik çizme
Fonksiyonu
Şekil 6.16 : Uygulama yazılımı blok şeması
46
KAYNAKLAR
[1] Cobbold, R.S.C., Transducers for Biomedical Measurements: Principles and
Applications, John Wiley and Sons. Inc., 1974.
[2] Ellis, J.F. and Walstrom, P.L., "Moving coil linear variable differential
transformer", Review Science Instrumentation, V.49, No.3, pp. 389400, 1978..
[3] Korürek, M.,
Tip Elektroniğinde
Kullanılan
Kuvvetlendiriciler ve
Dönüştürücüler, Ders Notu, I.T.Ü. Elektrik-Elektronik Fakültesi,
1988.
[4] Netting van Rijn, A.C. et. al., "High-quality recording of bioelectric events, Part
1 Interference reduction, theory and practice", Medical & Biological
Engineering & Computing, 28, pp. 389-397, 1990.
[5] Nicholson, P.F. and Miller, S., The Bifet Design Manual, Texas
Instrumentation, pp. 44-47, 1984-1985.
[6] Sheingold, D.H. ,(Ed.), Transducer Interfacing Handbook, Analog Devices Inc.,
pp. 135-143,1980.
[7] Yazgan, E., Tip Elektroniğine Giriş, Ders Notu, I.T.Ü. Elektrik-Elektronik
Fakültesi, 1990-1991.LePichon, X., 1997. Kişisel görüşme.
[8] Webster, J.G. (Ed.), Medical Instrumentation, Application and Design,
Houghton Mifflin Company, pp. 273-309, 1978Nelson, M.R., 1988.
Constraints on the seismic velocity structure of the crust and upper
mantle beneath the eastern Tien Shan, Central Asia, PhD Thesis, MIT,
Cambridge, MA.
47
48
EKLER
EK A.1 : Mikroişlemci Şematik Tasarımı
49
50
KN7:1
KN7:2
KN7:3
KN7:4
KN7:5
KN7:6
KN7:7
KN7:8
KN7:9
KN7:10
KN7:11
KN7:12
KN7:13
KN7:14
KN7:15
KN7:16
KN7:17
KN7:18
KN7:19
KN7:20
KN7:21
KN7:22
KN7:23
KN7:24
KN7:25
KN7:26
KN7:27
KN7:28
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
49
48
TP13
TP10
TP24
TP22
TP25
TP23
TP26
R25
KODSUZ
GND
TP16
TP27
GND
TP12
+1V2
TP14
+3V3
TB62752AFU
RED Data Block GREEN Data Block BLUE Data Block
Display ON/OFF
Output Shifting Directiron
chip Select Pin
TP17
TP21
+5V
TP15
KN6:4
KN6:3
KN6:2
KN6:1
+3V3
C70
4U7F 6V3 X5R
GND
4
3
2
1
R26
KODSUZ
R20
KODSUZ
C21
+3V3
GND
1
3
7
5
9
11
13
15
17
19
KN9:1
KN9:3
KN9:5
KN9:7
KN9:9
KN9:11
KN9:13
KN9:15
KN9:17
KN9:19
C26
C71
KODSUZ
GND
C27
C28
C29
+3V3
C30
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
D8
D9
D10
D11
D12
D13
D14
D15
C33
+3V3
G1
G2
H1
H2
J1
J2
K1
K4
K2
L1
K3
L2
L3
M1
N1
M2
C1
C2
B1
A1
B2
C4
A2
B3
A3
B4
A4
B5
D6
A5
C6
B6
A6
D7
B7
A7
A8
B8
D8
E2
E1
F3
F15
C10
D10
NC
C14
NC
A9
NC
TST
nRST
NWR0/NWE/CFWE
NWR1/NBS1/CFIOR
NWR3/NBS3/CFIOW
F4
NCS0
C77
D2
NCS1/SDCS
D1
KODSUZ NCS2
G4
NCS3/NANDCS
E3
NRD/CFOE
G3
SDWE
E4
SDA10
F1
SDCKE
H4
SDCK
F2
RAS
J4
CAS
8
A22
A21
10
A20
12
A19
14
A18
16
A17/BA1
18
A16/BA0
20
A15
A14
A13
GND A12
A11
A10
A9
A8
A7
A6
A5
A4
A3
A2
A1/NBS2/NVR2
A0/NBS0
6
4
2
AT91SAM9261
KN9:2
KN9:4
KN9:6
KN9:8
KN9:10
KN9:12
KN9:14
KN9:16
KN9:18
KN9:20
C76
+3V3
C75
DO1605T-222ML_
C89
KODSUZ
C25
GND
R11
330K %5 1/10W
C24
GND
C74
+5V
+1V2
22uF 6V3
5
C23
L3
KODSUZ
C22
3
KODSUZ
GND
SW
FB
NCP1529
EN
GND
VIN
U12
R21
KODSUZ
4
2
1
C20
R45
R50
KODSUZ
KODSUZ
R46
R27
KODSUZ
R48
KODSUZ
R18
KODSUZ
KODSUZ
+3V3
C11
100nF 25V X7R
GND
SDRAM
U1
Truly 4.3inch TFT-G480272DTSW-7W-E Connection [XF2M_5015_1A(Omron)]
PA0/SPIO_MISO/MCDA0
PA1/SPIO_MOSI/MCCDA
PA2/SPIO_SPCK/MCCK
PA3/SPIO_NPCS0
PA4/SPIO_NPCS1/MCDA1
PA5/SPIO_NPCS2/MCDA2
PA6/SPIO_NPCS3/MCDA3
PA7/TWD/PCK0
PA8/TWCK/PCK1
PA9/DRXD/PCK2
PA10/DTXD/PCK3
PA11/TSYNK/SCK1
PA12/TCLK/RTS1
PA13/TPS0/CTS1
PA14/TPS1/SCK2
PA15/TPS2/RTS2
PA16/TPK0/CTS2
PA17/TPK1/TF1
PA18/TPK2/TK1
PA19/TPK3/TD1
PA20/TPK4/RD1
PA21/TPK5/RK1
PA22/TPK6/RF1
PA23/TPK7/RTS0
PA24/TPK8/SPI1_NPCS1
PA25/TPK9/SPI1_NPCS2
PA26/TPK10/SPI1nPCS3
PA27/TPK11/SPI0nPCS1
PA28/TPK12/SPI0nPCS2
PA29/TPK13/SPI0nPCS3
PA30/TPK14/A23
PA31/TPK15/A24
KN7:29
KN7:30
KN7:31
KN7:32
KN7:33
KN7:34
KN7:35
KN7:36
KN7:37
KN7:38
KN7:39
KN7:40
KN7:41
KN7:42
KN7:43
KN7:44
KN7:45
KN7:46
KN7:47
TP18
C19
ETH
+3V3
GND
J12
R11
T12
U13
P10
T13
U14
T14
R12
T15
U16
R13
T16
U15
R14
T17
P13
P14
R15
R17
P16
P17
N15
N14
N16
N17
M14
M15
L15
M16
M17
L14
L16
A12
DDP
B12
DDM
C12
HDPA
B14
HDMA
PLLRCA
PLLRCB
TRST
TDO
TMS
TCK
RTCK
TDI
JTAGSEL
A13
HDPB
A14
HDMB
F17
F16
C17
D17
U17
E17
B10
U9
U10
XOUT
50
TP19
C18
10K %5 1/10W
R52
GND
GND
C17
SW1
D3
L4
Display ON/OFF
470pF 50V X7R
1K96 %1 1/10W
R2
4n7F 50V X7R
Output Shifting Directiron
USB
JTAG
C1
C2
1K5 %1 1/10W
R3
4n7F 50V X7R
U12
KN7:48
KN7:49
KN7:50
TP8
TP20
GND GND
C32
GND
C3
470pF 50V X7R
KODSUZ
XTAL1
18.432MHz
XIN
GNDOSC
XOUT32
TP9
TP11
C16
10K %5 1/10W
R4
U11
T11
XIN32
GNDA
C15
VDDIOP
R5
100K %5 1/10W
R6
100K %5 1/10W
R7
100K %5 1/10W
GND
R24
KODSUZ
A10
T10
VDDOSC
100nF 25V X7R
C7
A11
XTAL2
32.768KHz 20ppm
KODSUZ
KODSUZ
GNDPLL
VDDPLL
C14
GND
330K %5 1/10W
C4
C5
C6
C8
C9
P9
R10
C13
+1V2
10uF 10V %10 TANTAL
T5
100nF 25V X7R
VDDIOP
U6
100nF 25V X7R
VDDIOP
P15
100nF 25V X7R
VDDIOP
J14
100nF 25V X7R
VDDIOP
C15
100nF 25V X7R
VDDIOP
P11
100nF 25V X7R
+5V
+3V3
R8
10K %5 1/10W
VDDIOP
D11
100nF 25V X7R
VDDIOM
C3
100nF 25V X7R
VDDIOM
H3
100nF 25V X7R
VDDIOM
N4
100nF 25V X7R
GND
VDDIOM
D4
VDDIOM
L4
100nF 25V X7R
5
U2
P6
T4
U3
R6
T6
U5
P7
R7
T7
T8
P8
R8
U8
R9
T9
P1
N2
M3
R1
T1
R2
P3
T2
P4
U1
T3
R4
P5
R5
P2
N3
100nF 25V X7R
6
FB
RED Data Block
GREEN Data Block
PC0/NANDOE/NCS6
PC1/NANDWE/NCS7
PC2/NWAIT/IRQ0
PC3/A25/CFRNW
PC4/NCS4/CFCS0
PC5/NCS5/CFCS1
PC6/CFCE1
PC7/CFCE2
PC8/TXD0/PCK2
PC9/RXD0/PCK3
PC10/RTS0/SCK0
PC11/CTS0/FIQ
PC12/TXD1/NCS6
PC13/RXD1/NCS7
PC14/TXD2/Spi1_NPCS2
PC15/RXD2/Spi1_NPCS3
PC16/D16/TCLK0
PC17/D17/TCLK1
PC18/D18/TCLK2
PC19/D19/TIOA0
PC20/D20/TIOB0
PC21/D21/TIOA1
PC22/D22/TIOB1
PC23/D23/TIOA2
PC24/D24/TIOB2
PC25/D25/TF2
PC26/D26/TK2
PC27/D27/TD2
PC28/D28/RD2
PC29/D29/RK2
PC30/D30/RF2
PC31/D31/PCK1
VDDIOM
C8
100nF 25V X7R
VDDIOM
C5
100nF 25V X7R
U5
C47
MBR0540
KODSUZ
C50
4
SW
VIN
3
OVD GND
2
SHDN
1
GND
GND
GND
GND
GND
GND
GND
GND
GND
GND
GND
GND
GND
GND
GND
GND
GND
GND
R3
H8
H9
H10
J8
J9
J10
K8
K9
K10
J3
U4
U7
C7
D3
A16
C11
R16
GND
GND
100nF 50V X7R
10uF 10V Y5V
10uF 10V %10 TANTAL
C12 C31
10uF 10V %10 TANTAL
GND
P12
C10
+1V2
100nF 25V X7R
VDDCORE
100nF 25V X7R
VDDCORE
K14
GND
BLUE Data Block
100nF 25V X7R
100nF 25V X7R
GND
+1V2
D5
VDDCORE
M4
VDDCORE
100nF 25V X7R
+5V
L17
K16
K17
K15
J17
H17
J16
H16
G17
J15
H14
G16
G15
H15
G14
E16
F14
D16
E15
B17
D15
C16
E14
D14
A17
B16
B15
A15
D13
D12
C13
B13
C9
GNDBU
PB0/LCDVSYNC
PB1/LCDHsync
PB2/LCDDotCK/PCK0
PB3/LCDDEN
PB4/LCDCC/LCDD2
PB5/LCDD0/LCDD3
PB6/LCDD1/LCDD4
PB7/LCDD2/LCDD5
+3V3
PB8/LCDD3/LCDD6
GND
PB9/LCDD4/LCDD7
PB10/LCDD5/LCDD10
PB11/LCDD6/LCDD11
PB12/LCDD7/LCDD12
PB13/LCDD8/LCDD13
PB14/LCDD9/LCDD14
PB15/LCDD10/LCDD15
PB16/LCDD11/LCDD19
PB17/LCDD12/LCDD20
PB18/LCDD13/LCDD21
PB19/LCDD14/LCDD22
PB20/LCDD15/LCDD23
PB21/TF0/LCDD16
PB22/TK0/LCDD17
PB23/TD0/LCDD18
PB24/RD0/LCDD19
PB25/RK0/LCDD20
PB26/RF0/LCDD21
PB27/Sp1NPCS1/LCDD22
PB28/Sp1NPCS0/LCDD23
PB29/Spi1_SPCK/IRQ2
PB30/Spi1_MISO/IRQ1
PB31/Spi1_MOSI/PCK2
100nF 25V X7R
VDDBU
B9
KODSUZ
R19
SHDN
D9
WKUP
B11
R10
100K %5 1/10W
+3V3
+3V3
23
24
25
26
29
30
31
32
33
34
22
35
36
20
21
C37
C35
C38 C36
100nF
X7R
100nF
25V X7R
25V X7R
100nF 25V 100nF
X7R 25V
MT48LC16M16A2
C41
+3V3
GND
23
24
25
26
29
30
31
32
33
34
22
35
36
20
21
U4
A0
A1
A2
A3
A4
A5
A6
A7
A8
A9
A10
A11
A12
BA0
BA1
C46
C40
C87 C86
53
51
50
48
47
45
44
42
13
11
10
8
7
5
4
2
100nF
X7R
100nF
25V X7R
25V X7R
100nF 25V 100nF
X7R 25V
DQ15
DQ14
DQ13
DQ12
DQ11
DQ10
DQ9
DQ8
DQ7
DQ6
DQ5
DQ4
DQ3
DQ2
DQ1
DQ0
MT48LC16M16A2
39
DQMH
15
DQML
38
CLK
37
CKE
40
NC
29
30
31
32
41
42
43
44
+3V3
33
34
35
39
40
45
46
47
48
C42
+3V3
GND
C44
+3V3
+3V3
+3V3
5
6
7
8
A2
A1
A0
3
2
1
24LC01B SOIC
VCC
VSS
GND
SO
WP
VCC
GND
U9
U10
SDA
SCL
WP
SI
SCK
RST
CS
GND
AT45DB642D CNU
4
3
2
1
7
6
5
I2C-bus eeProm(24LC01B)write 0b1010 1100
I2C-bus eeProm(24LC01B)read 0b1010 1101
C45
+3V3
GND
100nF 25V X7R
100nF 25V X7R
GND
+3V3
U3
A0
A1
A2
A3
A4
A5
A6
A7
A8
A9
A10
A11
A12
BA0
BA1
53
51
50
48
47
45
44
42
13
11
10
8
7
5
4
2
GND
I/O0
I/O1
I/O2
I/O3
I/O4
I/O5
I/O6
I/O7
NC
NC
NC
NC
NC
NC
NC
NC
NC
12
VCC
37
VCC
GND
10uF 10V %10 TANTAL
GND
13
VSS
36
VSS
J24
+3V3
GND
DQ15
DQ14
DQ13
DQ12
DQ11
DQ10
DQ9
DQ8
DQ7
DQ6
DQ5
DQ4
DQ3
DQ2
DQ1
DQ0
CLE
ALE
RE#
WE#
CE#
R/B#
WP#
CE2#
R/B2#
16
WE#
17
CAS#
18
RAS#
19
CS#
16
17
8
18
9
7
19
10
6
20
DNU
21
DNU
22
DNU
NC
NC
NC
NC
NC
NC
NC
NC
NC
NC
NC
NC
NC
NC
DNU/VSS
MT29F2G08AACWP
R77
100K %5 1/10W
8
4
39
DQMH
15
DQML
+3V3
GND
1
2
3
4
5
11
14
15
23
24
25
26
27
28
38
4K7 %5 1/10W
R68
+3V3
38
CLK
37
CKE
40
NC
GND
4K7 %5 1/10W
R15
1
14
27
3
9
43
49
VDD
VDD
VDD
VDDQ
VDDQ
VDDQ
VDDQ
VSS
Vss
Vss
VssQ
VssQ
VssQ
VssQ
28
41
54
6
12
46
52
1
14
27
3
9
43
49
VDD
VDD
VDD
VDDQ
VDDQ
VDDQ
VDDQ
VSS
Vss
Vss
VssQ
VssQ
VssQ
VssQ
28
41
54
6
12
46
52
GND
C88
J11
16
WE#
17
CAS#
18
RAS#
19
CS#
+3V3
+3V3
10uF 10V %10 TANTAL
100nF 25V X7R
100nF 25V X7R
C43
R79
100K %5 1/10W
R14
100K %5 1/10W
GND
GND
KODSUZ
C91
C90
+3V3
100nF 25V X7R
C85
GND
100nF 25V X7R
+3V3
+3V3
+5V
GND
FM write
FM read
RDS write
RDS read
0b0010 0000
0b0010 0001
0b0010 0010
0b0010 0011
AN3
+3V
TP5
R106
nop
C112
GNDA
KODSUZ
XTAL4
C124
32.768KHz 20ppm
C51 KODSUZ
KODSUZ
C116
nop
GNDA
+3V3
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
GNDA
U100
NC
FREQIN
XTAL
VCCA
CD3
REFIN1
REFIN2
GNDRF
CAGC
NC
TP6
C105
33n
GNDA
C106
C103
C101
33n
220n
220n
INTX
GNDD
INTCON2
NC
GNDD
VCCD
CD2/INTCON3
GNDD
NC
SDA
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
C120
KODSUZ
GNDA
GNDA
nop
nop
C11833n
C10233n
R102
KODSUZ
TP7
TP1
TP2
PAINN
VBAT
CBP
9
1
5
2
24
+3V3
INT
SDA
SCL
GND
PCF8563T
VSS
OSCOCLKO
OSCI VDD
U6
0b1010 0010
0b0010 0011
1
4
2
32.768KHz 20ppm
3
XTAL3
I2C-bus RTC (PCF8563)write
I2C-bus RTC (PCF8563)read
U8
VDIG
AVDD
AVDDHS
VCM
VREF
GND
8
7
6
5
C53
GND
C52
G
Q1
2N7002
D
S
GND
C34 C65 C66
C58
KODSUZ
1
2
3
4
R31
15K %5 1/10W
KN10:1
GND
GND
6
7
C54
C67
C60
R72
330K %5 1/10W
5
R1
C59
GND
+5V
1
2
3
GND
KN6:5
KN6:6
KN6:7
C68
C64
C61
+5V
100nF 25V X7R
GND
15pF 25V COG
39R %5 1/10W
R37
39R %5 1/10W
R38
C56
GND
C55
15pF 25V COG
39R %5 1/10W
R49
39R %5 1/10W
R51
39R %5 1/10W
R57
39R %5 1/10W
R58
KN4:1
KN4:2
KN4:3
KN4:4
1
KODSUZ
R17
KODSUZ
C49
C48
GND
KN11:3
KN11:2
KN11:1
+3V3
GNDA
C113
C111
33n
GNDA
+3V
C110 C108
GNDA
15
12
14
13
AT73C213B
KN10:2
KN10:3
KN10:4
KN10:5
KN10:6
GND
KODSUZ 33n
R105
TP3
KODSUZ
C104
33n
C119
+3V3
C80
HPN
HPP
KODSUZ
KODSUZ
2
3
4
5
KN10:7
R47
KODSUZ
TP4
+3V3+5V
22K %5 1/10W
R34
KN10:8
R73
330K %5 1/10W
47pF 50V COG
47pF 50V COG
270R
R39
GNDA
GND
6
7
8
10uF 10V Y5V
10uF 10V Y5V
47pF 50V COG
47pF 50V COG
100nF 25V X7R
R56
100nF 25V X7R KODSUZ
R107
KODSUZ
33n
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
C39
22uF 6V3
11
25
26
27
28
+3V3
15K %5 1/10W
R54
15K %5 1/10W
R60
GNDA
15K %5 1/10W
R53
15K %5 1/10W
R59
25
R103
R104
10K %5 1/10W
100K %5 1/10W
C117
KN13:19
KN13:20
KN13:21
KN13:22
KN13:23
KN13:24
KN13:25
KN13:26
KN13:27
KN13:28
200R %5 1/10W
SPI_DOUT
SPI_DIN
SPI_CSB
SPI_CLK
22
21
20
17
19
18
23
1nF 50V X7R
47uF 16V
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
+3V
100nF 25V X7R
LPHN
PAINP
MONOP
LINER
MONON
RSTB
SMODE
MCLK
SDIN
LRFS
BCLK
100nF 25V X7R
270R
R40
LD1
KODSUZ
R55
1N4148-S
24
LD2
D2
+3V3
GND
29
KN13:1
KN13:2
KN13:3
KN13:4
KN13:5
KN13:6
KN13:7
KN13:8
KN13:9
KN13:10
KN13:11
KN13:12
KN13:13
KN13:14
KN13:15
KN13:16
KN13:17
KN13:18
10
16
30
7
29
INGND
100K %5 1/10W
C123
GNDA
KN19:1
KN19:2
KN19:3
KN19:4
KN19:5
KN19:6
KN19:7
KN19:8
KN19:9
14
15
17
16
18
R23
C72
470NF
8
6
LINEL
R13
31
AUXP
KODSUZ
32
AUXN
KODSUZ
4
R22
HSR
100uF GPG
3
HSL
C62
KODSUZ
33
L2
C109
1
2
3
4
5
6
7
8
9
KN19:10
KN19:11
KN19:12
+3V3
100p
KN18:5
KN18:4
KN18:3
KN18:2
KN18:1
I2C-bus
I2C-bus
I2C-bus
I2C-bus
1
2
3
4
5
10
11
12
GND
10
33n
GNDA
GNDA
C69
470NF
C63
C81
100uF GPG
GND
100nF 25V X7R
R12
21
NC
SCL
+3V
GNDA
22
INTCON1
33n
VREFDIG
9
R101
KODSUZ
GNDA
GNDA
GNDA
23
TMUTE
BUSENABLE
8
VAFR
SWPORT
27
MPXIN
28
LO2
30
GNDA
26
GNDA
7
VAFL
PILLP
6
MPXOUT
TEA5764HN
CD1
5
D102
LQW18AN33NG00p
L103
GNDD
4
27pF
47pF 50V COG
+3V3
NC
CPOUT
2
LO1
3
D101
LOOPSW
1
L102
LQW18AN33NG00p
KODSUZ
R42
KODSUZ
R43
KODSUZ
R44
22K %5 1/10W
R28
GNDD
+3V3
KN18:6
KN18:7
KN18:8
1
3
5
7
9
11
GNDB
C84
LQM21FN4R7M80p
GND
0.47F 2.7V !
KODSUZ
6
GND
KN8:1
KN8:3
KN8:5
KN8:7
KN8:9
KN8:11
GNDA
GNDA
GNDA
KN8:2
KN8:4
KN8:6
KN8:8
KN8:10
KN8:12
GNDA
R9
7
8
2
4
6
8
10
12
GND
C115 C114
GND
+5V
L101
LQW18ANR12G00p
GND
+3V3
GND
1
2
3
4
5
1
3
2
4
1
2
3
4
4
3
2
1
KN1:1
KN1:2
KN1:3
KN1:4
KN1:5
KN3:1
KN3:3
KN3:2
KN3:4
KN12:1
KN12:2
KN12:3
KN12:4
KN2:4
KN2:3
KN2:2
KN2:1
ÖZGEÇMİŞ
Ad Soyad:
Tolga Çırak
Doğum Yeri ve Tarihi:
Afyon 21.09.1979
Adres:
Göztepe / İstanbul
Lisans Üniversite:
İstanbul Teknik Üniversitesi
Yayın Listesi:
57