Sistema dosimétrico basado en sensores MOS para control de ...

CARRERA DE ESPECIALIZACIÓN ENSISTEMAS EMBEBIDOS

MEMORIA DEL TRABAJO FINAL

Sistema dosimétrico basado en sensoresMOS para control de dosis en

radioterapia

Autor:Ing. Facundo Adrián Lucianna

Director:Dr. Mariano Garcia Inza (FIUBA-CONICET)

Jurados:Esp. Ing. Ernesto Gigliotti (UTN-FRA, FIUBA)Esp. Ing. Jorge Manuel Fonseca (UNNE, UBA)

Mg. Ing. Eric Pernia (UNQ, FIUBA)

Este trabajo fue realizado en las ciudades de San Miguel de Tucumán y YerbaBuena entre agosto de 2018 y julio de 2020.

III

Resumen

En la presente memoria se describe el desarrollo y fabricación de un prototipofuncional de un sistema capaz de realizar lecturas de un dosímetro usado ensesiones de radioterapia para medir dosis de absorción. Este desarrollo fue

realizado para el Instituto de Tecnologías y Ciencias de la Ingeniería (INTECIN)de la Universidad de Buenos Aires y del Consejo Nacional de Investigaciones

Científicas y Técnicas.

El dosímetro es un desarrollo original del INTECIN y se basa en un transistor deefecto campo que cambia su voltaje umbral cuando está expuesto a radiación

ionizante. El sistema estima la dosis absorbida leyendo el voltaje umbral antes ydespués de la sesión de radiación, controlando los factores ambientales para una

correcta medición. Tiene una interfaz de usuario fácil de usar que permite alpersonal de radioterapia operarlo con un teclado numérico o una computadora.

Para llevar a cabo el desarrollo de este sistema se aplicaron conocimientosadquiridos en la especialización como metodologías de gestión de proyectos,

sistemas operativos de tiempo real, protocolos de comunicación, metodologíasde testing y fabricación de circuitos impresos.

V

Agradecimientos

A mi director Mariano Garcia Inza, por su buena predisposición, orientación,aportes y supervisión durante la realización del presente trabajo.

A todo el equipo del Laboratorio de Física de Dispositivos - Microelectrónica, porel soporte y confianza en el proyecto. Particularmente a Juan Pablo Goyret, que,gracias a su aporte, este proyecto pudo salir adelante.

A los profesores y compañeros de la Carrera de Especialización en Sistemas Em-bebidos que me acompañaron en esta formación profesional.

VII

Índice general

Resumen III

1. Introducción general 11.1. Necesidad y motivación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2. Dosimetría en radioterapia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3. Tecnologías de dosímetros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.4. Objetivos y alcance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.4.1. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.4.2. Alcance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2. Introducción específica 52.1. Dosímetro MOS del Laboratorio de Física de Dispositivos - Micro-

electrónica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.1.1. Dependencia del dosímetro MOS a la temperatura . . . . . . 62.1.2. Utilización del dosímetro MOS . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2. Circuito de lectura desarrollado por el LFDM . . . . . . . . . . . . . 72.2.1. Conversor analógico-digital - AD7799 . . . . . . . . . . . . . 82.2.2. Conversor digital-analógico - MCP4812 . . . . . . . . . . . . 82.2.3. Interruptores analógicos de estado solido - MAX4533 . . . . 92.2.4. Subcircuito de lectura de voltaje umbral . . . . . . . . . . . . 92.2.5. Subcircuito de lectura de voltaje de diodo . . . . . . . . . . . 102.2.6. Control de la conmutación entre subcircuitos . . . . . . . . . 102.2.7. Ensayos del circuito de lectura realizados por el LFDM . . . 11

2.3. Descripción del sistema dosimétrico basado en sensores MOS paracontrol de dosis en radioterapia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.3.1. Funcionamiento del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.3.2. Requisitos principales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.3.3. Descripción de los componentes usados . . . . . . . . . . . . 14

Placa de desarrollo EDU-CIAA-NXP . . . . . . . . . . . . . . 15Pantalla LCD basada en controlador - ILI9341 . . . . . . . . 16Teclado alfanumérico de 4x4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16Sensor de presión y temperatura - BMP180 . . . . . . . . . . 16Memoria EEPROM - 24AC256 . . . . . . . . . . . . . . . . . 17Lector de código de 1D y 2D - GM65 . . . . . . . . . . . . . . 17

2.4. Planificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3. Diseño e implementación 213.1. Desarrollo del hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.1.1. Plataforma de desarrollo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.1.2. Arquitectura del hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.1.3. Poncho de interfaz de usuario . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.1.4. Receptáculo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

VIII

3.1.5. Placa del receptáculo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.2. Diseño del firmware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.2.1. Arquitectura del firmware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.2.2. Tareas de FreeRTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

Tarea Menú . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31Tarea PD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32Tarea Circuito de lectura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34Tarea Comunicación con PC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.2.3. Interfaz de usuario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4. Ensayos y resultados 394.1. Pruebas unitarias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394.2. Pruebas funcionales del hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394.3. Ensayos del control de temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4.3.1. Comparación entre un controlador de A-D y el controladorPD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.3.2. Comportamiento del controlador PD cuando ocurre un cam-bio en el entorno. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.3.3. Comportamiento del controlador PD con cuatro tempera-turas deseadas diferentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.4. Ensayos del sistema de lectura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464.4.1. Ensayo de voltaje de diodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474.4.2. Ensayo de voltaje umbral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.5. Pruebas de integración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

5. Conclusiones 555.1. Conclusiones generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555.2. Próximos pasos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

5.2.1. Circuito de lectura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565.2.2. Software de control del sistema por PC . . . . . . . . . . . . 565.2.3. Prototipo industrial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

A. Listado completo de los requerimientos del sistema dosimétrico 59A.1. Requerimientos por funciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59A.2. Requisitos de Rendimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62A.3. Restricciones de Diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62A.4. Atributos del Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

Bibliografía 65

IX

Índice de figuras

2.1. Estructura interna de un MOS-FET tipo N. . . . . . . . . . . . . . . 52.2. Fotografías del dosímetro MOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.3. Foto del poncho del circuito de lectura desarrollado por el LFDM . 82.4. Esquemático simplificado del subcircuito de lectura de VT . . . . . . 92.5. Esquemático simplificado del subcircuito de lectura de VD. . . . . . 102.6. Diagrama de bloques del sistema dosimétrico desarrollado. . . . . 122.7. Fotografía del sistema dosimétrico desarrollado. . . . . . . . . . . . 122.8. Foto de la placa de desarrollo EDU-CIAA-NXP. . . . . . . . . . . . . 152.9. Pantalla LCD utilizada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.10. Teclado numérico de 4x4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.11. Sensor de presión y temperatura BMP180. . . . . . . . . . . . . . . . 172.12. Lector de código QR - GM65. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.13. Diagrama Activity On Node parte 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.14. Diagrama Activity On Node parte 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.15. Diagrama Activity On Node parte 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.1. Arquitectura del sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.2. Diagrama esquemático del circuito de conversión de niveles entre

la EDU-CIAA-NXP y el lector de código de 1D y 2D GM65. . . . . . 233.3. Diagrama esquemático de la memoria EEPROM externa 24AC256. 243.4. Imagen renderizada del poncho de interfaz de usuario, vista desde un

plano cenital. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.5. Fotografía del poncho de interfaz de usuario tomada desde un plano

cenital. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.6. Imagen renderizada del receptáculo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.7. Fotografía del receptáculo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.8. Cierre imantado usado para cerrar la tapa y detectar el estado de

la misma por el sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.9. Diagrama esquemático del circuito controlador del calefactor de

resistencias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.10. Diagrama esquemático del circuito del detector de apertura o ce-

rrado de la tapa del receptáculo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283.11. Imagen renderizada de la placa del receptáculo tomada desde un

plano cenital (izquierda) y desde un plano nadir (derecha). . . . . . 283.12. Fotografía de la placa del receptáculo tomada desde un plano cenital. 293.13. Diagrama de capas del programa desarrollado. . . . . . . . . . . . . 303.14. Interacción entre tareas del firmware. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.15. Ejemplos de señal PWM que controla al calefactor del receptáculo. 333.16. Formato del mensaje que la PC debe enviar para poder comunicar-

se con el sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.17. Maqueta de la interfaz de usuario y fotografía de la pantalla LCD

mostrando la misma pantalla. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

X

3.18. Maqueta de la pantalla de información y fotografía de la pantallaLCD mostrando la misma pantalla. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.19. Maqueta de la pantalla de advertencia y fotografía de la pantallaLCD mostrando la misma pantalla. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.20. Maqueta de la pantalla de error y fotografía de la pantalla LCDmostrando la misma pantalla. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.1. Cambio en la plaqueta del sensor de temperatura. . . . . . . . . . . 404.2. Pruebas de capacidad de dibujado de la pantalla. . . . . . . . . . . . 414.3. Cambio realizado en los transistores de potencia para que la EDU-

CIAA-NXP pueda controlar al calefactor de resistencias. . . . . . . 414.4. Esquema del banco de ensayo usado para hacer los ensayos. . . . . 434.5. Foto del banco de ensayo usado para hacer los ensayos. . . . . . . . 434.6. Gráfica temperatura versus tiempo de un controlador de A-D y el

controlador PD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444.7. Gráfica temperatura versus tiempo para analizar el comportamien-

to del controlador cuando ocurre un cambio en el entorno. . . . . . 454.8. Gráfica temperatura versus tiempo para cuatro temperatura desea-

das. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464.9. Dosímetros usados para los ensayos del sistema de lectura. . . . . . 474.10. Gráfica de dispersión de VD versus temperatura del dosímetro #27. 474.11. Gráfica de dispersión de VD versus temperatura de los dosímetros

#21 y #27. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484.12. Gráficas de voltaje umbral versus tiempo de los dosímetros #21 y

#27 para diferentes temperaturas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494.13. Diagrama de caja del voltaje umbral para diferentes temperaturas

de ambos dosímetros. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504.14. Fotografía del sistema cuando se realizó una lectura del código QR. 514.15. Fotografía del sistema cuando se consultó el registro histórico de

ultimas mediciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524.16. Fotografía del sistema cuando el sistema mostró en pantalla la do-

sis medida del dosímetro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524.17. Fotografía del sistema cuando se apagó la alimentación de 34V

durante una lectura y el sistema respondió con el mensaje de errorque se esperaba que mostrara. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

XI

Índice de Tablas

1.1. Cuadro comparativo con de los tipos de dosímetros más utilizados. 3

2.1. Configuración del circuito de lectura para leer los diferentes pará-metros del dosímetro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.2. Código de colores del diagrama Activity On Node. . . . . . . . . . . 18

4.1. Porcentaje de cobertura de pruebas unitarias. . . . . . . . . . . . . . 39

1

Capítulo 1

Introducción general

En este capítulo se explica el propósito del sistema desarrollado en este proyecto.Además, se repasa brevemente la tecnología de los dosímetros que se utilizan enprotección radiológica. Por último, se describe los objetivos y alcances.

1.1. Necesidad y motivación

El desarrollo descrito en esta memoria nace de una necesidad del Laboratorio deFísica de Dispositivos - Microelectrónica (LFDM) [1] del Instituto de Tecnologíasy Ciencias de la Ingeniería (INTECIN), de doble dependencia, Consejo Nacionalde Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET) y Facultad de Ingeniería,Universidad de Buenos Aires. Desde el 2007, el LFDM desarrolla tecnología dedosimetría de radiación basado en el transistor de efecto de campo (dosímetrosMOS) [2]. Luego de varios años y publicaciones científicas, el laboratorio ha lle-gado a una etapa en la que procura avanzar a una transferencia tecnológica. Juntoal departamento de radioterapia del Instituto de Oncología Angel H. Roffo, tie-nen el objetivo de utilizar estos dosímetros en el control de dosis en sesiones deradioterapia. Esta aplicación es de interés para el LFMD y el departamento deradioterapia para asegurar la calidad de sus tratamientos y evitar accidentes desobreexposición.

Realizar una lectura de un dosímetro MOS no es trivial, porque requiere un sis-tema que pueda realizar estas lecturas controlando diferentes variables, y que nosea propenso a errores. Además, este sistema debe ser sencillo de utilizar por elpersonal típico asociado a una sesión de radioterapia. El proyecto descrito en estamemoria responde al desarrollo de este sistema.

1.2. Dosimetría en radioterapia

El fenómeno de la radiación es la propagación de energía en forma de ondaselectromagnéticas o partículas subatómicas a través del vacío o de un medio ma-terial. Si la radiación transporta energía suficiente como para provocar daño de laestructura molecular del medio que atraviesa, extrayendo electrones, se dice quees una radiación ionizante [3]. Cuando la radiación ionizante atraviesa un tejidocelular, debido a su capacidad de ionizar la materia, puede alterar directamen-te aquellas moléculas esenciales, tales como el ADN, ARN, etc. [4]. Aunque estecomportamiento puede verse como una problemática a evitar, el ser humano haencontrado formas de usar este fenómeno a su favor. Por ejemplo, si se utiliza

2 Capítulo 1. Introducción general

algún haz de radiación ionizante sobre células cancerígenas, estas se pueden des-truir. Este tipo de terapia denominado “radioterapia” es uno de las más utilizadaspara el tratamiento del cáncer [5].

Estudiar la eficiencia de una sesión de radioterapia es de suma importancia, yaque se necesita saber que tanto daño ha hecho en el tumor, como así tambiénevitar afectar a tejidos sanos por una sobreexposición. La eficiencia se estudiaanalizando la dosis absorbida de radiación del paciente. La dosis absorbida esuna medida de la cantidad de energía entregada por unidad de masa radiada [6].

Previo a la exposición, se realizan cálculos teóricos de la dosis esperada que eltumor absorba y durante el tratamiento, se realiza la medición de dosis de radia-ción absorbida. Para esto último, se utiliza un instrumento denominado dosíme-tro. Los resultados provenientes del análisis de los dosímetros permiten evaluarcuantitativamente el grado de exposición.

La unidad de dosis utilizada en radioterapia es el Gray (símbolo: Gy). Es unaunidad derivada de la dosis de radiación ionizante en el Sistema Internacionalde Unidades. Se define como la absorción de un Joule de energía de radiaciónpor kilogramo de materia [7]. Un tratamiento completo de radioterapia implicaun rango de 45Gy a 60Gy para cáncer de pecho, cabeza o cuello, aunque esta sedivide en varias sesiones en un periodo de uno o dos meses. El valor de dosis aaplicar en cada sesión son el orden de las unidades de Gray [8].

1.3. Tecnologías de dosímetros

Hay muchas tecnologías desarrolladas que se utilizan para medir la dosis de ra-diación ionizante absorbida. Entre las más utilizadas se pueden encontrar:

Dosímetro de placa de película (DPP): estos dosímetros tienen adentro unapelícula fotográfica en blanco y negro con diferentes tamaños de grano de-pendiendo del tipo de radiación a la que estarán expuestas. La radiaciónafecta a la película fotográfica, la cual, se va ennegreciendo en función de ladosis recibida. Para obtener la lectura de estos dosímetros, se debe revelarel film, por lo que estos dosímetros tienen un solo uso. [9].

Dosímetro de termoluminiscencia (DT): consiste en una pieza de un mate-rial cristalino termoluminiscente. Cuando un cristal termoluminiscente seexpone a radiación ionizante, absorbe y atrapa parte de la energía de la ra-diación en su red cristalina. La dosis en estos dosímetros se lee mediantedetector especializado que calienta al cristal, haciendo que el cristal emitaluz visible y mide esta intensidad con un fotomultiplicador. La intensidadde luz es proporcional a la dosis absorbida. Este dosímetro se puede reuti-lizar varias veces, pero el valor de cada dosis no se puede leer más de unavez [10].

Dosímetro de luminiscencia estimulada ópticamente (DLEO): estos dosí-metros están basados en cristales de luminiscencia estimulada ópticamen-te. Son muy similares a los de termoluminiscencia, en donde la intensidadde luz que poseen cuando son estimulados es proporcional a la dosis ab-sorbida. La diferencia es que estos cristales se deben estimular con luz. Elsistema usado para extraer la dosis está basado en fotomultiplicadores. Losdosímetros de luminiscencia estimulada ópticamente tienen como ventajas,

1.4. Objetivos y alcance 3

la capacidad de volver a usarse y una alta sensibilidad, pero poseen la mis-ma desventaja que los de termoluminiscencia [11].

Dosímetro basado en semiconductores (DBS): Esta tecnología consiste enun semiconductor (un diodo PIN o un MOS-FET, por ejemplo) el cual se vedañado por la radiación. Con un circuito eléctrico se puede extraer la infor-mación de dosis absorbida, ya que las propiedades eléctricas del dispositi-vo se ven modificadas por estas [12]. Estos dosímetros son muy pequeños(inferior a 10mm2), y poseen una sensibilidad superior a las tecnologías tra-dicionales. En dosimetría de radioterapia, los dosímetros de semiconductora menudo reemplazan a los dosímetros termoluminiscente ya que ofrecenuna lectura inmediata in situ. [13].

En la tabla 1.1 se presenta un resumen de las diferentes tecnologías de dosímetro.

TABLA 1.1. Cuadro comparativo con de los tipos de dosímetrosmás utilizados.

Tipo dedosímetro

Principio defuncionamiento

Principiofísico

Reutilizable

DPPRadiación daña la películafotográfica.

Químico No

DTCristal absorbe la energía deradiación.

Térmico Sí

DLEOCristal absorbe la energía deradiación.

Óptico Sí

DBS Radiación daña el semiconductor. Electrónico Sí

Se observa que el tipo de dosímetro basado en semiconductores presenta comoventaja fundamental que su principio de funcionamiento, de base electrónica, evi-ta el uso de instrumentos de laboratorio especializados para hacer la lectura dedosis [13].

1.4. Objetivos y alcance

1.4.1. Objetivos

El objetivo de este proyecto fue el desarrollo de un sistema capaz de medir la dosisabsorbida de los dosímetros fabricados por el LFDM. El foco fue el desarrollodel firmware del sistema embebido encargado del control de todas las partes. Lasfuncionalidades principales del firmware son:

Lectura de dosis de radiación absorbida por dosímetros MOS fabricadospor el LFDM.

Control de temperatura en el dosímetro.

Administración del historial de mediciones.

Comunicación con una PC.

4 Capítulo 1. Introducción general

1.4.2. Alcance

El alcance de este proyecto incluyó el desarrollo, fabricación y documentación dela mayoría del hardware del equipo, es decir, el diseño y fabricación de los circuitosimpresos; la adquisición y soldadura de componentes; y también la fabricacióndel receptáculo de contención del dosímetro. Asimismo, se incluyó dentro delalcance el diseño, el desarrollo, las pruebas y la documentación del firmware.

No se incluyó en el alcance la fabricación del circuito específico de lectura de ra-diación, el sistema de alimentación y el software de PC para comunicarse con elequipo. Tampoco se incluyeron las pruebas de campo en una sesión de radiotera-pia.

5

Capítulo 2

Introducción específica

En el presente capítulo se hace un análisis del dosímetro desarrollado por elLFDM y la metodología de medición para poder obtener información del mis-mo. Además se brinda una explicación general del sistema implementado, y unaintroducción a las diferentes tecnologías utilizadas. Finalmente se detalla la pla-nificación del trabajo.

2.1. Dosímetro MOS del Laboratorio de Física de Disposi-tivos - Microelectrónica

Los dosímetros MOS desarrollados por el LFDM son transistores MOS-FET espe-cialmente diseñados para que el voltaje umbral (VT ) del mismo pueda utilizarsecomo parámetro de medición de dosis de radiación absorbida [14].

Un transistor MOS-FET de canal N, del tipo que cuenta el dosímetro, posee laestructura de la figura 2.1, la cual está compuesta por 4 capas [15]:

Un substrato de silicio puro o poco dopado1.

Sobre el substrato se agrega óxido que posee características aislantes.

Por encima de la capa de óxido se agrega una capa de metal, que se deno-mina compuerta.

A ambos lados de la interfaz óxido-semiconductor, el silicio está fuertemen-te dopado en tipo N. Esas dos estructuras de semiconductor tipo N se de-nominan fuente y drenaje.

Silicio puro

Tipo N Tipo N

Substrato

Compuerta

DrenajeFuente

Óxido

FIGURA 2.1. Estructura interna de un MOS-FET tipo N.

1Un semiconductor dopado, por ejemplo el silicio, consiste en el agregado de alguna impurezacon el fin de modificar sus propiedades eléctricas. Si se agregan impurezas que generan un exce-so de electrones se denomina tipo N, y si se agrega impurezas que quitan electrones (se agreganhuecos), tipo P.

6 Capítulo 2. Introducción específica

Entre la compuerta y el substrato hay un aislante, por lo tanto no hay corrienteque fluya a través de estos terminales. Por otro lado, entre la fuente y el drenaje seencuentra el substrato de silicio puro, que en condiciones normales se comportacomo un aislante. Para permitir el paso de corriente entre la fuente y el drenaje,se debe aplicar un voltaje en el terminal de la compuerta que sobrepase un voltajeumbral (VT ). El voltaje VT es el voltaje mínimo que genera un canal conductor enel semiconductor del substrato entre los terminales de fuente y drenaje [15].

La diferencia entre el dosímetro MOS diseñado por el LFDM y un transistor MOS-FET convencional consiste en que se modifica el aislante en la compuerta que seusa tradicionalmente por un óxido de campo. Cuando el dosímetro es expuesto aradiación ionizante, la capa de óxido de campo es dañada y modifica sus propie-dades físicas, y, por consiguiente, al verse alterada esta estructura, se modifica VT[16].

El dosímetro MOS es fabricado mediante técnicas tradicionales de construcciónde semiconductor complementario de óxido metálico [16]. Consiste en un chipcuadrado de aproximadamente 3mm de lado. Este chip es montado en un PCB de18mm x 12mm, el cual tiene conexiones preparadas para insertarse en un puertoUSB tipo A. La conexión entre el PCB y el chip es mediante cables de oro, los cua-les son protegidos al cubrir todo el chip en una cápsula. Las conexiones que poseeel PCB son la compuerta, el sustrato, la fuente y el drenaje [14]. En la figura 2.2se puede observar el chip montado al PCB y el dosímetro con su capsula protec-tora. Como se mencionó en la sección 1.3, este dosímetro presenta varias ventajasfrente a otras tecnologías similares, se puede mencionar: facilidad de fabricación,reducido tamaño y buena resolución espacial [16].

12 mm

18 m

m

(A) Chip montado al PCB.

10 mm(B) Dosímetro completo con cápsula protecto-

ra impresa en 3D.

FIGURA 2.2. Fotografías del dosímetro MOS. Obtenidas de [14]

El dosímetro MOS es capaz de detectar dosis del orden de 1 cGy, la dosis deldosímetro se va acumulando, y se puede utilizar hasta una acumulación de apro-ximadamente 850 cGy. Se observa que estos dosímetros son adecuados para suuso en radioterapia, dado que tal como se mencionó en la sección 1.2, para esasaplicaciones se requiere medir dosis aproximadas de 100 cGy. Los valores de VTvarían en el rango de 0V a 30V [14].

2.1.1. Dependencia del dosímetro MOS a la temperatura

La principal desventaja de un dosímetro MOS al ser un MOS-FET es la depen-dencia de VT a la temperatura, la cual introduce errores de medición [17]. Paraminimizar los efectos de la temperatura, se debe realizar dos acciones:

2.2. Circuito de lectura desarrollado por el LFDM 7

Se debe mantener la temperatura estable dentro del dosímetro durante lalectura de VT .

La lectura de VT se debe realizar en una configuración especifica que apro-veche la propiedad física de los transistores MOS-FET llamada coeficiente detemperatura cero, en donde se minimiza la sensibilidad de VT a la tempera-tura [18].

El dosímetro MOS tiene, dentro del chip fabricado, un diodo entre el sustrato y lacompuerta, el cual presenta una alta sensibilidad a la temperatura [16]. Si se mideel voltaje de polarización de este diodo (VD) se tiene un sensor de temperaturaadecuado para saber si la temperatura dentro del chip es estable. El voltaje VDtiene una magnitud típica de polarización de diodo (alrededor de 0,6 V) [16].

2.1.2. Utilización del dosímetro MOS

En una sesión de radioterapia, el dosímetro se ubica en la piel del paciente enla zona de incidencia de la radiación ionizante, sin necesidad de ser conectado anada. Para realizar la lectura de dosis, se debe realizar una lectura de VT previay posterior a la sesión de radioterapia. La diferencia entre los voltajes umbralesserán las que determinen la dosis absorbida. La relación entre VT y dosis no eslineal, para el cálculo se debe utilizar la siguiente formula:

Dosis =V PreT − V Post

T

S(2.1)

En donde:

V PreT es la lectura de VT pre-irradiación

V PostT es la lectura de VT post-irradiación

S es la sensibilidad y se calcula de la siguiente forma:

S = α V PreT + β (2.2)

En donde α y β son dos parámetros que dependen de cada dosímetro. Los valorestípicos de cada uno son 0,41 para α y −45 para β.

2.2. Circuito de lectura desarrollado por el LFDM

El circuito de lectura fue diseñado y fabricado por el LFDM al mismo tiempoque se desarrollaba este proyecto. El LFDM desarrolló el circuito de lectura comoun módulo conectable para la placa de desarrollo EDU-CIAA-NXP del proyectoComputadora Industrial Abierta Argentina (CIAA) [19]. A este tipo de módulos, elproyecto CIAA los denomina ponchos y provee plantillas para facilitar el diseñode estos [20]. El poncho desarrollador por el LFDM cuenta con todos los com-ponentes necesarios poder realizar mediciones del parámetro VT del dosímetroMOS bajo las menores condiciones de ruido posibles y garantizando que la pola-rización del transistor sea en modo de coeficiente de temperatura cero. Por otro lado,también posee el circuito encargado de medir el voltaje de diodo VD para obtener


FIGURA 2.3. Foto del poncho del circuito de lectura desarrolladopor el LFDM

información sobre la estabilidad de la temperatura del dosímetro. En la figura 2.3se observa una foto del circuito de lectura.

El circuito funciona con dos alimentaciones: 5V y 34V. Ambas alimentacionesson externas y no se obtienen de la conexión entre la EDU-CIAA-NXP y el pon-cho. La EDU-CIAA-NXP se comunica con el poncho mediante tres componentes:AD7799, MCP4812 y MAX4533, que se presentan a continuación.

2.2.1. Conversor analógico-digital - AD7799

El circuito integrado AD7799 de Analog Devices [21] es un conversor analógico-digital (ADC) de bajo consumo y bajo nivel de ruido. Posee las siguientes carac-terísticas [21]:

El ADC convierte a palabras de 24 bits.

Posee tres entradas analógicas diferenciales (denominados canales 1, 2 y 3).

La velocidad de muestreo es programable y puede variar de 4,17Hz a 470Hz.

Posee un amplificador de instrumentación interno programable con ganan-cias de 1 a 128.

La interfaz digital se realiza mediante comunicación serie SPI [22] a unavelocidad máxima de 5MHz y funciona en modo cero o tres [22].

2.2.2. Conversor digital-analógico - MCP4812

El circuito integrado MCP4812 de Microchip [23] es un conversor digital-analógico(DAC) de 10 bits. Posee las siguientes características [23]:

Posee dos canales de salida configurables independientes (denominados ca-nales A y B), inclusive se pueden encender y apagar cada uno.

Posee dos rangos posibles de conversión, de 0V a 2,048V o 2,048V a 4,096V.

El tiempo máximo de estabilización de un nuevo voltaje es de 4,5µs.

2.2. Circuito de lectura desarrollado por el LFDM 9

La interfaz digital se realiza mediante comunicación serie SPI a una veloci-dad máxima de 20MHz y funciona en modo cero o tres.

2.2.3. Interruptores analógicos de estado solido - MAX4533

El circuito integrado MAX4533 de Maxim Integrated [24] es un dispositivo decuatro interruptores analógicos de estado sólido. Los terminales de los interrup-tores están protegidos contra fallas de sobretensión de hasta ±25V. Cada inte-rruptor está controlado por una entrada digital independiente con compatibili-dad lógica TTL y CMOS [24].

2.2.4. Subcircuito de lectura de voltaje umbral

En la figura 2.4 se observa un esquemático simplificado del subcircuito de lecturade VT .

MCP4812

CHB

Dosímetro

AD7799

CH1

+

-

R112K

R25,6K

R31K

AO1

5V

34V

VREF1

VT

VCH1

FIGURA 2.4. Esquemático simplificado del subcircuito de lecturade VT .

El amplificador operacional AO1 fija el voltaje en el drenaje del dosímetro con elmismo valor que la tensión de referencia VREF1 dada por el canal B del DAC. Laresistencia R1 fuerza una corriente que polariza al dosímetro y además, fuerzaque a la salida del amplificador operacional esté presente la tensión VT . La fina-lidad del voltaje aportado por el DAC es permitir realizar pequeños ajustes paramantener la misma corriente de polarización, debido a que esta corriente sufrederivas en el uso prolongado. El valor de VREF1 no se modifica durante el usonormal del circuito.

La alimentación de 34V permite la máxima excursión de valores posibles de VTdel dosimetro. El voltaje VT presente en AO1 es medido por el canal uno del ADCa través de un divisor resistivo en donde el voltaje de entrada al ADC está dadapor la formula 2.3.


VCH1 =R3

R2 +R3VT (2.3)

Este divisor permite que el voltaje máximo de VT posible de 30V nunca sea mayoral valor máximo medible por el canal del ADC de 5V.

2.2.5. Subcircuito de lectura de voltaje de diodo

En la figura 2.5 se muestra un esquemático simplificado del subcircuito de lecturade voltaje del diodo entre fuente y drenaje.

MCP4812

CHA

Dosímetro

+

-

R4

15K

AO2

5V

34V

VREF2

AD7799

CH2

Q1

VD

FIGURA 2.5. Esquemático simplificado del subcircuito de lecturade VD.

El amplificador operacional AO2 alimenta al transistor Q1 el voltaje de referenciaVREF2 que se obtiene del canal A del DAC. De esa forma, se polariza al transistory se obtiene una corriente de colector constante. La corriente de colector es la quepolariza al diodo, y el voltaje VD se encuentra presente en el canal dos del ADC.

En forma similar al voltaje de referencia VREF1, el valor de VREF2 no se modificadurante el uso normal del circuito.

2.2.6. Control de la conmutación entre subcircuitos

La finalidad de los interruptores analógicos del circuito integrado MAX4533 esconmutar entre los dos subcircuitos de lecturas. Hay dos entradas digitales alponcho (denominadas PIN1 y PIN2) para realizar las conmutaciones. En la tabla2.1 se muestran las configuraciones del circuito de medición en función de losestados lógicos de PIN1 y PIN2.

2.3. Descripción del sistema dosimétrico basado en sensores MOS para controlde dosis en radioterapia

11

TABLA 2.1. Configuración del circuito de lectura para leer los di-ferentes parámetros del dosímetro.

PIN1 PIN2 Configuración del circuito

Alto Alto Seleccionado subcircuito de lectura de VTBajo Bajo Seleccionado subcircuito de lectura de VDBajo Alto Ningún subcircuito es seleccionadoAlto Bajo Configuración no permitida ya que daña al circuito

2.2.7. Ensayos del circuito de lectura realizados por el LFDM

El circuito de lectura, antes de ser entregado para la realización de este proyecto,fue ensayado y verificado su correcto funcionamiento por el LFDM. El LFDM sehabía impuesto como requerimiento que el ruido de VT para el circuito de lecturano debía superar el orden de los 100mV. En cambio, los ensayos mostraron va-riaciones de VT del orden de 1V. Estudiando los motivos del problema, el LFDMencontró que el DAC introduce un nivel alto de ruido y luego la topología delcircuito lo amplifica.

El LFDM se encuentra realizando un nuevo diseño con un nuevo DAC, pero sedecidió que el sistema dosimétrico usara este circuito para evitar retrasos debidoa que el cambio no es menor.

2.3. Descripción del sistema dosimétrico basado en senso-res MOS para control de dosis en radioterapia

Como se mencionó en el capítulo 1, el propósito del presente trabajo fue el de-sarrollo de un sistema capaz de realizar mediciones de los dosímetros MOS des-critos en la sección 2.1. Para poder lograr esto, el sistema desarrollado en esteproyecto, no solo tiene incorporado el circuito de lectura, sino que ademas tienelas siguientes partes:

Un microcontrolador encargado del control y la interacción entre las partesdel sistema.

Un receptáculo con tapa en donde adentro está el puerto de conexión entreel sistema y el dosímetro. Este receptáculo sirve para generar una aislacióntérmica con el entorno durante las lecturas de VT .

Un controlador de temperatura para mantener la temperatura del recep-táculo, necesaria para realizar mediciones de VT sin errores.

Un teclado alfanumérico de 4x4 y una pantalla LCD de 2,8 pulgadas parainteractuar con el usuario. También tiene una memoria EEPROM externacon elementos gráficos almacenados para dibujar en la pantalla LCD y parael guardado de información del sistema.

Cada dosímetro tiene un número de identificación para permitir su trazabi-lidad y los parámetros α y β específicos, que el usuario tiene que cargar enel sistema para el calculo de dosis. El sistema tiene un lector de códigos QRque permite cargar automáticamente toda esa información.


En la figura 2.6 se presenta un diagrama de bloque con las partes anteriormentemencionadas. En la figura 2.7 se presenta dos fotografías del sistema en donde semuestra las diferentes partes.

Microcontrolador

Interfaz de

usuario

Sistema deidentificación Circuito de

lectura

Control de temperatura

Receptáculo

PC

FIGURA 2.6. Diagrama de bloques del sistema dosimétrico desa-rrollado.

Receptáculo

Puerto USB para comunicación con PC

Lector de código QR

Receptáculo

Interfaz de usuario

Vista FrontalVista Lateral

FIGURA 2.7. Fotografía del sistema dosimétrico desarrollado.

2.3.1. Funcionamiento del sistema

Con el fin de ilustrar el funcionamiento general del sistema, se presenta a conti-nuación la serie de acciones que tiene lugar en un caso de uso típico del sistema:

1. Cuando se enciende el sistema, este verifica los diferentes componentes ylos inicializa.

2. Luego de inicializados los componentes, el microcontrolador lleva al recep-táculo a 36 °C (que es la temperatura óptima de funcionamiento del dosí-metro MOS [14]), independientemente de si hay un dosímetro adentro o no.Esto se hace para acortar el tiempo necesario para estabilizar la temperaturadel receptáculo y, por lo tanto, acelerar las futuras mediciones.

3. Si el usuario desea realizar una medición de dosis, primero tienen que car-gar los parámetros del dosímetro en el sistema. Para ello, utiliza el tecladoo el código QR que viene con el dosímetro.


13

4. Antes de que comience la sesión de radioterapia, el usuario debe realizaruna medición de VT previa a la radiación. Para ello debe insertar el dosíme-tro en el receptáculo, cerrar la tapa del mismo e iniciar la medición.

5. El sistema espera hasta que la temperatura del receptáculo este estable en36 °C. Una vez que la temperatura del receptáculo está estable, verifica quela temperatura del chip del dosímetro también sea estable realizando lectu-ras de VD.

6. Si se cumplen esas dos condiciones, el sistema cambia al circuito de lecturay realiza una lectura de VT .

7. Una vez finalizada la lectura, el usuario remueve el dosímetro del recep-táculo.

8. Luego de terminada la sesión de radioterapia, el usuario vuelve a colocarel dosímetro dentro del receptáculo y comienza una nueva medición de VT ,en este caso denominado de post-irradiación.

9. Después de finalizada la medición, el sistema calcula la dosis absorbidausando la formula 2.1, la presenta en la pantalla LCD y la guarda en la me-moria externa para futuras consultas.

2.3.2. Requisitos principales

Para la realizacion de este proyecto se organizaron los requerimientos en seccio-nes de acuerdo funcionalidades esperadas del sistema. A continuación, se listanlos requerimientos que se consideran más importantes del proyecto (en el anexoA se listan todos los requerimientos):

1. Proceso de lectura de dosis de radiación:

SSDSMR-ERSH-1-0 - El sistema deberá realizar una lectura del voltajeumbral del dosímetro MOS en el rango de 0 a 30 V a través del circui-to analógico de lectura mediante un conversor analógico-digital de 24bits que dure entre 50 ms y 200 ms cada lectura.

SSDSMR-ERSH-2-0 - El sistema deberá realizar una lectura del voltajeumbral del dosímetro MOS previo a una irradiación y almacenar enmemoria no volátil una palabra de al menos 24 bits para el posteriorcálculo de la radiación absorbida.

SSDSMR-ERSH-3-0 - El sistema deberá realizar una lectura posterior auna irradiación del voltaje umbral del dosímetro MOS y almacenar enmemoria una palabra de al menos 24 bits para el posterior cálculo dela radiación absorbida.

SSDSMR-ERSH-4-0 - El firmware deberá almacenar en memoria no vo-látil, en cada medición, el cálculo del nivel de radiación junto a la fechay hora de la obtención de la lectura y el código identificatorio del dosí-metro.

SSDSMR-ERSH-5-0 - El sistema debe ser capaz de identificar al dosí-metro MOS que esté llevando el registro mediante un número identifi-catorio único en el rango de 1 a 99.


SSDSMR-ERSH-6-0 - El dosímetro debe ser conectado en un conectorUSB con clara identificación que no es un puerto USB tradicional.

2. Cálculo de dosis de radiación absorbida:

SSDSMR-ERSH-7-0 - El sistema debe leer las dos lecturas pre irradia-ción (SSDSMR-ERSH-02-0) y post irradiación (SSDSMR-ERSH-03-0) yrealizar el cálculo de la radiación absorbida mediante el calculo de unafórmula (formula 2.1).

3. Proceso de control de temperatura:

SSDSMR-ERSH-8-0 - El sistema previo al registro de una lectura (SSDSMR-ERSH-02-0) debe estar en una temperatura estable entre 34 °C y 40 °C.

SSDSMR-ERSH-8-1 - El sistema debe mantener la temperatura del sen-sor desde el momento que se enciende. Inclusive, debe mantener latemperatura del puerto de conexión del dosímetro MOS por más queeste no esté conectado.

SSDSMR-ERSH-10-0 - El sistema debe ser capaz de llevar desde tempe-ratura ambiente (24 °C) al valor establecido en 10 minutos como peorcaso.

SSDSMR-ERSH-11-0 - Se considerará que la temperatura es estable sise mantiene dentro de una variación de±0,5 °C de la temperatura con-figurada durante al menos 5 segundos.

SSDSMR-ERSH-12-0 - El sistema debe contener un receptáculo paracolocar al sensor para ser calentado.

SSDSMR-ERSH-13-0 - La transmisión de calor del dosímetro MOS de-be ser por conducción entre sólidos.

4. Interfaz de usuario:

SSDSMR-ERSH-14-0 - El sistema debe indicarle al usuario en qué esta-do se encuentra.

SSDSMR-ERSH-15-0 - El sistema debe, mediante menús de configura-ción, permitirle al usuario realizar diferentes configuraciones.

2.3.3. Descripción de los componentes usados

Dados los requerimientos del sistema, se seleccionaron diferentes componentespara cumplirlos. En esta sección se describen a los mismos, menos los componen-tes del circuito de lectura que ya fueron descritos en la sección 2.2. Los principiosde diseño para su selección y la interacción entre componentes, se detallarán enel siguiente capítulo.


15

Placa de desarrollo EDU-CIAA-NXP

La placa de desarrollo EDU-CIAA-NXP posee como microcontrolador al NXPLPC4337 (doble núcleo asimétrico ARM Cortex-M4 + Cortex-M0 204 MHz) [25].

La EDU-CIAA-NXP tiene los siguientes módulos [25]:

Dos puertos micro USB, uno para comunicación por protocolo USART.

Cuatro salidas digitales con implementaciones con LEDs.

Cuatro entradas digitales con pulsadores.

Módulo de reloj en tiempo real (RTC) con soporte para pila.

Dos conectores de expansión con:

• Tres entradas analógicas.

• Una salida analógica.

• Un puerto I2C.

• Puerto asincrónico full duplex (RS-232).

• Puerto CAN.

• Conexión para teclado 3x4, con posibilidad de expandirlo a tecladosde mayor tamaño.

• Puerto ethernet.

• Puerto SPI

• Puerto para display LCD.

• Nueve pines genéricos de entrada/salida.

Es importante notar que los conectores de expansión, son en general, conexionesdirectas a los pines del microcontrolador, permitiendo modificar las funcionali-dades de las que están listadas, por ejemplo, utilizar al puerto para display LCDcomo pines genéricos.

En la figura 2.8 se muestra una fotografía de la EDU-CIAA-NXP.

FIGURA 2.8. Foto de la placa de desarrollo EDU-CIAA-NXP. Ob-tenida de [25]


Pantalla LCD basada en controlador - ILI9341

La pantalla utilizada es una pantalla TFT LCD de 2,8 pulgadas y de 320x240 pi-xeles de resolución. En la figura 2.9 se observa la pantalla. El módulo no soloviene con la pantalla y su controlador, sino con un controlador táctil resistivo yun puerto de tarjeta SD, que no se utilizaron en este proyecto.

FIGURA 2.9. Pantalla LCD utilizada. Vista de frente y reverso.

El controlador de la pantalla LCD es el integrado ILI9341 de Ili Technology Corp(Ilitek), el cual es capaz de generar hasta 262.000 colores. La interfaz digital serealiza mediante comunicación serie SPI a una velocidad máxima de 8MHz yfunciona en modo cero o tres [26].

Teclado alfanumérico de 4x4

Teclado matricial con 16 teclas de membrana con una configuración de 4x4 (figu-ra 2.10), que se puede conectar mediante un cable plano de 8 vías (cuatro paralas filas y 4 para las columnas). El teclado posee un patrón numérico como eltelefónico, y además agrega una fila extra con las letras A, B, C y D.

FIGURA 2.10. Teclado alfanumérico de 4x4.

Sensor de presión y temperatura - BMP180

El circuito integrado BMP180 de Bosch [27] es un sensor de presión y temperatu-ra, aunque solamente se utilizó la parte de medición de temperatura. El circuitointegrado que se usó en este proyecto ya venia soldado a un PCB con todos loscomponentes necesarios para su funcionamiento y una fácil conexión mediantepines estándares (figura 2.11).


17

FIGURA 2.11. Sensor de presión y temperatura BMP180. Placa uti-lizada en este proyecto con el circuito integrado ya soldado.

Cuenta con las siguientes características [27]:

La interfaz digital se realiza mediante comunicación serie I2C a una veloci-dad máxima de 34MHz.

Puede realizar lecturas de temperatura en el rango de 0 °C a 65 °C con unaresolución de 0,1 °C.

Cada lectura de temperatura tiene un tiempo máximo de conversión de4,5ms.

Cada sensor viene calibrado de fábrica.

Memoria EEPROM - 24AC256

La memoria EEPROM 24AC256 de Microchip [28] es una memoria no volátil quepuede ser programada, borrada y reprogramada eléctricamente. Puede almace-nar hasta 32 kB. y posee una interfaz de comunicación I2C a una velocidad má-xima de 1MHz [29].

Lector de código de 1D y 2D - GM65

El lector de código de barras de 1D y 2D de Grow (figura 2.12), es un dispositivopequeño preparado para ser utilizado en sistemas embebidos.

FIGURA 2.12. Lector de código - GM65. Vista lateral y frente.


Cuenta con las siguientes características:

Es capaz de capturar códigos en papel, teléfono móvil o computadora.

Posee dos interfaces de comunicaciones, una es USB y la otra UART.

Posee un LED de luz blanca para proveer iluminación para facilitar las lec-turas y un textitLED de luz roja para indicar la posición en donde colocar elcódigo.

La resolución del lector es de 0,1mm.

Puede realizar lecturas a una distancia de 25 mm a 250 mm.

Mediante un piezoeléctrico genera tonos sonoros para indicar si se realizóuna lectura o no.

2.4. Planificación

Al inicio de este proyecto se realizó una planificación de tareas teniendo en cuentalos tiempos disponibles del autor de este trabajo y los pasos a seguir para el de-sarrollo. Para un mejor seguimiento y desarrollo se dividió el mismo en distintastareas específicas de duración acotada.

Para mostrar la planificación del trabajo se recurre a un diagrama Activity OnNode (figuras 2.13, 2.14 y 2.15). Cada caja representa una actividad, y las uniónesentre ellas representan una dependencia temporal en la que una debe terminarseantes que la siguiente. Además, se muestra el tiempo en horas que demoraríacada una de las tareas. En la tabla 2.2 se explica el significado de cada color deldiagrama.

TABLA 2.2. Código de colores del diagrama Activity On Node.

Color Significado

Amarillo PlanificaciónMagenta claro Recopilación de informaciónCian claro Diseño generalSalmón Diseño de componentesAzul Desarrollo del firmwareNaranja Desarrollo del gabineteVerde Documentación

2.4. Planificación 19

Planificación de tiempos y recursost = 15 hs

INICIODocumentación

de la planificación

t =10 hs

Recopilación y lectura de trabajos

publicadost = 20 hs

Elección del entorno de desarrollo

t = 1 hs

Definición de los parámetros del

dosímetrot = 8 hs

Realización del diagrama de

bloquest = 8 hs

Familiarización del entorno de programación

t = 5 hs

1

FIGURA 2.13. Diagrama Activity On Node parte 1.

Mock-up de los menu

t = 20 hs

Validación de los mock-up

t = 6 hs

Estudio de la tecnología existente para cada módulo

t = 24 hs

Realizar el informe de avance

t = 5 hs

Definición del número de módulos

a adquirir y a construirt = 8 hs

Determinación del número de PCB a

diseñart = 4 hs

Diseño del hardware a utilizar para los

módulos a construirt = 24 hs

Diseño de los PCB para los módulos

t = 24 hs

Compra de los componentes electrónicos

t = 4 hs

Envío de los diseños de los PCB

para su construcción

t = 4 hs

Programación de los drivers de los

diferentes módulos.t = 64 hs

Test unitario de cada función de los

drivers.t = 24 hs

Ensayos de verificación de los

driverst = 24 hs

1

2



FIN

Programación de la aplicación

principal.t = 50 hs

Determinación de los

requerimientos t = 10 hs

Realizar el manual de

usuariot = 10 hs

Realizar el informe final

t = 50 hs

Realizar una presentación

t = 10 hs

Ensayos de verificación del firmware en su

conjunto.t = 24 hs

Compra de gabinete

pre-fabricadot = 2 hs

Diseño del gabinetet = 20 hs

Fabricación de partes

t = 24 hs

Ensayos de validaciónt = 12 hs

2


21

Capítulo 3

Diseño e implementación

En este capítulo se presentan y fundamentan las decisiones adoptadas durante eldiseño del sistema, la implementación de las placas electrónica y el desarrollo delfirmware.

3.1. Desarrollo del hardware

Durante las etapas de planificación e investigación preliminar, se evidenció que,para poder alcanzar los objetivos en tiempo, se requería trabajar en el desarrollodel hardware de manera concurrente con el del circuito de lectura por el LFDM.Para ello, rápidamente se definieron los componentes a utilizar y la configuraciónde hardware a establecer. Bajo este criterio, se optó por usar una plataforma dedesarrollo que contara con la suficiente potencia y versatilidad, y además con unagran comunidad detrás para ayudar a resolver cualquier problema que pudieseocurrir.

Otro aspecto importante que se tuvo en cuenta al momento de seleccionar la pla-taforma de desarrollo como el resto de los componentes, fue la adquisición deestos en el mercado nacional. La finalidad es que si el LFDM desea construir en elfuturo más sistemas, pueda adquirir rápidamente y fácilmente los componentesnecesarios.

3.1.1. Plataforma de desarrollo

Se adoptó trabajar con la plataforma de hardware dada por el proyecto CIAA [19],particularmente la placa de desarrollo EDU-CIAA-NXP. El proyecto CIAA, al te-ner un concepto de filosofía hardware libre [30], provee amplia documentación desus distintas placas de desarrollo. Además, la placa EDU-CIAA-NXP fue usadaintensivamente en la Especialización de Sistema Embebidos, dándole al autor el en-trenamiento necesario para el desarrollo de este sistema.

Una de las principales ventajas que tiene la EDU-CIAA-NXP es la posibilidad decrear módulo conectable (ponchos) a la misma, esto permitió definir las dimen-siones de las plaquetas a construir y la ubicación de los pines de entrada/salidaa la placa. Como se vio en la sección 2.2, al definir desde el inicio trabajar conesta placa, permitió al LFDM desarrollar el circuito de lectura como un poncho,y cuando este estuvo listo se pudo conectar al resto del sistema sin grandes com-plicaciones.

22 Capítulo 3. Diseño e implementación

3.1.2. Arquitectura del hardware

Con la plataforma de desarrollo fue posible diagramar la arquitectura general delhardware del equipo. Esto permitió definir las conexiones con la EDU-CIAA-NXPy la agrupación de los componentes en plaquetas. En la figura 3.1 se observa eldiagrama en bloques donde se especifica las conexiones y como se distribuyen enplacas cada uno de los bloques con sus componentes.

Poncho de interfazde usuario

Poncho de circuitode lectura

Placa delreceptáculo

Bus SPI 1

PantallaLCD ADC DAC

Detectortapa

PC

LectorQR

Tecladonumérico

Puerto paradosímetroBus SPI 2

Sensortemp.

Bus I2C

USART

Bus GPIO

Interruptoresde estado

solido

MemoriaEEPROM

PWM

Calefactor

USB

SPI por software

EDU-CIAA-NXP

Módulo SPI

Módulo USART2

MóduloUSART1

MóduloPWM

Módulo I2C

GPIOs

RTC

FIGURA 3.1. Arquitectura del sistema. Se observan los diferentesbuses de conexión.

La arquitectura del hardware está basada en cinco buses de conexión entre la EDU-CIAA-NXP y el resto de los componentes. Dos son buses SPI, un bus I2C, 2 busesUSART [31] (uno mediante USB y el otro tradicional), y el bus GPIO. El bus GPIOes, en realidad, un conjunto de conexiones individuales digitales de entrada/sa-lida de propósito general. Por ejemplo, ocho de esas conexiones van al teclado.

Además de los buses, hay una conexión individual entre la EDU-CIAA-NXP y elcalefactor, en donde la EDU-CIAA-NXP maneja un protocolo de modulación porancho de pulsos (PWM) [32] para controlar la potencia del calefactor. Por último,se encuentra la conexión de puerto del dosímetro con los interruptores de estadosólido del circuito de lectura.

El sistema está formado por tres placas, además de la placa de la EDU-CIAA-NXP:

Poncho de interfaz de usuario: es la placa con la conexión a los diferentescomponentes que forman parte de la interfaz de usuario.

Poncho del circuito de lectura: es la placa desarrollada por el LFDM descritaen la sección 2.2.

Placa del receptáculo: se encuentra el control de temperatura y el puerto deconexión al dosimetro.

Todas las placas diseñadas en este proyecto se realizaron usando el software KiCadEDA [33].

La interconexión entre placas es apilada es apilada, como se observa en la figura3.1, en donde el poncho de interfaz de usuario se conecta entre la EDU-CIAA-NXP yel poncho del circuito de lectura. La placa del receptáculo se conecta con el poncho del

3.1. Desarrollo del hardware 23

circuito de lectura mediante un cable con conectores IDC [34]. Es decir, todas lasconexiones que salen desde la EDU-CIAA-NXP pasan por los diferentes ponchoshasta llegar a los componentes. Por ejemplo, el bus I2C sale desde la EDU-CIAA-NXP, pasa por los dos ponchos y llega mediante el cable con conectores IDC a laplaca del receptáculo, donde está el sensor de temperatura.

3.1.3. Poncho de interfaz de usuario

Este poncho funciona como interfase para conectar el teclado numérico, la panta-lla LCD y el lector de código QR con la EDU-CIAA-NXP. Como el lector de códigoQR funciona con lógica de 5V y la EDU-CIAA-NXP con lógica de 3,3V, fue ne-cesario realizar una conversión de niveles de las vías de comunicación UART. Enla figura 3.2 se observa el diagrama esquemático de la conversión de niveles.

FIGURA 3.2. Diagrama esquemático del circuito de conversión deniveles entre la EDU-CIAA-NXP y el lector de código de 1D y 2D

GM65.

El único componente conectado en el poncho es la memoria EEPROM externa.Esta memoria tiene almacenado el set de caracteres y otros elementos gráficospara dibujar en la pantalla LCD y, además, información del sistema. En la figura3.3 se observa el diagrama esquemático de la memoria.

El poncho se diseñó usando como base las plantillas de ponchos que provee elproyecto CIAA [20]. Se utilizó la plantilla de poncho más grande, que cubre todoel tamaño de la EDU-CIAA-NXP, de dimensiones de 137mm x 86mm. Se eligióeste tamaño, porque este poncho tiene una funcionalidad extra aparte de los com-ponentes que posee. Se construyó un plano de tierra (en ambas capas de la placa)que cubre toda la superficie de la EDU-CIAA-NXP, con la finalidad de disminuirel ruido que podría llegar al circuito de lectura y generar errores de medición.


FIGURA 3.3. Diagrama esquemático de la memoria EEPROM ex-terna 24AC256.

En la figura 3.4 se muestra una imagen renderizada del circuito, mientras que enla figura 3.5 se incluye una fotografía del poncho ya fabricado, con sus respectivoscomponentes instalados. Para esta versión, para la conversión de niveles se utilizóun módulo PCB ya pre-armado, pero para futuros desarrollos, ya se incluye elcircuito de la figura 3.2 directamente soldado en el poncho.

FIGURA 3.4. Imagen renderizada del poncho de interfaz de usuario,vista desde un plano cenital.


FIGURA 3.5. Fotografía del poncho de interfaz de usuario tomadadesde un plano cenital.

3.1.4. Receptáculo

El receptáculo es un espacio cerrado diseñado para cubrir al dosímetro, al cale-factor y al sensor de temperatura. Su finalidad es mantener un control de tempe-ratura estable necesario para realizar mediciones correctas de VT . Además, evitaque durante una lectura de dosis no se retire al dosímetro. Para permitir al usua-rio acceder al puerto de conexión del dosímetro, el receptáculo tiene una tapa. Elsistema puede detectar si esta tapa está abierta o cerrada.

Este receptáculo fue diseñado por el autor como parte de este proyecto. Se tuvoen cuenta un tamaño suficientemente pequeño para facilitar al control de tem-peratura la estabilidad de la misma, pero suficientemente grande para que nosea incomodo al usuario acceder al puerto de conexión del dosímetro. Se diseñóusando el software openSCAD [35] y luego se imprimió en 3D. Tiene la forma deun paralelepípedo rectangular de dimensiones 9 cm x 7 cm x 2 cm, con una tapacon bisagras. El piso del receptáculo es la placa que posee las conexiones eléctri-cas de los componentes. En la figura 3.6 se muestra una imagen renderizada deldiseño y en la figura 3.7, una fotografía.

FIGURA 3.6. Imagen renderizada del receptáculo.


FIGURA 3.7. Fotografía del receptáculo. En la base se puede obser-var la placa del receptáculo ya montada con un dosimetro conec-

tado.

El sistema puede detectar si la tapa está abierta o cerrada usando un cierre iman-tado (figura 3.8). Una parte del cierre va en la tapa y la otra en la base del recep-táculo, como el cierre es de metal, funciona como interruptor. Además, al estarimantado, el cierre mantiene la tapa cerrada de forma segura.

FIGURA 3.8. Cierre imantado usado para cerrar la tapa y detectarel estado de la misma por el sistema.

3.1.5. Placa del receptáculo

La placa del receptáculo tiene al sensor de temperatura BMP180, resistencias quefuncionan como calefactor, la conexión al cierre imantado y un puerto USB tipo Apara conectar al dosímetro. Como se observa en la figura 3.7, esta placa funcionacomo piso del receptáculo.

A nivel de circuitos eléctricos, a esta placa llegan las conexiones del bus I2C,que conectan directamente con el PCB del sensor de temperatura BMP180 (figura2.11). Además, en esta placa se encuentra montado el calefactor que está formadopor cuatro resistencias, y dos transistores en conexión Darlington. En la figura3.9 se observa el diagrama esquemático del circuito de potencia del calefactor. Labase del primer transistor está conectada con la EDU-CIAA-NXP a través de laconexión PWM. En este circuito, la parte de potencia está alimentado de formaindependiente, con una alimentación propia de 5V.


FIGURA 3.9. Diagrama esquemático del circuito controlador delcalefactor de resistencias.

El principio de funcionamiento del calefactor se basa en la propiedad física delas resistencias a emitir calor con el pasaje de corriente. Los transistores funcio-nan en modo corte/saturación, en donde si la EDU-CIAA-NXP alimenta con ununo lógico (3,3V) a la base del transistor Q102, fluye una corriente máxima porlas resistencias, generando la máxima potencia de calor. Al usar una modulaciónpor ancho de pulsos, se controla el tiempo que los transistores están en corte osaturación, y de esa forma se pueden obtener valores intermedios de potenciaque generan las resistencias. Esta cualidad es muy importante para que el mi-crocontrolador de la EDU-CIAA-NXP pueda controlar la temperatura dentro delreceptáculo.

Por otro lado, como se discutió en la sección 3.1.4, el sistema puede detectar sila tapa está abierta o cerrada mediante un cierre imantado que funciona comointerruptor. Sobre la placa se encuentra los componentes asociadas que permitenque haya cambios de niveles lógicos cuando se abre o cierra la tapa. En la figura3.10 se observa el diagrama esquemático del circuito del interruptor.

Además se encuentra el puerto USB tipo A que se usa para conectar al dosímetro.Un puerto USB tradicional tiene 4 conexiones, que para el dosímetro correspondea las cuatros conexiones del transistor MOS-FET que tiene adentro (compuerta,fuente, drenaje y substrato). Estas cuatros conexiones, más las necesarias para elcircuito de lectura y el detector de estado de la tapa llegan desde el poncho delcircuito de lectura a través del cable con conectores IDC.


FIGURA 3.10. Diagrama esquemático del circuito del detector deapertura o cerrado de la tapa del receptáculo.

En la figura 3.11 se muestra una imagen renderizada de la placa, desde un planocenital y un plano nadir. En la vista del plano nadir se observa, el conector IDCque permite la conexion con el poncho del circuito de lectura y una clema para laalimentación de potencia. Mientras que en la figura 3.12 se incluye una fotogra-fía del poncho ya fabricado, con sus respectivos componentes instalados. En lafotografía se observa una plancha de metal que está debajo de las resistencias.Como requisito, se había impuesto que la conducción de calor al dosímetro seapor conducción, esta plancha facilita esto. Cuando el dosímetro se coloca en elpuerto USB, este queda apoyado a la plancha, y de esa forma el calor de las re-sistencias se ve transmitido al dosímetro. El sensor de temperatura también estáapoyado a la plancha para medir una temperatura lo más cercano a la que le llegaal dosímetro.

FIGURA 3.11. Imagen renderizada de la placa del receptáculo to-mada desde un plano cenital (izquierda) y desde un plano nadir

(derecha).

3.2. Diseño del firmware 29

FIGURA 3.12. Fotografía de la placa del receptáculo tomada desdeun plano cenital.

3.2. Diseño del firmware

Para el diseño del firmware se establecieron dos características deseadas:

Confiabilidad: es de esperarse que el sistema desarrollado calcule la dosisde radiación de forma determinista y tenga la menor cantidad de erroresposibles en el firmware. Un error de código puede generar registros de lec-tura no correctos. La consecuencia de un error en este caso es grave por lacriticidad de la tarea que el sistema tiene que desarrollar.

Usabilidad: un usuario debe ser capaz de usar el sistema de forma fácil. Eltipo de usuario es personal que trabaja en una sesión de radioterapia, el cuales variado, con diferentes formaciones y las mayorías no técnicos.

Las partes de código encargada de realizar las lecturas de VT y VD, y del controlde temperatura fueron diseñadas teniendo en cuenta la confiabilidad. En cambioa la usabilidad se la tuvo como principal característica en el diseño de las parteencargadas de controlar la interfaz de usuario.

3.2.1. Arquitectura del firmware

El sistema tiene que realizar varias acciones al mismo tiempo, por lo que parapoder realizarlas, se recurrió a un sistema operativo de tiempo real. Se eligió uti-lizar FreeRTOS [36], debido a que este se aprendió a utilizar en profundidad enla asignatura Sistemas operativos en tiempo real I. Además, el diseño del firmware serealizó implementando un patrón de arquitectura en capas, como se observa enla figura 3.13, donde se consideraron las siguientes capas:

Capa de tareas: son las tareas de FreeRTOS, es la capa más alta.

Capa de librerías intermedias: son el conjunto de funciones que son llama-das por las tareas para realizar alguna acción, como por ejemplo, calcular ladosis absorbida por el dosímetro.

Capa de controladores: son las librerías especificas para los componentesque se conectan con la EDU-CIAA-NXP, como por ejemplo una librería paracontrolar el ADC AD7799 del circuito de lectura.

Capa de bajo nivel: esta es la capa más baja, en donde ocurre la comuni-cación con el hardware. Son las funciones encargadas de la comunicación


SPI, I2C, etc. Se utilizó principalmente la librería sAPI [37], la cual es unalibrería estándar de-facto para el desarrollo con la EDU-CIAA-NXP, proveefunciones sencillas de utilizar y posee una amplia documentación. Esta li-brería está apoyada sobre la librería LPC Open [38], la cual es la libreríaque provee el fabricante del microcontrolador de la EDU-CIAA-NXP. Parala comunicación SPI se desarrolló una librería no dependiente de sAPI. Esuna librería especialmente diseñada para la comunicación de muchos com-ponentes conectados al bus SPI, en donde se requiere cambios en calientede configuración del protocolo de comunicación y con un reducido consu-mo de memoria RAM. Por otro lado, también se desarrolló una librería SPIpor software la cual implementa un periférico SPI que funciona por softwaredentro del microcontrolador.

Tarea Fecha Tarea MenúTarea

Circuitode lectura

Tarea Comunic. con

PCTarea PD

Menú yHerramientas de

dibujoSensor Circuito de

lectura

ILI9341 EEPROM GM65 MCP4812 AD7799BMP180

Hardware

Comunic. con PC

SPIsAPI

LPCOpen

SPI por software

Capa de tareas

Capa de librerías

intermedias

Capa de controladores

Capa de bajo nivel

FIGURA 3.13. Diagrama de capas del programa desarrollado.

El firmware fue programado en C, a excepción de la librería SPI por software, lacual está implementada en Assembler.

3.2.2. Tareas de FreeRTOS

Se implementaron cinco tareas de FreeRTOS en los cuales se distribuyeron lasfuncionalidades del sistema. La tareas son:

Tarea Menú: es la tarea encargada del control de la interfaz de usuario y decoordinar el funcionamiento de todo el sistema.

Tarea PD: es el controlador de temperatura, es un controlador del tipo pro-porcional derivativo (PD) [39].

Tarea Circuito de lectura: es la tarea que controla al circuito de lectura, yrealiza mediciones de VT y VD.

Tarea Comunicación con PC: esta tarea recibe comandos desde la PC y le in-dica a la tarea Menú, si un usuario desde la PC quiere realizar alguna acción.

Tarea Fecha: mantiene actualizada la fecha y hora dentro del sistema, utilizael RTC de la EDU-CIAA–NXP.


Como se observa en la figura 3.14, la interacción entre las tareas tiene como cora-zón a la tarea Menú. Esta tarea recibe instrucciones del usuario, y con ellas le indicaa la tarea Circuito de lectura que hacer. La tarea PD funciona sola, y solo comunicala temperatura del receptáculo y si es estable a la tarea Menú. De forma similar, latarea Fecha, solamente informa la fecha y hora. La tarea Comunicación con PC recibecomandos desde la PC y le indica a la tarea Menú de alguna acción a realizar paraque esta la realice. Las interacciones que están destacadas por flechas verdes soninteracciones no comunes, son para que un usuario técnico pueda desde la tareaComunicación con PC realizar cambio de configuración en las diferentes tareas.

Tarea Comunic. con

PC

Tarea Fecha

Tarea MenúTarea

Circuitode lectura

Tarea PD

FIGURA 3.14. Interacción entre tareas del firmware.

Tarea Menú

Como se mencionó previamente, esta tarea es la encargada del control de la inter-faz de usuario y de coordinar el funcionamiento de todo el sistema. Sus funcionesson:

Controlar la pantalla LCD, mostrando el estado del sistema y el menú deusuario.

Leer el estado del teclado, y realizar alguna acción en función en que partedel menú de usuario se encuentre.

Mostrar en pantalla la temperatura y la estabilidad de la misma, y la fechay hora, que recibe de las respectivas tareas.

Ver el estado de apertura/cerrado de la tapa del receptáculo. Si la tapa estáabierta, deshabilita la opción de realizar una lectura de VT , y muestra enpantalla un mensaje. Si se estaba realizando una lectura de VT , aborta lalectura.

Ver si hay un dosímetro conectado al puerto de lectura. Esta informaciónse la provee la tarea Circuito de lectura. Si no hay dosímetro, deshabilita laopción de realizar una lectura de VT . Muestra en pantalla si hay un sensoro no.


Ver si el dosímetro conectado está identificado y sus parámetros α y β es-tán cargados. Si el dosímetro no está identificado, deshabilita la opción derealizar una lectura de VT . Muestra en pantalla si el dosímetro no está iden-tificado o si lo está, muestra su número de identificación.

Permitir al usuario cargar los datos del dosímetro mediante un menú decarga manual o usando el lector de códigos QR.

Controlar al lector de códigos QR, indicándole cuando realizar una lecturay recibir los caracteres luego de la lectura. La comunicación con el lector decódigos QR es USART de 9600 baudios, 8 bits de datos, sin paridad y un bitde parada.

Realizar una lectura de VT de pre-irradiación y post-irradiación. Para haceruna lectura de este tipo, esta tarea verifica si la temperatura es estable y siVD es estable. Eso lo hace consultando a las tareas PD y Circuito de lectura.

Calcular luego de una lectura de post-irradiación de VT , la dosis absorbidausando la formula 2.1. Guarda en la memoria externa los datos de dosímetrousado, la dosis absorbida y la fecha y hora.

Mantener actualizado el registro del historial de lecturas realizadas y mos-trar en pantalla cuando el usuario desea verlas.

Para poder realizar todas estas funciones, la tarea está dividida en tres partes. Laprimera parte hace una encuesta a las otras tareas para saber el estado de cada unay si tiene alguna nueva información, además lee el estado del teclado. La segundaparte, con esta información, mediante una maquina de estado finito, realiza laacción, si es que hay algo por hacer. Por ultimo, la tercera parte se encarga deactualizar la pantalla LCD.

Tarea PD

La tarea PD lee la temperatura del sensor BMP180 que se encuentra dentro del re-ceptáculo, y en función de esta temperatura, maneja la potencia del calefactor. Seestableció como valor por defecto que debe llegar a una temperatura deseada de36 °C. Un usuario técnico puede modificar esta temperatura deseada a cualquieradentro del rango de 34 °C a 40 °C.

Para controlar la temperatura, se utilizó un controlador proporcional/derivativo(PD). Este tipo de controlador es un subtipo del típico controlador proporcional/-derivativo/integrativo. No se utilizó la parte integrativa porque los requerimien-tos no eran tan exigentes como para requerir a esa parte.

Al inicio, la tarea toma un registro de la temperatura. Calcula el error entre latemperatura y la temperatura deseada. Este error es la entrada al controlador PD,y la salida es el valor del PWM que va a poner en el calefactor. El PWM que tienela EDU-CIAA-NXP es de 8 bits, en donde el valor indica el porcentaje de encendi-do/apagado de la señal de tren de pulso. Un valor máximo de 255 (0xFFh) indicaque la señal siempre está prendida y cualquier valor inferior a este, indica unporcentaje de prendido de la señal (en la figura 3.15 se dan dos ejemplos). Esto setraduce, físicamente, al que el calor generado por las resistencias sea proporcionala este porcentaje de prendido de la señal PWM.


Periodo

Apagado Encendido

3,3V

0V

3,3V

0V

PWM = 12750%

PWM = 6350%

FIGURA 3.15. Ejemplos de señal PWM que controla al calefactordel receptáculo. Un valor de 127 indica que la señal esta el 50%

prendida y un valor de 63, el 25%.

La tarea, en cada ciclo que se ejecuta, realiza el siguiente cálculo:

Salida = KP ∗ error +KD

Ttarea∗ (error − erroranterior) (3.1)

En donde:

KP y KD son las constantes de la parte proporcional y derivativa respec-tivamente. El valor usado por esta tarea para cada una es 32000 y 62500respectivamente.

error es la diferencia entre el valor de temperatura dentro del receptáculo yla temperatura deseada.

erroranterior es la anterior diferencia entre el valor de temperatura dentrodel receptáculo y la temperatura deseada.

Ttarea es el tiempo que FreeRTOS vuelve a llamar la tarea.

Esta fórmula es la típica del controlador PD [39], adaptada para un ciclo digital,en donde la parte derivativa se la reemplaza con una diferencia finita [40].

La salida de la fórmula 3.1 se utiliza para calcular el valor del PWM, calculandola raíz cuadrada:

PWM =√Salida (3.2)

Este ultimo paso se realiza para linealizar la relación de potencia del calefactor yel valor de PWM. El PWM controla linealmente la corriente que pasa por las resis-tencias, pero es la potencia la que genera el calor en las resistencias. La potenciaen una resistencia es [41]:

P = I2R (3.3)


En donde:

P es la potencia de calefactor.

R es la resistencia equivalente del calefactor.

I es la corriente que pasa por el calefactor.

Al calcularse la raíz en la formula 3.2, hace que el controlador tenga un recorri-do lineal, y que variaciones de temperatura en cualquier parte, afecten en igualproporción.

Tarea Circuito de lectura

La tarea Circuito de lectura realiza las mediciones de VT y VD. Funciona con unamaquina de estado finito, en donde, la tarea Menú puede modificar el estado pararealizar diferentes acciones. Posee cuatro estados:

Apagado: en este estado, no se realizan ninguna lectura. A los interruptoresde estado solido PIN1 y PIN2 se configuran para que ningún subcircuitoquede seleccionado.

Detectar presencia de dosímetro: este estado se utiliza para saber si hayun dosimetro conectado o no. Para ello, se configura a PIN1 y PIN2, paraque seleccionen al subcircuito de lectura de VD. Cada 200ms se realiza unalectura de VD. Si el ADC realiza conversiones de valores aproximado a 5V,significa que no hay dosimetro conectado (ver figura 2.5 para más detalle).

Medir estabilidad de VD: antes de realizar una medición de VT es necesariosaber si la temperatura dentro del dosímetro es estable. Para ello, usandola misma configuración que el estado anterior, el sistema toma lecturas deVD. Para verificar que VD es estable, se calcula el valor medio de VD usandoun promedio móvil de 100 muestras. Luego, se compara nuevo valores deVD, y si estos se encuentran dentro del rango de ±90µV con respecto alvalor medio. Cuando esto ocurre 100 veces seguidas, se considera que latemperatura dentro de VD es estable. El periodo de lectura de VD es cada100ms, por lo que el tiempo mínimo que le lleva determinar si VD es establees de 20 segundos.

Realizar lectura de VT : La lectura de VT es un procedimiento largo en eltiempo para compensar la gran variación de VT que el LFDM había medidoen sus ensayos del poncho de circuito de lectura. Configura a los interruptoresde estado solido para seleccionar al subcircuito de lectura de VT . Esta tarearealiza 900 mediciones, a una tasa de 200ms, es decir, la lectura demora tresminutos. Al finalizar, calcula el promedio.

Tarea Comunicación con PC

La tarea Comunicación con PC escucha constantemente al puerto USB de la EDU-CIAA-NXP ante la llegada de comandos. Para poder comunicarse con esta tarea,una PC debe conectarse por el puerto mini-USB que tiene el sistema, y generaruna conexión USART de 115200 baudios, 8 bits de datos, sin paridad y un bit deparada. Los comandos que recibe son en ASCII de hasta 12 B y están formados co-mo indica la figura 3.16. Todo comando debe inicializarse con una llave, luego sele indica que tipo de acción se desea realizar (lectura, escritura o configuración),


a que bloque corresponde el comando (circuito de lectura, temperatura, etc.), unnúmero que indica una funcionalidad específica, el valor del dato, y al final ce-rrarse con otra llave. La respuesta del sistema es el valor de lo pedido o si no tieneque devolver nada, responde con OK. En cambio, si la tarea recibe un comandomal formado, responde con FAIL.

{ W T 0 0 # # # }...

Comando Dato

Función

Bloque

Escritura/Lectura/Configuración

Llave de apertura

Llave de cerrado

FIGURA 3.16. Formato del mensaje que la PC debe enviar parapoder comunicarse con el sistema.

El sistema le permite a un usuario que se conecta desde una PC realizar dos ti-pos de acciones mediante esta tarea. El primer tipo es para realizar las mismasfuncionalidades que tiene en la interfaz de usuario, que son:

Ver la fecha y hora.

Ver la temperatura del receptáculo y si esta está estable.

Ver y cargar los parámetros del dosímetro.

Inicializar y abortar una lectura de código QR.

Ver el estado de la tapa del receptáculo

Ver si hay un dosímetro conectado.

Ver si el valor de VD del dosímetro conectado es estable.

Realizar una medición de VT de pre-irradiación o post-irradiación.

Ver la dosis absorbida luego de una medición de VT de post-irradiación.

Ver alguna de las últimas mediciones de dosis realizadas.

El segundo tipo son acciones para diagnosticar el sistema o cambiar alguna con-figuración que no es de uso común. Se debe saber cómo funciona el sistema in-ternamente para usarlas, ya que algunas de ellas pueden dañarlo. Las funcionesque se pueden realizar con este tipo de acción son:

Modificar la fecha y hora.

Bloquear el acceso al teclado numérico.

Cambiar la temperatura deseada del receptáculo a cualquier valor del rangode 34 °C a 40 °C.

Apagar al controlador PD y darle un valor fijo de PWM al calefactor.


Leer y modificar los valores de las constantes del controlador PD.

Realizar una única medición de VT o VD, no controla si hay dosímetro.

Modificar los valores del DAC del poncho del circuito de lectura.

Modificar alguno de los registros de últimas mediciones realizadas.

La forma que la tarea funciona es diferente para el tipo de acción. Para el primertipo, la tarea Comunicación con PC le solicita a la tarea Menú lo que el usuario ne-cesita. Esto se diseñó así para evitar que no haya interferencias entre un usuariousando la interfaz de usuario y otro usando la PC. En cambio para el segundotipo, la tarea Comunicación con PC se comunica directamente con las otras tareassin pasar por la tarea Menú (flechas verdes de figura 3.14).

3.2.3. Interfaz de usuario

Para poder cumplir la característica de usabilidad del firmware, se trabajó en eldiseño de la interfaz de usuario que se presenta en la pantalla LCD. Se buscóque el sistema presentara toda la información que el usuario necesita saber en unlenguaje gráfico fácil de entender.

La pantalla principal, que se muestra durante el funcionamiento del sistema, es-tá divida en dos regiones bien diferenciadas: una zona de información y otra demenú. La zona de información es donde el sistema comunica su estado y la zonade menú donde el usuario interacciona. En la figura 3.17 se observa la maquetadel menú y una fotografía de la pantalla del sistema. En la zona de información,el naranja es usado para llamar la atención del usuario y el verde indica que estábien y no requiere acción. En la zona de menú, el verde indica cual opción estáseleccionada y si el texto está gris oscuro, significa que la opción está deshabilita-da. Si una opción se selecciona, el sistema cambia de verde a amarillo a la opciónseleccionada.

Zona de menú

Zona de información

FIGURA 3.17. Maqueta de la interfaz de usuario (izquierda) y foto-grafía de la pantalla LCD mostrando la misma pantalla (derecha).

Además de la pantalla principal, se diseñaron tres tipos de pantallas más, en don-de se utiliza para comunicar al usuario diferentes informaciones. Mensaje de in-formación, en donde se utiliza el color verde, y mensaje de advertencia, en dondese utiliza el color amarillo. Este tipo de mensaje reemplaza la zona de menú du-rante el tiempo de comunicación. En las figuras 3.18 y 3.19 se observa un ejemplo


de cada caso. El tercer tipo de pantalla es el mensaje de error, en donde se utilizael color rojo y se reemplaza a toda la pantalla. En la figura 3.20 se observa unejemplo de este tipo de mensaje.

FIGURA 3.18. Maqueta de la pantalla de información (izquierda)para el caso de una lectura de código QR y fotografía de la pantalla

LCD mostrando la misma pantalla (derecha).

FIGURA 3.19. Maqueta de la pantalla de advertencia (izquierda)para el caso de una lectura de código QR abortada y fotografía de

la pantalla LCD mostrando la misma pantalla (derecha).

FIGURA 3.20. Maqueta de la pantalla de error (izquierda) para elcaso de una falla del controlador de temperatura y fotografía de la

pantalla LCD mostrando la misma pantalla (derecha).

La interfaz de usuario está programada en la librería Menú y herramientas de dibujode la capa de librerías intermedias. El dibujado en pantalla esta totalmente separadodel control de controlador ILI9341. Las funciones de dibujado son funciones quedibujan figuras geométricas o escriben texto. Debajo de estas funciones se traducea comandos que entiende la pantalla LCD, la idea con esto es permitir, si se deseacambiar de pantalla, se pueda reutilizar la librería Menú y herramientas de dibujo.

39

Capítulo 4

Ensayos y resultados

En este capítulo se detallan las pruebas efectuadas sobre el hardware y el firmwarea lo largo del desarrollo. Además, se presentan los ensayos realizados del contro-lador de temperatura y del circuito de lectura.

4.1. Pruebas unitarias

Como se mencionó en el capítulo 3, se estableció que la confiabilidad era una delas características principales en el diseño del firmware. Alrededor de esta premisase construyó el plan de prueba del código. Para encontrar un compromiso entreel tiempo de desarrollo y la calidad del código, se estableció que solamente serealizara pruebas unitarias en el firmware de:

Las librerías SPI y SPI por software de la capa de bajo nivel.

Todas las librerías de la capa de controladores.

Las funciones del circuito de lectura de la capa de librerías intermedias.

Para el desarrollo de las pruebas unitarias se trabajó con la herramienta Ceedling[42]. Las pruebas desarrolladas fueron del tipo Elementary comparison test [43].

En la tabla 4.1 se observa el porcentaje de cobertura de pruebas realizadas paracada librería. El porcentaje de cobertura se establece en relación del número totalde funciones que posee la librería y las probadas.

TABLA 4.1. Porcentaje de cobertura de pruebas unitarias. Tambiénse enumeran cuantas librerías y funciones se probaron por capa.

Capa Librerías Funciones Porcentaje

Bajo nivel 2 6 100%Controladores 6 39 88%Librerías intermedias 1 9 100%

4.2. Pruebas funcionales del hardware

La fabricación y montaje del sistema se dividió en dos etapas. Primero se mon-taron los componentes relacionados a la interfaz de usuario y el control de tem-peratura. Esto se realizó porque mientras se realizaba esta etapa, el LFDM estabadiseñando el circuito de lectura, y se necesitaba trabajar en paralelo ambas partes

40 Capítulo 4. Ensayos y resultados

para definir los puertos de conexionado, etc. La segunda etapa, consistió en elmontaje de todo el sistema junto.

Durante las dos etapas se verificó el correcto funcionamiento de cada componentemediante rutinas simples en el microcontrolador. Estas rutinas solamente realiza-ban las acciones necesarias para controlar o leer a un determinado componente.Las pruebas que se realizaron durante la primera etapa fueron:

1. Para verificar el funcionamiento del RTC, se le agregó una pila a la EDU-CIAA-NXP y se configuró al microcontrolador con una fecha y hora. Luegose realizaron lecturas del RTC con ciclos de apagado y encendido de la EDU-CIAA-NXP intercalados.

2. Para verificar los componentes que se conectaban al puerto I2C (memoriaEEPROM externa y sensor de temperatura), se verificó el funcionamiento decada componente por separado. Luego, se agregaron todos los componen-tes y se verificó que todos ellos respondieran a los llamados del microcon-trolador. En estas pruebas se encontró que la plaqueta en la que venia mon-tado el sensor de temperatura poseía resistencias de pull-up que, al agregarmás componentes al puerto, generaban problemas de comunicación. Se so-lucionó este problema eliminando las resistencias que están marcadas en lafigura 4.1.

FIGURA 4.1. Resistencias de pull-up (círculo rojo) del puerto I2Cque se eliminaron de la plaqueta del sensor de temperatura

BMP180.

3. Se realizaron pruebas de comunicación por SPI de la pantalla LCD. La co-municación SPI en esta etapa era por hardware. Se realizaron pruebas deinicialización de la pantalla, y de guardado de registros específicos de lamisma.

4. Para verificar las funciones de dibujado en el LCD, se probó que realiza-ra diferentes figuras geométricas (en la figura 4.2a se muestra un ejemplo).Luego se realizaron pruebas de escritura en pantalla de texto de diferentetamaño y color (ejemplo en figura 4.2b). Para estas últimas pruebas, ya esta-ba montada la memoria EEPROM que guardaba el conjunto de caracteres.

4.2. Pruebas funcionales del hardware 41

(A) Figuras geométricas usadas para probar la ca-pacidad de dibujo de la pantalla. (B) Ejemplo de prueba de escritura de texto en

pantalla.

FIGURA 4.2. Ejemplos de pruebas de capacidad de dibujado de lapantalla y su controlador ILI9341.

5. Se verificó para el lector de código QR que se comunicara correctamente conla EDU-CIAA-NXP. Se realizaron posteriores pruebas de lectura de códigosQR de diferente tamaño hasta llegar al tamaño que lleva pegado el dosí-metro (5 mm x 5 mm) a diferentes niveles de iluminación. Gracias al LEDque posee el lector se logran lecturas satisfactorias inclusive en situación demuy poca luz externa.

6. Para el calefactor de resistencias se verificó que el transistor que las controlatuviera suficiente potencia para calentarlas. Inicialmente un solo transistorestaba conectado a la EDU-CIAA-NXP. La EDU-CIAA-NXP no poseía sufi-ciente potencia para controlarlo, por lo que se agregó un transistor más enconfiguración Darlington para solucionar el inconveniente (figura 4.3).

FIGURA 4.3. Esquemático del circuito de potencia del calefactor.Cambio realizado en los transistores de potencia para que la EDU-CIAA-NXP pueda controlar al calefactor de resistencias. El círculo

rojo marca el transistor agregado.


La segunda etapa consistió en pruebas funcionales de los componentes del cir-cuito de lectura en integración con el resto de los componentes del sistema:

1. Para verificar los componentes del circuito de lectura (AD7799 y MCP4812)que se conectaban al puerto SPI, se verificó el funcionamiento de cada com-ponente por separado, y luego los componentes juntos. Se verificó que to-dos ellos respondieran a los llamados del microcontrolador.

2. Siguiendo con las pruebas del puerto SPI, se agregó la pantalla LCD. Cuan-do se agregó la pantalla, los componentes dejaban de responder adecuada-mente. Se encontró que la capacidad parásita que agregaba al conectarse alpuerto, afectaba a la comunicación. Como solución, se decidió cambiar lapantalla a una comunicación SPI por software, debido a que el otro perifé-rico SPI que posee el microcontrolador de la EDU-CIAA-NXP no se puedeacceder. A la pantalla se le repitieron todas las mismas pruebas realizadasanteriormente pero ahora funcionando con la comunicación SPI por softwa-re.

3. El conjunto de llaves de estado sólido MAX4533, se verificó que ante cambiode estado de los pines de conexión de la EDU-CIAA-NXP con el MAX4533,este realizara cambio del estado de las llaves. Estas pruebas se realizaronsin la alimentación de 34V, para evitar daños del circuito de lectura.

4.3. Ensayos del control de temperatura

En los primeros análisis del controlador de temperatura se encontró que un con-trolador del tipo de activación/desactivación (A-D) [44] alcanzaba para cumplirlos requerimientos de temperatura que se establecieron en la sección 2.3.2. Es-to ocurre debido al poco volumen del receptáculo y que la transmisión de caloral dosímetro es por conducción, haciendo que efectos de cambios en el ambienteafecten lo suficientemente poco para que un controlador primitivo alcance. Se usóun controlador más avanzado del tipo proporcional-derivativo (PD) para que latemperatura tenga una variación más suave y pueda responder mejor antes cam-bios del entorno. Para el ajuste de los parámetros del controlador, se realizó deforma manual, y con pocas iteraciones se logró encontrar el valor de los paráme-tros.

Ya con los parámetros establecidos, se realizaron ensayos para evaluar el com-portamiento del controlador. Para realizar los ensayos, al sistema se dejó en sufirmware solamente la tarea PD encendida, y una tarea temporal que enviaba porpuerto USB mediante comunicación serie la temperatura medida a una PC. Enla figura 4.4 se observa un esquema del banco de ensayo y en la figura 4.5 unafoto del mismo. Para todas las pruebas, siempre hubo conectado un dosímetropara asegurar el efecto de la masa del mismo dentro del receptáculo y la tapa delreceptáculo estuvo cerrada. Los datos que se recibían en la PC, una vez finaliza-do cada ensayo, se guardaron en archivos de texto y luego se procesaron usandoPython.

4.3. Ensayos del control de temperatura 43

Fuente de alimentación Sistema dosimétrico PC

USART via USB

FIGURA 4.4. Esquema del banco de ensayo usado para hacer losensayos. La comunicación entre la PC y el sistema es mediante el

protocolo USART a través de USB.

FIGURA 4.5. Foto del banco de ensayo usado para hacer los ensa-yos.

Los ensayos que se realizaron fueron:

Ensayo 1: comparación entre un controlador de A-D y el controlador PDimplementado cuando se parte de 21 °C hasta la temperatura deseada de36 °C.

Ensayo 2: comportamiento del controlador PD cuando ocurre un cambio enel entorno.

Ensayo 3: comportamiento del controlador PD con cuatro temperaturas de-seadas diferentes (34 °C, 36 °C, 38 °C y 40 °C).

El ensayo 1 era para analizar el comportamiento de un controlador PD imple-mentado y un controlador de A-D. A partir del ensayo 2 se trabajó solamentecon el controlador PD, debido a que ese controlador fue el que se decidió utilizarpor tener un rendimiento que sobrecumple los requerimientos establecidos, sinagregar una complejidad excesiva en el código del firmware.

4.3.1. Comparación entre un controlador de A-D y el controlador PD

En la figura 4.6 se observa la variación de temperatura dentro del receptáculoversus el tiempo para un controlador de A-D y para el controlador PD. Ambosllegan a la temperatura deseada aproximadamente antes de 9 minutos, aunque elcontrolador de A-D posee un efecto de sobrerreacción que el controlador PD notiene. Como se observa en la gráfica, ambos controladores, una vez llegado a latemperatura deseada, se mantienen dentro del rango aceptable de temperatura.Aunque la variación del controlador PD es menor.


0 100 200 300 400 500 600 700 800Tiempo [s]

22

24

26

28

30

32

34

36Te

mpe

ratu

ra [°

C]

Activación/desactivaciónControlador PD

FIGURA 4.6. Gráfica temperatura versus tiempo de un controladorde A-D y el controlador PD. La zona sombreada es el rango de

temperatura que se considera estable.

La variación una vez alcanzada la temperatura deseada fue de 0,6 °C para el con-trolador de A-D y de 0,3 °C para el controlador PD. El controlador PD sobrecum-ple el requerimiento de una variación de 1 °C en condiciones normales.

4.3.2. Comportamiento del controlador PD cuando ocurre un cambioen el entorno.

El sistema está diseñando para mantener la temperatura dentro del receptáculotodo el tiempo, independientemente si se está realizando una medición o no. Estosignifica que el receptáculo se va a abrir y cerrar, se va a insertar diferentes do-símetros, etc., generando variaciones que el controlador tiene que compensar. Serealizó un ensayo que simula esta situación. Para ello se partió de una vez quela temperatura del receptáculo estaba estable, se abrió la tapa y se puso un ven-tilador enfocado al receptáculo durante 10 segundos, luego se cerró la tapa. Enla figura 4.7 se observa la gráfica de la temperatura en el receptáculo versus eltiempo para este ensayo.

4.3. Ensayos del control de temperatura 45

0 50 100 150 200 250 300 350 400Tiempo [s]

32

33

34

35

36

37

Tem

pera

tura

[°C

]

FIGURA 4.7. Gráfica temperatura versus tiempo para analizar elcomportamiento del controlador cuando ocurre un cambio en elentorno. La zona sombreada amarilla es el rango de temperaturaque se considera estable. La zona sombreada azul es cuando se

abrió la tapa del receptáculo y se puso un ventilador.

El ensayo simuló un caso extremo, el cual se bajó la temperatura en 3 °C. El siste-ma, luego de cerrada la tapa, en 66 segundos volvió a recuperar la temperatura yse mantuvo estable, sin efectos de sobrerreacción.

4.3.3. Comportamiento del controlador PD con cuatro temperaturas de-seadas diferentes

El controlador de temperatura tiene que mantener la temperatura estable dentrodel receptáculo en 36 °C por defecto. A su vez, el sistema tiene que estar prepa-rado para poder cambiar la temperatura deseada a un valor arbitrario dentro delrango de 34 °C a 40 °C. Para comprobar esta funcionalidad, se realizaron ensayospara cuatro temperaturas deseadas diferentes: 34 °C, 36 °C, 38 °C y 40 °C. En lafigura 4.8 se observa las graficas de la temperatura del receptáculo versus tiem-po para los cuatro casos. Se observa que el controlador PD no tuvo problema demantener la temperatura para cualquiera de los casos.


0 200 400 600

26

28

30

32

34Te

mpe

ratu

ra [°

C]

Temperatura 34°C

0 200 400 600

26

28

30

32

34

36

Temperatura 36°C

0 200 400 600Tiempo [s]

26

28

30

32

34

36

38

Tem

pera

tura

[°C

]

Temperatura 38°C

0 200 400 600Tiempo [s]

28

30

32

34

36

38

40

Temperatura 40°C

FIGURA 4.8. Gráfica temperatura versus tiempo para cuatro tem-peratura deseadas. La zona sombreada es el rango de temperatura

que se considera estable.

4.4. Ensayos del sistema de lectura

El circuito de lectura es la parte principal de todo el sistema. Cuando el LFDMentregó este circuito para ser integrado al sistema, éste ya había sido ensayado talcomo se comentó en el capítulo 2. Se partía sabiendo que las mediciones de VDy VT poseen un nivel de ruido por fuera de la variación mínima esperada. Conesta información se buscó en los ensayos realizados verificar el funcionamientode todo el sistema y que el resto de los componentes no incorporaban más ruidoque el medido.

Para los ensayos realizados, se trabajó con dos dosímetros provistos por el LFDMdenominados dosímetro #21 y #27 (figura 4.9). Los ensayos se realizaron con elfirmware prácticamente completado, reemplazando a la tarea Comunicación con PCcon una versión que enviaba los valores de voltaje de diodo (VD) y umbral (VT ),temperatura dentro del receptáculo y tiempo. El banco de ensayo fue exactamenteel mismo que el usado en el ensayo de temperatura (figuras 4.4 y 4.5). Los datosque se recibían en la PC, una vez finalizado cada ensayo, se guardaron en archivosde texto y luego se procesaron usando Python.

4.4. Ensayos del sistema de lectura 47

FIGURA 4.9. Dosímetros usados para los ensayos del sistema delectura. A la izquierda el dosímetro #27 y a la derecha el #21.

4.4.1. Ensayo de voltaje de diodo

El parámetro VD es usado en el dosímetro como sensor de temperatura inter-na para medir la estabilidad térmica del mismo. Por esto, los ensayos realizadospara este voltaje fueron en comparación con la temperatura medida dentro delreceptáculo.

El primer ensayo fue realizar registros en un rango amplio de temperaturas deldosímetro #27 sin tener en cuenta la estabilidad térmica. Para este ensayo se co-locó al dosímetro #27 en el receptáculo en temperatura ambiente y se comenzó aregistrar mientras que el receptáculo se calentaba. La figura 4.10 muestra en ungráfico de dispersión a VD desde 20 °C hasta 36 °C. Se observa que VD varia conla temperatura prácticamente de forma lineal, en donde VD disminuye a mayortemperatura.

20,0 22,0 24,0 26,0 28,0 30,0 32,0 34,0 36,0Temperatura [°C]

0,60

0,61

0,62

0,63

0,64

Volta

je d

e di

odo

[V]

FIGURA 4.10. Gráfica de dispersión de VD versus temperatura deldosímetro #27. La ubicación de los puntos forman lo que parece

ser una recta.

El segundo tipo de ensayo consistió en medir VD en ambos dosímetros cuandola temperatura en el receptáculo era estable. Estos ensayos se repitieron en díasdiferentes para asegurar repetibilidad. En la figura 4.11 se observa la mediciónde VD para los dos dosímetros desde 36 °C a 40 °C. Se observa que el dosímetro#27 tiene menos variación entre lecturas a una misma temperatura. El dosímetro


#21 tiene en el peor caso una variación de 4,65mV, mientras que en el dosímetro#27, la variación máxima de 3,17mV. Se hizo una regresión lineal para ambosdosímetros, y se observa un factor de correlación muy alto (0,97 para el dosímetro#21 y 0,94 para el #27).

36 37 38 39 40Temperatura [°C]

0,50

0,51

0,52

0,53

Volta

je d

e di

odo

[V]

y = -0,0030x + 0,629R2 = 0,97

Dosímetro #21

36 37 38 39 40Temperatura [°C]

0,59

0,60

0,61

Volta

je d

e di

odo

[V]

y = -0,0025x + 0,691R2 = 0,94

Dosímetro #27

FIGURA 4.11. Gráfica de dispersión de VD versus temperatura delos dosímetros #21 y #27. La línea negra es la recta de regresiónlineal en donde se presenta su ecuación y el factor de correlación.

Como se observa en los ensayos, VD tiene un comportamiento lineal con respectoa la temperatura, comportamiento esperado ya que como se dijo VD es un sensorde temperatura interna del dosímetro. Esto significa que además de comprobarque se está pudiendo medir VD sin problemas, también se pudo comprobar que latemperatura del receptáculo se está transmitiendo al dosímetro. Desde el puntode vista del firmware, estos ensayos permitieron establecer el valor limite que usael sistema para determinar qué VD es estable.

4.4.2. Ensayo de voltaje umbral

Finalmente se realizaron mediciones del VT de ambos dosímetros. Siempre setrabajó en régimen de temperatura estable. En las figuras 4.12a (dosímetro #21)y 4.12b (dosímetro #27) se observa registros de VT versus tiempo para diferentestemperaturas estables, dos registros para cada caso en días diferentes. Tambiénse realizó un diagrama de caja de las mediciones (figura 4.13).

4.4. Ensayos del sistema de lectura 49

0 10 20 30 40 50 60 70Tiempo [s]

24,0

25,0

V T [V

]

Temperatura 36 °C

0 10 20 30 40 50 60 70Tiempo [s]

24,0

25,0

V T [V

]

Temperatura 38 °C

0 10 20 30 40 50 60 70Tiempo [s]

24,0

25,0

V T [V

]

Temperatura 40 °C

(A) Dosímetro #21.

0 10 20 30 40 50 60 70Tiempo [s]

26,0

26,5

27,0

V T [V

]

Temperatura 36 °C

0 10 20 30 40 50 60 70Tiempo [s]

26,0

26,5

27,0

V T [V

]

Temperatura 38 °C

0 10 20 30 40 50 60 70Tiempo [s]

26,0

26,5

27,0

V T [V

]

Temperatura 40 °C

(B) Dosímetro #27.

FIGURA 4.12. Gráficas de voltaje umbral versus tiempo de los do-símetros #21 y #27 para diferentes temperaturas. Para cada gráfi-ca, cada color corresponde a uno de los dos registros realizados en

días diferentes.


36 °C 38 °C 40 °CTemperatura

24,0

24,2

24,5

24,8

25,0

25,2

V T [V

]

Dosímetro #21

36 °C 38 °C 40 °CTemperatura

26,0

26,2

26,4

26,6

26,8

V T [V

]

Dosímetro #27

FIGURA 4.13. Diagramas de caja del voltaje umbral para diferen-tes temperaturas de ambos dosímetros.

La máxima variación para el dosímetro #21 fue de 1,45V y del dosímetro #27 de0,82V. Valores del orden que el LFDM había medido. De los diagramas de caja seobserva, a pesar de la gran variación, que la media de VT disminuye con la tem-peratura, fenómeno físico esperado de los dosímetros MOS. Aunque se observauna gran variación en voltaje, este no varió durante los diferentes días, y, además,no fue mayor al reportado por el LFDM. Por lo que se cumplió el objetivo de queel sistema no agregara más ruido que el que posee el circuito. Este ensayo explicael largo tiempo de lectura implementado por el sistema, ya que se observa que elruido que tiene VT es de baja frecuencia. Por lo que para calcular un valor pro-medio que sea cercano al valor real, se necesita que incluya una gran cantidad dedatos.

4.5. Pruebas de integración

Una vez hecha las pruebas y los ensayos de las partes más importantes del siste-ma, se realizaron diferentes pruebas de integración para evaluar el sistema en suconjunto. En estas pruebas se evaluó principalmente a la tarea Menú del firmware.Tal como se vio en el capítulo 3, la tarea Menú es la encargada de controlar a lainterfaz de usuario, y de comandar a las otras tareas para que el sistema funcioneen su conjunto. La finalidad de estas pruebas fue verificar que todo funcionaracorrectamente, y además se simularon fallos para analizar las respuestas del sis-tema ante ellos.

Para estas pruebas se generaron escenarios en donde se simuló el uso que se lequiere dar al equipo. Durante diferentes días se usaba continuamente al equipodurante varias horas realizando diferentes acciones, entre ellas se pueden desta-car:

Prender el sistema (para verificar la rutina de inicialización de todos loscomponentes).

Agregar un dosímetro en el receptáculo.

Abrir y cerra la tapa de receptáculo en momentos diferentes.

4.5. Pruebas de integración 51

Cambiar de dosímetros luego de una lectura.

Analizar si el sistema indicaba correctamente la temperatura y si esta eraestable.

Cargar manualmente y automáticamente los parámetros del algún dosíme-tro.

Realizar lecturas de pre-irradiación y post-irradiación.

Verificar que luego de una lectura de post-irradiación, el registro históricode lecturas se modificara.

Estas acciones se probaron en diferentes combinaciones. De esta forma se pasópor todas las opciones de menús posible que tiene el equipo. Cada acción tenía unresultado esperado, si en algún caso no daba ese resultado, se corregía el firmwarepara incorporar esa situación particular.

Las pruebas de simulación de fallos consistían en desconectar algún componen-te o dejar sin alimentación alguna parte del sistema. Por ejemplo, durante unalectura de pre-irradiación, se desconectaba la alimentación de 34 V, en donde elsistema automáticamente debía mostrar el mensaje de error de que el circuito delectura no funciona. Estas pruebas buscaron que, a pesar de los fallos, el sistemase mantuviera confiable.

En las figuras 4.14, 4.15, 4.16 y 4.17, se observan fotografías del uso del sistema enestas pruebas.

Por último, para la tarea Comunicación con PC, se realizaron similares pruebas,enviando desde una PC los comandos que hacen las diferentes acciones.

FIGURA 4.14. Fotografía del sistema cuando se realizó una lecturadel código QR.


FIGURA 4.15. Fotografía del sistema cuando se consultó el registrohistórico de ultimas mediciones.

FIGURA 4.16. Fotografía del sistema cuando el sistema mostró enpantalla la dosis medida del dosímetro.

4.5. Pruebas de integración 53

FIGURA 4.17. Fotografía del sistema cuando se apagó la alimen-tación de 34V durante una lectura y el sistema respondió con el

mensaje de error que se esperaba que mostrara.

55

Capítulo 5

Conclusiones

En este capítulo se presentan las conclusiones relativas al alcance de los objetivosque se plantearon al inicio del trabajo. También se analizan los próximos pasosque se podrían seguir para mejorar al sistema, y cambios que se requieren paratransformarlo en un producto que pueda comercializarse.

5.1. Conclusiones generales

En la sección 1.4 se presentó el objetivo del presente proyecto, orientado al desa-rrollo de un sistema capaz de medir dosis de radiación absorbida de dosímetrosMOS. Este objetivo se considera completo, ya que se logró desarrollar e imple-mentar todas las funcionalidades que el sistema tenía que incluir. Todas las prue-bas que se realizaron demuestran el correcto funcionamiento de las áreas diseña-das e implementadas. Este trabajo llevó al desarrollo de lo que se conoce comoproducto viable mínimo1. Cumple los requerimientos esenciales para ser utiliza-do por servicios de radioterapia, es decir los clientes a que apunta el LFDM.

Contrastando con las funcionalidades planteadas en el objetivo, se puede concluirque:

El sistema realiza lecturas de radiación de dosímetros MOS de acuerdo a loprevisto. Puede leer satisfactoriamente el voltaje de umbral del dosímetro,tanto pre como post irradiación y aplicar las fórmulas de cálculo de dosis.

El nivel de ruido que posee el circuito de lectura es demasiado alto para elfuncionamiento esperado. Esto hace que los tiempos de medición de VT ten-ga que ser muy alto para contrarrestar el ruido de baja frecuencia observadaen el capítulo 4.

El sistema controla la temperatura con mayor precisión que la planteada enlos requerimientos de la planificación.

El sistema logra estabilizar la temperatura del dosímetro y hasta que no esteestable la tensión de diodo del mismo, el sistema no hace ninguna medición

La incorporación de una interfaz grafica fácil de usar es una de las caracte-rísticas principales por fuera de la funcionalidad especificada inicialmente.El sistema presenta toda la información de su estado de una forma clara yposee un listado de menúes fácil de navegar.

1Producto viable mínimo - Wikipedia

https://es.wikipedia.org/wiki/Producto_viable_m%C3%ADnimo

56 Capítulo 5. Conclusiones

Durante el desarrollo de este trabajo se aplicaron conocimientos adquiridos en laCarrera de Especialización en Sistemas Embebidos como:

Arquitectura de microprocesadores.

Programación tanto en C como en Assembler.

Gestión de proyectos.

Sistemas de control de versiones.

Protocolos de comunicación.

Sistemas operativos de tiempo real.

Diseño de circuito impresos.

Herramientas de Testing de sistema embebidos.

El cronograma original sufrió demoras causadas principalmente en el inicio. Lasprincipales acciones para mitigar las demoras fueron aumentar la dedicación alproyecto y aprovechar viajes de trabajo a Buenos Aires para coordinar reunio-nes con el equipo de trabajo del LFDM. Estas reuniones fueron muy provechosasporque permitieron rápidamente validar con el LFDM aspectos del diseño a im-plementar, y además coordinar con la persona encargada del diseño del circuitode lectura.

5.2. Próximos pasos

Cómo próximo paso, este sistema se puede entregar a diferentes servicios de ra-dioterapia para que den una retroalimentación, ya que son los más propensos acaptar la visión completa del sistema a partir de un primer prototipo. Con estose puede evitar el desarrollo de un sistema que no resultará útil ni atractivo. Estoes sumamente importante para poder lograr el éxito de ingresar al mercado losdosímetros MOS del LFDM y el sistema desarrollado en este proyecto.

A continuación, se detallan los principales aspectos que se pueden continuar apartir del desarrollo de este trabajo.

5.2.1. Circuito de lectura

Tal como se comentó en el capítulo 4, el nivel de ruido del circuito de lectura ge-nera mediciones de VT con un nivel de variabilidad que está por encima de losrequerimientos que el LFDM estableció. Para solventar esto, el LFDM está de-sarrollando un nuevo circuito de lectura que reemplaza al DAC. Por lo que sedebe modificar el firmware para incorporar los controladores de esta nueva par-te. El modelo de capas implementado permite fácilmente cambiar esto sin hacergrandes modificaciones del código.

5.2.2. Software de control del sistema por PC

El sistema fue diseñado para funcionar de forma aislada sin necesidad de una PCo similar. Pero, al incorporar la posibilidad de comunicarse con una PC, permiteal usuario más de una forma de controlar el sistema. Para poder completar estaparte, se debería desarrollar un software para PC que pueda generar los comandosde comunicación. De esta forma se puede tener dos formas de usar el sistema.

5.2. Próximos pasos 57

5.2.3. Prototipo industrial

En este trabajo se utilizaron componentes ya prefabricados, o se diseñaron e im-primieron en 3D piezas sin tener en cuenta requerimientos estéticos y funcionales.Además las placas que forman parte del sistema fueron fabricadas por el Labora-torio de Circuitos Impresos2 (LCI) de FIUBA. Las capacidades de fabricación delLCI alcanzaron para el desarrollo de este proyecto, pero no tienen la calidad paraun prototipo industrial. Como próximo paso de este trabajo, ya con el productoviable mínimo desarrollado, sería importante que pase por un proceso de diseñoindustrial para que incorpore todos los aspectos estéticos y funcionales necesariospara salir al mercado. Estos cambios probablemente requirieran modificar com-ponentes usados, como, por ejemplo, cambiar el teclado numérico por un diseñoa medida.

2http://lci.labi.fi.uba.ar/

http://lci.labi.fi.uba.ar/

59

Apéndice A

Listado completo de losrequerimientos del sistemadosimétrico

En la sección 2.3.2 se listaron los principales requerimientos del sistema. En esteanexo se listan a todos los requerimientos del sistema.

A.1. Requerimientos por funciones

1. Proceso de lectura de dosis de radiación:

SSDSMR-ERSH-1-0 - El sistema deberá realizar una lectura del voltajeumbral del dosímetro MOS en el rango de 0 a 30 V a través del circui-to analógico de lectura mediante un conversor analógico-digital de 24bits que dure entre 50 ms y 200 ms cada lectura.

SSDSMR-ERSH-2-0 - El sistema deberá realizar una lectura del voltajeumbral del dosímetro MOS previo a una irradiación y almacenar enmemoria no volátil una palabra de al menos 24 bits para el posteriorcálculo de la radiación absorbida.

SSDSMR-ERSH-3-0 - El sistema deberá realizar una lectura posterior auna irradiación del voltaje umbral del dosímetro MOS y almacenar enmemoria una palabra de al menos 24 bits para el posterior cálculo dela radiación absorbida.

SSDSMR-ERSH-4-0 - El firmware deberá almacenar en memoria no vo-látil, en cada medición el cálculo del nivel de radiación junto a la fechay hora de la obtención de la lectura y el código identificatorio del dosí-metro.

SSDSMR-ERSH-5-0 - El sistema debe ser capaz de identificar al dosí-metro MOS que esté llevando el registro mediante un número identifi-catorio único en el rango de 1 a 99.

SSDSMR-ERSH-6-0 - El dosímetro debe ser conectado en un conectorUSB con clara identificación que no es un puerto USB tradicional.

2. Cálculo de dosis de radiación absorbida:

SSDSMR-ERSH-7-0 - El sistema debe leer las dos lecturas pre irradia-ción (SSDSMR-ERSH-02-0) y post irradiación (SSDSMR-ERSH-03-0) y

60 Apéndice A. Listado completo de los requerimientos del sistema dosimétrico

realizar el cálculo de la radiación absorbida mediante el calculo de unafórmula (formula 2.1).

3. Proceso de control de temperatura:

SSDSMR-ERSH-8-0 - El sistema previo al registro de una lectura (SSDSMR-ERSH-02-0) debe estar en una temperatura estable entre 34 °C y 40 °C.

SSDSMR-ERSH-8-1 - El sistema debe mantener la temperatura del sen-sor desde el momento que se enciende. Inclusive, debe mantener latemperatura del puerto de conexión del dosímetro MOS por más queeste no esté conectado.

SSDSMR-ERSH-9-0 - Un usuario técnico debe ser capaz de configurarla temperatura entre 34 °C y 40 °C de pasos de 0,5 °C.

SSDSMR-ERSH-9-1 - Un usuario no debe ser capaz de modificar latemperatura.

SSDSMR-ERSH-10-0 - El sistema debe ser capaz de llevar desde tempe-ratura ambiente (24 °C) al valor establecido en 10 minutos como peorcaso.

SSDSMR-ERSH-11-0 - Se considerará que la temperatura es estable sise mantiene dentro de una variación de±0,5 °C de la temperatura con-figurada durante al menos 5 segundos.

SSDSMR-ERSH-12-0 - El sistema debe contener un receptáculo paracolocar al sensor para ser calentado.

SSDSMR-ERSH-13-0 - La transmisión de calor del dosímetro MOS de-be ser por conducción entre sólidos.

4. Interfaz de usuario:

SSDSMR-ERSH-14-0 - El sistema debe indicarle al usuario en qué esta-do se encuentra, los estados posibles son:

• SSDSMR-ERSH-14-1 - El receptáculo de contención para el controltemperatura está abierto o cerrado.

• SSDSMR-ERSH-14-2 - El dosímetro de radiación está en su puertode lectura o no.

• SSDSMR-ERSH-14-3 - Si está en proceso de calentamiento.

• SSDSMR-ERSH-14-4 - Si se está tomando una lectura de dosis deradiación.

• SSDSMR-ERSH-14-5 - Si el dosímetro está listo para ser retirado.

• SSDSMR-ERSH-14-6 - La temperatura actual del receptáculo y siestá estable.

SSDSMR-ERSH-15-0 - El sistema, debe mediante menús de configura-ción, permitirle al usuario realizar las siguientes acciones:

• SSDSMR-ERSH-15-1 - Cargar manualmente el ID y los parámetrosde un dosímetro para ser utilizado.

A.1. Requerimientos por funciones 61

• SSDSMR-ERSH-15-2 - Cargar mediante el sistema óptico el ID ylos parámetros de un dosímetro para ser utilizado.

• SSDSMR-ERSH-15-3 - Iniciar el proceso de medición (calentamien-to del dosímetro, si es que no está en temperatura, más mediciónde dosis absorbida).

• SSDSMR-ERSH-15-4 - Abortar el proceso de medición.


• SSDSMR-ERSH-15-6 - Ver el registro de mediciones hechas en eldía de sesión, identificando el ID del sensor, horario y nivel dedosis absorbida

5. Registro del día y la fecha:

SSDSMR-ERSH-16-0 - El firmware deberá medir la fecha (en día, mes yaño) y hora con una resolución no mayor a 1 segundo.

6. Sistema óptico de identificación:

SSDSMR-ERSH-17-0 - El sistema de identificación óptica será un códi-go QR que tendrá el código de identificación.

SSDSMR-ERSH-18-0 - Cuando el usuario elija la opción de cargar au-tomáticamente un dosímetro, el sistema le deberá indicar al usuarioque acerque al sensor óptico el sensor.

SSDSMR-ERSH-19-0 - El sistema deberá indicar si el sistema ópticorealizó una lectura del código QR.

SSDSMR-ERSH-20-0 - El sistema si en 30 segundos no pudo detectarun código QR debe suspender la lectura e indicarle mediante un men-saje en pantalla que no se pudo realizar la lectura.

SSDSMR-ERSH-21-0 - El usuario debe ser capaz de detener la lecturamediante el teclado de la interfaz de usuario.

SSDSMR-ERSH-22-0 - El sistema deberá tener identificado claramentela ubicación del sensor de identificación óptica.

7. Comunicación con PC externa:

SSDSMR-ERSH-23-0 - El sistema se deberá conectar con una PC exter-na con un puerto de conexión mini-USB y la comunicación será me-diante el protocolo UART.

SSDSMR-ERSH-24-0 - La comunicación se hará mediante comandosdesde la PC pidiendo información o cambiando configuraciones, perosiempre se iniciarán desde la PC.

SSDSMR-ERSH-25-0 - El sistema a pedido del usuario en la PC le po-drá entregar toda información que tenga almacenada:

• SSDSMR-ERSH-25-1 - Código identificatorio, nivel de radiación yfecha del dosímetro que se está utilizando.

• SSDSMR-ERSH-25-2 - La temperatura en ese momento dentro delreceptáculo del sensor.

62 Apéndice A. Listado completo de los requerimientos del sistema dosimétrico

• SSDSMR-ERSH-25-3 - El valor de tensión umbral de un dosímetro,si está conectado en ese momento.

• SSDSMR-ERSH-25-4 - El valor de PWM que está alimentando alcalefactor.


• SSDSMR-ERSH-25-6 - La fecha y hora actual.

• SSDSMR-ERSH-25-7 - El valor de tensión del diodo interno delsensor de radiación.

SSDSMR-ERSH-26-0 - El usuario mediante la PC podrá configurar unavariedad de parámetros:

• SSDSMR-ERSH-26-1 - Borrar o modificar cualquier registro de losdosímetros que estén almacenados en memoria.

• SSDSMR-ERSH-26-2 - Modificar la temperatura a que debe calen-tarse el sensor dentro de los márgenes establecidos.

• SSDSMR-ERSH-26-3 - Modificar la fecha y hora.

• SSDSMR-ERSH-26-4 - Modificar los voltajes de referencia del cir-cuito de lectura.

• SSDSMR-ERSH-26-5 - Prender o apagar el control de temperatura.

• SSDSMR-ERSH-26-6 - Si el control de temperatura está apagado,definir el valor de PWM que está alimentando al calefactor.

A.2. Requisitos de Rendimiento

SSDSMR-ERSH-27-0 - El firmware deberá almacenar un mínimo de 9 regis-tros de mediciones con la información de el número de identificación deldosímetro, la radiación absorbida, la fecha y hora.

SSDSMR-ERSH-28-0 - El firmware deberá almacenar un registro del dosíme-tro con la medición de pre-radiación a la espera de la post-irradiación parael cálculo de dosis recibida. La información debe ser la identificación deldosímetro y parámetros propios del mismo.

A.3. Restricciones de Diseño

SSDSMR-ERSH-29-0 - Se utilizará la EDU-CIAA como computadora prin-cipal.

SSDSMR-ERSH-30-0 - La pantalla de visualización tendrá un tamaño de 2,8pulgadas y resolución máxima de 320x240.

SSDSMR-ERSH-31-0 - Como teclado se utilizará un teclado matricial de 4x4limitado a números, tres letras (ABCD) y los caracteres * y #.

A.4. Atributos del Sistema 63

A.4. Atributos del Sistema

SSDSMR-ERSH-32-0 - El software deberá almacenar toda información de losdosímetros en una memoria no volátil

SSDSMR-ERSH-33-0 - Debido a la delicadeza de estar trabajando con medi-ciones de dosis de radiación, es preferible que el sistema deje de respondery obligue al usuario a reiniciar el dispositivo, a que realice una lectura erró-nea.

65

Bibliografía

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Sistema dosimétrico basado en sensores MOS para control de ...

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