Bewegingsanalyserende electronica voor medische...

Faculteit Toegepaste Wetenschappen

Vakgroep Elektronica en Informatiesystemen

Voorzitter: Prof. dr. ir. J. Van Campenhout

Bewegingsanalyserende

electronica voor medische

doeleinden

door Niels Decraene

Promotor: prof. dr. ir. J. Vanfleteren

Thesisbegeleider: ir. D. Brosteaux

Afstudeerwerk ingediend tot het behalen van de graad van

Burgerlijk Ingenieur Elektrotechniek, optie: elektronische

circuits en systemen

Academiejaar 2006–2007

i

Toelating tot bruikleen

De auteur geeft de toelating dit afstudeerwerk voor consultatie beschikbaar te stellenen delen van het afstudeerwerk te kopieren voor persoonlijk gebruik. Elk andergebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met be-trekking tot de verplichting de bron uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen vanresultaten uit dit afstudeerwerk.

Niels Decraene 4 juni 2007

ii

Dankwoord

Graag zou ik iedereen willen bedanken die heeft bijgedragen tot de verwezenlijkingvan dit eindwerk, in het bijzonder dank ik:

- mijn promotor prof. dr. ir. J. Vanfleteren en mijn thesisbegeleider ir. D.Brosteaux voor het scheppen van de mogelijkheid dit onderzoek te verrichten.

- ir. D. Brosteaux , ir. F. Bossuyt, ing. B. Vandecasteele, ir. K. Dhaenens voorhet helpen bij de fabricage en assemblage van de elektronische systemen.

iii

Bewegingsanalyserende electronica voor medische doeleinden

doorNiels Decraene

Afstudeerwerk ingediend tot het behalen van de graad van Burgerlijk Ingenieur Elek-trotechniek, optie: elektronische circuits en systemen

Academiejaar 2006–2007

Universiteit GentFaculteit Toegepaste Wetenschappen

Promotor: prof. dr. ir. J. Vanfleteren

Samenvatting

In dit afstudeerwerk hebben we onderzoek verricht naar elektronica die menselijkebeweging kan registreren en analyseren. De vraag naar dergelijke elektronica komtvooral uit de geneeskudige verzorgingssector. Vooral val- en epilepsiedetectie zijnpopulair. Na een grondig literatuuronderzoek rond deze twee toepassingen hebbenwe ontwerpsspecificaties voor onze elektronische systemen opgesteld. De voornaam-ste specificaties zijn een laag vermogen verbruik, compactheid, platheid, gebruikvan flexibele substraten en draadloze communicatie. Dit zijn typisch de specificatieswaar het de huidige commerciele systemen aan ontbreekt.

In dit afstudeerwerk gebruiken we bewegingssensoren die rechtstreeks verbandhouden met bewegingsgrootheden zoals acceleratie en hoeksnelheid. Deze worden re-spectievelijk gemeten door accelerometers en gyroscopen. We hebben een uitgebreidoverzicht gemaakt van de beschikbare sensoren en met behulp van lineaire program-mering de beste sensorencombinatie gekozen. Als verwerkingseenheid hebben weeen standaard PC gebruikt. Een efficiente communicatielink verzorgt de commu-nicatie tussen de sensoren en de PC. We hebben zowel een wired als een wirelesscommunicatielink ontworpen.

Als resultaten van dit afstudeerwerk onderscheiden we twee systemen: het ac-celerometer systeem en een IMU (Interial Measuring Unit). Het accelerometer sys-teem bestaat uit een zendmodule met een 3D accelerometer en een ontvangstmoduledie in PC kan geplugd worden. De gemeten gegevens worden door de PC gevisu-aliserd. De IMU bestaat uit een zendmodule met een 3D accelerometer en een 3Dgyroscoop. De ontvangstmodule is dezelfde als bij het accelerometer systeem. DePC visualiseert de orientatieveranderingen van de IMU door de rotaties van de IMUin realtime te volgen. Beide systemen zijn op flexibele substraten ontwikkeld.

Trefwoorden: accelerometrie, Inertial Measuring Unit (IMU), flexible electron-ica, telemedicine, valdetectie, epilepsiedetectie, draadloze communicatie.

Inertial Electronic Systems for Human MovementAnalysis in Telemedicine

Niels Decraene

Supervisor(s): Jan Vanfleteren, Dominique Brosteaux

Abstract— Two flexible electronic systems that remotely track humanmovement have been developed for medical purposes. Today there is a largedemand for fall detecting systems with elderly and epilepsydetecting sys-tems with children. The developed systems could serve as fall- or epilepsydetectors. A first system is based on a single 3D accelerometer. The secondsystem is an IMU, based on a 3D accelerometer and a 3D gyroscope. Bothsystems are low power, flat and very compact. A low power wireless link isintegrated in the systems for communication with a standardPC.

Keywords—Accelerometry, Inertial Measuring Unit (IMU), flexible elec-tronics, telemedicine, fall detection, epilepsy detection, wireless communi-cation

I. I NTRODUCTION

TELEMEDICINE , which consists of remote consultation,diagnosis and therapy by using information and communi-

cation technologies (ICT), forces direct or indirect communica-tion between a patient and a medical man. In the past few yearsthere has been an increasing demand for remote monitoring ofhuman behaviour. There is especially a large demand for fall-and epilepsy detecting systems that could be used during dailylife activities.

Fall detection is frequently used with elderly patients. Morethan 33% of the elderly aged 65+ are concerned with one fall ina year [1]. Admission rates of the elderly to hospital emergencydepartments are much higher than those of younger adults [2].Falls were the most common cause of injury (66%) and injurymost commonly occurred in the home (96%).

There is also very large demand for epileptic seizure detec-tors by parents of very young patients [3]. Today EEG/Videomonitoring is thegolden standard for epilepsy detection. Themethod is very expensive and elaborate, and there is a needfor inertial electronic systems that approximate the reliabilityof EEG/Video monitoring. Research has already shown that ac-celerometry could fulfill this need [4].

In this article two flexibele electronic systems are describedthat could be used as fall- and epilepsy detectors. A first systemuses a 3D accelerometer, a second system combines a 3D ac-celerometer and a 3D gyroscope (IMU). From now on, we referto these systems as the accelerometer system and the IMU. Bothsystems use a low power wireless link to communicate with astandard PC. Both systems are compact, flat, flexible and ex-tremely low power.

II. M ETHODOLOGY

A. Sensors

The sensors are the core of our systems and demand specialattention. We are mainly interested in MEMs movement sen-

N. Decraene is a Master student in civil engineering at TFCG,Ghent Univer-sity (UGent), Gent, Belgium. E-mail: [email protected] .

sors. These sensors are typically cheap, small and have a lowpower consumption. Here, we concentrate on accelerometersand gyroscopes. These sensors measure quantitities that are di-rectly related to movement. There are a lot high performanceMEMs accelerometer and gyrosopes available on the market.

The best choice between commercially available sensors canbe condidered as an optimisation problem. Such problems canbe solver using linear programming techniques [5]. The objec-tive function of the problem is represented bij the overall perfor-mance of the sensor. The overall performance is function of aset of properties, given in Table I . A weighting factor is givento each property, indicating its relative importance in theover-all performance. Each sensor is then evaluated by giving it ascore for each property. The performance of a sensor can thenbe calculated by multiplying for each property the score withthe weighting factor and summing the results. The overall per-fomance P is then given by

P = 4V rms +4Afms +3Nids +2Acns +Cals +SgVs (1)

We have chosen the KXPS5 from Kionix as 3D accelerome-

TABLE I

THE RELEVANT SENSOR PROPERTIES WITH THEIR CORRESPONDING

WEIGHTING FACTOR.

Property Code Weight

Power consumption Vrm 4Physical dimensions Afm 4

Non-idealities Nid 3Number of external connections ACn 2

Calibration features Cal 1Signal processing SgV 1

ter. An integrated 3D gyroscope has not yet been developed.We therefore combine a 2D and a 1D gyroscope. We use theIDG300 from InvenSense as 2D gyroscope, the only 2D gyro-scope on the market. The ADXRS300 from Analog Devices hasbeen chosen as 1D gyroscope.

B. Wireless communication

The wireless communication was designed to limit powerconsumption. Both receiver and sender use a MSP430 micro-controller in combination with the nRF4201 transceiver. Thetransceiver is extremely low power and operates in the 2,4 GhzISM band.

B.1 Sending module

Both the accelerometer system and the IMU are designed assending module. We use a loop antenna. The antenna is direc-

tive and has been optimized for operation on the human body.The microcontroller groups the sensor measurements, a 8-bit

node address and a 8-bit packetcounter in a datapacket. By do-ing so, The receiver can identify different nodes and detectpack-etloss. Packets are sent using theShockBurstTMTechnologyof Nordic Semiconductor. This strongy limits the average oper-ating power consumption. The maximum output power of thetransceiver is 0 dBm. Tests have pointed out that the maximumcommunication distance is 8,5 m in case of LoS, and 3 m to 5 min case of nLos.

B.2 Receiving module

The receiver module is used in both the accelerometer sys-tem and the IMU. The module sends data to a PC using a serialUART protocol. Communication with the PC is established bya USB to serial interface chip that communicates with the mi-crocontroller. A folded dipole antenna is used that is omnidirec-tional. The 5 x 2 cm module is displayed in Figure 1.

Fig. 1. The receiver module.

C. Processing unit

A standard PC is used as processing unit. Stand-alone VisualBasic applications have been developed. All sensors have beencalibrated using a method described by [6].

The application for the accelerometer system visualizes themeasured acceleration and its amplitude.

The IMU application visualizes in realtime the change in ori-entation by following the rotationary movement of the IMU.This is established by integrating the measured angular rate. Theduration of the integration is kept limited. Integration errors arecompensated at discrete times, by using the accelerometer as in-clinometer.

D. Flexible technology

The double sided flexible systems are made on a 25µm Up-ilex substrate. The processus does not use an adhesive layer.The procesflow is as follows.

Firstly, via holes are made by laser drilling. A 9µm Upisel-Ncoating is then deposited on both sides of substrate using elec-troless plating. Photolithography, wet etching and a soldermaskare then applied to form and isolate the interconnection pattern.The procesflow is completed by depositing NiAu.

III. R ESULTS

A. Accelerometer system

A flexible send module measuring 3D acceleration has beenestablished. The 3D acceleration is sent to the receive modulethat is plugged into the PC. A Visual Basic application visual-izes both the acceleration in 3D and the acceleration amplitude.The flexible, unassembled 4,5 x 1,5 cm substrate of the module

Fig. 2. Accelerometer system. The flexible substrate of the send module.

is given in Figure 2. The send module has an average currentconsumption of 15 mA. InShockBurstTM mode the currentconsumption will be lower.

The measured acceleration amplitude|a − g| during a 1 mfree fall is given in Figure 3.

Fig. 3. Amplitude of the acceleration during a free fall.

B. IMU

The accelerometer has been extended with a 3D gyroscope,resulting in an Inertial Measuring Unit. 3D acceleration and3D angular rate are sent to the same receive module. A VisualBasic application tracks and follows the orientation in real time.The unassembled 6,5 x 2 cm substrate of the module is given inFigure 4. The send module has an average current consumption

Fig. 4. IMU. The flexible substrate of the send module.

of 31 mA. In ShockBurstTM mode the current consumptionwill be lower.

REFERENCES

[1] N. Noury, A smart sensor for the remote follow up of activity and falldetection of the elderly, Medicine & Biology, May 2002.

[2] L. Day, S. Kent and B. Fildes,Injuries among older people, Hazard, June1994.

[3] B. Ceulemans, Detection systems for epileptic seizures, Workshop:Wireless Accelerometer Measurements Applied to Patients with Epilepsy,September 2006.

[4] T. Nijsen, J. Arends, P. Griep and P. Cluitmans,The potential value ofthree-dimensional accelerometry for detection of mortor seizures in severeepilepsy, Epilepsy & Behaviour, Septmeber 2005.

[5] Dirk Stroobandt,Design methodology for complex systems, University ofGhent, 2006.

[6] F. Ferraris, U. Grimaldi and M. Parvis,Procedure for effortless In-FieldCalibration of Three-Axis Rate Gyros and Accelerometers, Sensors andMaterials, Septmeber 2007.

Inhoudsopgave

1 Inleiding 1

1.1 Telemedicine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2 Valdetectie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.3 Epilepsie & detectie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.3.1 Epilepsie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.3.2 Detectie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2 Bewegingsregistrerende systemen 11

2.1 Algemene specificaties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.2 Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.2.1 Calibratie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.3 Accelerometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.3.1 Toepassingen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.3.1.1 Meten van fysische activiteit . . . . . . . . . . . . . . 162.3.1.2 Meten van balans en stabiliteit . . . . . . . . . . . . 172.3.1.3 Classificatie van bewegingen . . . . . . . . . . . . . . 17

2.3.2 Types accelerometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.3.3 Calibratie van accelerometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.4 IMU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.4.1 Plaatsbepaler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.4.1.1 Bepalen van de zwaartekracht g . . . . . . . . . . . . 222.4.1.2 Bepalen van de beginorientatie . . . . . . . . . . . . 242.4.1.3 Tekortkomingen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.4.1.4 Praktische beperkingen . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.4.2 Orientatievolger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.4.2.1 Praktische beperkingen . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.4.3 Types gyroscopen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.4.4 Calibratie van gyroscopen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.5 Bouwblokken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.5.1 Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.5.1.1 Analoge versus digitale sensoren . . . . . . . . . . . . 312.5.1.2 Lineaire programmering . . . . . . . . . . . . . . . . 322.5.1.3 Keuze accelerometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.5.1.4 Keuze gyroscoop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372.5.1.5 Keuze magnetometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

2.5.2 Communicatie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

v

vi INHOUDSOPGAVE

2.5.2.1 SPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452.5.2.2 I2C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452.5.2.3 Wired link . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472.5.2.4 Wireless link . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

Zendmodule. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49Ontvangstmodule. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50Microcontroller. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51Radio transceiver. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54Antenne en matchingcircuit . . . . . . . . . . . . . . . 58

2.5.3 Verwerkingseenheid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

3 Technologie 65

3.1 Flexibele substraten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 663.2 Dubbelzijdige Flex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

4 Resultaten 69

4.1 Accelerometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 694.1.1 Wired accelerometer systeem . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

4.1.1.1 Schema en layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 694.1.1.2 Visualisatie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 704.1.1.3 Metingen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

4.1.2 Wireless accelerometer systeem . . . . . . . . . . . . . . . . . 724.1.2.1 Zendmodule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

Schema en layout. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72Programmacode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73Performantie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75Flexibel substraat. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

4.1.2.2 Ontvangstmodule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78Schema en layout. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78Programmacode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

4.1.2.3 Visualisatie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 794.1.2.4 Metingen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

Zonder externe acceleratie. . . . . . . . . . . . . . . . . 81Oscillerende versnelling. . . . . . . . . . . . . . . . . . 81Vrije val. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

4.2 IMU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 834.2.1 Wired IMU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

4.2.1.1 Schema en layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 844.2.1.2 Visualisatie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

Orientatievolger. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86Visualisatie orientatievolger. . . . . . . . . . . . . . . . 86

4.2.1.3 Performantie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 884.2.1.4 Uitbreiding met Kalman filter . . . . . . . . . . . . . 88

4.2.2 Wireless IMU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 894.2.2.1 Zendmodule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

Schema en layout. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

INHOUDSOPGAVE vii

Programmacode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89Performantie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

4.2.2.2 Ontvangstmodule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

5 Besluit 91

Hoofdstuk 1

Inleiding

Dit afstudeerwerk is tot stand gekomen in samenwerking met de onderzoeksgroepTFCG Microsystems. De groep maakt deel uit van de vakgroep ELIS van de Univer-siteit Gent. TFCG verricht onderzoek in een viertal domeinen: Assemblage voor mi-crosystemen, substraten voor microsystemen, LCOS microdisplays en mixed-modeASIC design. De onderzoeksgroep is tevens geaffilieerd met IMEC .

Het afstudeerwerk is gerelateerd aan het Europees project SHIFT. Het is eendoor de Europese Unie gesubsidieerd project dat kadert in het Information SocietyTechnologies programma. Het project heeft als doel de ontwikkeling van intelligente,geıntegreerde en mechanisch flexibele elektronische systemen. Tegenwoordig is er opde markt een grote nood aan dergelijke systemen.

”Ambient Intelligence”, dat de

aanwezigheid van computers en netwerktechnologie in het menselijke leven betekent,is immers alomtegenwoordig. In de toekomst zullen meer en meer elektronischesystemen de mens in het dagelijkse leven vergezellen. Er is voor dergelijke systemenook een trend naar steeds toenemende functionaliteit, compactheid, draagbaarheiden laag gewicht. De systemen mogen de gebruiker immers niet beperken in zijnbewegingsvrijheid. Flexibele systemen nemen de vorm aan van het object waarop ofwaarin ze zich bevinden. Hierdoor zijn deze systemen praktisch niet meer merkbaarvoor de gebruiker. In tegenstelling tot hun rigide tegenhangers verhogen flexibelesystemen drastisch het comfort. Het SHIFT project heeft als doel om technologieente ontwikkelen die toelaten om complexe systemen flexibel te vervaardigen.

In dit afstudeerwerk zal er onderzoek verricht worden naar dergelijke elektroni-sche systemen die bovendien bewegingen van de mens kunnen registreren. Voormedische doeleinden kan het nuttig zijn bewegingsparameters en orientatie vanlichaamsdelen van een patient te registreren. Laten we het voorbeeld nemen vanepilepsiepatienten. Een epilepsieaanval wordt typisch voorafgegaan door een spe-cifiek bewegingspatroon. Elektronische schakelingen die de patient met zich mee-draagt zouden bewegingsparameters kunnen opvolgen en doorsturen naar een cen-trale plaats. Op die centrale plaats zou dan bijvoorbeeld een alarm kunnen afgaanwanneer een kritiek bewegingspatroon werd gedetecteerd.

Een beweging als dusdanig kan niet rechtstreeks gemeten worden. Er kun-nen wel verscheidene grootheden gemeten worden die verband houden met bewe-ging. Zo kunnen er bijvoorbeeld versnellingen en hoeksnelheden worden gemeten.Deze grootheden worden respectievelijk gemeten door accelerometers en gyroscopen.

1

2 HOOFDSTUK 1. INLEIDING

Maar er zijn ook nog andere bewegingssensoren. Zo kunnen magnetometers deorientatie relatief ten opzichte van het magnetische noorden bepalen. Een goedecombinatie van bewegingssensoren dringt zich dus op. Voor de analyse van de be-wegingsgegevens zal een PC gebruikt worden. Er zal ook speciale aandacht besteedworden aan de communicatie tussen de PC en de elektronische schakeling. Hetdoel van de thesis is echter niet een volwaardig bewegingsregistrerend systeem tevervaardigen. Het doel ligt veeleer in het aanreiken van de elektronica en van eenplatform waar de gemeten gegevens kunnen geanalyseerd en gevisualiseerd worden.

Hieronder worden de medische sector en de toepassingen waarin het afstudeer-werk kadert nader toegelicht. In Hoofdstuk 2 wordt er dieper ingegaan op detoepassingen en worden de systemen beschreven die zullen ontwikkeld worden. Ookde resultaten van een literatuurstudie zijn erin samengevat. In Hoofdstuk 3 wordtde flexibele substraattechnologie kort toegelicht. Tenslotte worden in Hoofdstuk 4de resultaten besproken.

1.1 Telemedicine

Telemedicine kan omschreven worden als het op afstand verlenen van geneeskundigediensten door gebruik te maken van informatie- en communicatietechnologie (ICT).De term is samengesteld uit het Griekse woord ”tele”dat ver betekent, en het Engelsemedicine dat geneeskunde betekent.

Telemedicine is een zeer breed vakgebied. Het kan gaan van zeer eenvoudigetoepassingen tot hoogtechnologische toepassingen. Zo valt bijvoorbeeld een tele-fonisch gesprek tussen een patient en een geneesheer onder de categorie Telemedicine.Maar een operatie met complexe robotica waarbij de chirurg vanop afstand de ap-paratuur bestuurt, valt ook onder telemedicine. Telemedicine vereist wel steeds eencommunicatielink en twee communicators, geneesheer en patient, De communicatiegescheidt al dan niet in real-time.

Er zijn twee manieren waarop Telemedicine in de praktijk kan gebracht worden(TIE, 2007). Een eerste manier staat bekend als de synchrone manier. Patienten geneesheer communiceren in real-time met elkaar. Deze manier wordt vooralgebruikt in de psychiatrie, cardiologie, pediatrie en neurologie. De tweede manieris asynchroon en zal gegevens eerst opslaan vooraleer ze verzonden worden. Degegevens over de patient zullen pas op een later tijdstip worden doorgezonden naar degeneesheer. Analyse van de gegevens en communicatie met de patient gebeuren dusop verschillende tijdstippen. Dit wordt vooral gebruikt in de dermatologie, radiologieen pathologie. In figuur 1.1 (IME, 2007) is een voorbeeld gegeven van een typischsysteem binnen de Telemedicine. In het voorbeeld zijn heel wat randapparatenweergegeven die vaak gebruikt worden in de Telemedicine.

1.2. VALDETECTIE 3

Figuur 1.1: Een typisch Telemedicine systeem met bijbehorende randapparatuur.

Telemedicine kan in alle fasen van het primaire heelkundige proces een rol spelen.Het wordt toegepast van preventie tot behandeling. Toch heeft Telemedicine zichaltijd gefocusseerd op het stellen van de diagnose. Daar begint nu stilaan veranderingin te komen. Zo wordt de patient meer en meer thuis geobserveerd. Dit gebeurtdan vooral in het kader van preventie of nabehandeling. Voor deze toepassingenwordt vaak de term monitoring gebruikt. Misschien is slaapmonitoring hiervanwel het meest gekende voorbeeld. Monitoring wordt vooral gebruikt bij patientenmet chronische aandoeningen die kunnen leiden tot ernstige letsels of zelfs tot dedood. We denken hier dan vooral aan epilepsie. Maar ook vallen tijdens activiteitenbinnenshuis is een van de grootste oorzaken van ernstige letsels. Dit is vooral hetgeval bij bejaarden. We komen hier straks op terug.

Dit proefschrift zal zich vooral focusseren op de monitoring van patienten dieeen verhoogd risico hebben op kwalijke vallen en epilepsieaanvallen. Er is binnende Telemedicine een grote vraag naar deze toepassingen. In wat volgt zal dieperingegaan worden op het detecteren van een val en een epilepsieaanval.

1.2 Valdetectie

De grote nood aan een valdetecterend systeem kan vanuit verschillende oogpuntengemotiveerd worden. Eerst en vooral zou een valdetector de patient kunnen helpendoor waarschuwingen of alarmsignalen te versturen naar verzorgend personeel. Ditzou zeker bijkomende letsels en medische complicaties kunnen vermijden die doorlaattijdige hulp kunnen ontstaan. Dit is vooral van belang bij oudere mensen, die


meestal zware letsels overhouden aan een val. De ergste situatie die men zich kanindenken is een bewusteloze patient die zich gedurende uren in een oncomfortabelebevindt. Een snelle interventie zou de gevolgen van de val in sterke mate kunnenbeperken. Daarnaast zou de fysioloog of ander medisch personeel informatie over defrequentie en het aantal kwalijke vallen kunnen aanwenden voor de diagnosestellingof voor het verzorgingsproces. Het zou hen iets leren over de algemene gezondheids-situatie van de patient en zou kunnen leiden tot de gepaste verzorging of bijstand.Veel patienten rapporteren hun dokter immers niet over het feit dat ze zijn gevallen,deels uit schaamte en deels door vergetelheid. Dit staat bekend als het rapporteerprobleem. Tenslotte geeft een valdetector de patient een groter gevoel van vrijheid,onafhankelijkheid en zelfvertrouwen. De patient weet immers dat bij een ernstigeval meteen medisch personeel wordt verwittigd. Er dient te worden opgemerkt datde psychische gevolgen van een zware val dikwijls over het hoofd worden gezien. Demeeste patienten ervaren na hun val een grote angst om terug ernstig te vallen. Ditis gerelateerd aan het ”walk avoiding syndrome”waarbij de patient niet meer durftte wandelen door de angst om opnieuw te vallen.

Een patient kan vallen door een combinatie van verschillende factoren. Zokan men vallen door een gebrekkige werking van cruciale delen van het menseli-jke lichaam, zoals het evenwichtsorgaan of het zenuwstelsel. Maar men kan echterook vallen door omgevingsfactoren. Voorbeelden hiervan zijn het wegglijden opgladde oppervlakken en het struikelen over objecten. Maar ook ziektes zoals dia-betes, epilepsie en een slecht zicht kunnen de aanleiding zijn tot spontaan vallen.In elk geval zal het lichaam proberen kwetsuren te vermijden door zich bepaaldeposities aan te meten tijdens de val. Merk op dat we aan de hand van deze beweg-ingspatronen een val kunnen karakteriseren.

Valdetectie vindt vooral zijn toepassing bij ouderen. Deze leeftijdsgroep is im-mers risicogroep. Een val zal bij hen ook meer letsels veroorzaken in vergelijkingmet andere leeftijdsgroepen (Noury, 2002). Dit is vooral te wijten aan een brozerbotweefsel, tragere reflexen en een slechte fysieke conditie. De voornaamste let-sels zijn breuken, vooral aan de pols en heup. Heupbreuken zijn ernstige letselsdie kunnen leiden tot invaliditeit voor het leven. Een ernstige val kan bij ouderenook de dood tot gevolg hebben. Onderzoek bij verschillende spoedgevallendienstenheeft uitgewezen dat de grootste groep van behandelde patienten bejaarden waren.De verwondingen waren in 66% van de gevallen ontstaan door ernstige vallen, dievoor 96% binnenshuis plaatsvonden (Lesley Day & Fildes, 1994). De val is dus devoornaamste oorzaak van letsels bij ouderen.

Er zijn recentelijk een aantal valdetectoren op de commerciele markt beschikbaargeworden. Sommige van deze detectoren moeten in een kamer worden geınstalleerd.Andere moeten door de patient met zich worden meegedragen. Een voorbeeld vanzo’n valdetetor is weergegeven in figuur 1.2 (VRI, 2007). Dit is de iLife Fall DetectionSensor, die ontwikkeld is door VRI. Deze detector is momenteel een van de meestcompetitieve van de markt. De detector kan een val onderscheiden van vele dagelijksebewegingspatronen. Deze detector wordt aan een riem gedragen onder de borst. Dedetector is 6 cm breed en ongeveer 1,5 cm dik. Dit betekent voor de patient tocheen zeker ongemak.

1.3. EPILEPSIE & DETECTIE 5

Figuur 1.2: De iLife valdetector.

1.3 Epilepsie & detectie

1.3.1 Epilepsie

Epilepsie of de vallende ziekte is een aandoening waarbij bepaalde aanvallen optredendie hun oorsprong hebben in de hersenen. Sommige aanvallen worden ook welepileptische insulten of toevallen genoemd. Niet iedereen die een epileptisch insultkrijgt, heeft epilepsie. Omgekeerd krijgt niet iedereen met epilepsie epileptischeaanvallen. Een epileptische aanval kan omschreven worden als het verliezen van hetbewustzijn door een abnormale ontlading van zenuwcellen in de hersenen. Dit gaatmeestal gepaard met verkramping van de spieren.

Epilepsie kan aangeboren zijn. Dit wordt idiopatische epilepsie genoemd. Maarepilepsie kan ook pas later in het leven optreden. Dit noemt men symptomati-sche epilepsie. Soms is er voor een aanval een aantoonbare oorzaak maar vaakook niet. Iemand kan epilepsiepatient worden na een hersenbeschadiging. Eenhersenbeschadiging kan ontstaan door een geboorteletsel, na een ernstige hersen-schudding of als gevolg van doorbloedingsstoornissen of beroertes. Daarnaast kanepilepsie ook ontstaan door prikkelingen van een hersentumor of een hersenontstek-ing.

De diagnose van epilepsie wordt gesteld op grond van kenmerkende verschijn-selen. Hiervoor wordt typisch een elektro-encefalogram gebruikt. Een elektro-encefalogram of EEG geeft de elektrische potentiaalverschillen weer die in de herse-nen ontstaan. Men kan een EEG opstellen door elektrodes bovenop de huid van deschedel te plaatsen en de uitgestuurde elektrische signalen op te meten. Voor hetgemak van de meting worden de elektrodes meestal in een soort badmuts geıntegreerd.Twee voorbeelden van badmutsen zijn weergegeven in figuur 1.3.


Figuur 1.3: Typische mutsen met EEG electrodes.

Een EEG kan afwijkend gedrag van de hersenen detecteren localiseren. De herse-nen zenden elektromagnetische golven uit met uiteenlopende frequenties. Men on-derscheidt typisch een viertal golftypes. Elk type heeft een verschillend frequen-tiebereik. Men spreekt over alfa-, beta-, delta- en thetagolven. Een EEG wordtweergegeven door middel van een aantal grafieken, waarin de gemeten spanning deordinaat is en de tijd de abscis. Een voorbeeld van een EEG is weergegeven in figuur1.4 (USAF, 2007).

Figuur 1.4: Twee voorbeelden van een EEG. Links een EEG van een gezonde mens. Rechtseen EEG van een epilepsiepatient gedurende een aanval. De verschillende grafieken stellende metingen voor op verschillende posities op de schedel.

De bekendste en meest dramatische epileptische aanval is de grand mal. Hierbijworden alle hersencellen door elektrische ontladingen heel snel geprikkeld. Meestalgaat aan zo’n aanval een vreemd gevoel van onwel zijn vooraf. Bij de aanval verliestde patient het bewustzijn en ontstaat een complete verkramping van het lichaam.


Reeds na enkele seconden ontstaan steeds heftigere spierschokken. De ogen staanvaak volledig open en weggedraaid. Er is ook nogal eens incontinentie voor urine.Omdat de ademhaling even stokt door de kramp, kan patient rood en daarna blauwkleuren. Na de spiertrekkingen volgt een tot 15 minuten durende bewusteloosheid,waar de patient vaak in een verwarde toestand uit ontwaakt. Dergelijke aanvallenkunnen elkaar soms voortdurend opvolgen, zodat het bewustzijn tussendoor in hetgeheel niet meer helder wordt. Dit wordt de status epilepticus genoemd. Dit iseen gevaarlijke toestand, omdat door een zuurstofgebrek hersenbeschadiging kanoptreden. Epilepsie kan in sommige gevallen de dood tot gevolg hebben. Dit gebeurtvooral tijdens de slaap. Dit staat bekend als SUDEP of ”Sudden Unexplained Deathin Epilepsy”(Ceulemans, 2006).

Bij kinderen komt epilepsie vaak op een andere manier tot uiting dan bij vol-wassenen. We gaan hier iets dieper op in, omdat de vraag naar epilepsie detectiebij kinderen veel groter is dan die bij volwassenen. Bij kinderen tot vijf jaar kunnener zogenaamde absences optreden. Dit zijn aanvallen die 5 tot 10 seconden duren.Hierbij stopt het kind abrupt een activiteit en hervat het daarna even abrupt. Hetkind kan dan een wazige uitdrukking hebben, en er kunnen smak-en kauwbewegin-gen en spierschokjes rond mond en oogleden optreden. Na de absenceaanval gaathet kind verder met zijn bezigheden zonder zelf iets te hebben gemerkt. Deze aan-valletjes treden vaak vele malen per dag op. Deze vorm van epilepsie is meestalgoed te behandelen en gaat ook vaak weer over na enkele jaren. Veel ernstiger zijnde zogenoemde salaamkrampen, dit is een vorm van epilepsie die optreedt vanafeen leeftijd van 5 a 6 maanden. Deze aanvallen bestaan uit plotselinge buig- ofstrekkrampen van hoofd en romp. Deze aanvallen duren enkele seconden en wor-den meestal herhaald. De gevolgen zijn vaak dramatisch. Ze kunnen leiden tot eenverstandelijke handicap en ernstige epilepsie. Dit geldt ook voor het zogenoemdeLennox-syndroom. Dit is een vorm van epilepsie die kan optreden bij twee- tot vijf-jarige kinderen met hersenbeschadiging. Dit zijn aanvallen waarbij de spieren vanhet kind plots verstijven of verslappen. Hierdoor kan het kind abrupt vallen en zichverwonden.

De behandeling van epilepsie bestaat voornamelijk uit het toedienen van ge-neesmiddelen die het zenuwstelsel minder prikkelgevoelig maken. Het effect van debehandeling wisselt sterk van persoon tot persoon. De epilepsiepatient kan best eenregelmatig leven leiden om op deze manier overprikkeling en ontregeling van hetzenuwstelsel te voorkomen. Helaas zijn vele activiteiten, zoals autorijden en zwem-men, niet toegestaan voor epilepsiepatienten. Ze zouden zichzelf en anderen bij eenaanval ernstige letsels kunnen toebrengen.

1.3.2 Detectie

Detectie van epilepsie kan op verschillende manieren geınterpreteerd worden, afhanke-lijk van de medische context waarin het gebruikt wordt. We onderscheiden epilep-siedetectie tijdens de verzorgingsfase en tijdens het stellen van de diagnose.

In de verzorgingsfase betekent epilepsiedetectie meestal de onmiddellijke detec-tie van een epileptische aanval die een alarmsysteem in gang zet. Het alarmsys-teem kan dan een externe hulp inroepen en zo voor een snelle interventie zorgen.


Het detecteren van epileptische aanvallen is vooral noodzakelijk in instellingen waarpatienten met ernstige epilepsie samenleven. Door een gebrek aan middelen kunnende patienten niet continu worden geobserveerd door het verzorgend personeel, zekerniet tijdens de nachten. Daarom moeten patienten geobserveerd worden met behulpvan alarmsystemen. Momenteel worden audiogebaseerde systemen in de praktijkhet meest gebruikt. Jammer genoeg laat de kwaliteit van dergelijke systemen somste wensen over.

Bij het stellen van de diagnose gebeurt de detectie meestal pas na een langereperiode. De patient wordt gedurende een periode gevolgd, en gegevens over hettype aanval en de frequentie van de aanvallen worden vergaard. De invloed van deaanvallen op de levenskwaliteit van de patient kan hiermee ook onderzocht worden.De gouden standaard om al dan niet de diagnose van epilepsie te kunnen vast-stellen is een EEG in combinatie met observatie via videobeelden. Dit staat bekendals Video/EEG monitoring. De video’s en EEG grafieken worden bestudeerd doormedici, die daarna de diagnose stellen. De betrouwbaarheid van deze methode iszeer groot. Video/EEG monitoring tijdens het verzorgingsproces is echter uit denboze. De methode is hiervoor te duur en te omslachtig. Het bezorgt de patientgrote ongemakken en beperkt de patient in zijn bewegingsvrijheid. Bovendien kande methode niet in real-time worden toegepast. Het is dus belangrijk om alternatievemethodes of systemen te ontwikkelen die epilepsieaanvallen kunnen detecteren. Dealternatieven moeten eenvoudiger en vooral comfortabeler zijn voor de patient, ter-wijl de betrouwbaarheid niet in het gedrang mag komen. De alternatieven moetenvooral voor de diagnosestelling de betrouwbaarheid van Video/EEG monitoring be-naderen. Detectie bij het verzorgingsproces is minder kritsich.

Er is vooral bij de ouders van jonge epilepsiepatientjes een grote vraag naar al-ternatieven (Ceulemans, 2006). Momenteel worden jonge patientjes tijdens de nachtgeobserveerd met behulp van videobeelden. Dit is echter een zeer dure aangelegen-heid en is praktisch moeilijk haalbaar. Andere oplossingen zoals bedsensoren blekendan weer ontoereikend.

Er wordt momenteel volop onderzoek verricht naar waardige alternatieven. Zoheeft onderzoek (Nijsen et al., 2005) reeds aangewezen dat driedimensionale ac-celerometrie of 3D ACM een groot potentieel heeft om epilepsieaanvallen te kunnendetecteren. We gaan nu even dieper in op het onderzoek van Nijsen et al. (2005).Op alle lichaamsdelen worden driedimensionale accelerometers geplaatst die commu-niceren met een centrale verwerkingseenheid. Een aanval kan dan gekarakteriseerdworden aan de hand van de signalen die de accelerometers leveren. Het onderzoekheeft aangetoond dat er een goede correlatie bestaat tussen de acceleraties en deaanvallen. Verschillende types van aanvallen kunnen gedetecteerd worden doordatze verschillende acceleratiepatronen genereren. Meer in het bijzonder kunnen myo-clonische, tonische en clonische aanvallen van elkaar worden onderscheiden. Eenmyoclonische aanval bestaat uit plotse, korte samentrekkingen van de spieren. Hetacceleratiepatroon van zo’n aanval is weergegeven in figuur 1.5 (Nijsen et al., 2005).De korte schokken zijn duidelijk te zien. Een tonische aanval bestaat uit langdurigesamentrekkingen die 5 tot 10 seconden kunnen aanhouden. De ledematen van depatient bewegen hierbij ongecontroleerd. Het acceleratiepatroon van zo’n aanval isweergegeven in figuur 1.6 (Nijsen et al., 2005) en heeft een de vorm van een blok.


Een clonische aanval bestaat uit herhaalde myoclonische contracties. Het typischeacceleratiepatroon dat hierbij hoort, is weergegeven in figuur 1.7 (Nijsen et al., 2005).

Figuur 1.5: Acceleratiepatronen bij een myoclonische aanval.

Figuur 1.6: Acceleratiepatronen bij een tonische aanval.

Figuur 1.7: Acceleratiepatronen bij een clonische aanval.

Het onderzoek naar 3D ACM staat nog in zijn kinderschoenen, en er moet nogveel werk worden geleverd. De mogelijkheden van ACM in de nabije toekomstliggen wel eerder in het verzorgingsproces dan bij de diagnosestelling. Detectie inhet verzorgingsproces is immers minder kritisch, en systeemvereisten liggen lager.De mogelijkheden zijn wel zeer uitgebreid. De huidige miniaturisering van sensorenzoals accelerometers zal de detectiesystemen uiterst klein maken. Dit komt hetcomfort van de patient ten goede. De systemen zouden ook eenvoudiger zijn danVideo/EEG monitoring. Enkel acceleratiesignalen moeten worden geanalyseerd enniet de complexe combinatie van videobeelden en EEG.

Het onderzoek naar ACM zou kunnen uitgebreid worden naar gyroscopen toe.Gyroscopen zouden naast de accelerometers extra informatie kunnen leveren, en zode performantie van de detectie kunnen verbeteren.

Hoofdstuk 2

Bewegingsregistrerende systemen

2.1 Algemene specificaties

Zoals vermeld in Hoofdstuk 1 zijn er reeds een aantal bewegingsregistrerende syste-men op de commerciele markt beschikbaar. Het is belangrijk dat de systemen die wein het kader van dit afstudeerwerk ontwerpen zich kunnen onderscheiden van dezeconcurrenten. Alle systemen die momenteel commercieel beschikbaar zijn, hebbeneen groot nadeel. Ze zijn allemaal relatief groot en zorgen zo voor een ongemakvoor de patient die de systemen met zich moet meedragen. Dit moeten we kost watkost vermijden. Onze systemen moeten voor de drager zo latent mogelijk zijn. Dedrager mag de aanwezigheid van het systeem als het ware niet opmerken. We zullenonze systemen daarom zo compact mogelijk ontwerpen. Daarom zullen we de klein-ste componenten gebruiken die momenteel beschikbaar zijn. Het is ook belangrijkdat zoveel mogelijk functionaliteiten binnen een component zijn geıntegreerd. Ditbeperkt het aantal componenten en bevordert zo de compactheid van het systeem.Het is ook belangrijk dat het systeem plat is. De huidige systemen zijn dik en somszelfs kubusvormig. Dit is nefast voor het comfort van de drager. We kunnen hetcomfort van de patient verbeteren door ons systeem in flexibele substraattechnologiete ontwikkelen. Een flexibele schakeling neemt de vorm aan van de lichaamsdelenwaarop het gedragen wordt. Dit draagt enorm bij tot het comfort. Flexibele schake-lingen zijn ook veel lichter dan rigide borden. Ze lenen zich ook beter om eventueel inkledij te worden geıntegreerd. De systemen zullen worden gevoed door een batterij.Daarom is het belangrijk dat het systeem zo weinig mogelijk vermogen verbruikt.De batterij draagt onder andere bij tot de draagbaarheid van het systeem. Door hetgebruik van een batterij komen enkel componenten met een laag vermogenverbruikin aanmerking. Er moet ook speciale aandacht besteed worden aan een efficientecommunicatie naar buiten toe. De systemen zullen communiceren met een centraleverwerkingseenheid. Ze doen dit bij voorkeur draadloos. Dit bevordert enerzijds dedraagbaarheid van het systeem immers, en anderzijds de bewegingsvrijheid van dedrager. Bovendien vermijdt een draadloos systeem een grote overhead aan intercon-necties met de verwerkingseenheid.

De algemene specificaties, die hierboven kort zijn aangehaald, zijn in tabel 2.1gegroepeerd.

Het doel van de thesis is niet een volwaardig valdetectiesysteem of een epilep-

11

12 HOOFDSTUK 2. BEWEGINGSREGISTRERENDE SYSTEMEN

compact

plat

laag vermogenverbruik

flexibel

draagbaar

efficiente communicatie

Tabel 2.1: De algemene specificaties van onze systemen.

sie detecterend systeem te vervaardigen. Het doel ligt veeleer in het aanreiken vande elektronica en van een platform waar de gemeten gegevens kunnen geanalyseerdworden. Door analyse van de meetgegevens kan dan al dan niet een diagnose gesteldworden. De interpretatie van de bewegingsgegevens is de taak van een medicus, nietvan de elektronicus. Voor valdetectoren zijn er reeds in de literatuur algoritmesbeschreven die aan de hand van een driedimensionale acceleratievector een val kun-nen signaleren. We verwijzen hiervoor naar Williams et al. (1998) en (Doughtyet al., 2000). Meer in het bijzonder kunnen verschillende bewegingen - zoals vallen,liggen of springen - van elkaar onderscheiden worden. We komen hier in paragraaf2.3.1 op terug. We zullen geen medische analyse van de bewegingsgegevens maken,maar wel een grafische analyse implementeren. We zullen systemen bouwen die debewegingsgegevens analyseren en visualiseren.

2.2 Sensoren

Sensoren genereren elektrische signalen die informatie bevatten over een te metenfysische grootheid (Desmet, 2006). Sensoren vormen de basis van zowat alle meet- enregelsystemen. Ze zijn vaak het belangrijkste onderdeel van het systeem. Dit geldtook voor onze toepassingen. De sensoren zijn de kern van een bewegingsregistrerendsysteem. Ze verdienen daarom bijzondere aandacht.

Voor zowat alle fysische grootheden bestaan er sensoren die er informatie overregistreren. De meeste sensoren meten de grootheid echter niet rechtstreeks. Allesensoren zijn immers transducers. Een transducer is een component die een bepaaldeenergievorm kan omzetten in een andere. Dit kunnen ook twee dezelfde types en-ergieen zijn. Meestal wordt mechanische energie omgezet in elektrische energie.Zo wordt bij een druksensor de mechanische druk door een transducer omgezet inelektrische signalen. Bij bewegingsssensoren zal een bewegingsgrootheid omgezetworden in een elektrisch signaal. Het elektrisch signaal laat ons toe om gemakkelijkde sensorgegevens te verwerken in een elektronsiche schakeling.

Vanuit het oogpunt van onze toepassingen zijn we dus vooral geınteresseerd in fy-sische grootheden die informatie leveren over beweging. Een beweging van een objectkan gezien worden als een combinatie van een aantal translaties en rotaties. Daaromzijn acceleraties en rotatiesnelheden voor ons interessante grootheden. Deze groothe-den worden respectievelijk gemeten door accelerometers en gyroscopen. Acceleratieen snelheid zijn grootheden die rechtstreeks verband houden met de beweging. Er

2.2. SENSOREN 13

bestaan naast accelerometers en gyroscopen ook nog andere sensoren die informatieleveren over bewegingspatronen. Zo kunnen kompassensoren een orientatie bepalen.We denken hierbij dan in de eerste plaats aan magnetometers, die het magneti-sche noorden kunnen detecteren. Maar er bestaan ook shocksensoren, tiltsensoren,actometers en pedometers. Een shocksensor meet de impact bij een botsing, eneen tiltsensor meet de orientatie in een bepaalde richting. Een actometer meet dehoeveelheid beweging gedurende een bepaalde periode, en een pedometer meet hetaantal stappen die een mens zet.

Voor onze toepassingen zullen wij het aantal sensoren beperkt houden. Westreven immers naar een zo compact mogelijk systeem. We zullen ons daarombeperken tot sensoren die grootheden meten die rechtstreeks verband houden metbeweging. Accelerometers en gyroscopen zijn dergelijke sensoren.

Er bestaat een grote varieteit in het aanbod van sensoren, zeker voor de zonetbesproken bewegingssensoren. Vooral kleine sensoren die bovendien weinig vermo-gen dissiperen, zijn interessant voor onze systemen. Dit leidt ons vrijwel meteennaar MEMs sensoren. MEMs of Microelectromechanical systems zijn geıntegreerdeelektronische systemen met een mechanisch gedeelte. Bij sensoren is dit gedeelte on-derdeel van een transducer. De elektronica wordt vervaardigd via IC-processen. Desensoren worden dus net als gewone chips vervaardigd in een silicium substraat. Demechanische componenten worden gemaakt met behulp van micromachining. Micro-machining technieken kunnen mechanische objecten maken op micrometer schaal.De micromachining technieken etsen de mechanische structuren uit het substraatof uit toegevoegde structurele lagen. Structurele lagen worden tijdelijk bovenophet substraat gelegd om zwevende mechanische structuren te kunnen bouwen. Hetprincipe van structurele lagen is geıllustreerd in figuur 2.1 (Hanson, 2004). Het etsenkan langs de onderkant of de bovenkant van het substraat gebeuren. Men spreektrespectievelijk van bulk- en surface micromachining.

Figuur 2.1: Proces flow voor de vervaardiging van een zwevende balk.


Een paar van de typische mechanische structuren die kunnen gemaakt wordenmet behulp van micromachining technieken zijn weergegeven in figuur 2.2. Degrootte van deze structuren ligt in de orde van een 100 µm.

Figuur 2.2: Typische mechanische structuren met behulp van micromachining zijn ver-vaardigd.

Het eindresultaat is een sensorchip waarop signaalverwerking en eventueel geheugen-cellen aanwezig zijn. Bij signaalverwerking denken we in de eerste plaats aan ver-sterkers en A/D convertoren. Hierdoor kunnen calibratieprocedures en temperatuur-compensaties op de chip zelf gebeuren. We komen hier in paragraaf 2.2.1 op terug.MEMs sensoren zijn typisch heel klein. Ze varieren in grootte tussen 1 µm tot 1mm. Ze kunnen in grote oplagen gefrabiceerd worden en zijn daarom goedkoop.

De laatste jaren is er veel geınvesteerd in de ontwikkeling van dergelijke sen-soren. Hierdoor bestaat er momenteel een relatief groot aanbod op de commercielemarkt. Vooral accelerometers zijn populair. Het aanbod van gyroscopen is echterook aanzienlijk. Dat van magnetometers is dan weer beperkt.

2.2.1 Calibratie

Geen enkele sensor is perfect. Er kunnen systematische meetfouten optreden doordefecten of niet-idealiteiten binnenin de sensor of door externe invloeden zoals tem-peratuursinvloeden. We kunnen deze systematische fouten beperken of compenserendoor de sensor te calibreren. Calibreren is het instellen, aanpassen en ijken van eensysteem of instrument zodat het voldoet aan de specificaties of aan de gesteldeeisen ten aanzien van nauwkeurigheid en betrouwbaarheid. Bij digitale verwerkingvan meetwaarden kunnen de gemeten waarden met behulp van de correctiewaardengecorrigeerd worden. Dit zorgt voor een nauwkeuriger resultaat. Correctiewaardenkunnen continu of op discrete tijdstippen bepaald worden. Men zal typisch continucorrigeren bij externe invloeden zoals temperatuursinvloeden. Om niet-idealiteitenvan de sensor te corrigeren zal men typisch op een discreet tijdstip de correctiewaar-den bepalen.

Meestal volstaat een grondige calibratie net na de fabricage, maar defecten in desensor kunnnen ook ontstaan tijdens de gebruiksfase. Daarom kan het nuttig zijn om

2.3. ACCELEROMETRIE 15

na een zekere tijd een nieuwe calibratie uit te voeren. Tijdens de calibratie moeten ertypisch een aantal metingen worden uitgevoerd. Meestal is hiervoor hulpapparatuurvereist, maar er bestaan ook calibratiemethodes waarvoor dit niet vereist is. Dezemethodes gebruiken naast de sensor geen enkel hulpmiddel en genieten daarom onzevoorkeur. Ze kunnen immers in-field worden uitgevoerd.

2.3 Accelerometrie

In een eerste fase zal accelerometrie gebruikt worden om bewegingsanalyses uit tevoeren. Accelerometrie is een praktische en een goedkope oplossing om op een ob-jectieve manier menselijke beweging te registreren. Dit is zeker het geval in eenomgeving waarin de mens zich vrij kan bewegen (Mathie et al., 2004). Er bestaateen volledig gamma aan bewegingssensoren die op het lichaam van de mens kun-nen gedragen worden. Voorbeelden hiervan zijn elektromechanische switches, go-niometers, actometers, pedometers, magnetometers, accelerometers en gyroscopen.Accelerometers hebben ten op zichte van de andere bewegingssensoren significantevoordelen met het oog op menselijke bewegingsanalyse. Eerst en vooral registrerenze zowel de frequentie als de intensiteit van de beweging. Actometers en pedometersdoen dit niet, aangezien hun uitgangssignalen geattenueerd worden bij impact of tilt.Daarnaast kunnen accelerometers naast beweging ook statische eigenschappen zoalstilt meten. Gyroscopen kunnen dit bijvoorbeeld niet, omdat ze enkel dynamischekarakteristieken meten. Tenslotte heeft de recente vooruitgang in de ontwikkelingvan MEMs technologie de fabricage van uiterst kleine en goedkope sensoren mogelijkgemaakt. De MEMs industrie investeert het meest in onderzoek en ontwikkelingvan accelerometers. De vraag naar MEMs accelerometers is immers zeer groot. Debelangrijkste toepassing van MEMs accelerometers is het gebruik in airbags in deautomobielindustrie. Bovendien produceren dergelijke sensoren betrouwbare metin-gen en tonen ze slechts kleine variaties in de tijd (Hanson et al., 2001). Dit laat toeom met MEMs accelerometers kleine, betrouwbare bewegingsregistrerende systemente bouwen die op het lichaam kunnen gedragen worden.

2.3.1 Toepassingen

De mogelijkheden van accelerometrie in de bewegingsanalyse zijn zeer uitgebreid.Hieronder is een kort overzicht gegegeven van een aantal toepassingen. Alle toepassin-gen proberen aan de hand van een of meerdere accelerometers informatie over debewegingen van het menselijk lichaam te registreren. Bij elke toepassing rijst devraag waar en hoeveel accelerometers er op het lichaam moeten worden geplaatst.Meestal wordt een driedimensionale accelerometer geplaatst op het lichaamsdeelwaarvan men de bewegingen bestudeert (Mathie et al., 2004). Maar meestal is mengeınteresseerd in de beweging van het ganse lichaam. Sommigen plaatsen dan zowatoveral op het lichaam accelerometers (Foerster & Fahrenberg, 2000). Dit is nieterg praktisch en is nadelig voor het comfort van de patient. Wanneer men zichbeperkt tot een driedimensionale accelerometer, plaatst men de accelerometer typ-isch in het massamiddelpunt van het lichaam (Bouten et al., 1997). Dit bevindt


zichnet onder het middenrif. Het massamiddelpunt samen met de drie verschillendesensitiviteitsassen zijn schematisch weergegeven in figuur 2.3 (Mathie et al., 2003).

Figuur 2.3: Het massamiddelpunt van een mens is gelocaliseerd onder het middenrif. Detypische benamingen van de meetassen zijn verticaal, mediolateraal en anteposterioraal.

2.3.1.1 Meten van fysische activiteit

Accelerometrie kan ook gebruikt worden om de intensiteit van inspanningen temeten. Bij elke activiteit verbruikt de mens energie. Dit wordt soms metabolischeenergie 1 genoemd. De hoeveelheid energie wordt in dit geval meestal uitgedruktin calorieen. Het aantal verbuikte calorieen is bij inspanningen indicatief voor deintensiteit ervan. Het is echter zeer moeilijk om het verbruik in metabolische energiete meten. Dit kan enkel in een laboratorium met behulp van calorimetrie gemetenworden. In een leefomgeving wordt beroep gedaan op accelerometers. Bouten et al.(1997) hebben aangetoond dat de integratie in de tijd van de gemeten acceleratielineair verband houdt met het verbruik van metabolische energie. Het verband isgeıllustreerd in figuur 2.4 (Bouten et al., 1997). In een eerste stap beschouwt menenkel de magnitude. De integratie van deze magnitude komt overeen met het bereke-nen van de oppervlakte onder de acceleratiecurve. Het signaal na integratie wordtvoorgesteld door SMA (Signal Magnitude Area), die in rechtstreeks verband staatmet de verbruikte metabolische energie.

Figuur 2.4: Verband tussen magnitude van de gemeten acceleratie en verbruik in metab-lische energie(EE). SMA staat voor Signal Magnitude Area.

Daarnaast kan accelerometrie ook dienen om het niveau van fysische activiteittijdens een bepaalde periode te bepalen. Mathie et al. (2003) hebben aangetoonddat periodes van activiteit en periodes van rust gemakkelijk van elkaar kunnenonderscheiden worden.

1Metabolic Energy Expenditure of EE.


2.3.1.2 Meten van balans en stabiliteit

Accelerometrie kan ook perfect aangewend worden om de balans van het lichaamte meten tijdens staan en wandelen (Moe-Nilssen, 1998). Vooral de amplitude ende frequentie van de acceleraties zijn belangrijk voor het deteceren van instabili-tieit. Aan de hand van een accelerometer die net boven het bekken wordt gedragen,kunnnen verschillende balansposities onderscheiden worden. Zo kan staan op eenvast grondvlak, staan met voeten samen of voeten gespreid, en staan met ogen openof toe van elkaar onderscheiden worden (Cho & Kamen, 1998; Mayagoitia et al.,1999; Kamen et al., 1998). Accelerometrie kan ook gebruikt worden bij bejaardenom te detecteren of de patient gezond is of risico loopt om idiopathisch2 te vallen(Cho & Kamen, 1998).

2.3.1.3 Classificatie van bewegingen

Accelerometrie wordt tegenwoordig veel gebruikt om bewegingen of activiteiten tedetecteren en te classificeren. De meeste van deze systemen gebruiken meedereaccelerometers. Sommige gebruiken naast accelerometers ook extra sensoren. Al-goritmes voor de detectie van de verschillende bewegingen zijn cruciaal bij dezetoepassingen. Er zijn reeds een groot aantal classificatiesystemen ontwikkeld. Wan-delen, staan, zitten, opstaan en vallen zijn typische voorbeelden van activiteitendie men kan onderscheiden. Het belang van valdetectie hebben we reeds besprokenin paragraaf 1.2. De basisaanpak voor valdetectie op basis van accelerometers isbeschreven door Williams et al. (1998) en Doughty et al. (2000). In deze aanpak iseen verandering in orientatie van rechtstaand naar liggend na een abrupte versnellingindicatief voor een val. Er zijn reeds een aantal valdetectiealgoritmes ontwikkeld diehierop gebaseerd zijn. Ik verwijs hiervoor naar Jacobsen et al. (2000), Birnbach &Jorgensen (2002) en Lehrman et al. (2002).

2.3.2 Types accelerometers

Accelerometers zijn sensoren die een versnelling opmeten langs een sensitiviteit-sas. Er zijn veel transducermechanismen die kunnen gebruikt worden om acceler-atie te meten. Piezo-elektrische kristallen, piezoresistieve sensoren, gebalanceerdeservo transducers en variable capaciteiten zijn voorbeeld van dergelijke transduc-ers (Mathie et al., 2004). Elk type accelerometer gebruikt een ander mechanismeof transducer om de acceleratie te meten. Er bestaan ook veel verschillende fa-bricagemethodes. Nochtans zijn alle accelerometers gebaseerd op variaties van hetmassa-veer systeem. Het massa-veer systeem is weergegeven in figuur 2.5 (Luinge& Veltink, 2004).

2Wegens een onbekende oorzaak.


Figuur 2.5: Een massaveersysteem in een doos. De vector n stelt de sensitiviteitsrichtingvoor, de vector a de externe versnelling en de vector g de zwaartekracht. De afstand dtussen de massa en de behuizing is functie van de acceleratie in de sensitiviteitsrichting.

Een kleine massa is aan een veer en de behuizing van de accelerometer beves-tigd. De massa reageert op een externe acceleratie door een kracht op de veer uitte oefenen. De massa kan enkel bewegen in een welbepaalde richting, de sensi-tiviteitsrichting. De verplaatsing van de veer wordt gemeten en is evenredig aande grootte van de acceleratie. Het verband tussen het elektrisch signaal s dat deaccelerometer aan zijn uitgang aanlegt en de acceleratie a wordt voorgesteld door(2.1). Hierbij is g de zwaartekracht, kn een schalingsfactor, n een normale vectordie de sensitiviteitsrichting aangeeft en on een bias.

s = kn(a − g) • n + on (2.1)

De meeste applicaties die menselijke beweging meten gebruiken piezoresistieve ofvariabele capaciteit accelerometers die in MEMs technolgie zijn ontwikkeld (Mathieet al., 2004). Beide types reageren op de statische zwaartekracht en op externe acce-leraties die het gevolg zijn van beweging. Bij piezoresistieve accelerometers wordende veren uit polysilicium vervaardigd met behulp van surface micromachining. Hetpolysilicium is piezoresistief. Hierdoor verandert de elektrische weerstand van deveren wanneer de veren worden uitgerokken of ingedrukt. Een brug van Wheat-stone meet de verandering van de weerstand, en biedt een elektrisch signaal aandie evenredig is met de acceleratie. Bij variabele capaciteit accelerometers wordendifferentiele capaciteiten gebruikt. De interne plaat van de capaciteit wordt aan demassa van het massa-veer systeem gebonden. De externe plaat blijft vast en kanniet bewegen. Een externe acceleratie zal de massa en interne plaat doen bewegen.Dit zorgt voor een verandering in capaciteit.

Wanneer er geen beweging is, zal de accelerometer geen externe acceleratie on-dervinden. Volgens (2.1) zal de accelerometer dan de projectie van de zwaartekrachtop de sensitiviteitsas meten. Bij beweging meet de accelerometer de projectie vanhet vectoriele verschil tussen de externe acceleratie en de zwaartekracht. De metingvan een accelerometer bevat dus zowel informatie over de acceleratie als over deorientatie relatief ten opzichte van de zwaartekracht. Dit is geıllustreerd in figuur2.6 (Mathie et al., 2003).


Figuur 2.6: Grafische weergave gemeten versnelling, externe versnelling en zwaartekracht.

Een driedimensionale accelerometer kan opgebouwd worden uit een combinatievan eendimensionale en tweedimensionale accelerometers, maar kan ook gebouwdworden rond een massablok (Lotters, 1998). Hiervoor wordt gebruik gemaakt vanvariabele capaciteiten. Een kubusvormige massa is met rubberen veren aan een be-huizing vastgemaakt. Dit is in figuur 2.7 (Luinge & Veltink, 2004) weergegeven. Dewanden van de behuizing zijn externe platen van de capaciteiten. Op het massablokworden interne platen gemonteerd. Op dezelfde manier als bij een eendimensionaleaccelerometer kan men de verplaatsing van de massa meten, maar nu in drie dimen-sies.

Figuur 2.7: Schematische representatie van de 3D accelerometer ontworpen door Lotters.

2.3.3 Calibratie van accelerometers

De MEMs accelerometers die wij gebruiken hebben een sterke performantie in eengecontroleerde omgevingen zoals een laboratorium. Hun performantie verzwaktechter in een ongecontroleerde omgeving. Ze zijn immers gevoelig aan tijdsdriften omgevingsparameters. Dit zorgt voor meetfouten. We kunnen deze compenserendoor de accelerometers te calibreren. We gebruiken een calibratiemethode die doorFerraris et al. (1995) werd ontwikkeld. Deze methode vereist geen randapparatuuren kan in-field gebeuren. Ferraris et al. (1995) heeft het model uit 2.2 voor eeneendimensionale accelerometer voorgesteld. Onvolkomenheden zoals een bias op demeting, een schalingsfactor op de uitgang en misalignering van de sensitiviteitsas-sen zijn erin opgenomen. Niet-idealiteiten zoals kruisasgevoeligheid worden niet in


beschouwing genomen, omdat ze bij de meeste accelerometers geen grote rol spelen.ua is de uitgang van de accelerometer. as is de versnelling die op de sensitiviteitsass wordt gevoeld. ka en ba zijn respectievelijk de schalingsfactor en de bias.

ua = kaas + ba (2.2)

Het is nu de bedoeling om de parameters ka en ba te schatten en hiermee deaccelerometer uitgang ua aan te passen volgens 2.3.

as = k−1

a (ua − ba) (2.3)

De uitbreiding naar een driedimensionale accelerometer is eenvoudig. De scalairegrootheden worden vervangen door matrices. Het model voor een driedimensionaleaccelerometer wordt weergegeven door (2.4). De assen σ, µ en τ zijn de drie as-sen van een orthonormaal assenstelsel dat als referentie dient. Dit assenstelsel kanbijvoorbeeld gedefinieerd worden door de behuizing van de accelerometer met deoorsprong in het centrum van de behuizing. Belangrijk is dat het assenstelsel mee-beweegt met de accelerometer.

A = Ka−1(Ua − Ba) (2.4)

met

A =

aσ

aµ

aτ

, Ka =

ka,σ 0 0

0 ka,µ 0

0 0 ka,τ

, Ua =

ua,σ

ua,µ

ua,τ

en Ba =

ba,σ

ba,µ

ba,τ

(2.5)

De calibratieprocedure wordt nu voor een driedimensionale accelerometer uit-gewerkt. Er moeten metingen worden uitgevoerd bij een zestal verschillende posi-ties van de accelerometer. De positie verandert telkens relatief ten opzichte van dezwaartekracht. Bij de eerste drie metingen wordt elke as van het referentiestelsel(σ,µ,τ) elk op zijn beurt parallel met de zwaartekracht geplaatst. Deze posities zijnweergegeven in figuur 2.8. Bij de andere drie metingen gebeurt hetzelfde, maar danmet de assen in antiparallel met zwaartekracht. Deze posities zijn weergegeven infiguur 2.9.

Figuur 2.8: De drie posities van de accelerometer voor de metingen parallel aan dezwaartekracht.

2.4. IMU 21

Figuur 2.9: De drie posities van de accelerometer voor de metingen antiparallel aan dezwaartekracht.

De meetgegevens van de drie parallelle metingen worden gegroepeerd in een3x3 matrix Ua+. In de eerste, tweede en derde kolom bevinden zich de gemetenacceleraties (aσ,aµ,aτ ) van de metingen die respectievelijk de σ-as, de µ-as en de τ -as als sensitiviteitsas hebben parallel aan de zwaartekracht. Zo is aσµ, het elementop de eerste rij en de tweede kolom van Ua+, de acceleratie die gevoeld wordt op deσ-as wanneer de accelerometer zo ligt dat de µ-as parallel is met de zwaartekracht.Volledig analoog wordt voor de drie antiparallele metingen de matrix Ua− opgesteld.Aan de hand van de matrices Ua+ en Ua− kunnen de matrices Ka en Ba bepaaldworden (Ferraris et al., 1995). 2.6 toont het verband tussen Ua+ en Ua− enerzijds enBa anderzijds, terwijl (2.7) het verband toont voor Ka. Het symbool < X >columns

staat voor de uitmiddeling over de kolommen van de matrix X.

Ba =1

2< (Ua+ + Ua−) >columns (2.6)

en

Ka =

ka,σ 0 0

0 ka,µ 0

0 0 ka,τ

k2a,σ

k2a,µ

k2a,τ

=1

4g2diag[((Ua+ − Ua+))((Ua+ − Ua+))T ] (2.7)

Hierbij is g de grootte van de lokale zwaartekracht.

2.4 IMU

In een tweede aanpak zullen we de accelerometrie uitbreiden met orientatiesensoren.Meer in het bijzonder zullen gyroscopen gebruikt worden als orientatiesensoren.Er zal een systeem ontwikkeld worden dat bekend staat onder de naam InertialMeasurement Unit of IMU. Een IMU is een gesloten systeem dat gebruikt wordtom positie en beweging te registreren. Het wordt veel gebruikt in navigatiesystemenen bestaat typisch uit accelerometers en gyroscopen. Een IMU staat in contrast met


een GPS3 die informatie over positie en beweging haalt uit satellietcommunicatie.Een IMU heeft hiervoor geen externe communicatie nodig, maar steunt volledig opgemeten acceleraties en hoeksnelheden.

In de praktijk wordt een systeem dat bestaat uit een driedimensionale accelerom-eter en een driedimensionale gyroscoop een IMU genoemd. In theorie meet een IMUde driedimensionale versnelling, de driedimensionale hoeksnelheid en de zwaartekrachtten op zichte van de behuizing van het systeem. Wanneer een beginpositie- enorientatie gegeven is, kan de IMU de kinematica van het systeem volledig bepalen.

Momenteel zijn er een aantal commerciele IMU’s beschikbaar op de markt4.Velen hiervan meten zelfs meer dan versnelling en orientatie. Zo zijn er uitbreidingenvan de IMU die ook hoogte, druk en temperatuur meten. Ze zijn echter niet geschiktom op het menselijk lichaam te worden gedragen. Door hun typische blokvormigevorm en relatief grote afmetingen kunnen ze moelijk nog

”inertial” genoemd worden.

IMU heeft vele mogelijkheden en kan in uiteenlopende toepassingen worden ge-bruikt. In het licht van de menselijke bewegingsanalyse onderscheiden we tweebelangrijke toepassingen. De IMU zou kunnen gebruikt worden voor de plaats-bepaling van lichaamsdelen. Een IMU beschouwd als puntmassa kan in theorie zijneigen positie bepalen in de driedimensionale ruimte. De beweging van de ledematenzou kunnen gevolgd worden door er verschillende IMU’s op te plaatsen. Zo kan depositie in de driedimensionale ruimte van de onderarm gevolgd worden door een IMUte plaatsen op de pols en de elleboog. Daarnaast zou de IMU kunnen aangewendworden om orientaties te bepalen. Translaties worden dan niet beschouwd. Enkelrotaties worden in rekening genomen. Een orientatievolger zou de orientatie kunnenvolgen van lichaamsdelen. Voor de eenvoud zullen we de driedimensionale accelerom-eter en gyroscoop zo opstellen dat hun sensitiviteitsassen paarsgewijs samenvallen.

2.4.1 Plaatsbepaler

Het is de bedoeling om de plaats van de IMU in de driedimensionale ruimte tebepalen. Hiervoor beschouwen we de IMU als een puntmassa. Dit kan bijvoorbeeldhet centrale punt binnenin de IMU zijn. De IMU kan zijn eigen plaats in de ruimtebepalen door de acceleratie a, die de IMU ondervindt, tweemaal te integreren. Zoalsvermeld in paragraaf 2.3.2 meet een accelerometer niet de acceleratie a , maar welhet vectoriele verschil a-g tussen a en de gravitatievector g. De zwaartekrachtg moet dus bepaald worden om de externe acceleratie a te kunnen afsplitsen enintegreren.

2.4.1.1 Bepalen van de zwaartekracht g

De grootte van g is gekend en bedraagt typisch 9, 81m/s25. De orientatie van g

ten opzichte van de IMU is onbekend, en hangt af van de positie van de IMU.We zullen de driedimensionale gyroscoop gebruiken om die positie te bepalen. Zo

3Global Positioning System4Het nederlandse Xsense heeft een aantal IMU’s op de markt gebracht.

(http://www.xsense.com)5De lokale zwaartekracht wijkt hier soms van af.

2.4. IMU 23

kunnen we de orientatie van g ten op zichte van de IMU te bepalen. Een gyroscoopmeet echter geen orientaties, maar wel hoeksnelheden. Laten we de output van degyroscoop voorstellen door de vector ω = [ωx, ωy, ωz]. Dan stellen ωx, ωy en ωz

de hoeksnelheden voor rond de assen x, y en z van het orthonormale assenstelsel(x,y,z). Dit assenstelsel heeft als de oorsprong het centrum van de IMU en de assenevenwijdig aan de sensitiviteitsassen van de accelerometer en de gyroscoop. Ditassenstelsel beweegt dus met de IMU mee. Beschouw daarnaast een assenstelsel(x’,y’,z’) met oorsprong in het centrum van de IMU, maar nu met vaste assen dieniet de meebewegen met de behuizing van de IMU. We kiezen voor het gemakde z’-as evenwijdig met de gravitatievector. In figuur 2.10 zijn beide assenstelselsweergegeven. De hoeken ϕx, ϕy en ϕz worden de hoeken van Euler genoemd.

Figuur 2.10: Het vaste assenstelsel (x’,y’,z’), het meebewegende assenstelsel (x,y,z) en dehoeken van Euler die de coordinatentransformatie karakteriseren.

In het assenstelsel (x’,y’,z’) kunnen we dan de orientatieverandering van de IMUdefinieren. De orientatieverandering kunnen we karakteriseren door een driedimen-sionale rotatie. Volgens het theorema van Euler kan elke driedimensionale rotatievolledig gedefinieerd worden door slechts drie parameters. Elke rotatie kan immersontbonden worden in drie opeenvolgende rotaties, elk rond een as van het assen-stelsel. Laten we de drie hoeken waarover telkens geroteerd worden noteren als φx,φy en φz. De hoeken φx, φy en φz bepalen dan volledig de orientatie van de IMU.Stel dat we op een bepaald tijdstip t0 de orientatie van de IMU kennen, en we deorientatie willen bepalen op het tijdstip t met behulp van ω. Het is duidelijk dat wedan door integratie van ωx, ωy en ωz de hoeken bekomen die overeenkomen met derotatie die de IMU heeft ondergaan. Als we de orientatie op tijdstip t0 beschouwenals beginorientatie, dan kunnen φx, φy en φz bepaald worden via (2.8).

[φx(t), φy(t), φz(t)] = [φ0,x, φ0,y, φ0,z] +

∫ t

t0

[ωx(t), ωy(t), ωz(t)]dt (2.8)

De hoeken φx, φy en φz uit (2.8) bepalen de orientatie van de IMU. Om dezehoeken te bepalen, moeten we dus naast de uitgang van de gyroscoop [ωx,ωy,ωz] ookde beginorientatie [φ0,x,φ0,y,φ0,z] kennen. Dit is een gevolg van het feit dat de gy-


roscoop hoeksnelheden meet en geen orientaties. Hierdoor moeten we de hoeksnelhe-den integreren, waardoor een integratieconstante ontstaat. Deze integratieconstanteis niets anders dan de beginorientatie.

2.4.1.2 Bepalen van de beginorientatie

De beginorientatie kan bepaald worden met behulp van de driedimensionale ac-celerometer. Een driedimensionale accelerometer kan de gravitatievector bepalenals de acceleratie die hij ondervindt verwaarloosbaar klein is. Een accelerometermeet immers het verschil a-g of -g als a verwaarloosbaar klein is. Men spreekt danvan een accelerometer die gebruikt wordt als een inclinometer. We kunnen dus g

bepalen in het (x,y,z) assenstelsel wanneer de IMU bijna geen versnelling ondervindt.Met de kennis van g kunnen we het verband afleiden tussen het (x,y,z) assenstelselen het (x’,y’,z’) assenstelsel, waarin g altijd volgens de negatieve z-as is gericht6.Dit verband is namelijk gedefinieerd door een coordinatentransformatie van (x,y,z)naar (x’,y’,z’). Het verband tussen de (x,y,z) -en (x’,y’,z’) coordinaten kan algemeengedefinieerd worden door een driedimensionale matrix A met elementen aij,i=1..3en j=1..3. Dit verband wordt weergegeven door (2.9).

x

y

z

=

a11 a12 a13

a21 a22 a23

a31 a32 a33

·

x′

y′

z′

(2.9)

Merk op dat deze coordinatentransformatie ook kan gezien worden als een rotatievan de IMU in het vaste assenstelsel (x’,y’,z’). De rotatiematrix is dan gegeven doorA−1. We zullen nu de negen elementen aij van A bepalen om zo de coordinatentrans-formatie volledig vast te leggen, en zo de beginorientatie te bepalen. Doordat beideassenstelsels orthonormaal zijn, kunnen we reeds zes voorwaarden opleggen aan denegen elementen van A. Drie volgen uit de eis dat de drie nieuwe basisvectorenonderling orthogonaal moeten zijn. De andere drie voorwaarden volgen uit de eisdat de nieuwe basisvectoren als norm een moeten hebben. We hebben dus nog drieonafhankelijke en niet-triviale voorwaarden nodig om de coordinatentransformatievolledig vast te leggen. Deze voorwaarden kunnen we opstellen met de informatiedie we hebben over de gravitatie g. We kennen immers g zowel in het (x’,y’,z’)assenstelsel als in het (x,y,z) assenstelsel. Deze drie voorwaarden kunnen we in eenmatrixvergelijking schrijven. Deze vergelijking wordt door (2.10) weergegeven.

gx

gy

gz

=

a11 a12 a13

a21 a22 a23

a31 a32 a33

·

0

0

1

(2.10)

Hierbij zijn gx, gy en gz de coordinaten van g in het (x,y,z) assenstelsel. Diecoordinaten vinden we rechtstreeks7 op de uitgang van de accelerometer.

6We hebben het (x’,y’,z’) assenstelsel immers zo gedefinieerd.7De uitgang van de accelerometer geeft [−gx,−gy,−gz]. De accelerometer meet immers a - g.

2.4. IMU 25

2.4.1.3 Tekortkomingen

De zonet beschreven plaatsbepaler heeft een tweetal tekortkomingen. De problemensitueren zich bij de bepaling van de beginorientatie. Ten eerste kunnen we nietelke beginorientatie eenduidig bepalen. Wanneer in (2.10) gx′ , gy′ of beide nul zijn,hebben we geen negen onafhankelijke voorwaarden meer om de negen onbekendeelementen aij van de matrix A te kunnen bepalen. Bijgevolg kunnen we de orientatievan de IMU niet meer eenduidig bepalen. We kunnen een of twee elementen van A

niet bepalen, naar gelang ofwel gx′ of gy′ nul is ofwel ze beide nul zijn. Daarnaastkunnen we ook niet op elk tijdstip een beginorientatie bepalen. De accelerometermag hiervoor immers bijna geen externe acceleratie ondergaan (a=0). Dit is eentweede tekortkoming van de plaatsbepaler. Wanneer we nu een beginorientatie willenbepalen bij de start van een meting, dan kunnen we niet anders dan wachten totde voorwaarden voldaan zijn om correct een beginorientatie te kunnen bepalen.In de praktijk betekent dit wachten totdat de IMU bijna geen externe versnellingondervindt en zich bovendien in een positie bevindt waarin gx′ en gy′ beide niet nulzijn.

Deze problemen kunnen omzeild worden door aan de IMU extra sensoren toe tevoegen. We denken hierbij in de eerste plaats aan magnetometers. Deze kunnen deaccelerometer bijstaan bij de bepaling van de beginorientatie. Sommige Magnetome-ters kunnen de orientatie bepalen ten opzichte van het magnetische noorden. Eennadeel van magnetometers is dat ze gevoelig zijn aan externe magnetische veldendie de meting sterk kunnen verstoren.

2.4.1.4 Praktische beperkingen

Zoals vermeld in paragraaf 2.2.1 is geen enkele sensor perfect. Zelfs na calibratiezullen er nog fouten in de metingen sluipen. Bijgevolg zullen de metingen van degyroscopen en accelerometers een bepaalde onzekerheid hebben. Deze onzekerheidlaat zich natuurlijk ook voelen bij het bepalen van de zwaartekracht g en de externeacceleratie a. Een kleine afwijking op de acceleratie is echter nefast voor een accuratebepaling van de positie. De acceleratie moet immers tweemaal geıntegreerd worden.Een acceleratiefout zal resulteren in een positiefout die kwadratisch met de tijd zaloplopen. Dit wordt weergegeven door (2.11), waarbij voor de eenvoud verondersteldis dat de acceleratiefout constant is.

xberekend =

∫ t′

t0

∫ t

t′(a(t) + afout)dt = afout · t

2 +

∫ t′

t0

∫ t

t′a(t)dt = afout · t

2 + xcorrect

(2.11)Men moet ofwel deze integratiefout proberen te compenseren ofwel de posi-

tiebepaling beperken in de tijd.

2.4.2 Orientatievolger

Een orientatievolger verwaarloost de informatie die de IMU levert over translaties.Enkel de rotaties die de IMU ondergaat, worden in beschouwing genomen. Vooral


de driedimensionale gyroscoop wordt hiervoor gebruikt. De informatie van de ac-celerometer wordt enkel gebruikt om de beginorientatie te bepalen. Zoals uiteengezetin paragraaf 2.4.1.1, kan de orientatieverandering van de IMU gekarakteriseerd wor-den door een coordinatentransformatie. Hiervoor worden opnieuw twee assenstelselsgedefinieerd. Een eerste orthonormaal assenstelsel (x,y,z) dat gedefinieerd wordtaan de hand van de IMU en dat dus meebeweegt met de IMU. De assen van ditassenstelsel kunnen bijvoorbeeld georienteerd worden volgens de sensitiviteitsassenvan de IMU. Een tweede orthonormaal assenstelsel (x’,y’,z’) is vast en beweegt nietmee met de IMU. Dit assenstelsel kan bijvoorbeeld georienteerd worden volgensde sensitiviteitsassen van de IMU, wanneer deze zich in de beginpositie bevindt.Beide assenstelsels hebben dezelfde oorsprong en zijn weergegeven in figuur 2.10.De coordinatentransformatie kan net zoals in paragraaf 2.4.1 gekarakteriseerd wor-den aan de hand van rotatiehoeken rond de assen x, y en z. We stellen deze drierotatiehoeken opnieuw voor door respectievelijk φx, φy en φz.

Stellen we nu de hoeksnelheden die de gyroscoop meet opnieuw voor door ωx, ωy

en ωz]. Dan kan men de rotatiehoeken φx, φy en φz opnieuw bepalen door (2.8). Debeginorıentatie φ0,x, φ0,y en φ0,z kan men bepalen met behulp van de accelerometer.Een driedimensionale accelerometer kan immers de orientatie relatief ten opzichtevan de zwaartekracht bepalen. We verwijzen hiervoor naar paragraaf 2.4.1.2.

De hoeken φx, φy en φz leggen op elk tijdstip de coordinatentransformatie en dusook de orientatieverandering vast.

2.4.2.1 Praktische beperkingen

De praktische beperkingen zijn analoog aan die van de plaatsbepaler. De gyroscopenmeten hoeksnelheden. Die moeten geıntegreerd worden om tot een orientatieveran-dering te komen. Hier volstaat een enkele integratie. Hierdoor zal een constantemeetfout van de gyroscopen resulteren in een orientatiefout die lineair oploopt in detijd. Dit wordt weergegeven door (2.12).

φberekend =

∫ t

t0

(ω + ωfout)dt = ωfout · t +

∫ t

t0

ωdt = ωfout · t + ωcorrect (2.12)

Men moet ofwel deze lineair oplopende fout proberen te compenseren ofwel deorientatiebepaling beperken in de tijd.

2.4.3 Types gyroscopen

Gyroscopen zijn sensoren die een hoeksnelheid kunnen meten rond een bepaaldedraaias. Net zoals bij de accelerometers kunnen gyroscopen ingedeeld worden inverschillende klassen volgens hun transducermechanisme. We onderscheiden eendrietal types: de draaiende massa gyroscoop, de optische gryoscoop en de vibrerendemassa gyroscoop.

De draaiende massa gyroscoop is beter bekend als de klassieke gyroscoop. Eenvoorbeeld van een klassieke gyroscoop is in figuur 2.11 afgebeeld. Zonder verder in

2.4. IMU 27

detail te gaan vermelden we dat de werking is gebaseerd op de wet van de gyro-scopische precessie. De massa wordt zodanig met de behuizing van de gyroscoopvastgemaakt dat de massa geısoleerd wordt van de rotaties die de behuizing on-dervindt. De massa behoudt zo zijn orientatie in de ruimte. De verandering inrelatieve positie van de massa ten op zichte van de behuizing is dan een maat voorde hoeksnelheid die de gyroscoop ondervindt.

Figuur 2.11: Een voorbeeld van een klassieke gyroscoop.

De optische gyroscoop steunt op interferentie van licht. De gyroscoop maaktgebruik van een spoelvormige structuur waarin licht propageert. Twee lichtbundelspropageren in tegengestelde richting. Wanneer de gyroscoop een rotatie ondergaat,zal de lichtbundel die tegen de richting van de rotatie propageert een kortere optischeweglengte ondervinden. Dit staat bekend als het Sagnac effect. Dit resulteert in eenfaseverschil tussen de twee lichtbundels. De grootte van het faseverschil is functievan rotatiesnelheid, en kan gemeten worden. Er bestaan twee soorten optischegyroscopen. De optische vezel gyroscoop (FOG) gebruikt optische vezels om delichtbundels te laten propageren. De ring laser gyroscoop (RLG) gebruikt hiervoorspiegels.

De vibrerende massa gyroscoop wordt vooral gebruikt bij MEMs gyroscopen.Dit type kan immers gemakkelijk geminiaturiseerd worden. De gyroscoop steunt ophet coriolis effect. Een vibrerend of resonerend element dat een rotatie ondergaat,zal door de coriolis kracht een tweede vibratie ondervinden die loodrecht staat opde richting van de originele vibratie. De intensiteit van deze geınduceerde vibratieis evenredig met de rotatiesnelheid en kan gemeten worden. De vibrerende massakan uit verschillende materialen en vormen bestaan. Meestal wordt piezoelektrischmateriaal gebruikt. De geınduceerde vibratie kan in dit geval gemakkelijk gemetenworden door de laterale beweging van het materiaal te meten. Maar er bestaan ookmassa’s die in de vorm va, een draaiend wiel zijn opgebouwd. Men spreekt dan vanvibrerende wiel gyroscopen. De geınduceerde vibratie zorgt voor een tilt van hetwiel die gemakkelijk kan gemeten worden.

2.4.4 Calibratie van gyroscopen

De IMU maakt intensief gebruik van gyroscopen. Het is daarom belangrijk dat degyroscopen betrouwbare metingen leveren. Zoals uiteengezet in paragraaf 2.4.2.1


kan een kleine meetfout tot grote orientatiefouten leiden. Om meetfouten tot eenminimum te herleiden, moeten de gyroscopen gecalibreerd worden. We gebruikennet zoals bij de accelerometers een calibratiemethode die ontwikkeld is door Ferrariset al. (1995). Deze methode vereist geen randapparatuur en kan opnieuw in-fieldgebeuren. Ferraris et al. (1995) heeft het model uit (2.13) voorgesteld als model vooreen eendimensionale gyroscoop. Onvolkomenheden zoals een bias op de meting,een schalingsfactor op de uitgang en het effect van lineaire acceleratie zijn erinopgenomen. ug is de uitgang van de gyroscoop, en ωs de effectieve hoeksnelheiddie de gyroscoop rond zijn sensitiviteitsas s voelt. kg, dg,a en bg zijn respectievelijkde schalingsfactor, het lineaire acceleratie effect en de bias. De bias bg varieertlineair in de tijd. Dit is typisch voor de meeste MEMs gyroscopen (Ferraris et al.,1995). Het lineaire acceleratie effect wordt uitgedrukt als het scalaire product van desensitiviteitsvector kg,a met de acceleratie a. Deze vectoren drukken respectievelijkde gevoeligheid en acceleratie uit langs de assen van een orthonormaal assenstelsel.Merk op dat we impliciet de aanwezigheid van een driedimensionale accelerometerveronderstellen. De accelerometer zal tijdens de compensatiefase de acceleratie a

leveren en moet hier dus beschouwd worden als input.

ug = kgωs + dg,a + bg (2.13)

met

dg,a = kg,a · a (2.14)

bg = bg,0 + bg,1t (2.15)

Het is nu de bedoeling om de parameters kg, kg,a, bg,0 en bg,1 te schatten en degyroscoop uitgang hiermee aan te passen via (2.16). Dit is de inverse relatie van2.13.

ωs = k−1

g (ug − dg,a − bg) (2.16)

De uitbreiding naar een driedimensionale gyroscoop gebeurt zoals bij de ac-celerometers. De scalaire grootheden worden vervangen door matrices. Het modelis weergegeven in (2.17). De assen σ, µ en τ zijn de drie assen van een orthonormaalassenstelsel dat als referentie dient. We kiezen deze assen zodanig dat ze samenvallenmet de gedefinieerde sensitiviteitsassen van de gyroscoop. Belangrijk is dat het as-senstelsel meebeweegt met de gyroscoop. We plaatsen de accelerometer zodanig datzijn sensitiviteitsassen ook met deze assen samenvallen.

Ω = Kg−1(Ug − Dg,a − Bg) (2.17)

2.4. IMU 29

met

Ω =

ωσ

ωµ

ωτ

, Kg =

kg,σ 0 0

0 kg,µ 0

0 0 kg,τ

, Ug =

ug,σ

ug,µ

ug,τ

,

Dg,a = Kg,a · A =

kg,a,σ,σ kg,a,σ,µ kg,a,σ,τ

kg,a,µ,σ kg,a,µ,µ kg,a,µ,τ

kg,a,τ,σ kg,a,τ,µ kg,a,τ,τ

·

aσ

aµ

aτ

en

Bg = Bg,0 + Bg,1t =

bg,0,σ

bg,0,µ

bg,0,τ

+

bg,1,σ

bg,1,µ

bg,1,τ

t

De calibratieprocedure wordt nu verder uitgewerkt voor een driedimensionalegyroscoop. De calibratie vereist een aantal opeenvolgende metingen.

De matrices B0 en B1 kunnen bepaald worden door twee metingen. Tijdens entussen beide metingen mag de gyroscoop niet bewegen en geen rotatie ondervinden.De eerste meting gebeurt net na de start-up8 van de gyroscoop. De drie uitgangenvan de driedimensionale gyroscoop geven rechtstreeks de matrix B0. De voedings-spanning blijft na de meting aangeschakeld, en na een bepaalde tijd t wordt detweede meting uitgevoerd. De matrix B1 wordt berekend door de drie uitgangenvan de gyroscoop door de tijd t te delen.

De 3x3 matrix Kg,a kan bepaald worden door een zestal metingen. Bij elkemeting bevindt de gyroscoop zich in een bepaalde positie relatief ten opzichte van dezwaartekracht die hier zal gebruikt worden als een gekende versnelling. De positieszijn dezelfde als die bij de calibratie van de accelerometer. Ze zijn weergegeven in defiguren 2.8 en 2.9. Tijdens de metingen mag de gyroscoop opnieuw niet bewegen. Wegroeperen de gegevens van de drie parallelle metingen opnieuw in een matrix Ua+. Inde eerste, tweede en derde kolom zetten we de uitgang van de gyroscoop (ωσ, ωµ, ωτ )van de metingen die respectievelijk de σ-, µ -en τ -as als rotatie-as hebben parallelaan de zwaartekracht. Zo is ωσµ, het element op de eerste rij en de tweede kolomvan Ua+, de hoeksnelheid die gemeten wordt rond de σ-as wanneer de gyroscoop zoligt dat µ-as parallel is met de zwaartekracht. Volledig analoog wordt voor de drieantiparallele metingen de matrxi Ua− opgesteld. Volgens Ferraris et al. (1995) kande matrix Kg,a dan bepaald worden via (2.18).

Kg,a =(Ua+ − Ua−)

2g(2.18)

Hierbij is g de grootte van de lokale zwaartekracht.Nu rest ons nog de matrix Kg. Hiervoor moeten er een drietal metingen worden

uitgevoerd. Bij elke meting wordt een rotatie uitgevoerd rond een van de sensi-tiviteitsassen van de gyroscoop. Bij de eerste meting roteren we de gyroscoop rond

8Aanschakelen van de voedingsspanning.


de sensitiviteitsas σ. Het is de bedoeling dat de gyroscoop over een vastgelegde hoekθσ gedraaid wordt. In principe mag deze hoek vrij gekozen worden, maar Ferrariset al. (1995) raadt aan om over 360 graden te draaien. De snelheid waarmee derotatie wordt uitgevoerd, speelt geen rol. De snelheid mag zelfs varieren gedurendede rotatie. Laten we het begintijdstip van de rotatie voorstellen door t1 en heteindtijdstip door t2. We integreren dan tussen t1 en t2 de drie hoeksnelheden die degyroscoop gedurende de rotatie meet. Het resultaat stellen we voor door de vectorWg,σ of (Wg,σ,σ,Wg,σ,µ,Wg,σ,τ ). De tweede en de derde meting zijn volledig analoogen leveren ons Wg,µ en Wg,τ . De rotatie gebeurt dan rond de respectievelijke sensi-tiviteitsassen µ en τ met gekozen draaihoeken θµ en θτ . De draaihoeken θσ, θµ en θτ

kunnen we groeperen in een diagonaalmatrix Θ, die wordt weergegeven door (2.19).

Θ =

θσ 0 0

0 θµ 0

0 0 θτ

(2.19)

De resultaten van de integraties - Wg,σ, Wg,µ en Wg,τ - kunnen we groeperenin de matrix Wg. De matrix Ug(t) groepeert de uitgangen van de driedimensionalegyroscoop op het tijdstip t. Zo stelt Ug,σ,µ(t), het element op de eerste rij en de tweedekolom, de gemeten hoeksnelheid op tijdstip t rond de µ-as voor, terwijl de rotatieplaatsvindt rond de σ-as. Het verband tussen Wg en Ug(t) wordt weergegeven door(2.20).

Wg =

∫ t2

t1

Ugdt =

∫ t2

t1

Ug,σ,σ(t) Ug,σ,µ(t) Ug,σ,τ (t)

Ug,µ,σ(t) Ug,µ,µ(t) Ug,µ,τ (t)

Ug,τ,σ(t) Ug,τ,µ(t) Ug,τ,τ (t)

dt (2.20)

Volgens Ferraris et al. (1995) kan met behulp van de matrices Wg en Ω de matrixKg bepaald worden. Het verband tussen de drie matrices wordt weergegeven door(2.22).

Ka =

kg,σ 0 0

0 kgµ 0

0 0 kg,τ

(2.21)

k2g,σ

k2g,µ

k2g,τ

= diag[(Wg · Ω−1)(Wg · Ω

−1)T ] (2.22)

2.5 Bouwblokken

Een bewegingsregistrerend systeem kan in drie subsystemen worden opgedeeld: eenmeeteenheid, een communicatielink en een verwerkingseenheid. Het algemene blok-schema van een bewegingsregistrerend systeem is in figuur 2.12 weergegeven. Debewegingsgegevens worden geregistreerd door de sensoren. De sensoren vormen dus

2.5. BOUWBLOKKEN 31

de meeteenheid. Deze meetgegevens worden vervolgens via een communicatielinkdoorgestuurd naar een verwerkingseenheid. De verwerkingseenheid analyseert envisualiseert de gegevens.

Figuur 2.12: De drie bouwblokken van een bewegingsregistrerend systeem.

2.5.1 Sensoren

Zoals vermeld in paragraaf 2.2 zijn we op zoek naar MEMs sensoren. Het aanbod aanMEMs sensoren op de markt is inmiddels vrij aanzienlijk. Het is vanzelfsprekend datmet het grote aanbod een weldoordachte keuze moet gemaakt worden. We zullenin wat volgt de motivatie en de keuze voor bepaalde sensoren nader toelichten.We hebben ons geconcentreerd op accelerometers en gyroscopen. De hierbovenbeschreven bewegingsregistrerende systemen gebruiken immers enkel deze sensoren.Daarnaast hebben we ook een geschikte magnetometer uitgezocht.

Er is eerst een grondig marktonderzoek naar beschikbare sensoren uitgevoerd.Daarna is er een vergelijkende studie uitgevoerd tussen de sensoren die aanmerkingzouden kunnen komen. Voor de uiteindelijke keuze is gebruik gemaakt van lineaireprogrammering. Dit wordt straks toegelicht. Eerst wordt het verschil tussen analogeen digitale sensoren uiteengezet.

2.5.1.1 Analoge versus digitale sensoren

De verwerkingseenheid van de bewegingsregistrerende systemen zal ofwel een mi-crocontroller ofwel een PC zijn. Deze verwerkingseenheden werken digitaal. Ditbetekent dat de meetgegevens ergens tussen de verwerkingseenheid en de sensormoeten gedigitaliseerd worden door een A/D conversie9. Bij digitale MEMs sen-soren is de A/D conversie op de chip geıntegreerd. De A/D conversie gebeurt dusvrijwel meteen na het meten. Bij analoge sensoren zal de A/D conversie externgebeuren. Dit kan bijvoorbeeld door specifieke A/D chips gebeuren.

We kunnen ons nu afvragen wanneer we best de A/D conversie uitvoeren. Wekunnen er voor kiezen om de omzetting uit te voeren dicht bij de sensoren, snelna de meting, of eerder dicht bij de verwerkingseenheid, laat na de meting. Wezullen die optie kiezen die leidt tot de kleinste signaalvervorming. Signalen kunnenonderweg vervormd worden door externe ruisinvloeden of transmissielijneffecten.We verwaarlozen hier de transmissielijneffecten, aangezien de afstanden relatief kortzijn, en de bandbreedte van de sensoroutputs bovendien relatief klein is. We makenverder de veronderstelling dat de ruisinvloeden op ons systeem klein zullen zijn.Hiermee bedoelen we dat de grootte van de extern toegevoegde ruis in het algemeen

9Analoog naar digitaal conversie


veel kleiner zal zijn dan de ruismarges10. In dit geval zijn digitale signalen minderruisgevoelig dan analoge signalen, en heeft een snelle digitalisering wel degelijk zijnbelang in het beperken van extern toegevoegde ruis11. Dit geldt niet meer bij groteruisinvloeden, wanneer de ruis de grootteorde van de ruismarges voor A/D conversiebenadert. In dit geval zal het analoge signaal ruistoleranter zijn dan het digitaalsignaal.

Bij kleine ruisinvloeden is het dus belangrijk dat de A/D conversie zo snel mo-gelijk na het meten plaatsvindt. We willen immers dat het gemeten analoog signaalzo min mogelijk de kans krijgt om ruisinvloeden op te pikken. We zullen dus zoveelmogelijk de voorkeur geven aan digitale sensoren, of aan een combinatie van analogesensoren met externe A/D convertoren die zich zo dicht mogelijk bij de sensor bevin-den.

2.5.1.2 Lineaire programmering

Lineaire programmering is een methode om optimaliseringsproblemen op te lossenwaarvan de doelfunctie en de randvoorwaarden lineair zijn. Het optimaliseringspro-bleem wordt gekarakteriseerd door de lineaire doelfunctie die moet gemaximaliseerdof geminimaliseerd worden. De doelfunctie is functie van een aantal variabelenwaarvoor een randvoorwaarden gelden. Ik verwijs naar Stroobandt (2005) voormeer informatie over lineaire programmering.

Het is nu de bedoeling om tussen verschillende sensoren de beste sensor vooronze toepassingen te kiezen. Als doelfunctie zal de algemene performantie van desensor gebruikt worden. De algemene performantie van de sensor kan uitgedruktworden in functie van de belangrijkste eigenschappen die de performantie van desensor in onze toepassingen beınvloeden. Aan elke eigenschap zal een gewichtsfactoren een quotering worden toegekend. Het gewicht duidt het relatieve belang van deeigenschap voor algemene de performantie van de sensor aan. Hoe groter het gewicht,hoe belangrijker de eigenschap in het licht van onze toepassingen. In tabel 2.2 zijneigenschappen van sensoren weergegeven die ik in beschouwing zal nemen. Ook degewichten zijn erin weergegeven De keuze voor deze eigenschappen en hun relatievegewichten is geınspireerd door de algemene specificaties die in paragraaf 2.1 zijnbeschreven.

Sommige sensorschips worden gecalibreerd bij fabricage, en de calibratiewaar-den worden intern opgeslagen in het geheugen. Bij elke start-up van de sensorworden de calibratiewaarden uit het geheugen geladen om de meting te corrigeren.Deze eigenschap noemen we zelf-calibratie. Het aantal connecties stelt het aantalverbindingen naar de sensorchip voor. Naast de massa -en de voedingslijn, zijner nog de signaallijnen die gebruikt worden voor de communicatie met de sensor.Met de niet-idealiteiten bedoelen we verschijnselen zoals niet-lineariteit, gekruisteasgevoeligheid , temperatuursinvloeden, en ruisdichtheid. Sommige chips hebbensignaalverwerkingsblokken, waardoor de gemeten signalen al op de chip kunnen ver-

10De ruismarge geeft aan hoe groot de ruis maximaal mag worden om nog een correcte A/Dconversie uit te voeren. Dit hangt o.a. af van de grootte van het quantisatie-interval dat door deA/D conversie gebruikt wordt.

11Ruis die door de signaallijnen wordt ingekoppeld.

2.5. BOUWBLOKKEN 33

Eigenschap Code Gewicht

Vermogenverbruik Vrm 4

Fysieke afmetingen Afm 4

Niet-idealiteiten Nid 3

Aantal connecties ACn 2

Zelf-calibratie Cal 1

Signaalverwerking SgV 1

Tabel 2.2: De belangrijkste sensoreigenschappen samen met hun gewichtsfactoren. Decode wordt gebruikt als afkorting.

werkt worden. Deze eigenschap wordt Signaalverwerking genoemd.

De quotering van de eigenschap geeft aan hoe goed de sensor presteert op debetreffende eigenschap. Ik onderscheid een viertal prestatieniveaus. Deze zijnweergegeven in tabel 2.3.

Quotering Omschrijving

Zeer goed 4

Goed 3

Gemiddeld 2

Slecht 1

Zeer slecht 0

Tabel 2.3: De quotering voor de verschillende prestatieniveaus.

De performantiefunctie P kan dan opgesteld worden door voor elke eigenschap degewichtsfactor te vermenigvuldigen met zijn quotering en de resulterende productente sommeren (2.23).

P = 4 · V rmquot + 4 ·Afmquot + 3 ·Nidquot + 2 ·Acnquot + Calquot + SgVquot (2.23)

2.5.1.3 Keuze accelerometer

De verschillende types van accelerometers hebben we reeds besproken in paragraaf2.3.2. We geven daarom meteen een overzicht van de MEMs accelerometers, diein aanmerking komen voor onze toepassingen. Het overzicht is opgesplitst om hetenigszins overzichtelijk te houden. Het is weergegeven in de figuren 2.13 en 2.14. Debelangrijkste sensoreigenschappen zijn er ook in weergegeven.


Figuur 2.13: Overzicht commerciele MEMs accelerometers deel A.

2.5. BOUWBLOKKEN 35

Figuur 2.14: Overzicht commerciele MEMs accelerometers deel B.

In het overzicht zijn enkel driedimensionale accelerometers opgenomen. Zoalsvermeld in paragraaf 2.1 zijn geıntegreerde driedimensionale accelerometers te verkiezenboven de combinatie van eendimensionale accelerometers. De geselecteerde ac-


celerometers zijn de ADXL330 van Analog Devices, LIS3LV02DL van STMicroelec-tronics, de KXM52 van Kionix, de KXPS5 van Kionix en de KXP74 van Kionix.We verwijzen naar de online catalogi van de fabrikanten voor meer details rond dezeaccelerometers.

Aan de hand van het overzicht uit figuren 2.13 en 2.13. geven we de eigenschap-pen uit tabel 2.2 een quotering. Dit doen we voor elke accelerometer. De quoteringis relatief, en zeker niet absoluut. De accelerometer die het best presteert op eenbepaalde eigenschap krijgt de hoogste quotering. De quoteringen zijn weergegevenin tabel 2.4. Ook de performantie die berekend wordt via (2.23) is erin weergegeven.Voor de interpretatie van de quotering verwijzen we naar tabel 2.3.

Code ADXL330 KXM52 LIS3LV02DQ KXPS5 KXPS5

Vrm 2 1 4 3 3

Afm 3 4 2 4 3

Nid 4 4 2 3 3

Acn 3 3 4 4 2

Cal 0 0 3 0 0

SgV 2 2 4 4 2

Performantie 40 40 45 49 39

Tabel 2.4: De quoteringen en de performantie voor de verschillende accelerometers.

We merken hierbij op dat de ADXL330 een gemiddelde quotering (2) krijgt voorvermogenverbruik (Vrm), terwijl uit het overzicht blijkt dat de ADXL330 daaropzeer goed presteert. De lagere quotering weerspiegelt het feit dat analoge sensoreneen externe A/D convertor nodig hebben om te kunnen communiceren met een di-gitale verwerkingseenheid. Daarom moet ook het vermogenverbruik van een externeA/D convertor in rekening gebracht worden.

Uit tabel 2.4 blijkt dat de digitale accelerometers, de LIS3LV02DL en de KXPS5,beter presteren dan hun analoge collega’s. Vooral het lage vermogenverbruik en hetbeperkte aantal connecties naar de chip toe zijn hiervoor verantwoordelijk. Daar-naast presteert de KXPS5 van Kionix duidelijk beter dan de LIS3LV02DL. Wekiezen dan ook de KXPS5 als accelerometer voor onze bewegingsregistrerende sys-temen.

De KXPS5 is een driedimensionale accelerometer die door Kionix12 is ontwikkeld.Het is een variabele capaciteit accelerometer. De sensor is verpakt in een Land GridArray van 3 mm x 5 mm x 0.9 mm. De chip is weergegeven in figuur 2.15. Desensor heeft een goede signaal/ruis verhouding en is weinig gevoelig aan tempe-ratuursinvloeden. De voedingsspanning kan varieren tussen 1,8V en 5V. Het gevoe-ligheidsbereik kan geprogrammeerd worden net na het fabricageproces. Dit bereikkan varieren tussen ±1, 5g en ±6g. De eenheid g komt overeen met 9, 81m/s2,degrootte van de valversnelling. Volgens Bouten et al. (1997) moeten accelerometersin het algemeen acceleraties tot ±12g kunnen meten om dagelijkse activiteiten tekunnen registreren met behulp van accelerometrie. Wanneer de accelerometers ter

12http://www.kionix.com

2.5. BOUWBLOKKEN 37

hoogte van het middenrif geplaatst worden, is een bereik van ±6g reeds voldoende(Bouten et al., 1997). We gebruiken dus best de KXPS5 die tot ±6g meet. MEMsaccelerometers met een hoger bereik dan ±6g zijn momenteel nog niet beschikbaar.De bandbreedte van de sensor kan gedefinieerd worden door de gebruiker. VolgensBouten et al. (1997) zullen de acceleraties bij menselijke activiteit een maximale fre-quentie van 20 Hz hebben. De KXPS5 heeft mogelijkheden om de gemeten signalenreeds te verwerken op de chip zelf. Zo kan de sensor digitale interrupts genererenals de acceleratie op een sensitiviteitas een bepaalde treshold overschrijdt. Dezetreshold kan door de gebruiker in het geheugen van de chip worden opgeslagen. Ditnoemt Kionix de Motion Interrupt. Er kan ook een interrupt gegenereerd wordenwanneer de absolute waarde van de driedimensionale acceleratie onder een bepaaldetreshold gaat. Dit noemt men de Free-fall Interrupt. Tenslotte merken we op dat desensor zowel een analoge als een digitale interface heeft. De gemeten signalen wor-den enerzijds aangeboden via drie analoge signalen, voor elke sensitiviteitsas een.Anderzijds worden deze analoge signalen gedigitaliseerd door een A/D convertordie op chip aanwezig is. De digitale interface kan communiceren via twee digitaleprotocollen, I2C (Inter-Integrated Ciruit) en SPI (Serial Peripheral Interface). Ikverwijs naar paragraaf 2.5.2 voor meer informatie over deze protocollen.

Figuur 2.15: De KXPS5 van Kionix.

2.5.1.4 Keuze gyroscoop

De verschillende types gyroscopen hebben we reeds besproken in paragraaf 2.4.3.Net als bij de accelerometer gaan we op zoek naar een driedimensionale gyroscoop.Een geıntegreerde driedimensionale gyroscoop bestaat echter nog niet. We moetendus onze toevlucht zoeken tot drie eendimensionale gyroscopen of een combinatievan een tweedimensionale met een eendimensionale gyroscoop. Tot voor kort warener alleen eendimensionale gyroscopen op de markt. Een eendimensionale gyroscoopmeet altijd de hoeksnelheid rond een as die evenwijdig is aan een van de zijden vande verpakking. Men onderscheidt drie richtingen: de yaw richting, de roll richtingen de pitch richting. Dit is in figuur 2.16 weergegeven.


Figuur 2.16: De benaming van de rotatieassen.

Om aan de algemene specificaties van paragraaf 2.1 te voldoen, dienen we eendriedimensionale gyroscoop te bouwen die compact en plat is. Tot voor kort warener enkel eendimensionale MEMs gyroscopen commercieel beschikbaar. Bovendienmeten die gyroscopen allemaal de hoeksnelheid rond de yaw -as. Dit is de richtingdie loodrecht staat op het grootste oppervlak van de verpakking. Dit betekent datdrie gyroscopen in kubusvorm moeten worden opgesteld, als we een driedimensio-nale gryoscoop willen bouwen. Het resultaat is een relatief hoge gyroscoop. Dit zounefast zijn voor de platheid van onze systeem. Gelukkig is er recentelijk een tweedi-mensionale MEMs gyroscoop, de IDG van InvenSense13, op de markt gebracht. Dezegyroscoop meet juist niet rond de yaw -as. Dit is momenteel de enige tweedimen-sionale MEMs gyroscoop die op de commerciele markt beschikbaar is. De gyroscoopmeet zowel in de roll -richting als in de pitch-richting. Enkel het gebruik van dezegyroscoop laat ons dus toe om een platte en compacte driedimensionale gyroscoopte bouwen. De overgang van een kubusvorm naar een plat ontwerp is weergegevenin figuur 2.17.

Figuur 2.17: De overgang van een kubusvorm naar een plat ontwerp voor een driedimen-sionale gyroscoop.

Verder zal blijken dat het gebruik van de IDG de performantie op de eigenschap-pen uit tabel 2.2 niet in de weg staat. De IDG performeert immers op veruit alleeigenschappen het best van alle MEMs sensoren.

Er zijn verschillende types IDG gyroscopen beschikbaar. Elk type heeft eenander meetbereik. Wij kiezen het type met het grootste bereik. Dit is de IDG300die een bereik heeft van 500 graden per seconde. De IDG300 is een vibrerende massagyroscoop waarin innovatieve vibrerende structuren worden gebruikt. De IDG300is beschikbaar in een 6 mm x 6 mm x 1,5 mm QFN behuizing. De uitgang bestaat

13http://www.invensense.com

2.5. BOUWBLOKKEN 39

uit twee analoge signalen die evenredig zijn met de in pitch- en roll -richting gemetenhoeksnelheden. Daarnaast wordt voor compensatietechnieken een referentie-uitgangen een temperatuuruitgang aangeboden. De gebruiker kan via een externe capaciteitde bandbreedte van de sensor instellen. Verder zijn er een aantal externe capaciteitennodig om een goede werking te verzekeren. Kleine storingspieken op de voedings-spanning kunnen de meting verstoren. Daarom wordt het gebruik van een LDO14

spanningsregelaar aangeraden. De IDG300 is afgebeeld in figuur 2.18.

Figuur 2.18: De IDG300 van InvenSense.

Een overzicht van de eendimensionale gyroscopen die in aanmerking komen vooronze systemen is ook hier in twee delen opgesplitst. Het overzicht is weergegeven inde figuren 2.19 en 2.20. Naast de tweedimensionale IDG is er voor de volledigheidook een driedimensionale gyroscoop in opgenomen. Deze gyroscoop, de TriRate, issamengesteld uit drie aparte eendimensionale gyroscopen. We kunnen reeds op basisvan het criterium compactheid het gebruik van deze gyroscoop uitsluiten.

14Low Drop Out


Figuur 2.19: Overzicht commerciele MEMs gyroscopen deel A.

2.5. BOUWBLOKKEN 41

Figuur 2.20: Overzicht commerciele MEMs gyroscopen deel B.

Naast de IDG moeten we nu nog een eendimensionale gyroscoop kiezen die rondde yaw -as meet. De MLX90609 van Melexis sluit ik al op voorhand uit. Melexisvermeldt immers niets omtrent het vermogenverbruik. Ik sta dus eerder sceptisch tenop zichte van de vermogensperformantie van de MLX90609. Daarom komen enkelnog de gyroscopen van Analog Devices in aanmerking: de ADXRS, de ADIS16100en de ADIS16255. De keuze tussen deze gyroscopen is minder voor de hand liggend,omdat de gyroscopen nu dicht bij elkaar aanleunen. We zullen daarom onze keuzebaseren op basis van een performantiefunctie en lineair programmering. Dit doen


op dezelfde manier als bij de accelerometers. Aan de hand van het overzicht uitde figuren 2.19 en 2.20 geven we de eigenschappen uit tabel 2.2 een quotering.Dit doen we voor elke gyroscoop. De quotering is relatief, en zeker niet absoluut.De interpretatie van de quotering is weergegeven in tabel 2.3. De gyroscoop diehet best presteert op een bepaalde eigenschap krijgt de hoogste quotering voor dieeigenschap. De quoteringen en de algemende performantie van de gyroscopen zijngegeven in tabel 2.5. De performantie wordt berekend met behulp van tabel 2.2 envergelijking 2.23.

Code ADXRS ADIS16100 ADIS16255

Vrm 2 2 1

Afm 3 2 2

Nid 3 2 2

Acn 3 2 2

Cal 1 1 2

SgV 1 1 2

Performantie 35 28 30

Tabel 2.5: De quoteringen en de performantie van de verschillende gyroscopen.

Bij de keuze van de accelerometer hebben we de analoge sensoren een lagerequotering score gegeven op vermogenverbruik (Vrm) dan de digitale sensoren. Wehadden immers de marginale kost van een A/D converter in rekening genomen.Hier doen we dit niet. We hebben sowieso een externe A/D converter nodig voor deanaloge IDG300 die reeds deel uitmaakt van ons ontwerp. De marginale kost van eenA/D converter is hier dus onbestaande, omdat die reeds aanwezig moet zijn in onssysteem15. De gyroscopen krijgen over het algemeen een hogere quotering op zelf-calibratie (Cal) dan de accelerometers. Alle gyroscopen hebben immers op de chipeen temperatuurssensor. De temperatuur wordt als uitgangsssignaal aangeboden enkan gebruikt worden voor continue temperatuurcompensatie.

Uit tabel 2.5 blijkt de analoge ADXRS beter te presteren dan zijn digitale col-lega’s. Dit is te danken aan het feit dat hij op zowat alle eigenschappen uit tabel2.2 beter presteert. We zullen daarom de ADXRS van Analog Devices kiezen alseendimensionale gyroscoop. Er zijn verschillende types van de ADXRS beschik-baar. Elk type heeft een ander meetbereik. Wij kiezen het type met het grootstebereik. Dit is de ADXRS300 die een bereik heeft van 300 graden per seconde. DeADXRS300 is een eendimensioanle gyroscoop die meet in de yaw -richting. Het iseen vibrerende massa gyroscoop. De sensor is beschikbaar in een 7 mm x 7 mm x3 mm BGA chip-scale behuizing. De uitgang is een analoog signaal dat evenredigis met de gemeten hoeksnelheid. Daarnaast wordt voor compensatietechnieken eenreferentie-uitgang en een temperatuursuitgang aangeboden. De gebruiker kan viaeen externe capaciteit de bandbreedte van de sensor instellen. Verder zijn er een aan-tal externe capaciteiten nodig om een goede werking te verzekeren. De ADXRS300is weergegeven in figuur 2.21.

15Dit geldt onder de veronderstelling dat een A/D converter met meerdere kanalen ongeveerevenveel vermogen verbruikt als een met een enkel kanaal.

2.5. BOUWBLOKKEN 43

Figuur 2.21: De ADXRS300.

Verder blijkt dat de gyroscopen tot zes keer meer vermogen verbruiken dan degekozen accelerometer, de KXPS5. Dit betekent dat het vermogenverbruik vansensoren vooral zal bepaald worden door de gyroscopen. De accelerometer presteerttrouwens ook op andere punten, zoals de afmetingen, veel beter dan de gyroscopen.Dit was eigenlijk wel te verwachten. MEMs accelerometers hebben immers eengrote technologische voorsprong ten op zichte van gyroscopen. De ontwikkelaarsvan MEMs sensoren hebben zich de laatste jaren vooral gericht op accelerometers.Het is pas sinds kort dat ze hun aandacht ook richten op gyroscopen. We mogendus verwachten dat er in de nabije toekomst performantere gyroscopen op de marktzullen komen.

2.5.1.5 Keuze magnetometer

Een magnetometer is een sensor die de grootte en/of de richting van een magnetischveld kan meten. De keuze van de magnetometer was relatief eenvoudig. Het aanbodaan magnetometers is immers beperkt. De belangrijkste ontwikkelaars zijn Philipsen Honeywell. Bovendien vergen bijna alle magnetometers externe elektronica om deuitgangssignalen te kunnen verwerken. Deze externe elektronica zou onze systemenin omvang doen toenemen en de betrouwbaarheid ervan doen dalen. Via de externeelektronica kunnen er immers storingen worden ingekoppeld.

De magnetometer kan gecombineerd worden met een magneet om de positierelatief ten opzichte van deze magneet te kunnen bepalen. Bij menselijke bewe-gingsanalyse zou dit betekenen dat we enkel relatief ten op zichte van een anderlichaamsdeel posities kunnen bepalen. Bovendien zou het bewegingsregistrerendsysteem dan gedistribueerd worden. De magneet zit immers niet vervat binnenhet systeem, maar moet elders worden geplaatst. Daarom kiezen we ervoor omde magnetometer als een kompas te gebruiken. De magnetometer moet daarvoorgevoelig zijn aan het aardmagnetische veld.

De sterkte van het aardmagnetische veld varieert tussen de 0,3 Gauss en 0,6Gauss16. Het aardmagnetische veld richt zich van de magnetische zuidpool naar demagnetische noordpool17. Figuur 2.22 toon het aardmagnetisch veld.

16Een eenheid van magnetische veldsterkte. Dit kan ook uitgedrukt worden in Tesla. 1 Teslastemt overeen met 10000 Gauss.

17De magnetische noord -en zuidpool vallen niet perfect samen met de geografische noord -enzuidpool.


Figuur 2.22: Het aardmagnetisch veld samen met de geografische en magnetische noord-en zuidpool.

Het aardmagnetisch veld is op de evenaar een volledig horizontale vector. Ditgeldt niet meer wanneer men zich naar meer naar het noorden of naar het zuidenbegeeft. In het noordelijke halfrond zal de vector lichtjes naar beneden wijzen,terwijl in het zuidelijk halfrond de vector lichtjes naar boven zal wijzen. De hoek diehet veld met de horizontale maakt noemt men de inclinatiehoek. Om betrouwbareinformatie uit de meting van de magnetometer te halen, moet de inclinatiehoekgekend zijn. Bovendien moet men rekening houden met storende magnetische veldendie de meting waardeloos kunnen maken.

De HMC6352 van Honeywell is de enige magnetometer die we hebben gevon-den waarbij de verwerkingselektronica op de chip geıntegreerd is. De HMC6352 isbovendien gevoelig aan het aardmagnetische veld. De sensor meet het magnetischeveld in twee dimensies en biedt dit aan via een digitale I2C interface. De HMC6352is verpakt in een 6,5 mm x 6,5 mm x 1,4 mm LCC package. De voedingsspanningkan varieren tussen de 2,7 V en 5 V, en maakt de magnetometer hierdoor geschiktvoor laagvermogen toepassingen. De HMC6352 is weergegeven in figuur 2.23.

Figuur 2.23: de HMC6352.

2.5.2 Communicatie

In deze paragraaf gaan we dieper in op de communicatielink. De communicatielinkverzorgt de communicatie tussen de sensoren en de PC die verwerkingseenheid is. Dedigitale sensoren uit paragraaf 2.5.1 hebben allemaal een digitale I2C/SPI interface.Zowel SPI als I2C zijn digitale synchrone communicatieprotocollen. Dit betekentdat ze beide een kloksignaal gebruiken om de communicatiebits te synchroniseren.Ze worden vooral gebruikt voor digitale communicatie tussen chips. We zullen eenvan beide protocollen kiezen om de communicatie met de PC op te zetten. Voor

2.5. BOUWBLOKKEN 45

de eenvoud van het systeem zullen we voor de analoge sensoren A/D convertorenkiezen die ook een I2C/SPI interface hebben. Een standaard PC heeft echter geeninterfaces die I2C en SPI ondersteunen. Er zal dus een conversie nodig zijn tussenI2C of SPI en een communicatieprotocol die de standaard PC ondersteunt. Wezullen hiervoor het USB protocol gebruiken. USB is de laatste jaren uitgegroeid totde seriele bus standaard voor communicatie tussen interface devices. Vrijwel elkePC heeft momenteel verschillende USB-poorten waardoor de portabiliteit van onssysteem groot zal zijn.

In eerste instantie heb ik een rechtstreekse, wired verbinding met de PC on-twikkeld. In tweede instantie heb ik een draadloze verbinding opgezet. Voor deduidelijkheid zijn I2C en SPI hieronder kort toegelicht. Daarna worden achtereen-volgens de wired link en de wireless link besproken.

2.5.2.1 SPI

SPI staat voor Serial Peripheral Interface en is ontworpen door Motorola. Het iseen synchroon en serieel communicatieprotocol. Een device werkt ofwel als Masterofwel als Slave. Een Master word gedefinieerd als diegene die de communicatie start.Er kunnen meerdere Slaves verbonden worden met de Master. Meerdere Masterszijn niet toegelaten. Een SPI interface bestaat typisch uit vier signaallijnen: SCLK,MOSI, MISO en SS. SCLK is het kloksignaal. MOSI of Master Output/Slave Inputis een datalijn waarmee gegevens van de Master naar de Slave worden gezonden.SIMO of Slave Input/Master Output is een datalijn waarmee gegevens van de Slavenaar de Master worden gezonden. SPI is dus een full duplex protocol. Dit betekentdat er in beide richtingen simultaan data kan verzonden worden. Het SS signaalwordt gebruikt om de Slave te activeren en de datatransmissie te starten. SPIcommunicatie gebeurt normaal per 8 bits.

Met SPI kunnen typisch hoge transmissiesnelheden worden gehaald. Momenteelkunnen er snelheden van 10Mbit/s worden gehaald.

2.5.2.2 I2C

I2C is een busprotocol ontworpen door Philips en staat voor Inter Integrated Circuit.Het protocol is ontworpen om verschillende IC’s met elkaar te laten communiceren.De I2C bus is een bidirectionele bus die uit twee lijnen bestaat. Via een datalijn,SDA, wordt zowel data verzonden als ontvangen. De tweede lijn, SCL, is een kloklijnen synchroniseert de bits op de datalijn. I2C heeft standaard een 7-bit adresruimte.Er zijn 16 adressen gereserveerd, waardoor er maximaal 112 devices kunnen wordenaangesloten op de bus. Het protocol kan verschillende transmissiesnelheden aan,afhankelijk van de operating mode. In standard mode is de bitrate 100 kbit/s, en inlow-speed mode is de bitrate 10 kbit/s. Recente versies van I2C hebben een uitbrei-ding naar een 10-bit adresruimte en ondersteunen hogere snelheden. In fast modeen high-speed mode kan respectievelijk 400 kbit/s en 3,4 Mbit/s gehaald worden. DeIC’s die op de bus zijn aangesloten, werken als Master of als Slave.

De seriele klok lijn (SCL) en de datalijn (SDA) vormen de I2C bus, en zijnbeide bidirectioneel. De lijnen zijn met een pull-up weerstand verbonden met de


voedingsspanning. Hierdoor staan de lijnen hoog wanneer er geen activiteit is. Dedatatransfer gebeurt in half duplex. Over de datalijn wordt immers zowel dataontvangen als verzonden. Op elk moment moet duidelijk zijn in welke richting dedatatransfer loopt. Dit wordt bepaald door het IC dat als Master fungeert. Het ICdat de communicatie opzet, blijft Master gedurende de volledige communicatieduur.De Master genereert ook de klokpulsen op de kloklijn. I2C is ook een Multi-Masterprotocol en laat toe dat er meerdere Masters aanwezig zijn op een zelfde bus.

De datatransfer start met een startconditie en eindigt met een stopconditie. Nade startconditie volgt het adres van het Slave device. Tijdens de datatransfer kunnener willekeurig veel bytes verzonden worden. Zowel de data als het adres worden byteper byte doorgestuurd. Na elke goed ontvangen byte volgt er een acknowledgement(ACK). Bij een slecht ontvangen byte wordt een negatief acknowledgement (NACK)verzonden. Elke datatransfer is opgebouwd zoals weergegeven in figuur 2.24.

Figuur 2.24: Strucuur van een I2C datatransfer.

Het R/W bit geeft aan of de Master data wil schrijven of lezen vanuit de Slave.Merk op dat het is toegestaan om zowel te schrijven als te lezen gedurende eenzelfdedatatransfer. Dit gebeurt door herhaalde startcondities in de datatransfer te voegen.

Er zijn nu drie mogelijke situaties voor de communicatie tussen Master en Slave.De Master kan gegevens schrijven naar de Slave, gegevens lezen van de Slave, of eencombinatie van beide. Het formaat van de datatransfer voor deze drie situaties isweergegeven in de figuren 2.25, 2.26 en 2.27.

Figuur 2.25: Dataformaat voor een I2C schrijfoperatie.

2.5. BOUWBLOKKEN 47

Figuur 2.26: Dataformaat voor een I2C leesoperatie.

Figuur 2.27: Dataformaat voor een I2C gecombineerde lees -en schrijfoperatie.

2.5.2.3 Wired link

Bij de wired link staat de communicatie met de I2C/SPI interface centraal. Wezullen slechts een van beide protocollen gebruiken. Een keuze dringt zich dus op.Uit bovenstaande paragrafen blijkt dat I2C en SPI maar weinig van elkaar ver-schillen. Toch zijn er een aantal verschillen die voor onze toepassingen belangrijkkunnen zijn. Zo leent I2C zich zeer goed voor de communicatie met meerdere de-vices. I2C is immers een busprotocol. Meerdere devices kunnen op dezelfde I2Cbuslijnen worden aangesloten. Door het gebruik van adressen voor de devices komtde communicatie niet in het gedrang. SPI is geen busprotocol. Doordat we inonze systemen moeten communiceren met meerdere sensoren is een busstructuuraangewezen. Dit vermijdt immers een grote overhead aan connecties met de ver-werkingseenheid. Daarenboven is de hardware voor I2C eenvoudiger dan die voorSPI. Zo gebruikt I2C slechts twee communicatielijnen, terwijl SPI er vier gebruikt.Met het oog op de vervaardiging in flex of uitrekbare technologie trachten we hetaantal verbindingen zo laag mogelijk te houden. SPI heeft als enige grote voordeeldat hogere communicatiesnelheden - tot 10 Mbit/s - kunnen gehaald worden. I2Cwerkt standaard aan een snelheid van slechts 100 kbit/s. We dienen hierbij welop te merken dat er reeds extensies beschikbaar zijn die hogere snelheden toelaten.Hierdoor is het nu ook mogelijk om I2C te gebruiken bij snelheden van 400 kbit/sen 3,4 Mbits/s. Voor onze IMU en valdetector zullen transmissiesnelheden tussen100 kbit/s en 1 Mbit/s reeds volstaan. Het snelheidsvoordeel van SPI vervalt dus.Dit kunnen we als volgt beredeneren. We zullen voor de IMU een ondergrens op de


transmissiesnelheid schatten. Dit is meteen ook een ondergrens voor de valdetector,aangezien enkel de gegevens van de accelerometer moeten verzonden worden. Bij deIMU moeten de gegevens van de driedimensionale accelerometer en de driedimen-sionale gyroscoop continu doorgezonden worden naar de PC. We veronderstellen datde A/D convertoren oneindig snel werken. We bekijken ook de bandbreedtes vande sensoruitgangen. We bekijken enkel de bandbreedtes van de gekozen sensorenuit paragraaf 2.5.1. Deze zijn weergegeven in tabel 2.6. Volgens het Nyquist cri-

Sensor Type Bandbreedte

3D accelerometer KXPS5 1000 Hz

2D gyroscoop IDG300 140 Hz

1D gyroscoop ADXRS300 40 Hz

Tabel 2.6: De bandbreedtes van de sensoren van de IMU.

terium moeten we samplen aan die frequentie die minstens tweemaal hoger ligt dande hoogste frequentie om het signaal perfect te kunnen reconstrueren. Dit betekentdat we minstens 2000 samples/s moeten nemen voor de 3D accelerometer, 280 sam-ples/s voor de 2D gyroscoop en 80 samples/s voor de 1D gyroscoop. Laten we voorzowel de accelerometer als de gyroscopen 2000 samples/s nemen. Dit betekent datwe in totaal 12000 samples/s moeten versturen. Voor een 3D gyroscoop en een3D accelerometer moeten we immers zes uitgangen bekijken. De A/D convertorendie we gebruiken, bieden de samples aan in een formaat van 12 bits groot die intwee registers van 1 byte groot worden opgeslagen. Dit betekent dat per sample16 bits worden doorgestuurd. We bekomen dus ondergrens op de bitrate van 192kbit/s. Deze bitrate kan gemakkelijk gehaald worden door I2C in fast mode - aan400 kbit/s - te gebruiken. I2C heeft dus als grote voordelen de ondersteuning vaneen busstructuur en het lage aantal connecties. De lagere transmissiesnelheden bijI2C t.o.v. SPI zijn geen nadeel voor onze systemen. De transmissiesnelheden dieI2C kan halen, volstaan reeds. We zullen dus I2C gebruiken voor de communicatiemet de sensoren.

Voor de communicatie met de PC gebruiken we het USB protocol. Er dient dustussen de sensoren en de PC een conversie te gebeuren tussen de protocollen I2Cen USB. Een USB/I2C interface adapter kan deze taak vervullen. De adapter diewij zullen gebruiken, is vervaardigd door Diolan18. Het blokschema van de adapteris in figuur 2.28 weergegeven.

18http://www.diolan.com

2.5. BOUWBLOKKEN 49

Figuur 2.28: Het blokschema van de USB/I2C interface adapter van Diolan.

De kern van de adapter is een microcontroller (Cypress EZ-USB). Deze chip isspeciaal ontworpen voor communicatie met USB apparaten. Samen met de chipkomen PC drivers die toelaten om op PC niveau te communiceren met de micro-controller. De drivers ondersteunen een groot aantal programmeertalen. Hierdoorhebben we een grote vrijheid om PC applicaties te ontwikkelen die de gemetengegevens zullen verwerken.

2.5.2.4 Wireless link

Zoals vermeld in paragraaf 2.1 is een wired systeem totaal niet praktisch. Onzesystemen zullen zich immers op het lichaam van de patient bevinden. De verbindingmet de verwerkingseenheid zou de patient sterk beperken in zijn bewegingsvrijheid.De verschillende connectiedraden zorgt voor een groot ongemak.

Bij draadloze communicatie vervallen deze nadelen. De overschakeling van wirednaar wireless zal onze systemen een grote meerwaarde geven. Er zal met de verwerk-ingseenheid over veel grotere afstanden kunnen gecommuniceerd worden. Bovendienzal het ongemak van de draden verdwijnen. Daartegenover staat dat ons systeemzal toenemen in omvang omdat we naast de sensoren ook hardware voor de wirelesslink moeten voorzien.

De wireless link is ontworpen voor een zo laag mogelijk vermogenverbruik. Er iszoveel mogelijk naar een compromis gezocht tussen vermogenverbruik en function-aliteiten. We zullen in wat volgt de structuur van de wireless link toelichten. Westarten met de zendmodule en de ontvangstmodule. Daarna geven we nog een kortebespreking van de verschillende onderdelen waaruit de wireless link is opgebouwd.

Zendmodule. De zendmodule bestaat uit een microcontroller, een radio transceiveren een loop antenne. De antenne is ontworpen voor gebruik op de menselijke huid.We komen hier zo meteen op terug. Het blokschema is weergegeven in 2.29.


Figuur 2.29: Het blokschema van de zendmodule.

Centraal in het ontwerp staat de microcontroller. Deze verzorgt enerzijds deverwerking van de gegevens van de sensoren, en anderzijds communiceert de con-troller met de radio transceiver. Een radio transceiver is een systeem dat zowel alsradio receiver als als radio transmitter kan fungeren. Hier fungeert de transceiverals transmitter. Een radio transmitter moduleert data op een draaggolf en stuurt nade modulatie een antenne aan. De antenne is ontworpen voor de 2,4 Ghz ISM-band.Er is ook een matchingcircuit voorzien om de performantie van de antenne te ver-beteren. De zendmodule zal op een flexibel substraat gemaakt worden en in siliconeworden ingebed. We komen in Hoofdstuk 3 terug op de technologie van flexibelesubstraten.

Ontvangstmodule. De structuur van de ontvangstmodule is gelijkaardig aan dievan de zendmodule. Het blokschema is weergegeven in figuur 2.30.

Figuur 2.30: Het blokschema van de ontvangstmodule.

De antenne is nu een gevouwen dipool. Ze is ontworpen voor het gebruik op

2.5. BOUWBLOKKEN 51

een FR4 substraat. We verwijzen naar Hoofdstuk 3 voor meer informatie overFR4 substraten. De informatiestroom loopt nu in tegenstelde richting. De antennevangt de doorgestuurde golven op, en legt die via een matching circuit aan de radiotransceiver aan. De radio transceiver werkt hier als receiver. De receiver voert deinverse operatie uit van de transmitter. De informatie die op de draaggolf aanwezigis, wordt gedemoduleerd en als data beschikbaar gesteld. Deze data wordt naar demicrocontroller gezonden, die de gegevens op zijn beurt naar de PC stuurt via eenadapter chip. De communicatie met de PC gebeurt via de USB-poort. De micro-controller communiceert echter serieel. Een adapter kan een communicatieprotocolomzetten in een ander. In ons geval wordt seriele communicatie omgezet naar USB.De adapter is ontworpen door FTDI, en op PC niveau kan met de USB interfacevan de adapter gecommuniceerd worden via meegeleverde systeemfiles19. Net zoalsbij de wired link zijn er voor verschillende programmeertalen ondersteunende pro-grammeerbibliotheken beschikbaar.

De ontvangstmodule zal op FR4 gemaakt worden. Het systeem zal uitgevoerdworden als een USB-Stick, en voor communicatie met de PC volstaat het om destick in de USB-poort te plaatsen.

Microcontroller. De microcontroller is de kern van zowel de zend- als ontvangst-module. Een weloverwogen keuze dringt zich dus op. Zoals vermeld in paragraaf 2.1,zijn we vooral op zoek naar devices met een zeer laag vermogenverbruik. Microcon-trollers verslinden echter typisch veel vermogen. Toch is er zeer recent een nieuwemicrocontroller familie ontworpen met een zeer laag vermogenverbruik en met eenzeer lage kostprijs. De familie is ontwikkeld door Texas Instruments, en op de marktgebracht onder de naam MSP430. De microcontrollers bestaan uit een 16-bit RISCCPU20, en zijn afhankelijk van het type voorzien van 10/12/14/16-bit ADC’s, 12-bitDAC, PWM21, comparators, timers, USART22, I2C, SPI, LCD driver, watchdog,DMA23 en een interne oscillator. De maximale kloksnelheid is 16 Mhz. Deze snel-heid kan verlaagd worden om vermogen uit te sparen. De MSP430 is ondertussenuitgegroeid tot een heel populaire familie voor meetsystemen met een laag vermo-genverbruik. De familie heeft nochtans een aantal beperkingen die het gebruik incomplexe systemen in de weg staat. Zo hebben de microcontrollers een beperktegeheugencapaciteit. Er is maximaal 120 kbyte Flashgeheugen en 10 kbyte RAMgeheugen beschikbaar. Daarnaast hebben ze ook geen externe geheugen bus die henzou toelaten om efficient te communiceren met externe RAM- en ROM geheugens.Voor onze toepassingen zullen de beschikbare geheugengroottes echter wel volstaan.Merk op dat de programmacode in het Flashgeheugen wordt opgeslagen.

Traditioneel wordt programmacode voor een microcontroller geschreven in As-sembly. Assembly is een low-level programmeertaal die nauwelijks meer dan eensymbolische weergave van machinetaal is. Bij deze taal is het zo dat iedere regelvan een assembly-instructie naar een enkele machinecode-instructie wordt vertaald,

19Voor Windows gebaseerd systemen zijn dit dll files20Reduced Instruction Set Computer en Central Processing Unit.21Pulse Width Modulation.22Universal Synchronous and Asynchronous Receiver and Transmitter.23Direct Memory Access.


waarbij de vertalende assembler nog wel wat ondersteuning biedt in de vorm vansymbolische namen (mnemonics) voor geheugenlocaties die gebruikt worden voorde opslag van variabelen, en labels voor sprongopdrachten in plaats van absolute ofrelatieve adressen. Een assembler is een programma dat assembly-instructies omzetnaar machinecode die een processor kan uitvoeren. Het is deze machinecode diein het programmageheugen van de microcontroller moet worden geladen. Er zijnverschillende Assembly talen. Elke microcontroller familie ondersteunt een bepaaldtype van Assembly. Voor de MSP430 familie is een aparte Assembly taal, MSP430Assembly, ontwikkeld. Tegenwoordig zijn er voor elke processor en microcontrollerfamilie ook C/C++ compilers beschikbaar. Deze vervullen dezelfde taak als eenassembler, maar dan voor C/C++ in plaats van Assembly. Dit betekent dus datprogrammacode naast Assembly ook in C/C++ kan geschreven worden. Voor com-plexe programmacode kan dit een voordeel zijn. Assembly is immers vrij complexen weinig overzichtelijk. Hierdoor kan het schrijven van Assembly veel tijd in beslagnemen in vergelijking met andere programmertalen. Tegenover dit nadeel staat datin Assembly efficientere code kan geschreven. De Assembly-instructies staan immersheel dicht bij de machinecode.

Voor de MSP430 familie zijn verschillende softwarepaketten ontwikkeld. Dezepakketten ondersteunen bijna allemaal MSP430 Assembly en C/C++. Er zijn zowelcommerciele als niet commerciele pakketten op de markt. Zo stelt Texas Instrumentseen beperkte editie van een C/C++ compiler24 beschikbaar. Dit pakket bevat eencompiler en een simulator die assembler en C/C++ code kan debuggen. Er zijnook niet-commerciele, open-source softwarepakketten beschikbaar. Het bekendstepakket is de MSPGCC toolset die gebaseerd is op de GNU25 toolset. Dit pakketbevat onder andere een simulator en een debugger.

De programmacode voor onze toepassingen zal uitgebreid en complex zijn. Ener-zijds moeten de sensorgegevens verwerkt worden, en anderzijds moet de communi-catie met de radio transceiver verzorgd worden. Voor de communicatie met de radiotransceiver moet er rekening gehouden worden met timingvereisten. Dit maakt deprogrammacode complex. We zullen daarom opteren om de programmacode voor deMSP430 in C/C++ schrijven. Als compiler en debugger gebruiken we het MSPGCCsoftwarepakket.

De meeste microcontrollers uit de MSP430 familie kunnen op twee manierengeprogrammeerd worden, via een bootstraploader26 of via een JTAG interface. DeMSP430 bootstraploader (BSL) is een stukje hardware dat gebruikers toelaat omvanuit de PC het flash- of RAM-geheugen te programmeren. De bootstraploaderbestaat vooral uit een LDO27 spanningsregelaar, invertoren en operationele verster-kers. De loader maakt gebruik van de USART-interface van de MSP430 om met deseriele poort van de PC te communiceren. In figuur 2.31 zijn de communicatiepinnenvan de MSP430 weergegeven die samen de USART-interface vormen (TexasInstru-

24Ontwikkeld door IAR. http://www.iar.com25GNU is een verzamelnaam voor programmeertools ontwikkeld in het kader van het GNU

project. Het GNU project is een geıntegreerd systeem van tools die gebruikt worden voor hetprogrammeren van zowel applicaties als ingebedde systemen.

26Dit heeft niets te zien met bootstraploaders van DSP’s op processoren.27Low Drop Out

2.5. BOUWBLOKKEN 53

ments, 2007).

Figuur 2.31: De bootstraploaderinterface van de MSP430.

De bootstraploader hebben wij niet zelf gebouwd, maar aangekocht bij GeßlerElectronic. Er werd ook software meegeleverd om de PC te laten communicerenmet de bootstraploader. De JTAG interface steunt op de JTAG28 IEEE 1149.1standaard. JTAG is ontworpen om printed circuit boards of PCB’s en geıntegreerdecircuits te testen. Hier wordt het ook gebruikt om vanuit de PC de microcontrollerte programmeren. De communicatiepinnen van de MSP430 die samen de JTAG-interface vormen, zijn weergegeven in figuur 2.32.

Figuur 2.32: De JTAG-interface van de MSP430.

Ook hier is een stuk hardware vereist dat toelaat om via de PC de microcon-troller te programmeren. Deze hardware zet de communicatie van de parallellepoort van de PC om in JTAG. Deze hardware hebben we ook niet zelf gebouwd,maar aangekocht bij Olimex29. Ook hier werd de nodige PC software meegeleverd.Naast programmeren kan de gebruiker ook programmacode debuggen via de JTAG-interface. Via JTAG wordt een on-chip debugmodule aangesproken die in de CPUvan de microcontroller is geıntegreerd.

Voor onze systemen zullen wij ofwel de MSP430F149 ofwel de MSP430F169gebruiken. De MSP430F149 heeft naast klassieke uitgangspinnen, een CPU diedraait op 8 Mhz, 60 kByte Flash geheugen, 2kByte RAM geheugen, 12-bit ADC’s,comparator en een UART-interface. De MSP430F169 is een uitbreiding van deMSP430F149. Hij heeft naast de zonet opgesomde functionaliteiten ook een I2C-interface, een DMA, DAC’s en SVS30 aan boord.

28Joint Test Action Group.29http://www.olimex.com30Supply Voltage Supplier.


Radio transceiver. De radio transceiver is ontworpen voor communicatie in de2,4 GHz-band. We zullen eerst de keuze voor deze frequentieband nader toelichten.Daarna gaan we dieper in op de radio transceiver.

2,4 GHz ISM-band De ISM31-frequentiebanden zijn internationaal gereser-veerd voor niet commercieel gebruik. De toepassingen situeren zich in de industrie,wetenschappelijke en medische sector. Er zijn verschillende ISM-banden. Naast depopulaire 2,4 GHz ISM-band zijn de 900 Mhz band, de 1,8 GHz band en de 5,8 GHzband het meest gebruikt. De keuze voor een ISM band heeft een groot voordeel.Aan het gebruik van de ISM-banden is er weinig regelgeving verbonden. Het aantallicenties dat moet aangevraagd worden, is heel beperkt. Wij zullen de 2,4 GHz bandgebruiken. Deze band strekt zich uit van 2,4 GHz tot 2,4835 GHz. Voor de 2,4 GHzband moet er geen enkele licentie aangevraagd worden. Deze band kan dus vrij dooriedereen gebruikt worden. Bovendien is het gebruik van deze frequentieband gratis.Een werkingsfrequentie van 2,4 GHz is een goed compromis voor mobiele applicaties.Bij hogere werkingsfrequenties reiken de uitgezonden golven minder ver, waardoorcommunicatie over langere afstanden onmogelijk is. Bij lagere werkfrequenties ishet hergebruik van het uitgezonden spectrum, zoals dit gebeurt bij GSM, mindergemakkelijk.

Transceiver Als radio transceiver gebruiken we de nRF2401A, een RF32 chipdie door Nordic Semiconductor33 ontworpen is voor de 2,4 GHz ISM band. DenRF2401A is momenteel een van de kleinste en goedkoopste transceivers op demarkt. Ook op het gebied van vermogenverbruik presteert de chip veruit het best.De transceiver is samen met alle inductieve componenten en filters geıntegreerd opde chip. De chip is vervaardigd in de 0,18 micron CMOS technologie en verpakt ineen 5 mm x 5 mm package. Om een compleet RF systeem te bouwen, is naast dechip enkel een kristal en een weerstand nodig.

De chip bestaat uit een frequentie synthesizer of PLL34, een vermogenversterker,een kristaloscillator en een modulator. De interne structuur van de nRF2401A isweergegeven in figuur 2.33. Het externe kristal en de externe weerstand zijn er ookin weergegeven.

31Industrial Scientific en Medical32Radio Frequency.33http://www.nordicsemi.no34Phase Locked Loop.

2.5. BOUWBLOKKEN 55

Figuur 2.33: De interne structuur van de NRF2401A.

In transmit mode produceert de mixer met behulp van kristaloscillator de draag-golf op een frequentie van 2,4 GHz. Vervolgens moduleert de modulator de inkomendedata op deze draaggolf. Het resultaat wordt versterkt met een vermogenversterkeren aangelegd aan de antenne terminals. In receive mode wordt het inkomend signaaltussen de antenne terminals aangelegd aan een LNA, een low noise amplifier. Demixer haalt de informatie van de draaggolf door het signaal te verschuiven over 2,4GHz. De uitgang van de mixer wordt vervolgens gedemoduleerd door de modulatoren aangeboden als data.

Naast de receive- en de transmit mode heeft de transceiver vier verschillendeoperationele modes. In de configuration mode wordt de nRF2401A geprogrammeerdvia een seriele interface die bestaat uit een datalijn en een klok. Het programmerengebeurt door configuratiebytes naar het configuratieregister te schrijven, dat 15 bytegroot is. De volgorde en betekenis van de configuratiebytes is weergegeven in figuur2.34 (NordicSemiconductor, 2007).


Figuur 2.34: Een uitgebreide beschrijving van het configuratieregister van de nRF2401.

De standby mode wordt gebruikt om het gemiddeld stroomverbruik te verlagenterwijl korte startup tijden behouden blijven. Het af- en aanschakelen vergt immerseen hogere startup tijd. De configuratie blijft in deze mode ook bewaard. Depower down mode is gelijkaardig aan de standby mode met dat verschil dat hetstroomverbruik nog lager ligt, maar dat het voordeel van de snelle startups vervalt.De laatste mode is de active mode. In deze mode worden gegevens verzonden ofontvangen. Dit kan op twee manieren gebeuren: via shockbursts of direct. In directactive mode worden gegevens verzonden zoals bij traditionele RF systemen. Vooroperatie in deze mode volstaat het de eerste twee bytes van het configuratieregisterin te stellen. De bitrate waarmee gegevens over de wireless link verstuurd worden,is dezelfde als de bitrate waarmee data de radio transceiver bereiken. Deze bitratewordt bepaald door de microcontroller die de data verstuurt. Bij de nRF2401Amoet deze bitrate ofwel 250 kbps of 1Mbps bedragen. In deze mode wordt decontinue stroom data dus continu over de wireless link gezonden. In de shockburstactive mode is dit niet zo. Er wordt een on-chip FIFO gebruikt om data aan eenlage bitrate in te klokken. De data kan vervolgens aan een hoge bitrate over de

2.5. BOUWBLOKKEN 57

draadloze link gestuurd. Dit betekent dat de snelheid waarmee de data de radiotransceiver bereikt er niet toe doet. De data worden dus eerst in de FIFO bufferopgeslagen. Ondertussen worden er geen gegevens over de wireless link verstuurd,en wordt er dus geen zendvermogen verbruikt. Eenmaal er voldoende gegevens zijngeaccumuleerd, worden ze aan een hoge bitrate over de wireless link verzonden. Deshockburst technologie zorgt dus voor een enorme vermindering in vermogenverbruikbij lage bitrates. Voor de operatie in de shockburst active mode moet het volledigeconfiguratieregister correct worden ingesteld.

De data worden zowel in shockburst active mode als in direct active mode ver-zonden in datapakketten. De structuur van een datapakket is weergegeven in figuur2.35 (NordicSemiconductor, 2007).

Figuur 2.35: De structuur van een datapakket waarmee data draadloos verzonden wordt.

Een preamble is een bitsequentie die het begin van een datapakket aangeeft.Pakketten zijn ook voorzien van addressering. Zo kan de communicatie in draadlozenetwerken met meerdere ontvangers geregeld worden. De payload bevat de databits.In shockburst active mode is de grootte van de payload vast, terwijl deze in directactive mode kan varieren. In shockburst active mode kunnen we ook een CRC35

toevoegen. Dit is een primitieve controle op eventuele transmissiefouten.De nRF2401A heeft twee connecties voor de antenne terminals. Tussen beide

terminals wordt een gebalanceerde RF uitgang aangelegd. De lastimpedantie tussen

35Cyclic Redundancy Check.


de terminals moet tussen de 200Ω en 700Ω liggen. Voor een maximaal uitgangsver-mogen van 0 dB is de lastimpedantie idealiter 100Ω + j75Ω.

Het sterkte van het uitgezonden vermogen kan ook ingesteld worden. Er kunnenvier sterkteniveaus gekozen worden. Hoe groter het uitgezonden vermogen, hoegroter het gemiddeld stroomverbruik. In tabel 2.7 is een overzicht gegeven van debeschikbare vermogens. De figuur toont ook het gemiddeld stroomverbruik van denRF2401A in functie van het uitgezonden vermogen.

Uitgezonden RF vermogen Gemiddeld stroomverbruik

0 dBm ± 3 dB 13 mA

-5 dBm ± 3 dB 10,5 mA

-10 dBm ± 3 dB 9,4 mA

-20 dBm ± 3 dB 8,8 mA

Tabel 2.7: Het gemiddeld stroomverbruik van de nRF2401A in functie van het uitgezondenvermogen. De waarden gelden onder de volgende condities: Vdd = 3V, temperatuur =27 C, lastimpedantie = 100Ω + j75Ω.

Antenne en matchingcircuit We beschikken over twee antennes die ontwikkeldzijn door Imec. De antennes zijn ontworpen voor frequenties rond 2,4 GHz. Deeerste antenne is een gevouwen dipool. De tweede antenne is een loop antenne. Deantennes zijn weergegeven in figuur 2.36.

Figuur 2.36: De loopantenne en de gevouwen dipoolantenne.

We zullen nu kort enkele karakteristieken van beide antennes bespreken. Wehebben hiervoor gebruik gemaakt van 4NEC2X36. Dit is een softwarepakket waarinantennestructuren kunnen gecreeerd en gesimuleerd worden. De simulator genereertin de eerste plaats het stralingspatroon van de antenne, maar berekent ook de stra-lingsimpedantie van de antenne37. Het materiaal waaruit de antenne is opgebouwden de omgeving van de antenne kunnen ook meegegeven worden aan de simulator.Dit laat ons onder andere toe om stralingspatronen te genereren bij antennes boveneen dielectrisch grondvlak. In 4NEC2X kunnen geen volledige vlakken gedefinieerd

36http://home.ict.nl/ arivoors/37Dus ook reflectiecoefficient Γ en de SWR. Deze zijn immers functie van de stralingsimpedantie

2.5. BOUWBLOKKEN 59

worden. Je kan enkel draden met een bepaalde diameter definieren. In feite kan jeer dus enkel draadantennes in simuleren. Een volledig vlak kan echter wel benaderdworden door een rooster van draden. Hoe fijner het rooster, hoe accurater de si-mulatie. De antenne wordt getekend in een orthogonaal assenstelsel (x,y,z). In watvolgt refereren we naar het XZ-vlak met het verticale vlak en naar het XY-vlak methet horizontale vlak.

We bespreken nu na elkaar de gevouwen dipoolantenne, de loopantenne en hetmatching ciruit.

Gevouwen dipoolantenne. De geplooide dipoolantenne is ontworpen voorde ontvangstmodule. De antenne zal zich dus boven een FR4 substraat bevinden.De antenne is vlak. De korte benen van dan de dipool zijn 9 mm lang, de langebenen 16 mm. De breedte van de benen is 1 mm en is overal hetzelfde. In figuur2.37 is de rasterstructuur weergegeven waarmee ik de antenne heb gesimuleerd.De antenne bevindt zich in het horizontale vlak. De antenne is gesimuleerd opeen werkingsfrequentie van 2,4 GHz. Aan de simulator is als materiaaltype kopermeegegeven.

Figuur 2.37: De rasterstructuur waarmee de gevouwen dipool zal gesimuleerd worden.

We simuleren de antenne in de vrije ruimte. In praktijk zal de antenne zich opeen hard FR4 substraat bevinden. Het FR4 is typisch 2 mm dik. Bij de simulatiesverwaarlozen we de aanwezigheid van het FR4, dat een dielektricum is. Hierdoorzijn de simulaties slechts eens grove benadering van de werkelijkheid. Voor accu-ratere simulaties kan het softwarepakket ADS Momentum van Agilent38 gebruiktworden. We zullen het stralingspatroon bepalen door de antennewinst te simuleren.De antennewinst wordt uitgedrukt in dBi of Decibels relative to an isotropic an-tenna. Dit betekent dat de antennewinst relatief ten opzichte van de winst van eenisotropische39 antenne wordt weergegeven. De stralingspatronen in het verticale enhet horizontale vlak zijn weergegeven in figuur 2.38.

38http://www.agilent.com39Een isotropische antenne zendt in elke richting van de driedimensionale ruimte evenveel ver-

mogen uit.


Figuur 2.38: Het stralingspatroon in het horizontale en het verticale vlak van de gevouwendipool.

In figuur 2.39 is een driedimensionale weergave van het stralingspatroon weergegeven.De stralingsintensiteit is aangeduid door middel van kleuren.

Figuur 2.39: Het stralingspatroon in de driedimensionale ruimte van de gevouwen dipool.

De stralingspatronen tonen aan dat de gevouwen dipool betrekkelijk omnidirec-tioneel is. Voor onze onvangstmodule is een omnidirectionele antenne wenselijk. Inonze toepassingen zal de orientatie van de zender ten op zichte van de ontvangerimmers constant veranderen.

2.5. BOUWBLOKKEN 61

Loopantenne. De loopantenne is ontworpen voor de zendmodule. De antenneis geoptimaliseerd om bovenop de menselijke huid geplaatst te worden. De antenne isvlak en is in het XZ-vlak getekend. De binnendiameter en de buitendiameter bedra-gen respectievelijk 7 mm en 10 mm. In figuur 2.40 is de rasterstructuur weergegevenwaarmee de loopantenne is gesimuleerd.

Figuur 2.40: De rasterstructuur waarmee de loopantenne zal gesimuleerd worden.

We zullen ook hier de antenne simuleren in de vrije ruimte, en de aanwezigheidvan de menselijke huid en het poylimide substraat verwaarlozen. De stralingspatro-nen in verticale en horizontale vlak voor de vrije ruimte zijn weergegeven in figuur2.41.

Figuur 2.41: Het stralingspatroon in de driedimensionale ruimte van de loopantenne.

In figuur 2.42 is het driedimensionale stralingspatroon weergegeven.


Figuur 2.42: Het stralingspatroon in het horizontale en het verticale vlak van de loopan-tenne.

Het is duidelijk dat de loopantenne zeker niet omnidirectioneel is. De antenneis zelfs sterk directief. De grootste antennewinst wordt gemaakt in de richting dieloodrecht op het vlak van de antenne staat.

Matching circuit. Tussen de antenne terminals van de radio transceiver ende antenne wordt een matching circuit of een aanpassingscircuit geplaatst. Hetmatching circuit heeft als doel zoveel mogelijk vermogen over te brengen naar deantenne. Zonder een matching circuit zal er een groot deel van het vermogen aande antenne worden teruggekaatst, omdat de impedantie die gevoeld wordt tussen deantenne terminals van de radio transceiver niet gelijk is aan de stralingsimpedantievan de antenne. Een aanpassingscircuit vertaalt als het ware een impedantie in eenandere impedantie. Het circuit dat we hier gebruiken, zorgt voor een aanpassingtussen de stralingsimpedantie en 100Ω + j75Ω. Dit is de impedantie tussen deantenne terminals van de transceiver bij maximaal uitgangsvermogen.

2.5.3 Verwerkingseenheid

Zoals vermeld in de paragraaf 2.1 is het doel van de thesis niet een volwaardigvaldetectiesysteem of een epilepsie detecterend systeem te vervaardigen. Het doelligt veeleer bij het bouwen van systemen die bewegingsgegevens kunnen visualiseren.Deze visualisatie gebeurt door de verwerkingseenheid. De verwerkingseenheid krijgtvia de communicatielink gegevens doorgestuurd uit de meeteenheid. Als verwer-kingseenheid is een standaard PC gekozen. Aangezien de verwerkingseenheid eenPC is, zullen we visualisatiesoftware schrijven in een hoge niveau programmeertaal.Het aanbod van hoge niveau programmeertalen is zeer uitgebreid. Het besturingssys-teem van de PC is Windows. De programmeertaal moet dus ondersteund worden

2.5. BOUWBLOKKEN 63

door Windows. Java, C/C++ en C# zijn heel populaire programmeertalen, maarvergen complexe structuren en vooral veel programmeerwerk om grafische appli-caties te ontwikkelen. LabView en Visual Basic hebben dit nadeel niet. Deze talenlaten toe om zeer snel en efficient grafische applicaties te ontwikkelen. Dit zijn pre-cies de applicaties die we voor ogen hebben. Bovendien zijn de talen eenvoudig engebruiksvriendelijk waardoor de leercurves heel steil zijn. Deze talen hebben wel alsnadeel dat ze minder performant zijn dan C/C++ en Java. Omdat we de gegevensenkel visualiseren en geen zware berekeningen uitvoeren, zal de performantie vanVisual Basic en LabView reeds volstaan. We verkiezen Visual Basic boven Lab-View. Visual Basic leent zich immers beter dan LabView om complexe algoritmeste implementeren. Dit kan handig blijken als er naast visualisatie van gegevens ookcomplexe bewerkingen op de gegevens moeten gebeuren.

Hoofdstuk 3

Technologie

In een eerste fase zullen onze elektronische systemen op de typische printed circuitboards (PCB’s) worden geplaatst. Dit laat ons toe om de systemen eerst grondiguit te testen vooraleer we ze gaan ontwikkelen op flexibele substraten. Als substraatvan een PCB bord wordt typisch FR41 gebruikt. FR4 is een samenstelling vanexpoxyhars en een geweven glasvezelmat. Het is een materiaal uit de klasse vanglasvezel gebonden epoxyharsen. In tabel 3.1 zijn een aantal karakteristieken vanhet materiaal weergegeven.

Karakteristiek Waarde

Dielektrische constante 4,70 (max)

Dissipatiefactor 0,02 bij 1 Mhz; 0,01 bij 1 GHz

Dielektrische sterkte 20 MV/m

Oppervlakteweerstand 2 · 105 MΩ

Volumeweerstand 8 · 107 MΩcm

Typische dikte 1,25 mm - 2,54 mm

Stijfheid (Young’s Modulus) 17 GPa

Dichtheid 1,91 kg/L

Tabel 3.1: De belangrijkste karakteristieken van FR4.

Het materiaal heeft een grote stijf- en hardheid. Hierdoor is het niet plooibaarmaar zal het bij vervorming breken.

Onze biomedische systemen zullen door de mens op het lichaam worden gedragen.De systemen kunnen rechtstreeks of onrechtstreeks - via kledij - op het lichaamworden geplaatst. Idealiter zouden de systemen zo latent mogelijk moeten zijn. Ditbevordert het comfort voor de mens of patient die ze met zich meedraagt. Hij magzich er als het ware niet bewust van worden. Dit kan pas lukken als de elektronicaperfect in de kledij of op het lichaam geıntegreerd wordt. Het is duidelijk dat deharde FR4 borden hier niet voor geschikt zijn en het comfort van de patient in deweg staan.

1Flame Retardant # 4

65

66 HOOFDSTUK 3. TECHNOLOGIE

In een tweede fase zullen we de systemen ontwerpen op een flexibel substraat.Dit zal het comfort voor de patient aanzienlijk verhogen. Een flexibel substraatis veel lichter dan een FR4 substraat. Daarnaast zal het zich veel beter lenen totintegratie op het lichaam. De schakeling kan immers de vorm aannemen van hetlichaamsdeel waar het op geplaatst zal worden. We zullen nu de flexibele technologieen het productieproces nader toelichten.

3.1 Flexibele substraten

Voor de vervaardiging van flexibele substraten kunnen verschillende materialen wor-den aangewend. Typisch worden polyimides gebruikt voor high-end applicaties.Polyester, soorten papier en plastic worden voor kostgevoelige toepassingen aangewend.Met deze goedkopere materialen kan er wel geen meerlagige structuur gevormd wor-den. De materialen zijn hiervoor mechanisch te instabiel. Wij zullen voor onssubstraat een polyimide gebruiken. polyimides zijn zeer flexibel en hebben eengrote sterkte. Ze hebben ook een lage dissipatiefactor en een goede dielektrischeconstante. Hierdoor hebben ze een goede performantie bij hoogfrequent toepassin-gen. Bovendien laten ze toe om laserablatie te ondergaan. Dit zal ons toelatenvia’s te ontwikkelen. Er zijn momenteel een drietal polyimide substraten commer-cieel beschikbaar: Kapton van DuPont, Upilex van UBE en Apical van Kaneka. Infiguur 3.1 is een overzicht gegeven met de belangrijkste eigenschappen van deze driepolyimides.

Figuur 3.1: De drie commercieel beschikbare polyimides met hun belangrijkste eigenschap-pen.

Voor onze substraten gebruiken we Upilex. Dit polyimide heeft een uitstekende

3.2. DUBBELZIJDIGE FLEX 67

mechanische stabiliteit en warmteresistiviteit. Bovendien ondersteunt dit polyimidede vervaardiging van dubbelzijdige substraten. Dit zijn substraten met zowel aan deboven- als de onderkant componenten en interconnecties. In Hoofdstuk 4 zal blijkendat de systemen die we ontwikkeld hebben dubbelzijdige zijn.

Een flexibel substraat bestaat typisch uit drie lagen. Een polyimidelaag, eenadhesieve laag en een koperlaag. Dit is weergegevn in figuur 3.2. Het patroon wordtgevormd door koper nat weg te etsen.

Figuur 3.2: De typische drielagige structuur van een flexibel substraat.

De dikte van de koperlaag is minimaal 12 µm. Dunnere koperlagen breken im-mers te makkelijk tijdens het lamineren. Dikke koperlagen hebben naast hun diktenog een groot nadeel. De onderets van koper is bij nat wegetsen immers evenredigaan de dikte van het koper. Bij dikker koper zal de onderets dus veel groter zijn.Hierdoor zal de pitch tussen de geleidende koperbaantjes naar onder begrensd zijn.

Er zijn ondertussen alternatieve processen ontwikkeld die een dunnere koperlaaggebruiken en dus een kleinere pitch tussen de baantjes toelaten. Deze processengebruiken geen adhesieve laag meer. Dit is weergegeven in figuur 3.3. De koperlaagwordt rechtstreeks op de polyimidelaag geplaatst. Het polyimide moet hiervoor eerstwel behandeld worden om de adhesie met koper te verbeteren. Dit gebeurt aan dehand van vacuum processen. Hierdoor ligt de kostprijs van het productieprocesredelijk hoog.

Figuur 3.3: De tweelagige structuur van innovatieve flexibele substraten.

We gebruiken voor onze substraten een dergelijk alternatief proces. We zullendus geen adhesieve laag gebruiken. Als koperlaag gebruiken we Upisel-N. Dit is eenop een polyimide gebaseerd koperlaminaat.

3.2 Dubbelzijdige Flex

Onze elektronische schakelingen maken gebruiken van twee interconnectielagen. Wehebben dus een dubbelzijdig flexibel substraat nodig. De twee interconnectielagenworden verbonden met een aantal via’s. Het ontwikkelen van een dubbelzijdigeflexibele schakeling is geen sinecure.

68 HOOFDSTUK 3. TECHNOLOGIE

We beschrijven nu kort de procesflow die we zullen volgen om de dubbelzijdige,flexibele substraten te vervaardigen. Er wordt gestart met een Upilex substraat van25 µm met aan beide zijden een laag koper. Het type Upilex dat wij gebruikenis zodanig bewerkt dat er geen adhesieve laag nodig is om het koper te hechten.Het koper zal dus rechtstreeks op het polyimide worden gelegd. Het oppervlak vande substraten wordt wel eerst ruw gemaakt door zandstraling. Het substraat wordtgedehydrateerd door het substraat kortstondig op te warmen in de oven. Dan wordende viagaten gemaakt in het polyimide. Dit gebeurt door laserablatie. Er wordthiervoor een Nd-YAG laser gebruikt. Vervolgens worden de via’s geleidend gemaaktdoor een depositie van koper binnenin de via’s en op de rest van het substraat.De depositie van koper gebeurt in feite in verschillende stappen. Eerst wordt erelectroless plating toegepast. Daarna volgt een electro plating stap. De koperlaag iszo’n 200 µm dik. Vervolgens wordt er negatieve fotoresist2 gelegd op beide zijden vanhet substraat. Daarna wordt de bovenkant belicht met behulp van een ontworpenmasker. Het masker definieert de routering en de pads van het uiteindelijke systeem.Daarna gebeurt hetzelfde met de onderkant. Hierna wordt het overbodige koperweggeetst. Bij negatieve fotoresist wordt het niet belichte koper samen met de nietbelichte fotoresist weggeetst. Wat er overblijft is het interconnectiepatroon in koper.Nu moet er nog een Develop-stap worden uitgevoerd om de resterende fotoresist teverwijderen. Vervolgens wordt er met behulp van een soldeermasker een isolerendelaag over het koper en de polyimide gelegd. Naast de isolatie zorgt deze laag ook voormechanische stabiliteit van het substraat. Een soldeermasker definieert welke padser niet moeten geısoleerd worden. Dit zijn typisch de pads waarop de componentengeplaatst worden tijdens de assemblage. De laatste stap is het aanbrengen van een3µm dikke nikkellaag met daarboven een 150 nm dikke goudlaag. Dit gebeurt enkelop de niet geısoleerde pads. Dit vergemakkelijkt de assemblage van componenten.Soldeersel bindt immers veel gemakkelijker met nikkel dan met koper. Het gouddoet dienst al beschermingslaag tegen de oxidatie van nikkel.

We merken nog op dat de vervaardiging van de via’s speciale aandacht verdient.Het is belangrijk dat de ratio van de via3 ongeveer een is. Wanneer de hoogte veelgroter is dan de diameter zullen er problemen optreden bij het electroplaten van hetkoper binnenin de via. In het omgekeerde geval zal de fotoresist door de via vallen.Hierdoor is de via tijdens het etsen niet meer beschermd door fotoresist, en wordthet koper in de via weggeetst.

2Als fotoresist wordt Riston FX 930 gebruikt.3De ratio van een via kunnen we definieren als de verhouding van de diameter tot de hoogte

van de via.

Hoofdstuk 4

Resultaten

In dit hoofstuk bespreken we de realisaties van de bewegingsregistrerende systemendie in Hoofdstuk 2 zijn beschreven. Net zoals in Hoofdstuk 2 delen we de systemendus op in accelerometrie systemen en de IMU. Beide systemen zijn eerst op een FR4substraat gemaakt. Dit liet ons toe de systemen eerst grondig te testen. Het is pasin een later stadium dat de systemen op een flexibel substraat zijn vervaardigd.

We hebben het softwarepakket Orcad1 gebruikt voor de ontwikkeling van zowelde systemen op FR4 als van die op flexibele substraten. Meer in het bijzonderhebben we Orcad Layout Plus gebruikt om de fysische layout te ontwerpen.

4.1 Accelerometrie

Er zijn verschillende realisaties van systemen die acceleraties registreren. In eersteinstantie werd een wired en een wireless systeem gebouwd op een FR4 substraat.Deze systemen bevatten componenten die ons toelaten de systemen te testen. Voor-beelden van dergelijke componenten zijn schakelaars, LED’s, testpads en connec-toren om de microcontroller te programmeren. In tweede instantie is het wirelesssysteem ontwikkeld op een flexibel substraat. De testcomponenten zijn hier nietmeer op aanwezig. Zo bekomen we een compacter systeem.

4.1.1 Wired accelerometer systeem

Het wired accelerometer systeem meet de acceleratie die het ondervindt in de driedi-mensionale ruimte. We bespreken nu kort de layout van het systeem, de visualisatieen een aantal testmetingen. Centraal in het systeem staat de KXPS5, de driedimen-sionale accelerometer van Kionix die we in paragraaf 2.5.1 gekozen hebben.

4.1.1.1 Schema en layout

Het systeem is op een FR4-substraat ontwikkeld. Het FR4-bord is 3 cm lang en 2 cmbreed. Het bord is in de eerste plaats ontworpen om de werking van de accelerome-ter te testen. Daarom zijn er naast de accelerometer een aantal schakelaars voorzien

1http://www.orcad.com

69

70 HOOFDSTUK 4. RESULTATEN

waarmee bepaalde functionaliteiten van de accelerometer kunnen geactiveerd wor-den. Zo kan de accelerometer bijvoorbeeld in standy mode of interrupt mode gezetworden. Een connector verbindt de I2C interface van de accelerometer met de I2Cinterface adapter van Diolan. Naast de signalen SDA en SCL, die samen de I2Cinterface vormen, worden ook de massa en de voeding onttrokken aan het interfacebord. Het bord heeft daarom geen batterij aan boord. De voedingsspanning is 3,3V, en het gemiddeld stroomverbruik van de accelerometer bedraagt 0,8 mA. is DeI2C verbinding tussen de accelerometer en het interface bord is momenteel 40 cmlang. Dit is veel te kort met het oog op onze toepassingen. De mens zal het systeemimmers met zich meedragen, terwijl de interface adapter zich bij de PC bevindt.De verbinding kan echter wel langer worden gemaakt. De lengte wordt weliswaarbeperkt door de serieweerstand Rp van de geleidende draden. Volgens Philips (2000)mag de I2C-buscapaciteit Cp maximaal 400 pF bedragen. De maximale grootte vanRp wordt dan bepaald door de tijdsconstante RpCp. Deze tijdsconstante moet kleingenoeg om nog aan de timingvereisten van I2C te kunnen voldoen. Het bordje isweergegeven in figuur 4.1.

Figuur 4.1: Het wired accelerometer systeem op FR4.

4.1.1.2 Visualisatie

In Visual Basic 6 is een applicatie geschreven die de gegevens van de accelerome-ter visualiseert. We hebben hierbij gesteund op een programmeerbibliotheek vanDiolan. Deze bibliotheek bevat Visual Basic functies die communiceren met hetinterface bord van Diolan. Merk op dat er voor een goede werking een aantalextra systeembestanden moeten worden geınstalleerd op de PC. Vooraleer de ac-celeratie wordt gevisualiseerd, worden de meetgegevens gecompenseerd met behulpvan hardgecodeerde calibratiewaarden. De calibratiewaarden werden bepaald metbehulp van de calibratiemethode die beschreven staat in paragraaf 2.3.3. De acceler-atie wordt op twee manieren gevisualiseerd. Het eindpunt van de driedimensionaleacceleratievector wordt in een orthonormaal assenstelsel (x,y,z) weergegeven. Hetassenstelsel kan met behulp van de muis geroteerd worden. Zo kan de gebruikerde gevisualiseerde gegevens vanuit alle orientaties bekijken. Het zorgt ook vooreen betere driedimensionale weergave van de gegevens. De metingen worden in eenbuffer opgeslagen. Alle meetpunten blijven dus weergegeven zolang de buffer niet


vol is. Er kunnen 3000 metingen worden opgeslagen in de buffer. Deze buffergrootteis hardgecodeerd, maar kan in principe gewijzigd worden. Daarnaast wordt de am-plitude, uitgedrukt in g2, in een grafiek weergegeven. De amplitude en tijd zijnrespectievelijk de ordinaat en de abscis. Enkel de honderd meest recente metingenworden weergegeven. De tijdas schuift dus door zolang de meting loopt. De GUIvan de applicatie is weergegeven in figuur 4.2.

Figuur 4.2: De grafische user interface (GUI) van de wired accelerometer.

De meting kan gestart worden door op de startknop te drukken. De accelerometercontroleert eerst of de accelerometer zich op de I2C-bus bevindt. Als dit niet hetgeval is, wordt er een foutmelding gegenereerd. De applicatie is de I2C-Master ende accelerometer is de I2C-Slave. Dit betekent dat de applicatie het initiatief neemtin de communicatie met de accelerometer. Het aantal metingen dat per secondemoet worden uitgevoerd, kan met behulp van de GUI worden ingesteld. Met behulpvan het Visual Basic-object TimerControl leest de applicatie op het gepaste tijdstipde registers van de accelerometer. Alle registers van de accelerometer zijn 8 bitsgroot. De interne ADC bemonstert de analoge metingen echter met 12 bits. Daarommoeten er voor elke sensitiviteitsas twee registers gelezen worden. Voor een metingvan de driedimensionale acceleratie moeten er dus in totaal zes 8 bit registers gelezenworden. In theorie kunnen zoveel metingen per seconde worden weergegeven als de

21g is 9, 81m/s2


snelheid van het I2C protocol toelaat. De snelheid is standaard 400kbit/s, maarkan op andere snelheden worden ingesteld. We verwijzen naar paragraaf 2.5.2.2voor meer details. In de praktijk zal het aantal gevisualiseerde metingen veel lagerliggen. De grafische applicatie kan grote datadebieten immers niet aan. Na elkemeting voert de applicatie een update uit van de grafieken en dit vergt tijd. Desnelheid van uitvoering is afhankelijk van de CPU kracht van de PC. Op een IntelPentium 2.0 GHz bleek het aantal metingen per seconde beperkt te zijn tot 25 perseconde. De verwerkingssnelheid op PC kan verhoogd worden door de applicatie ineen sterkere programmeertaal te schrijven. We denken bijvoorbeeld aan C of C++.De meting kan gestopt door de stopknop. De gevisualiseerde metingen kunnen altijdgewist worden met behulp van de knop Clear Plot.

4.1.1.3 Metingen

De metingen zijn analoog aan die van het wireless accelerometer systeem dat zometeen wordt besproken. Het systeem dat hier wordt besproken verschilt immersenkel van het wireless accelerometer systeem op het vlak van de communicatie. Weverwijzen dan ook naar de metingen van het wireless accelerometer systeem. Dezezijn opgenomen in paragraaf 4.1.2.4.

4.1.2 Wireless accelerometer systeem

Het wireless accelerometer systeem meet net zoals het wireled systeem de acce-leratie in de driedimensionale ruimte. Het verschil tussen beide systemen ligt in decommunicatie met de PC. Dit gebeurt nu draadloos. Het systeem bestaat uit eenzendmodule en ontvangstmodule. Op PC niveau is een applicatie geschreven diecommuniceert met de ontvangstmodule en de gemeten gegevens visualiseert.

4.1.2.1 Zendmodule

De zendmodule meet de acceleratie en zendt de gemeten gegevens door naar deontvangstmodule. De zendmodule bestaat uit twee delen. Enerzijds bevat de modulede KXPS5, de driedimensionale accelerometer van Kionix die we in paragraaf 2.5.1gekozen hebben. En anderzijds bevat de module de wireless link die in paragraaf2.5.2.4 is beschreven. Het is in de eerste plaats ontwikkeld om de wireless link tetesten. De wireless link heeft als microcontroller de MSP430F149, als transceiverchip de nRF2401 en als antenne de gevouwen dipool. Daarnaast bevat de moduleook nog rand- en testcomponenten.

Schema en layout. Het systeem is op een FR4-substraat ontwikkeld. Het FR4-bord is 7,5 cm lang, 3 cm breed en slechts enkele millimeters dik. Het systeemheeft nog geen batterij aan boord. De voeding en massa moeten extern wordenaangelegd. We hebben hier bewust voor gekozen. Het is immers praktischer omeen een systeem met een externe voeding te testen. De zendmodule is in figuur 4.3weergegeven. Het elekrtische schema is gebaseerd op een gelijkaardig systeem vanIMEC. De I2C-interface van de accelerometer is verbonden met een connector die


gebruikt wordt om te testen. Deze interface is niet verbonden met de microcontroller.De MSP430F149 heeft immers geen I2C-interface. Zoals vermeld in paragraaf 2.5.1.1is het wel aan te raden om de digitale interface te gebruiken voor de communicatiemet de microcontroller. We kunnen dit doen door de MSP430F149 te vervangen doorde MSP430F169 die wel een I2C-interface aan boord heeft. De analoge uitgangenvan de accelerometer zijn verbonden met ADC’s van de microcontroller. De interneADC’s van de microcontroller zorgen dan voor de digitale omzetting. Verder is deseriele UART interface van de microcontroller verbonden met de seriele interfacevan de nRF2401A. Er is ook speciale aandacht besteed aan het matchingcircuit vande gevouwen dipool. De componenten van het circuit zijn zo dicht mogelijk bij deantenne terminals geplaatst.

Figuur 4.3: De zendmodule van het wireless accelerometer systeem op FR4.

Merk op dat er naast de accelerometer een schakelaar staat waarmee de ac-celerometer kan gereset worden. Na elke start-up moet de accelerometer geresetworden. Dit is gebleken tijdens het testen.

Programmacode. Naast het elektrisch schema en de fysische layout van het sys-teem heb ik ook programmacode voor de microcontroller ontwikkeld. De program-macode kan opgedeeld worden in drie delen. Een eerste deel is de main code dieopgeroepen wordt wanneer de microcontroller wordt opgestart. Een tweede deelvan de code communiceert met de interne ADC’s. Het derde en laatste deel com-municeert met de seriele interface die verbonden is met de transceiver chip.

De main code initialiseert de microcontroller en roept de code voor de ADC’s ende seriele interface op. De initialisatie legt onder meer de kloksnelheid van microcon-troller vast. De zendmodule gebruikt de interne klokgenerator van de MSP430F149.De klokgenerator is een een DCO3. De klokfrequentie is geprogrammeerd op ongeveer3,1Mhz. Merk op dat deze frequentie ook afhangt van de grootte van de voedings-spaning. Het externe 32,768Khz kristal wordt hier dus niet gebruikt. Het voordeelvan het gebruik van het externe kristal is een nog lager vermogenverbruik. Eenlagere kloksnelheid is de prijs die hiervoor wordt betaald. In het algemeen geldt:hoe lager de klokfrequentie, hoe lager het vermogenverbruik. Straks zal blijken dat

3Digitally controlled oscillator


de microcontroller niet de vermogenverslinder is van de zendmodule. De marginalevermogenswinst van het gebruik van het externe kristal zou dus klein zijn. Na deinitialisatie komt de main in een een lus terecht. Tijdens elke iteratie worden de drieanaloge accelerometeruitgangen bemonsterd. De bemonsterde waarden worden danin een datapakket geschreven. Dit datapakket wordt vervolgens naar de transceivergeschreven die het pakket over de draadloze link verzendt. De vorm van het da-tapakket is weergegeven in figuur 4.4. Nadat het datapakket verzonden is, laat demicrocontroller een LED flikkeren en wordt er gedurende een bepaalde tijd gewacht.De microcontroller gaat hierbij in een low-power mode. De wachttijd kan ingesteldworden en is in de praktijk de tijd die verstrijkt tussen twee verschillende metingen.Momenteel is deze tijd ingesteld op 10000 kloktikken of ongeveer 3,2 ms. Dit komtneer op ongeveer 310 metingen per seconde.

Figuur 4.4: De vorm van het datapakket waarmee in de microcontroller gegevens wordengeordend vooraleer ze worden verzonden.

Het datapakket is ingedeeld in bytes. Het seriele protocol waarmee we com-municeren met de transceiver gebruikt immers een byte als datalengte. Het pakketbevat naast de meetgegevens ook een node address en een pakketteller. Met het nodeaddress kan de ontvanger de zender identificeren. Momenteel is het node address1 byte lang. Dit betekent dat we 256 verschillende zenders tergelijkertijd kunnengebruiken. We kunnen dit gemakkelijk uitbreiden door in het datapakket meer bytestoe te kennen aan het node address. De pakketteller is ook 1 byte lang en telt hetaantal verzonden pakketten in modulo 256. De pakketteller kan gebruikt wordenom het verlies van pakketten te detecteren. De ontvanger zendt immers geen ac-knowledgement bij ontvangst van een pakket. Merk op dat we dit eenvoudig zoudenkunnen implementeren. De rest van het datapakket bestaat uit de meetgegevens.Eerst volgt het meetresultaat volgens de x-as, dan dat volgens de y-as en daarnadat volgens de z-as. Elk meetresultaat bestaat uit 12 bits en wordt verspreid overtwee bytes. Dit gebeurt zoals weergegeven in figuur 4.5.

Figuur 4.5: De bitpositionering van het 12-bit meetresultaat in een byte low en een bytehigh.

Het datapakket mag niet verward worden met het RF datapakket dat de transceiverchip gebruikt om data over de draadloze link te versturen. Het datapakket dat hierbeschreven is, hebben we zelf gedefinieerd en geeft aan hoe de meetgegevens in de mi-crocontroller gegroepeerd worden. Het volledige datapakket van de microcontroller


wordt door de transceiver als payload beschouwd en in een RF pakket gestopt. Hetverschil in beide types datapaketten is tot op een zeker niveau te vergelijken methet verschil in datapaketten van de IP-layer en de physical layer in een interne-tomgeving. Data wordt er gegroepeerd in een IP -pakket. In IP -pakket zit er onderandere informatie over het IP -adres van de PC die data verzendt. Met dit adreskunnen verschillende PC’s van elkaar worden onderscheiden. Het IP -pakket wordtuiteindelijk verzonden door de physical layer. De physical layer ziet het IP -pakketgewoon als data en verpakt het volledige pakket in een physical layer.

De code die communiceert met de ADC’s wordt telkens opgeroepen vanuit demain wanneer er een analoog naar digitaal conversie moet gebeuren. Het kanaalof signaal dat moet bemonsterd worden kan vanuit de main als parameter wordenmeegegeven. In de praktijk zullen dit de drie analoge accelerometeruitgangen zijn.De ADC’s zijn zo ingesteld dat ze een 12-bit conversie uitvoeren van analoge signalentussen 0 V en de voedingsspanning die 3,3 V bedraagt. Tijdens de conversie gaat demicrocontroller in low power mode om vermogen te sparen. Na de conversie wordteen interrupt gegenereerd die de controller terug in active mode brengt. Na deconversie wordt er teruggekeerd naar de main code. Het digitale conversieresultaatis na de conversie beschikbaar vanuit de main.

De code die communiceert met de seriele interface verzorgt de communicatietussen de microcontroller en de transceiver. Voor de seriele communicatie wordt hetSPI protocol gebruikt. We verwijzen naar paragraaf 2.5.2.1 voor meer informatieover dit digitale protocol. SPI wordt ondersteund door de MSP430F149. De codebestaat uit verschillende functies. Zo zijn er aparte functies die de transceiver chipkunnen activeren, desactiveren en configureren. Maar er is ook een functie die data-pakketten naar de transceiver schrijft die ze op zijn over de draadloze link verzendt.De transceiver chip wordt ingesteld in shockburst mode. De datapakketten in demicrocontroller worden dus niet geaccumuleerd, maar worden over de draadloze linkverzonden van zodra ze beschikbaar zijn. De microcontroller brengt de transceiverin een power-down mode nadat het datapakket is verzonden. Van zodra een nieuwdatapakket beschikbaar is, wordt de transceiver vanuit de power-down mode in deshockburst mode gebracht. De transmissiesnelheid is ingesteld op 250 kbit/s. Erwordt bij elk verzonden pakkket een 16-bit CRC gebruikt. Verder vermelden we dathet RF kanaal 22 is gebruikt. Dit betekent dat de data gemoduleerd wordt op eendraaggolf van 2,422 GHz. De transceiver is ingesteld om uit te zenden op maximaalvermogen. Het maximale vermogen bedraagt 0 dBm of 1 mW4. Dit komt overeenmet de Bluetooth Radio Class 3 Standard5. Bluetooth systemen worden aan de handvan hun uitgezonden vermogen ingedeeld in verschillende klasses.

Voor meer informatie rond de instelling en programmering van de microcontrollerverwijzen we naar de header-bestanden van de programmacode.

Performantie. We bekijken nu eerst de performantie van het systeem op het vlakvan vermogenverbruik. De voedingsspanning voor de zendmodule bedraagt 3,3 V.Het gemiddeld stroomverbruik van de zendmodule wordt berekend in tabel 4.1. Het

4Ter vergelijking: GSM’s zenden typisch een vermogen van 100 mW uit.5http://en.wikipedia.org/wiki/Bluetooth


stroomverbruik wordt bepaald door de drie actieve componenten van de zendmodule:de accelerometer, de microcontroller en de transceiver. Het vermogenverbruik vande transceiver is afhankelijk van het ingestelde uitgezonden vermogen. In ons gevalis dit ingesteld op 0 dBm. Volgens tabel 2.7 zal in dit geval het stroomverbruik13 mA bedragen. Merk op dat het gemiddeld stroomverbruik lager zal uitvallen,omdat de microcontroller de transceiver telkens in power-down mode brengt nadathet datapakket verzonden wordt. Het stroomverbruik in power-down mode bedraagtslechts 400 nA.

Het vermogenverbruik van de microcontroller is afhankelijk van de ingesteldeklokfrequentie en voedingsspanning. Bij 3,1 Mhz en 3,3 V voedingsspanning ligt hetgemiddeld stroomverbruik op ongeveer 1,3 mA. Het stroomverbruik in low-powermode bedraagt 55 µA.

Het gemiddeld stroomverbruik van de accelerometer in active mode en bij 3,3 Vvoedingsspanning bedraagt 0.8 mA. In standby mode bedraagt dit slechts 1,2 nA.

Component Gemiddeld stroomverbruik Vermogenverbruik bij 3,3V

KXPS5 0.8 mA 2,64 mW

MPS430F149 1,4 mA 4,62 mW

nRF2401A 13 mA 42,6 mW

Totaal 15,2 mA 50,16 mW

Tabel 4.1: Het gemiddeld vermogenverbruik van de zendmodule.

De transceiver verbruikt het meest vermogen, de accelerometer het minst. Het to-tale vermogenverbruik van het systeem bedraagt dus ongeveer 50 mW. Dit betekentdat we een batterij nodig hebben van 3,3 V met een capaciteit van ongeveer 365mAh, als we het systeem 24 uur willen laten werken. Merk op dat dit een bovengrensis. Zoals hierboven vermeld staat, zal het gemiddeld stroomverbruik lager liggen. Dedrie actieve componenten kunnen immers allemaal in een low-power mode kunnengebracht worden. We hebben dit gedaan voor de transceiver en in beperkte matevoor de microcontroller. De accelerometer blijft constant in active mode, omdat onssysteem constant de acceleratie registreert.

We bekijken nu het zendbereik van de module. Zoals daarnet vermeld, zendtde transceiver een maximaal vermogen uit dat overeenkomt met de Bluetooth RadioClass 3 Standard6 van 0 dBm of 1 mW. Deze standaard heeft een typische range van1m. Tijdens de testen is echter gebleken dat de range veel verder reikt. We hebbenhet bereik getest bij een LoS7 situatie. De maximale afstand tussen de twee antenneswaarbij er geen pakketverlies optreedt bedraagt 8,5 m. Bij grotere afstanden treedter pakketverlies op. In een nLos8 situatie was het bereik typisch een 4 m tot 5 m.Merk op dat in deze situatie het bereik sterk afhangt van de omgeving. Deze testenzijn gebeurt met de gevouwen dipool als antenne. Wanneer de loopantenne wordtgebruikt kan men verwachten dat in een LoS situatie het bereik groter zal zijn dan

6http://en.wikipedia.org/wiki/Bluetooth7Line of Sight. Er is een rechtstreeks pad aanwezig tussen de zenden de ontvangstantenne

waarop zich geen obstakels bevinden.8no Line of Sight.


8,5 m. Uit paragraaf 2.5.2.4 blijkt immers dat de loopantenne veel directiever is.Het valt te verwachten dat in een nLoS situatie het bereik zal lager liggen.

Flexibel substraat. Het systeem is in tweede instantie ook op een dubbelzijdigflexibel substraat vervaardigd. Het elektrisch schema en de layout zijn vrij geli-jkaardig aan het systeem op het FR4 substraat. Alle componenten staan op een zijdevan het substraat. De componenten zijn nu echter nog dichter bij elkaar geplaatst ende testcomponenten zijn weggelaten. Dit leidt tot een nog compacter systeem. Ookde JTAG connector waarmee de microcontroller wordt geprogrammeerd, is wegge-laten. De JTAG signalen kunnen bereikt worden door blootliggende pads. Menkan dan de microcontroller programmeren door tijdelijk de pads te verbinden meteen JTAG connector. Dit dient te gebeuren na de assemblage van de componentenen net voordat het substraat wordt ingebed in silicone. Het dubbelzijdig substraatwas op het moment van dit schrijven reeds vervaardigd, maar de assemblage vancomponenten was helaas nog niet gebeurd. We hebben twee flexibele substratenontwikkeld. Op het ene substraat is de gevouwen dipool gebruikt als antenne en ophet andere de loopantenne. Beide substraten zijn dubbelzijdig. De componentenworden allemaal op de bovenzijde geplaatst. Beide substraten zijn met de layouterop weergegeven in figuur 4.6. Het substraat met de loop antenne is 1,5 cm breeden 4,5 cm lang.

We hebben ervoor gekozen om in het flexibel systeem geen batterij op te nemen.Het systeem wordt ingebed in silicone. Dit betekent dat de batterij niet zou kunnenvervangen worden wanneer dit nodig zou blijken. De batterijen die voor ons systeemin aanmerking zijn kleine en platte batterijen. Kleine en platte batterijen hebbentypisch een cirkelvormige vorm. De diameter van de batterij mag hoogstens eenpaar centimeter zijn. Anders zou de compactheid van ons systeem in het gedrangkomen. Dergelijke batterijen hebben typisch een capaciteit die varieert tussen 50mAh en 1000 mAh. Rekening houdend met gemiddelde stroomverbruik van onssysteem (tabel 4.1) betekent dit dat het systeem slechts enkele dagen zou kunnenwerken. Vooraleer het systeem van een batterij wordt voorzien, moet er manierbedacht worden om de batterij gemakkelijk te kunnen vervangen of opnieuw op teladen.

Figuur 4.6: De dubbelzijdig flexibele substraten met de layout van het wireless accelerom-eter systeem.


4.1.2.2 Ontvangstmodule

De ontvangstmodule is ontworpen en vervaardigd door IMEC. De wireless link isdezelfde als bij de zendmodule. Centraal in het systeem staat dus opnieuw deMSP430F149 als microcontroller. Naast de communicatie met de transceiver ver-zorgt deze nu ook de communciatie met de FTDI chip. De transceiver werkt nu alsontvanger en de FTDI chip zorgt voor USB communicatie met de PC. Daarnaastbevat de module ook nog een aantal randcomponenten.

Schema en layout. De module is 6 cm lang en 1,5 cm breed, en is op een dubbel-zijdig FR4 substraat geplaatst. Het systeem is slechts enkele millimeters dik. Demodule heeft een USB A type connector aan boord. Hierdoor kan de module netals een USB-Stick in een USB-poort worden geplugd. Een USB-kabel is overbodig.De belangrijkste randcomponent is de JTAG connector waarmee de microcontrollerkan geprogrammeerd worden. Op het bord staan er ook twee LED’s. Het rode LEDflikkert wanneer de microcontroller een datapakket ontvangt, het gele wanneer hetpakket naar de PC wordt verzonden. De ontvangstmodule is in de figuren 4.7 en4.8 weergegeven.

Figuur 4.7: De bovenzijde van de ontvangstmodule door IMEC ontwikkeld in de vorm vaneen USB-stick.

Figuur 4.8: De onderzijde van de ontvangstmodule door IMEC ontwikkeld in de vorm vaneen USB-stick.

Programmacode. De programmacode is gebaseerd op voorbeeldcode van IMEC.De code kan opnieuw ingedeeld worden in een drietal delen. Een eerste deel is demain code. Een tweede deel is de code die communiceert met de transceiver, en eenderde en laatste deel communiceert de FTDI chip.


Ook hier initialiseert de main code eerst de microcontroller. De initialisatiedefinieert onder andere de kloksnelheid. Hier wordt het externe 4 Mhz kristal ge-bruikt als bron voor de klokgeneratie. De klokfrequentie bedraagt dus 4 MHz. Ookde seriele UART interface wordt ingesteld. Deze zal gebruikt worden om serieeldata naar de PC te sturen. De gegevens zullen aan een baudrate van 115273 bpsworden verstuurd. In feite worden de gegevens serieel naar de FTDI chip gezon-den die ze via USB naar de PC stuurt. Van de programmering of de werking vande FTDI chip hoeven we ons niets aan te trekken. De chip is door de fabrikantgeprogrammeerd en de goede werking wordt verzekerd. Bovendien worden systeem-bestanden voor de PC meegegeven met de chip. Deze FTDI drivers zorgen op PCniveau voor een virtuele seriele poort. De main code valt na de initialisatie in eenoneindige lus, waarin constant wordt gecontroleerd of de transceiver een datapakketheeft ontvangen. Wanneer de transceiver een datapakket ontvangt wordt dit doorde microcontroller ingelezen. Vervolgens zendt de microcontroller dit datapakketsamen met een synchronisatiebyte ’S’ byte per byte door naar de FTDI chip.

Het tweede deel van de code bestaat uit functies die met de transceiver com-municeren. Deze functies zijn bijna identiek aan diegene die voor de zendmodulezijn geschreven. De functie die de data naar de transceiver doorzendt, wordt echtervervangen door een functie die de data uit de transceiver leest. De transceiverwordt op precies dezelfde manier geconfigureerd als bij de zendmodule. De zend- enontvangstmodule moeten immers op elkaar afgestemd zijn om op een betrouwbaremanier data te kunnen versturen.

Het derde en laatste deel van de code zorgt voor de communicatie met de serieleUART interface van de microcontroller. Deze code bestaat hoofdzakelijk uit defunctie die data naar de seriele buffer schrijft. Dit deel van de code is relatiefeenvoudig.


De visualisatiesoftware die voor dit systeem geschreven is, is vrij gelijklopend aandie van het wired accelerometer systeem. Het systeem dat hier wordt besprokenverschilt immers enkel van het wired accelerometer systeem op het vlak van de com-municatie. De visualisatie van de acceleratie is volledig identiek. Er zijn nochtansenkele nuanceverschillen in de code. Zo kan het aantal metingen per seconde nietmeer worden ingesteld. Het aantal metingen per seconde wordt immers bepaalddoor zendmodule. Er is ook een configure knop voorzien die een hulpapplicatielaadt waarin de parameters van de seriele communicatie kunnen ingesteld worden.Dit laat ons toe om de applicatie te gebruiken bij een wireless link die op een anderemanier is configureerd. De baudrate, de datalengte, de pariteit, het aantal stop bitsen het type van handshaking zijn de eigenschappen die kunnen ingesteld worden.De hulpapplicatie is weergegeven in figuur 4.9.


Figuur 4.9: De hulpapplicatie waarin de paramaters voor de seriele communicatie kunnenworden ingesteld.

De volledige applicatie is samen met zijn hulpapplicatie weergegeven in figuur4.10.

Figuur 4.10: De grafische user interface (GUI) van de wireless accelerometer.

4.1.2.4 Metingen

We hebben het systeem in een drietal verschillende situaties getest. In een eerstesituatie ondervindt de accelerometer geen externe acceleratie, maar blijft in eenbepaalde positie liggen. In een tweede situatie hebben we de accelerometer os-cillerend versneld. Tenslotte hebben we de accelerometer ook bij een vrije val getest.


Zonder externe acceleratie. We hebben het systeem getest wanneer het geenexterne acceleratie ondervindt. Het systeem meet dan de negatieve valversnelling.De meting hebben we gestart wanneer het systeem horizontaal ligt. De sensitiviteitasZ is hierbij naar boven gericht. Dit betekent dat de zwaartekracht samenvalt met denegatieve Z-as. Vervolgens hebben we het systeem 180 graden gedraaid, zodat op heteinde van de rotatie de zwaartekracht samenvalt met de positieve z-as. De rotatiehebben we traag uitgevoerd in het XZ-vlak. Zo ondervindt het systeem tijdensde rotatie praktisch geen externe versnelling. We verwachten dat het systeem eenconstante versnelling van 1g meet. Dit is de grootte van zwaartekracht. Bij de startvan de meting zouden de meetpunten zich op de positieve z-as moeten bevinden,en op het einde van de meting op de negatieve z-as. Tijdens de rotatie zou erongeveer een halve cirkel moeten gevolgd worden in het XZ-vlak. Het systeemondervindt immers enkel de zwaartekracht, die verandert van orientatie in het XZ-vlak. De straal van deze cirkel is dus 1g. In figuur 4.11 is het resultaat van de metingweergegeven. Het meetresultaat komt goed overeen met het verwachte resultaat.

Figuur 4.11: Het gemeten resultaat tijdens de halve rotatie in het XZ-vlak.

Oscillerende versnelling. We hebben het systeem een oscillerende externe ver-snelling laten ondergaan. De externe versnelling is evenwijdig aan de richting van desensitiviteitsas Z. Het systeem blijft gedurende de versnelling horizontaal, zodat de


zwaartekracht gevoeld wordt op de negatieve Z-as. De frequentie van de oscillatiebedraagt ongeveer 1,5 Hz. Het resultaat is weergegeven in figuur 4.11. De amplitudevan de gemeten versnelling volgt duidelijk de oscillatie.

Figuur 4.12: Het gemeten resultaat tijdens de oscillerende versnelling.

Vrije val. We hebben het gedrag van de accelerometer getest bij een vrije val. Wehebben het systeem laten vallen vanop een hoogte van ongeveer 1 m. De beginpositiewas horizontaal met negatieve Z-as gericht volgens de zwaartekracht. We verwachtendat de gemeten acceleratie tijdens de vrije val bijna nul is. De externe versnelling isnu immers gelijk aan de zwaartekracht en beide heffen elkaar op (cf. formule 2.1).Het meetresultaat is weergegeven in figuur 4.13

4.2. IMU 83

Figuur 4.13: Het gemeten resultaat tijdens een vrije val van ongeveer 1 m.

We zien dat tijdens de vrije val de accelerometer netto bijna geen acceleratiemeet. We zien de versnelling ook opslingeren na de vrije val. Dit is een gevolg vande impact bij het neerkomen na de val.

4.2 IMU

Net zoals bij de accelerometrie onderscheiden we een wired en een wireless systeem.De wired IMU is gerealiseerd op FR4. De wireless IMU is niet op FR4 geplaatst,maar is meteen op een flexibel substraat vervaardigd.

4.2.1 Wired IMU

We bespreken nu kort de layout van het systeem en de visualisatie van de gemetengegevens. Centraal in het systeem staan de ADXRS300, de IDG300 en de KXPS5.Deze sensoren zijn respectievelijk de eendimensionale gyrooscoop, de tweedimen-sionale gyroscoop en de driedimensionale accelerometer. We verwijzen de paragraaf2.5.1 voor de motivatie voor de keuze van deze sensoren.


4.2.1.1 Schema en layout

Het blokschema van het systeem is weergegeven in figuur 4.14.

Figuur 4.14: Het blokschema van de wired IMU.

Het systeem is op een FR4-substraat ontwikkeld. Het FR-4 bord is 4,5 cmlang en 4 cm breed. Het bord is in de eerste plaats ontworpen om de werking vande gyroscopen te testen. Het systeem zal zoals het wired systeem het I2C/USB-interfacebord van Diolan gebruiken om met de PC te communiceren. We zullen dusopnieuw I2C gebruiken om met de sensoren te communiceren. De accelerometerheeft een I2C-interface, maar de gyroscopen hebben dit niet. Ze bieden enkel analogeuitgangen aan. Daarom hebben we twee ADC chips, voor elke gyroscoop een, aanhet systeem toegevoegd. Als ADC is de AD7994 van Analog Devices9 gebruikt.Deze ADC chips bieden hun conversies aan via een I2C-interface. Het zijn 12-bit ADC’s en hebben elk vier kanalen. We gebruiken twee ADC chips, omdat degyroscopen met een verschillende voedingsspanning werken. De ADXRS300 werktop 5V, terwijl de IDG300 net als de accelerometer op 3,3 V werkt. De uitgangenvan de gyroscopen zijn ratiometrisch10. Dit betekent dus dat de uitgang van deADXRS300 tussen de 0 V en de 5 V zal varieren, terwijl de uitgang van de IDG300tussen de 0V en 3,3 V zal varieren. Om bij de A/D conversie dezelfde bitresolutie tebekomen gebruiken we twee verschillende ADC’s. De ene digitaliseert op een bereikvan 5 V, terwijl de andere dit doet op een bereik van 3,3 V. Zo bekomen we voorbeide gyroscopen dezelfde bitresolutie. De I2C-interfaces van de accelerometer ende ADC’s zijn met een connector verbonden. Merk op dat er voor de I2C-lijnen

9http://www.analog.com10Het bereik van de uitgangsspanning varieert mee met de voedingsspanning.

4.2. IMU 85

van de ADC’s nog twee pull-up weerstanden van 10 kΩ nodig zijn. De massa, devoeding en de I2C connecties van het interface bord moeten verbonden worden metdeze connector. We onttrekken de beide voedingsspanningen, 3,3 V en 5 V, aan hetinterfacebord. Het systeem heeft dus ook hier geen batterij aan boord.

Het systeem bevat nog een aantal randcomponenten. Bij elke chip zijn ont-koppelcapaciteiten geplaatst. Beide gyroscopen gebruiken ook een aantal externecapaciteiten om een goede werking te verzekeren. Bij de IDG300 is een onstabielevoedingsspanning voor de betrouwbaarheid van de meting nefast. We gebruikendaarom een LDO11 spanningsregelaar. Als regelaar is gekozen voor de de LT1763van Linear Technology12. De regelaar onderdrukt sterk de ruis en levert een con-stante voedingsspanning van 3,3 V. Bij de IDG300 hebben we aan beide uitgangenexterne filters geplaatst die de hoogfrequente ruis onderdrukken. Dit werd door defabrikant aangeraden (InvenSense, 2007). De filters zijn eerste orde RC -filters meteen bandbreedte van ongeveer 1 kHz.

Het systeem op FR4 is weergegeven in figuur 4.15

Figuur 4.15: Het wired IMU systeem op een FR4 substraat.


We zullen de meetgegevens van de IMU niet rechtstreeks visualiseren zoals we gedaanhebben bij de accelerometer systemen. In paragraaf 2.4 van Hoofdstuk 2 hebbenwe de toepassingen van de IMU als plaatsbepaler en als orientatievolger bespro-ken. We zullen de gegevens van de IMU visualiseren door een orientatievolger teontwikkelen. We hebben er bewust voor gekozen om geen plaatsbepaler te ontwikke-len. De orientatievolger en de plaatsbepaler lijden beide onder integratiefouten.Zoals vermeld is in paragraaf 2.4 van Hoofdstuk 2 vergroot de integratiefout bij deplaatsbepaler kwadratisch. Bij de orientatievolger vergroot die slechts lineair. Deontwikkeling van een orientatievolger heeft bijgevolg meer kans op slagen en is - in

11In principe zijn dit spanningsregelaar die enkel kleine variaties in de voedingsspanning cor-rigeren. Ze worden typisch gebruikt bij lage voedingsspanningen.

12http://www.linear.com


het kader van dit afstudeerwerk - een realistischere opgave. We hebben een VisualBasic applicatie ontworpen die de meetgegevens van de IMU interpreteert en deorientatieverandering van de IMU berekent en visualiseert.

We bespreken nu achtereenvolgens de implementatie van de orientatievolger ende visualisatie van de orientatieverandering.

Orientatievolger. De implementatie van de orientatievolger gebeurt op softwareni-veau. De beide gyroscopen en de accelerometer zijn gecalibreerd volgens de cali-bratiemethodes uit de paragrafen 2.3.3 en 2.4.4. De applicatie corrigeert met dezecalibratiewaarden de gemeten hoeksnelheden en acceleraties vooraleer ze worden ge-bruikt. De orientatieverandering wordt berekend aan de hand van de gemeten hoek-snelheden. Als basis voor de berekening wordt formule 2.8 uit hoofdstuk 2 gebruikt.De beginorientatie [φ0,x, φ0,y, φ0,z] uit formule 2.8 wordt bepaald met behulp vande gemeten acceleratie. Dit gebeurt zoals beschreven is in paragraaf 2.4.1.2. Dezeparagraaf beschrijft hoe men met behulp van een driedimensionale accelerometer deorientatie relatief ten opzichte van de zwaartekracht kan bepalen. De integraal uitformule 2.8 berekenen we numeriek. We benaderen de integraal door een discretesom. De benadering van de integraal uit formule 2.8 wordt weergegeven door (4.1).De tijdstippen ti stellen de de tijdstippen voor waarop een meting is gebeurd. Detijd die verstrijkt tussen twee metingen is constant en wordt voorgesteld door ∆t.We interpoleren dus de gemeten hoeksnelheden ωx, ωy en ωz om de integraal uitformule 2.8 te berekenen.

∫ t

t0

[ωx(t), ωy(t), ωz(t)]dt =I

∑

i=0

[ωx(ti)∆t, ωy(ti)∆t, ωz(ti)∆t] (4.1)

Een mogelijke oplossing van de oplopende integratiefout ligt bij het beperkenvan de integratietijd. Hoe groter de meetfout, hoe korter de integratietijd moetgehouden worden. We zullen na een bepaalde tijd de integratie stoppen, en deogenblikkelijke orientatie bepalen met behulp van de accelerometer. Dit doen we opdezelfde manier als bij de bepaling van de beginorientatie. Men kan dan opnieuwstarten met de integratie volgens formule (2.8) maar dan met de ogenblikkelijkeorientatie als beginorientatie.

Visualisatie orientatievolger. Bij de visualisatie zullen we de IMU voorstellendoor een platte balk. Intern in de applicatie karakteriseren we de balk door decoordinaten van zijn acht hoekpunten in de driedimensionale ruimte. We kunnen dande balk zodanig roteren dat de orientatieverandering door de balk gevolgd wordt.De rotatie van de balk splitsen we op in drie rotaties rond assen van het assens-telsel (x,y,z). De rotatiehoeken zijn niets anders dan de berekende orientatiehoeken[φx, φy, φz] uit formule (2.8). Deze rotaties kan men implementeren door voor deacht hoekpuntenvan de balk de coordinaten (x,y,z) te transformeren naar (x’,y’,z’)volgens (4.2).

4.2. IMU 87

x′

y′

z′

=

1 0 0

0 cos(φx) sin(φx)

0 −sin(φx) cos(φx)

·

cos(φy) 0 −sin(φy)

0 1 0

sin(φy) cos(φy) 0

·

cos(φz) sin(φz) 0

−sin(φz) cos(φz) 0

0 0 1

·

x

y

z

(4.2)

De GUI van de applicatie is weergegeven in figuur 4.16. De balkstructuur die deIMU voorstelt, wordt weergeven in een orthogonaal assenstelsel (x,y,z). Net zoals bijde accelerometer systemen kunnen we de invalshoek op dit assenstelsel veranderen.Met de knop zoom kan er worden ingezoomd op de balk. De balk volgt de IMUwanneer op de startknop gedrukt. De meting wordt pas gestopt wanneer op destopknop gedrukt wordt. Na de meting wordt de duur van de meting in secondenweergegeven.

Figuur 4.16: De GUI van het wired IMU systeem die gebrukt wordt voor het volgen vande orientatie.


4.2.1.3 Performantie

De vermogensperformantie van het systeem speelt geen grote rol, aangezien externwordt gevoed via het interfacebord. We komen bij de bespreking van de wirelessIMU terug op de vermogensperformantie van de individuele componenten.

We hebben het systeem eerst getest zonder accelerometer. Bij deze testen cor-rigeren we de integratiefout dus niet. Het systeem volgt zeer goed de gevolgdeorientatie zolang de rotaties de maximale rotatiesnelheid van 300 graden per secondeniet overschrijden. Na een nauwgezette calibratie blijft de integratiefout beperkt.De lineair in de tijd oplopende integratiefout wordt merkbaar na gemiddeld ongeveer10 seconden.

Daarna hebben we het systeem getest met orientatiecorrecties van de accelerom-eter. De correcties worden uitgevoerd op discrete tijdstippen en als de externe acce-leratie a klein is. Het tijdsinterval tussen twee correcties is constant gehouden. Dittijdsinterval is nu 2 seconden. De IMU volgt in dit geval de orientatieveranderingbetrekkelijk goed, en men kan zo lang meten als men wil. Een nadeel is dat degevisualiseerde beweging nu minder vlot lijkt. Het is duidelijk te zien wanneer ereen correctie wordt uitgevoerd. De orientatie waarover men corrigeert, is immersrelatief groot in vergelijking met de geleidelijke orientatieverandering die de gyro-scopen meten. Men zou het tijsdinterval voor correctie kunnen verkleinen om deintegratiefout te verkleinen. Dit zou leiden tot kleinere orietatiecorrecties. Bij tekleine tijdsintervallen worden de gyroscopen echter overbodig, omdat men de ac-celerometer bijna continu als inclinometer gaat gebruiken. Een tweede nadeel is debeperking van de driedimensionale accelerometer bij het bepalen van een orientatie.De accelerometer kan immers niet eenduidig alle orientaties van elkaar onderschei-den. We verwijzen hiervoor naar paragraaf 2.4.1.2.

Deze nadelen kan men vermijden door op softwareniveau een beter algortime teimplementeren. Het algoritme moet op een intelligente manier de meetgegevens vande accelerometer en de gyroscopen combineren om tot een vlottere en accuratereorientatievolger te komen. Men kan hiervoor een Kalman filter gebruiken.

4.2.1.4 Uitbreiding met Kalman filter

Een Kalman filter is een efficient recursief filter dat de toestand van een dynamischsysteem schat aan de hand van een aantal incomplete en ruishebbende metingen(Kalman, 1960). Er wordt soms ook naar een Kalman filter gerefereerd als de lineairekwadratische estimatiemethode. In feite is het Kalman filter een vorm van eenWienerfilter. Het kan dus enkel lineaire fenomenen schatten13. Het filter is heelpopulair om sensorgegevens te combineren in navigatiesystemen.

Bachman (2000) heeft reeds een Kalman filter ontworpen dat de gegevens vaneen driedimensionale accelerometer, een driedimensionale gyroscoop en een drie-dimensionale magnetometer combineert. Dit wordt nu gebruikt in virtual realitytoepassingen. Ook Luinge & Veltink (2004) hebben een Kalman filter ontworpenvoor toepassingen bij menselijke bewegingsanalyse. Meer in het bijzonder is eenfilter ontworpen voor een driedimensionale accelerometer die werkt als inclinometer.

13Er bestaan ondertussen ook niet-lineaire Kalman filters.

4.2. IMU 89

4.2.2 Wireless IMU

De overgang van een wired IMU naar een wireless IMU gebeurt net zoals bij de ac-celerometer systemen. Het systeem bestaat dus opnieuw uit een ontvangstmodule eneen zendmodule. De ontvangstmodule is dezelde als die van het wired accelerometersysteem. De zendmodule is meteen op een flexibel substraat ontwikkeld.

4.2.2.1 Zendmodule

We bespreken we nu heel kort het schema en de layout, de programmacode en deperformantie van de flexibele zendmodule.

Schema en layout. De wireless link wordt toegevoegd aan het wired systeem, ende testcomponenten worden weggelaten. Ook de externe ADC’s worden weggelaten.De analoge uitgangen van de accelerometer en de gyroscopen worden verbondenmet de interne ADC’s van de microcontroller. Alle componenten zijn zeer dicht bijelkaar geplaatst om een zo compact mogelijk systeem te bekomen.

Om dezelfde redenen als bij de accelerometer systemen is ook hier geen batterijgebruikt. Er zijn opnieuw pads voorzien waarmee de externe voeding en de massakunnen geconnecteerd worden.

Op het moment van dit schrijven was het flexibel substraat vervaardigd. Deassemblage van de componenten en de inbedding in silicone waren echter nog nietgebeurd. Er zijn opnieuw twee substraten ontwikkeld. Het ene gebruikt de gevouwendipool als antenne, het ander de dipoolantenne. In figuur 4.17 zijn beide dubbelzi-jdige flexibele substraten weergegeven. Ook hier zullen alle componenten zich op debovenzijde van het substraat bevinden. Het substraat met de loopantenne is 2 cmbreed en 6,5 cm lang. Het substraat met de gevouwen dipool is 2 cm breed en 7 cmlang.

Figuur 4.17: De dubbelzijdig flexibele substraat met de layout van het wireless IMUsysteem.

Programmacode. De programmacode is ook bijna identiek aan die van het ac-celerometer systeem. Enkel het datapakket uit figuur 4.4 moet worden uitgebreidmet de drie uitgangen van de gyroscopen.


Performantie. De vermogensperformantie van de wireless link is dezelfde als bijhet wireless accelerometer systeem. Naast de accelerometer verbruiken nu ookde gyroscopen vermogen. Het gemiddelde stroomvebruik van de IDG300 en deADXRS300 bedraagt respectievelijk 9,5 mA en 6 mA. Het gemiddelde stroomver-bruik is weergegeven in tabel 4.2.

Component Gemiddeld stroomverbruik Vermogenverbruik bij 3,3V

KXPS5 0.80 mA 2,64 mW

MPS430F149 1,40 mA 4,62 mW

nRF2401A 13 mA 42,60 mW

IDG300 9,50 mA 31,40 mW

ADXRS300 6 mA 30 mW

Totaal 30,70 mA 111,51 mW

Tabel 4.2: Het gemiddeld vermogenverbruik van de zendmodule van de wireless IMU.

4.2.2.2 Ontvangstmodule

De ontvangstmodule is dezelfde als bij het wired accelerometer systeem. De pro-grammacode voor de microcontroller is dit echter niet. De programmacode moet zogewijzigd worden dat het grotere datapakket kan behandeld worden.

Hoofdstuk 5

Besluit

In dit afstudeerwerk hebben we onderzoek verricht naar elektronica die menselij-ke beweging kan registreren en analyseren. De vraag naar dergelijke elektronicakomt vooral uit de geneeskudige verzorgingssector, meer in het bijzonder uit deTelemedicine. Valdetectie en epilepsiedetectie zijn als twee populairste toepassing-en van telemedicine naar voor geschoven. We hebben rond deze twee thema’s eengrondig literatuuronderzoek uitgevoerd en de resultaten in Hoofdstuk 1 neergeschreven.Dit onderzoek heeft ons een duidelijker beeld gegeven van de noden en wensen vanmedici en wetenschappers die actief zijn op het vlak van val- en epilepsiedetectie. Zohebben we ontwerpsspecificaties voor onze elektronische systemen kunnen opstellen.Dit hebben we beschreven in Hoofdstuk 2. De voornaamste specificaties zijn eenlaag vermogen verbruik, compactheid, platheid, flexibele substraten en draadlozecommunicatie. Dit zijn specificaties die de huidige commerciele systemen missen.We hebben in dit hoofdstuk ook aangehaald dat de sensoren de kern vormen vanbewegingsregistrerende systemen, en daarom speciale aandacht vragen. In dit af-studeerwerk hebben we ons beperkt tot bewegingssensoren die rechtstreeks verbandhouden met bewegingsgrootheden zoals acceleratie en hoeksnelheid. Deze wordenrespectievelijk gemeten door accelerometers en gyroscopen. Het commerciele aanbodaan deze sensoren bleek groot te zijn. We hebben daarom een overzicht gemaaktvan de beschikbare sensoren en met behulp van lineaire programmering de bestesensorencombinatie gekozen. Als verwerkingseenheid hebben we een standaard PCgebruikt. De gemeten bewegingsgegevens worden er gevisualiseerd. Een efficientecommunicatielink verzorgt de communicatie tussen de sensoren en de PC. We hebbenzowel een wired als een wireless communicatielink ontworpen. Beide zijn in Hoofd-stuk 2 beschreven. Om het comfort van de patienten die de systemen met zichzullen meedragen te verbeteren zijn de elektronische systemen op flexibele substratengeplaatst. In Hoofdstuk 3 hebben we daarom de dubbelzijdige flexibele substraat-technologie nader toegelicht. Als resultaten van dit afstudeerwerk onderscheiden wetwee systemen: het accelerometer systeem en een IMU (Interial Measuring Unit).Het accelerometer systeem bestaat uit een zendmodule met een driedimensionaleaccelerometer en een ontvangstmodule die in PC kan geplugd worden. De accele-ratie en zijn amplitude worden in realtime gevisualiseerd op de PC. De IMU bestaatuit een zendmodule met een driedimensionale accelerometer en een driedimensionalegyroscoop. De ontvangstmodule is dezelfde als bij het accelerometer systeem. De

91

92 HOOFDSTUK 5. BESLUIT

PC visualiseert de orientatieveranderingen van de IMU door de rotaties van de IMUin realtime te volgen.

In de toekomst kunnen de gerealiseerde systemen voorzien worden van een aantalinteressante uitbreidingen. Zo kan de IMU uitgebreid worden met een magnetome-ter die het magnetische noorden kan detecteren. In Hoofdstuk 2 hebben we eenmagnetometer naar voor geschoven die hiervoor zou kunnen gebruikt worden. Ditzou de in Hoofdstuk 2 besproken beperkingen van de IMU teniet doen. Daarnaastzou de applicatie die de orientatie van de IMU volgt kunnen uitgebreid worden meteen Kalman filter. Een Kalman filter wordt momenteel gebruikt in moderne navi-gatiesystemen. Het filter combineert sensormetingen om tot een accurate positie- oforientatie bepaling te komen. Tenslotte zou kunnen nagedacht worden over de inte-gratie van een batterij die heroplaadbaar is of gemakkelijk kan vervangen worden.

Bibliografie

E. Bachman (2000). Inertial and magnetic tracking of limb segment orientation forinserting humans in synthetic environments. Naval postgraduate school.

J. Birnbach & S. Jorgensen (2002). 20020116080. United States Patent Application.

C. Bouten, K. Koekkoek, M. Verduin, R. Kodde & J. Janssen (1997). Design,fabrication and characterization of a highly symmetrical capacitive triaxial ac-celerometer. IEEE Trans. Biomed. Eng., 44:136–147.

B. Ceulemans (2006). Detectiesystemen voor epileptische aanvallen. Workshop:Wireless Accelerometer Measurements Applied to Patients with Epilepsy.

C. Cho & G. Kamen (1998). Detecting balance deficits in frequent fallers usingclinical and quantitative evaluation tools. J. Am. Geriatr. Soc., 46:426–430.

H. Desmet (2006). Sensoren en actuatoren. Faculteit Toegepaste Wetenschappen,vakgroep ELIS.

K. Doughty, R. Lewis & A. McIntosh (2000). The design of a practical and reliablefall detector for community and institutional telecare. J. Telemed. Telecare, 6:150–154.

F. Ferraris, U. Grimaldi & M. Parvis (1995). Procedure for effortless in-field calibra-tion of three-axis rate gyros and accelerometers. Sensors and Materials, 7:311–330.

F. Foerster & J. Fahrenberg (2000). Motion pattern and posture: correclty assessedby calibrated accelerometers. Behav. Res. Methods Instrum. Comput., 32:450–457.

G. Hanson, P. Asterland, N. Holmer & S. Skerfving (2001). Validity and reliabilityof triaxial accelerometers for inclinometry in posture analysis. Med. Biol. Eng.Comput., 39:405–413.

H. Hanson (2004). Mems, a small world with big opportunities. Technology Today.

IME (2007). Telemedicine. http://www.ime-inc.org.

InvenSense (2007). Datasheet idg300. http://www.invensense.com.

S. Jacobsen, T. Petelenz & S. Peterson (2000). 6,160,478. United States PatentOffice Document.

93

94 BIBLIOGRAFIE

R. Kalman (1960). A new approach to linear filtering and prediction problems.Journal of Basic Eng., pp. 35–45.

G. Kamen, C. Du & S. Sison (1998). An accelerometry-based system for the assess-ment of balance and postural sway. Gerontology, 44:40–45.

M. Lehrman, A. Owens, M. Halleck & E. Massman (2002). 6,501,386. United StatesPatent Application.

S. K. Lesley Day & B. Fildes (1994). Injuries among older people. Hazard.

J. Lotters (1998). Design, fabrication and characterization of a highly symmetricalcapacitive triaxial accelerometer. Sensors and Actuators A, 66:205–212.

H. Luinge & P. Veltink (2004). Inclination measurement of human movement usinga 3-d accelerometer with autocalibration. IEEE Transactions on neural systemsand rehabilitation engineering, 12:112–121.

M. Mathie, A. Coster, N. Lovell & B. Celler (2003). Detection of daily physicalactivities using a triaxial accelerometer. Med. Biol. Eng. Comput., 41:296–301.

M. Mathie, A. Coster, N. Lovell & B. Celler (2004). Accelerometry: providingan integrated, practical method for long-term, ambulatory monitoring of humanmovement. Physiological Measurement, 25:1–20.

R. Mayagoitia, S. Dutson & B. Heller, editors (1999). Evaluation of balance duringactivities of daily living, Proc. First Joint BMES/EMBS Conference. Piscataway,NJ.

R. Moe-Nilssen (1998). Test-retest reliability of trunk accelerometry during standingand walking. Arch. Phys. Med. Rehabil., 97:1377–1385.

T. Nijsen, J. Arends, P. Griep & P. Cluitmans (2005). The potential value ofthree-dimensional accelerometry for detection of mortor seizures in severe epilepsy.Epilepsy & Behaviour, 7:74–84.

NordicSemiconductor (2007). Datasheet nrf2401a. http://www.nordicsemi.no.

N. Noury, editor (2002). A smart sensor for the remote follow up of activity andfall detection of the elderly, Second Annual International IEEE-EMBS SpecialTopic Conference on Microtechnologies in Medicine & Biology. Madison, Wiscon-sin USA.

Philips (2000). The i2c bus specification version 2.1.

D. Stroobandt (2005). Ontwerpmethodologie van complexe systemen. FaculteitToegepaste Wetenschappen, vakgroep ELIS.

TexasInstruments (2007). Datasheet msp430f149. http://focus.ti.com.

TIE (2007). The telemedicine information exchange. http://tie.telemed.ord.

BIBLIOGRAFIE

USAF (2007). School of aerospace medicine. http://www.brooks.af.mil/.

VRI (2007). The ilife fall detector. http://www.monitoringcare.com/fall-detection-sensor.html.

G. Williams, K. Doughty, K. Cameron & D. Bradley, editors (1998). A smart andfall activity monitor for telecare applications, Proc 20th Annual Int. Conf. of theIEEE Engineering in Medicine and Biology Society.

Lijst van figuren

1.1 Een typisch Telemedicine systeem met bijbehorende randapparatuur. 31.2 De iLife valdetector. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.3 Typische mutsen met EEG electrodes. . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.4 Twee voorbeelden van een EEG. Links een EEG van een gezonde

mens. Rechts een EEG van een epilepsiepatient gedurende een aanval.De verschillende grafieken stellen de metingen voor op verschillendeposities op de schedel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.5 Acceleratiepatronen bij een myoclonische aanval. . . . . . . . . . . . . 91.6 Acceleratiepatronen bij een tonische aanval. . . . . . . . . . . . . . . 91.7 Acceleratiepatronen bij een clonische aanval. . . . . . . . . . . . . . . 9

2.1 Proces flow voor de vervaardiging van een zwevende balk. . . . . . . . 132.2 Typische mechanische structuren met behulp van micromachining zijn

vervaardigd. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.3 Het massamiddelpunt van een mens is gelocaliseerd onder het midden-

rif. De typische benamingen van de meetassen zijn verticaal, medio-lateraal en anteposterioraal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.4 Verband tussen magnitude van de gemeten acceleratie en verbruik inmetablische energie(EE). SMA staat voor Signal Magnitude Area. . . 16

2.5 Een massaveersysteem in een doos. De vector n stelt de sensitiviteit-srichting voor, de vector a de externe versnelling en de vector g dezwaartekracht. De afstand d tussen de massa en de behuizing is func-tie van de acceleratie in de sensitiviteitsrichting. . . . . . . . . . . . . 18

2.6 Grafische weergave gemeten versnelling, externe versnelling en zwaartekracht. 192.7 Schematische representatie van de 3D accelerometer ontworpen door

Lotters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.8 De drie posities van de accelerometer voor de metingen parallel aan

de zwaartekracht. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.9 De drie posities van de accelerometer voor de metingen antiparallel

aan de zwaartekracht. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.10 Het vaste assenstelsel (x’,y’,z’), het meebewegende assenstelsel (x,y,z)

en de hoeken van Euler die de coordinatentransformatie karakteriseren. 232.11 Een voorbeeld van een klassieke gyroscoop. . . . . . . . . . . . . . . . 272.12 De drie bouwblokken van een bewegingsregistrerend systeem. . . . . . 312.13 Overzicht commerciele MEMs accelerometers deel A. . . . . . . . . . 342.14 Overzicht commerciele MEMs accelerometers deel B. . . . . . . . . . 35

i

ii LIJST VAN FIGUREN

2.15 De KXPS5 van Kionix. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372.16 De benaming van de rotatieassen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382.17 De overgang van een kubusvorm naar een plat ontwerp voor een dried-

imensionale gyroscoop. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382.18 De IDG300 van InvenSense. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392.19 Overzicht commerciele MEMs gyroscopen deel A. . . . . . . . . . . . 402.20 Overzicht commerciele MEMs gyroscopen deel B. . . . . . . . . . . . 412.21 De ADXRS300. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432.22 Het aardmagnetisch veld samen met de geografische en magnetische

noord -en zuidpool. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442.23 de HMC6352. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442.24 Strucuur van een I2C datatransfer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462.25 Dataformaat voor een I2C schrijfoperatie. . . . . . . . . . . . . . . . 462.26 Dataformaat voor een I2C leesoperatie. . . . . . . . . . . . . . . . . . 472.27 Dataformaat voor een I2C gecombineerde lees -en schrijfoperatie. . . 472.28 Het blokschema van de USB/I2C interface adapter van Diolan. . . . 492.29 Het blokschema van de zendmodule. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502.30 Het blokschema van de ontvangstmodule. . . . . . . . . . . . . . . . . 502.31 De bootstraploaderinterface van de MSP430. . . . . . . . . . . . . . . 532.32 De JTAG-interface van de MSP430. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532.33 De interne structuur van de NRF2401A. . . . . . . . . . . . . . . . . 552.34 Een uitgebreide beschrijving van het configuratieregister van de nRF2401. 562.35 De structuur van een datapakket waarmee data draadloos verzonden

wordt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 572.36 De loopantenne en de gevouwen dipoolantenne. . . . . . . . . . . . . 582.37 De rasterstructuur waarmee de gevouwen dipool zal gesimuleerd wor-

den. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 592.38 Het stralingspatroon in het horizontale en het verticale vlak van de

gevouwen dipool. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 602.39 Het stralingspatroon in de driedimensionale ruimte van de gevouwen

dipool. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 602.40 De rasterstructuur waarmee de loopantenne zal gesimuleerd worden. . 612.41 Het stralingspatroon in de driedimensionale ruimte van de loopantenne. 612.42 Het stralingspatroon in het horizontale en het verticale vlak van de

loopantenne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

3.1 De drie commercieel beschikbare polyimides met hun belangrijksteeigenschappen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

3.2 De typische drielagige structuur van een flexibel substraat. . . . . . . 673.3 De tweelagige structuur van innovatieve flexibele substraten. . . . . . 67

4.1 Het wired accelerometer systeem op FR4. . . . . . . . . . . . . . . . . 704.2 De grafische user interface (GUI) van de wired accelerometer. . . . . . 714.3 De zendmodule van het wireless accelerometer systeem op FR4. . . . 734.4 De vorm van het datapakket waarmee in de microcontroller gegevens

worden geordend vooraleer ze worden verzonden. . . . . . . . . . . . . 74

LIJST VAN FIGUREN iii

4.5 De bitpositionering van het 12-bit meetresultaat in een byte low eneen byte high. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

4.6 De dubbelzijdig flexibele substraten met de layout van het wirelessaccelerometer systeem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

4.7 De bovenzijde van de ontvangstmodule door IMEC ontwikkeld in devorm van een USB-stick. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

4.8 De onderzijde van de ontvangstmodule door IMEC ontwikkeld in devorm van een USB-stick. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

4.9 De hulpapplicatie waarin de paramaters voor de seriele communicatiekunnen worden ingesteld. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

4.10 De grafische user interface (GUI) van de wireless accelerometer. . . . 804.11 Het gemeten resultaat tijdens de halve rotatie in het XZ-vlak. . . . . 814.12 Het gemeten resultaat tijdens de oscillerende versnelling. . . . . . . . 824.13 Het gemeten resultaat tijdens een vrije val van ongeveer 1 m. . . . . . 834.14 Het blokschema van de wired IMU. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 844.15 Het wired IMU systeem op een FR4 substraat. . . . . . . . . . . . . . 854.16 De GUI van het wired IMU systeem die gebrukt wordt voor het volgen

van de orientatie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 874.17 De dubbelzijdig flexibele substraat met de layout van het wireless

IMU systeem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

iv LIJST VAN FIGUREN

Lijst van tabellen

2.1 De algemene specificaties van onze systemen. . . . . . . . . . . . . . . 122.2 De belangrijkste sensoreigenschappen samen met hun gewichtsfac-

toren. De code wordt gebruikt als afkorting. . . . . . . . . . . . . . . 332.3 De quotering voor de verschillende prestatieniveaus. . . . . . . . . . . 332.4 De quoteringen en de performantie voor de verschillende accelerometers. 362.5 De quoteringen en de performantie van de verschillende gyroscopen. . 422.6 De bandbreedtes van de sensoren van de IMU. . . . . . . . . . . . . . 482.7 Het gemiddeld stroomverbruik van de nRF2401A in functie van het

uitgezonden vermogen. De waarden gelden onder de volgende condi-ties: Vdd = 3V, temperatuur = 27 C, lastimpedantie = 100Ω + j75Ω. 58

3.1 De belangrijkste karakteristieken van FR4. . . . . . . . . . . . . . . . 65

4.1 Het gemiddeld vermogenverbruik van de zendmodule. . . . . . . . . . 764.2 Het gemiddeld vermogenverbruik van de zendmodule van de wireless

IMU. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

v

Bewegingsanalyserende electronica voor medische...

Documents

Transcript of Bewegingsanalyserende electronica voor medische...