Aplicación de tecnología reconfigurables analógica y digital para instrumentación electrónica inteligente

Resumen

Esta tesis es el resultado de los trabajos de investigación realizados en el campo de la instrumentación electrónica. Los resultados obtenidos presentan un método de desarrollo de instrumentación basado en dispositivos reconfigurables que realizan el procesado de señal tanto en el dominio analógico como en el digital. La característica principal de estos dispositivos es la posibilidad de implementar estructuras hardware de procesado de señal que en cualquier circunstancia que lo aconseje pueden ser redefinidas, no sólo por un usuario externo sino por el propio sistema que puede decidir reconfigurar una etapa del sistema de procesado. Esta aproximación dota a este tipo de instrumentación electrónica de una versatilidad que la hace capaz de adaptarse a la adquisición y procesado de señales generadas por un amplio conjunto de transductores, así como a la adquisición y procesado de bio-señales. De ahí el calificativo inteligente en el título de la tesis. Para la consecución de este fin, se ha realizado un estudio de los diferentes dispositivos reconfigurables analógicos y digitales existentes y se han evaluado sus características pensando en su posible utilización en el campo de la instrumentación. Se presentan e implementan las arquitecturas de plataformas de instrumentación reconfigurables basadas en estos dispositivos, definiendo sus características idóneas en relación con los problemas que puede abordar. Dentro de las posibles aplicaciones de dichas plataformas, se ha optado por el procesado de señales de sensores inteligentes en el sentido que los define el estándar del Instituto de Ingenieros Electrónicos y Eléctricos (IEEE) 1451. Este estándar está compuesto de un subconjunto de protocolos y estándares que definen las características de un sistema sensor para que se le pueda considerar como inteligente desde que se adquiere la señal hasta que ésta se le entrega al destinatario de la misma Esta plataforma puede adaptar su estructura de procesado hardware en función del sensor que se le conecte y el destinatario de dicha señal procesada. Por tanto, se presentan técnicas de reconfiguración analógica y digital que permiten la identificación del sensor, la elección de la configuración de interfaz analógica-digital (por ejemplo, incrementar la resolución de un convertidor analógico-digital), y cambiar dicha interfaz cuando lo requiera un cambio de sensor o de las características del sensor. Se demuestra su utilidad en sistemas mutisensor, ya que posibilita implementar los procesados de las señales de manera secuencial disminuyendo el número de etapas en paralelo a implementar. En una vertiente paralela, se emplea esta filosofía de instrumentación para la adquisición de señales biológicas humanas, tales como el electrocardiograma (ECG) o la electromiografía (EMG). Se presentan las cualidades especiales de este tipo de señales débiles y el ruido de características específicas que las acompaña. La adquisición de estas señales presenta unas peculiaridades que se ajustan perfectamente a los atributos del método de adquisición y presentación de la información que se presenta en este trabajo. La posibilidad de reconfiguración del sistema completo permite redefinir la estructura de procesado y a su vez modificar, por ejemplo las frecuencias de filtrado y ganancia de las etapas analógicas. También se puede elegir el posterior procesado digital en función de la información a extraer como por ejemplo la frecuencia cardiaca fetal, en el caso de la electrocardiografía fetal no invasiva. Se presenta resultados experimentales que avalan el uso de esta metodología.