INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA FUENTE DE LUZ CON REGULACIÓN AUTOMÁTICA PARA UN DIAGNOSTICO POR VIDEO EN EL USO DE FIBRORINOLARINGOSCOPIO”

TESIS QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE: INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

PRESENTA: JULIO NOEL HERNÁNDEZ PÉREZ

ASESOR: M. EN C. CARLOS ALBERTO RIVERA GUEVARA

MÉXICO D.F., NOVIEMBRE DE 2011

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA FUENTE DE LUZ CON REGULACIÓN AUTOMÁTICA PARA UN DIAGNOSTICO POR VIDEO EN EL USO DE FIBRORINOLARINGOSCOPIO

JULIO NOEL HERNÁNDEZ PÉREZ

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AGRADECIMIENTOS A mi familia, mis padres Julio Hernández y Noemí Pérez y hermanos Berenice Hernández y Jesús Hernández; que sin su apoyo y consejo jamás habría llegado tan lejos en la vida, este trabajo es solo una pequeña forma de decirles gracias. A mis profesores compañeros y amigos que fueron parte fundamental en mi desarrollo como profesionista en el Instituto Politécnico Nacional, jamás los olvidaré. Al apoyo, facilidades y experiencias brindadas en la creación de este proyecto por parte de la empresa Servicios Integrales Endobiomedic gracias, Oswaldo Flores Díaz y José Manuel Carpio Gutiérrez. Al asesor de este proyecto M. en C. Carlos Alberto Rivera Guevara gracias, sin su guía este proyecto no habría culminado de forma exitosa. Por último el presente trabajo es dedicado a todas las personas involucradas en el desarrollo de este proyecto, a todos ustedes gracias.

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CONTENIDO

OBJETIVO OBJETIVOS ESPECÍFICOS PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA JUSTIFICACIÓN ALCANCE RESUMEN ABSTRACT INTRODUCCIÓN NOMENCLATURA ABREVIATURAS ÍNDICE DE FIGURAS ÍNDICE DE TABLAS ÍNDICE

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5 5 6 7 8 10 11 12 13 13 14 16 17

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OBJETIVO Diseñar y construir una fuente de luz con regulación automática para un Fibrorinolaringoscopio a partir del uso de la tecnología LED de potencia, que garantice una emisión de luz adecuada durante un estudio médico de rinolaringoscopia y que a su vez sea funcional, de costo accesible y así evitar la dependencia de tecnología extranjera. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 

Establecer al modulo LED de potencia como fuente de luz alternativa ante las lámparas de Xenón o de Halógeno durante un estudio médico de rinolaringoscopia.



Diseñar un sistema de control que al obtener la señal de video del estudio médico regule de manera automática la emisión de luz saliente de la fuente de luz, de tal modo que siempre se obtenga una imagen clara del tejido a diagnosticar.



Determinar todos los dispositivos electrónicos necesarios para el desarrollo de un prototipo de fuente de luz automática.



Diseñar una interfaz sencilla y fácil de

utilizar por un

técnico

endoscopista durante el estudio médico. 

Construir un prototipo físico de la fuente de luz a partir de la conglomeración de todas las partes de la fuente propuesta.



Presentar el prototipo de la fuente de luz automática diseñada ante una prueba de simulación de un estudio real con el fin de obtener datos del desempeño de la fuente y así definir su viabilidad como proyecto a gran escala.

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PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA La industria médica mexicana actual demanda el uso de sistemas con la tecnología más avanzada con el fin de ofrecer el mejor servicio a los pacientes y a su vez disminuir los costos de operación y procedimiento en el uso de equipos médicos de diagnóstico o terapia. Las marcas extranjeras son las encargadas de suministrar equipo médico, refacciones y mano de obra al mercado medico nacional actual, la especialidad de la endoscopia no es la excepción. El uso de fuentes de luz a base de tecnologías de Xenón o Halógeno, en esta especialidad médica, provocan una ineficiencia en la relación desempeño contra costos. La propuesta del uso de tecnología LED de potencia como alternativa en la base para fuentes de luz automáticas surge como una idea innovadora que puede dar solución a muchas de las desventajas en el uso de otras tecnologías como la disminución de costos de diseño, construcción, mantenimiento y refacciones; esto lo convierte en un proyecto en extremo ambicioso.

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JUSTIFICACIÓN La finalidad de realizar este proyecto obedece a adoptar e innovar en tecnologías de índole medico que permitan ofrecer una opción competitiva ante el mercado actual. De esta forma se pretende ofrecer al mercado medico una alternativa simple y eficaz ante las fuentes de luz con base en Xenón o Halógeno. Por otro lado una fuente de luz automática favorece el estudio médico de rinolaringoscopia debido a que el médico solo debe preocuparse por observar el tejido del paciente y no en corregir la cantidad de luz que requiere para observar dicho tejido. En consecuencia se acortan los tiempos del procedimiento y se ayuda a que el médico pueda reunir la información necesaria para generar un diagnostico. Así se obtienen dos beneficios importantes. El primero, favorecer a la industria médica al ofrecer equipos cuyos precios sean competitivos con respecto al mercado internacional. El segundo es el desarrollo de empresas mexicanas de diseño y fabricación de dispositivos médicos. Por último, e importante recalcar que este no es el tema o razón principal de su diseño, es trascendente mencionar que al convertir casi toda la energía entrante en luz, el modulo LED de potencia es más eficiente eléctricamente que sus similares en Halógeno y Xenón. Por lo tanto, el uso de esta tecnología favorece al cuidado del medio ambiente.

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ALCANCE El presente trabajo está enfocado a la aplicación de tecnología médica en el ramo de la otorrinolaringología, específicamente en el estudio de diagnóstico por video de rinolaringoscopia. La etapa elemental de éste trabajo será el diseño y construcción de una fuente de luz que regule de forma automática la cantidad de luz emitida durante un estudio de rinolaringoscopia, para ello se utilizarán dispositivos ya existentes en conglomeración con dispositivos nuevos en el mercado, de tal forma que esto permita un diseño sencillo y confiable. Plantear el diseño de una fuente de luz automática, significa establecer una dependencia entre la señal de entrada, la cual define la cantidad de luz emitida durante el estudio de rinolaringoscopia observado por médico especialista, y el comportamiento de la fuente que compensa dicha emisión de luz. Es así que el médico obtendrá una imagen clara del tejido observado durante todo el procedimiento. Es importante mencionar que para obtener la señal de entrada, el diagnostico debe hacerse a través de un dispositivo de video, ya sea de un procesador de video (lo que implicaría el uso de un endoscopio de video) o de una microcámara (la cual se empotra al objetivo del endoscopio de fibra óptica), esto se debe a que la señal de video varia de forma directamente proporcional a la imagen observada en pantalla o monitor. Esta señal de video puede ser tratada y convertida a una señal de tensión variante en el tiempo, y así, ser utilizada como la señal de entrada en un sistema de control, lo que permite ofrecer un sistema de regulación de luz automático. Mediante el análisis de la señal de entrada, la formulación de una ley de control adecuada y la selección correcta de los materiales necesarios es posible ofrecer al mercado médico actual una fuente de luz automática que compita con las características de funcionalidad y rentabilidad de las ofrecidas por marcas extranjeras.

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En la etapa de presentación se establece la construcción de un prototipo que cumpla con las características de diseño y funcionalidad ante el estudio médico de rinolaringoscopia. La evaluación de la fuente de luz prototipo se realizará en una simulación de un estudio médico de rinolaringoscopia tomando fotografías que muestren el desempeño de dicho prototipo y así muestren sus ventajas y debilidades en comparativa con fuentes a base de tecnología Xenón. Por último el presente trabajo mostrará un breve análisis de los costos de materiales y mano de obra del prototipo. Con esto se establecerá la factibilidad del proyecto a gran escala junto con la propuesta de manufactura en caso de ser viable.

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RESUMEN El presente, muestra al mercado nacional una alternativa ante fuentes de luz para el diagnóstico médico de rinolaringoscopia. La idea principal, aprovechar los beneficios del diseño de una fuente de luz automática a partir de tecnología LED de potencia con el fin de evitar la dependencia de tecnología extranjera sin que esto afecte de forma considerable el modo en que se desenvuelve un estudio de diagnóstico médico de rinolaringoscopia por video. La metodología consistió en determinar si la tecnología LED de potencia era capaz de competir con la tecnología Xenón y Halógeno. Esto se logró al proponer un módulo LED especifico, diseñar los dispositivos necesarios para activarlo y controlarlo y por último culminar el trabajo con la construcción un prototipo que sirvió en la simulación de un estudio de diagnóstico por video de rinolaringoscopia con el fin de obtener evidencias que determinen la viabilidad de este tipo de tecnología en un estudio médico. El punto más relevante durante el desarrollo de todo el proyecto fue la facilidad del diseño junto con los costos mínimos que se necesitaron para culminar este trabajo. Esto deja en claro las ventajas en el uso de la tecnología LED de potencia y lo sitúa como una gran competencia ante sus similares de Xenón o Halógeno.

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ABSTRACT This work reflects the effort to offer the local market one alternative light source for rynolaringoscopy medical diagnostic. The main idea is take the benefits of designing an automatic light source with power LED technology in order to avoid dependence on foreign technology without significantly affecting the way in which it operates rynolaringoscopy medical diagnostic study by video. The methodology was to determine if the power LED technology could compete with the proven and highly popular and Xenon and Halogen base. This was achieved by proposing a specific LED module design the devices needed to activate and control and finally complete the construction work with a prototype that was used in the simulation of a rynolaringoscopy diagnostic study by video in order to obtain evidence determine the viability of this technology in use by physicians during a medical study. The most relevant for the development of the whole project was the ease of design with the minimal cost it took to complete this work. This makes clear the advantages of using power LED technology and position it as a competition with their counterparts from Xenon and Halogen.

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INTRODUCCIÓN El trabajo presentado a continuación es el resultado de toda una investigación para la determinación de la competencia de la tecnología LED de potencia ante los similares en Xenón y Halógeno. A lo largo del presente, se notarán las ventajas de la tecnología LED y la importancia de llevarla ante el mercado actual. Iniciando con una generalización de la rama médica en la cual se desenvuelve este trabajo, se apreciará la necesidad de ofrecer alternativas de tecnología nacional ante un mercado que es controlado por marcas extranjeras. De esta forma se denotarán los campos a ser cubiertos para ofrecer dicha alternativa dejando en claro que los cambios deben ser casi imperceptibles ante los usuarios (médicos especialistas y técnicos endoscopistas). El desarrollo del diseño tanto en hardware y software es mostrado de forma clara y concisa haciendo hincapié en la facilidad de diseño y construcción; junto con costos mínimos tanto en diseño, construcción y mantenimiento. Al final, este trabajo expone sus evidencias al compararlas con los resultados ofrecidos con otras tecnologías. Así logra la determinación de la viabilidad del proyecto en caso de su colocación en gran escala. Los análisis de costos son presentados de forma sencilla contemplando gastos en materiales y mano de obra junto con una propuesta de construcción a gran escala aunque la finalidad del presente trabajo es la construcción de una alternativa de una fuente de luz automática a base de tecnología LED de potencia y no la comercialización de la misma. Las conclusiones generadas reflejan los resultados obtenidos en las pruebas de simulación de un estudio médico de rinolaringoscopia lo que deja en claro la postura de esta tecnología ante la industria medica actual.

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NOMENCLATURA V

Tensión

Volts

VCD

Tensión de corriente directa

volts cd

VCA

Tensión de corriente alterna

Volts ca

Vpp

Tensión pico-pico

volts

Tensión pico

volts

T

Periodo de señal

Segundos

t

Tiempo

Segundos

ta

Tiempo de alto de señal PWM

Segundos

tb

Tiempo de bajo de señal PWM

Segundos

tp

Ciclo de trabajo de señal PWM

%

F

Frecuencia

Hertz

f

Faradio

Farad

R

Resistencia eléctrica

ohm

lm

Potencia luminosa

Lumen

w

Potencia consumida

watt

Kg

Masa

gramo

Vp

ABREVIATURAS $USD

Dólares americanos

et

Señal de error

mt

Señal de control

CCD

Dispositivo de carga acoplada

PWM

Modulación por ancho de pulso

MCU

Unidad de Microcontrolador

LED

Diodo emisor de luz

LCD

Display de cristal liquido

BNC

Conector de video compuesto

ADC

Conversión analógico-digital

PCB

Placa de circuito impreso

RTOS

Sistema operátivo en tiempo real

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ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.1 Torre de Videoendoscopia ................................................................... 21 Figura 1.2 Videopanendoscopio, Fibrorinolaringoscopio .......................................... 22 Figura 1.3 Endoscopio de fibra óptica visto en sus secciones. ................................. 23 Figura 1.4 Ejemplos de fuente de luz .................................................................. 23 Figura 1.5 Interacción de fuente de luz y endoscopio ............................................ 24 Figura 1.6 Otoscopio neumático (Welch Allyn) ...................................................... 25 Figura 1.7 Laringofaringoscopio de Hopkins (Karl Storz Endoscopy America Inc.) ...... 25 Figura 1.8 Formación de una imagen a través de fibra óptica ................................. 27 Figura 1.9 a) Lámparas utilizadas comúnmente en fuentes de luz ........................... 28 Figura 1.10 Fuente de luz Xenón con control automático de regulación de luz (STORZ) ...................................................................................................................... 28 Figura 1.11 Fuente de luz con control electrónico manual (PENTAX) ........................ 29 Figura 1.12 Mecanismo iris dentro de una fuente de luz Xenón ............................... 30 Figura 1.13 Modulo de excitación de fuente de Xenón EPM-3300 (PENTAX) .............. 30 Figura 1.14 Diodo emisor de luz básico................................................................ 31 Figura 1.15 Modulo LED de potencia de 20 watts (SiLED) ...................................... 32 Figura 2.1 Diagrama a bloques de la regulación manual de una fuente de luz ........... 36 Figura 2.2 Tipos de procedimiento de endoscopia ................................................. 37 Figura 2.3 Lazo de retroalimentación en forma generalizada .................................. 38 Figura 2.4 Estructura general de una fuente de luz automática ............................... 39 Figura 2.5 Diagrama a bloques del sistema de control automático de una fuente de luz a partir de tecnología LED de potencia................................................................. 42 Figura 2.6 Diagrama a bloques del sistema de control manual de una fuente de luz a partir de tecnología LED de potencia ................................................................... 42 Figura 3.1 Diagrama a bloques del proceso de regulación de luz ............................. 46 Figura 3.2 Señal de video compuesto .................................................................. 48 Figura 3.3 Información de la señal de video en un muestreo de línea horizontal ....... 49 Figura 3.4 Etapas de tratamiento de señal de video compuesto .............................. 50 Figura 3.5 Conversión Analógico/Digital (ADC) ..................................................... 50 Figura 3.6 Señal PWM en diferentes etapas .......................................................... 52 Figura 3.7 MCU PIC18f4550 ............................................................................... 54 Figura 3.8 Estructura básica de un programa ....................................................... 58 Figura 3.9 Características del modulo LED de potencia seleccionado........................ 60 Figura 3.10 Circuito de control, circuito de interfaz y circuito de tratamiento de señal 63 Figura 3.11 Circuito encargado de tratar la señal de video compuesto ..................... 64 Figura 3.12 Circuito de fuente de alimentación correspondiente a la etapa de control 65 Figura 3.13 Circuito de fuente de excitadora ........................................................ 65 Figura 3.14 Circuito de potencia y optoacoplamiento ............................................. 66 Figura 3.15 Circuito de conexiones generales para 120 VCA ................................... 67 Figura 3.16 Diagrama esquemático de la fuente de luz a base de LED de potencia brillo ...................................................................................................................... 68 Figura 3.17 Vista frontal de la fuente de luz marcando las medidas para las incisiones necesarias ....................................................................................................... 70 Figura 3.18 Vista posterior del gabinete mostrando los cortes necesarios................. 71

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Figura 3.19 Vista inferior del gabinete marcando las hendiduras necesarias. ............ 72 Figura 3.20 Vista lateral derecha con cortes y hendiduras requeridas ...................... 73 Figura 3.21 Vista superior 3D de la fuente de luz automática en referencia a las medidas propuestas. ......................................................................................... 74 Figura 3.22 Perfiles 3D de la fuente de luz automática en referencia a las medidas propuestas....................................................................................................... 74 Figura 3.23 Diagrama de flujo del programa principal............................................ 75 Figura 3.24 Diagrama de flujo del programa automático ........................................ 76 Figura 3.25 Diagrama de flujo del programa manual ............................................. 77 Figura 4.1 Negativo de placa 1 o placa de control ................................................. 92 Figura 4.2 Vista 3D de la placa 1 con todos los dispositivos electrónicos ya montados 92 Figura 4.3 Negativo de la placa 2 o placa de potencia ............................................ 93 Figura 4.4 Vista 3D de la placa 2 con todos los dispositivos electrónicos ya montados 93 Figura 4.5 Negativo de la placa 3 o placa de interfaz ............................................. 94 Figura 4.6 Vista 3D de la placa 3 con todos los dispositivos electrónicos ya montados 94 Figura 4.7 Componentes de los cables de comunicaciones. .................................... 95 Figura 4.8 Cables de potencia con zapatas y revestimiento. ................................... 95 Figura 4.9 Descripción de cableado de transformadores y ventiladores .................... 96 Figura 4.10 Conexiones de dispositivos portafusibles e interruptor general .............. 96 Figura 4.11 Modulo LED de potencia conectado y colocado en el disipador ............... 97 Figura 4.12 Placas de circuito impreso terminadas y montadas ............................... 97 Figura 4.13 Armado y alambrado de todas las partes de la fuente .......................... 98 Figura 4.14 Vista frontal y posterior de la carcasa con las hendiduras y cortes realzados. ........................................................................................................ 99 Figura 4.15 Vista inferior de la carcasa con las hendiduras ya realizadas. ................ 99 Figura 4.16 Cubierta superior del gabinete ..........................................................100 Figura 4.17 Componentes de la fuente fijados y conectados. .................................100 Figura 4.18 Ensamble de placas de control y potencia ..........................................101 Figura 4.19 Disipadores ....................................................................................101 Figura 4.20 Ventilador 1 ...................................................................................102 Figura 4.21 Ventilador 2 ...................................................................................102 Figura 4.22 Modulo LED de potencia colocado en gabinete ....................................103 Figura 4.23 Colocado del display LCD .................................................................103 Figura 4.24 Colocado de la botonera ..................................................................103 Figura 4.25 dispositivos de interfaz vistos en la parte frontal de la fuente ...............104 Figura 4.26 Colocado de los trasformadores 1 y 2 ................................................104 Figura 4.27 Colocado de la entrada de fibra de luz y pieza de empalme ..................105 Figura 4.28 Cerrado de la fuente .......................................................................105 Figura 4.29 Vista frontal de la fuente terminada ..................................................106 Figura 4.30 Vista lateral y posterior de la fuente terminada .................................106 Figura 5.1 Microcámara y fuente de luz automática..............................................108 Figura 5.2 Cabezal de microcámara y objetivo de endoscopio ...............................108 Figura 5.3 Inicio de las pruebas con el equipo conectado ......................................109 Figura 5.4 Introducción del endoscopio al paciente ..............................................110 Figura 5.5 Vista del monitor durante el estudio de prueba ....................................110 Figura 5.6 Vista de laringe ................................................................................110

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Figura 5.7 Vista de oído ....................................................................................111 Figura 5.8 Vista de fosa nasal ...........................................................................111 Figura 5.9 Comparativa entre luz LED (observada a la izquierda) y XENÓN (observada a la derecha)...................................................................................................112

ÍNDICE DE TABLAS Tabla Tabla Tabla Tabla Tabla Tabla Tabla

1.1 5.1 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5

Comparativa entre tipos de lámparas .................................................... 33 Comparativa entre fuentes de luz LED y XENÓN ....................................113 Desglose de precios unitarios de materiales adquiridos ...........................115 Desglose de precios unitarios referente a mano de obra .........................118 Costo total del prototipo .....................................................................119 Costos de producción de las primeras 100 unidades ...............................120 Costos y utilidades .............................................................................124

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ÍNDICE Capítulo I: “Endoscopia y la tecnología actual de diagnostico” ..................... 20 1.1

Endoscopia ................................................................................ 21

1.1.1

La endoscopia y su dependencia de la tecnología ...................... 21

1.1.2

Rinolaringoscopia .................................................................. 24

1.1.3

Uso de la tecnología durante un estudio de rinolaringoscopia ...... 24

1.1.4

Tipos de rinolaringoscopio ...................................................... 26

1.1.5

Tipos de fuentes de luz para Fibrorinolaringoscopio ................... 27

1.2

Problemática actual .................................................................... 29

1.3

Luz LED .................................................................................... 31

1.3.1 1.4

LED de potencia ................................................................... 32

Desarrollo de tecnologías nuevas .................................................. 32

Capítulo II: “Sistemas de control en equipos de endoscopia” ...................... 34 2.1

Problemática de la automatización en equipos de endoscopia ........... 35

2.1.1 Automatización de las fuentes de luz para equipos de rinolaringoscopia ............................................................................. 36 2.2 Parámetros y dispositivos requeridos para el desarrollo de un sistema de control de una fuente de luz automática ............................................ 38 2.3 Estructura básica de un fuente de luz automática a partir de la tecnología LED de potencia .................................................................. 39 2.3.1

Control de regulación Automático ............................................ 41

2.3.2

Control de regulación Manual ................................................. 42

Capítulo III: “Diseño de una fuente de luz automática a partir de LED de potencia” ............................................................................................. 43 3.1

Proceso de regulación de luz ........................................................ 44

3.1.1

Señal de video compuesto ..................................................... 47

3.1.2

Tratamientos de señal ........................................................... 49

3.1.3

Adquisición de datos ............................................................. 50

3.1.4

Señal PWM .......................................................................... 51

3.2

Definición del controlador electrónico ............................................ 53

3.3

Ley de control ............................................................................ 54

3.3.1 3.4

Control PID para la regulación automática de una fuente de luz .. 54

Compilador CCS e interfaz de programación PCWH ......................... 56

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3.5

Selección del modulo LED de potencia ........................................... 59

3.5.1

Fuente excitadora ................................................................. 60

3.5.2

Optoacoplamiento ................................................................. 61

3.6

Circuito electrónico del sistema .................................................... 61

3.6.1

Circuito de control y circuito de interfaz ................................... 62

3.6.2

Circuito de tratamiento de señal de video ................................. 64

3.6.3

Circuitos de fuentes de energía ............................................... 64

3.6.4

Circuito de potencia .............................................................. 66

3.7

Conexiones generales ................................................................. 66

3.8

Diagrama esquemático ............................................................... 67

3.9

Arquitectura del diseño ............................................................... 68

3.10 Algoritmo de programación .......................................................... 75 3.10.1

Diagrama de flujo del programa ........................................... 75

3.10.2

RTOS – Real Time Operating System .................................... 78

3.10.3

Adquisición de datos en PIC18F4550 .................................... 79

3.10.4

PID en PIC18F4550 ............................................................ 80

3.10.5

Señal de salida PWM en PIC18F4550 .................................... 81

3.10.6

Despliegue de datos ........................................................... 82

3.10.7

Comandos de configuración ................................................. 82

3.10.8

Descripción del programa .................................................... 84

3.10.9

Programa final ................................................................... 85

Capítulo IV “Construcción de la fuente de luz prototipo” ............................. 90 4.1

Placas de circuito impreso ........................................................... 91

4.2

Descripción física de componentes y alambrado.............................. 94

4.3

Coraza o cubierta externa ........................................................... 98

4.4

Montaje de los módulos desarrollados ......................................... 100

4.4.1

Módulo de control y potencia ................................................ 100

4.4.2

Etapa de enfriamiento ......................................................... 101

4.4.3

Módulo LED de potencia ....................................................... 102

4.4.4

Módulo de interfaz .............................................................. 103

4.4.5

Conexiones generales .......................................................... 104

4.4.6

Entrada de fibra de luz ........................................................ 104

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4.5

Acabado final ........................................................................... 105

Capítulo V: “Evaluación del prototipo” ................................................... 107 5.1

Colocación en campo ................................................................ 108

5.1.1

Pruebas durante la simulación de un estudio de rinolaringoscopia 109

5.2

Comparativa con fuentes de luz existentes .................................. 111

5.3

Análisis de las pruebas realizadas ............................................... 113

Capítulo VI: “Análisis económico para la comercialización del prototipo” ..... 114 6.1

Costos de prototipo .................................................................. 115

6.1.1

Precios unitarios ................................................................. 115

6.2

Costos de producción ................................................................ 119

6.3

Estudio de mercado .................................................................. 123

6.4

Precios de venta ...................................................................... 124

Capítulo VII: “Conclusiones y recomendaciones” ..................................... 125 7.1

Conclusiones ........................................................................... 126

7.2

Recomendaciones..................................................................... 127

Bibliografía ........................................................................................ 129

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CAPÍTULO I: “ENDOSCOPIA Y LA TECNOLOGÍA ACTUAL DE DIAGNOSTICO”

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1.1 Endoscopia La endoscopia es una técnica de la medicina que se utiliza para visualizar dentro de una cavidad corporal u orificio quirúrgico, con el fin de observar un órgano o pared de tejido y de esta manera crear un diagnóstico o realizar un estudio terapéutico dependiendo de la rama de la medicina en la que se desenvuelve dicho estudio.1 1.1.1 La endoscopia y su dependencia de la tecnología Un estudio de endoscopia actual se realiza a través de la conglomeración de dispositivos mecánicos y eléctricos, si bien los dispositivos han evolucionado con respecto de cada época todos han sido desarrollados como tecnología aplicada, desde los oculares para observar un oído (otoscopio) hasta los videopanendoscopios utilizados para observar cavidades gastrointestinales como se muestra en la figura 1.1. En gastroenterología, la observación con endoscopios se realiza con mucho más facilidad y causa menos malestar e implica menos riesgo para los pacientes. Además, permite la exploración precisa de la mucosa del aparato gastrointestinal en color y si se requiere, la fotografía fija o en movimiento. 2

Figura 1.1 Torre de Videoendoscopia 3 Gatroenterologic endoscopy, Pág. 2, Michael V. Sivak Jr., Editorial W.B. Saunders Company, Segunda edición, año 2000. 2 Fundamentos de gastroenterología, Pág. 201, Lawrie W. Powell y Douglas W. Piper, Editorial Limusa, Primera edición, año 1983. 3 Cortesía Servicios Integrales Endobiomedic 1

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Existen dos dispositivos indispensables para cualquier estudio de endoscopia actual. El primero de ellos y el encargado de invadir el cuerpo del paciente es el endoscopio. Este dispositivo se encarga de llevar una lente o una cámara dentro de un tubo rígido o flexible y así acceder a la cavidad por explorar. Cada rama de la medicina tiene requerimientos específicos por lo cual existe un endoscopio diferente para cada una de ellas. La figura 1.2 muestra un ejemplo de esto.

Figura 1.2 Videopanendoscopio, Fibrorinolaringoscopio 4 Sin embargo, también es cierto que todos los endoscopios tienen partes similares, las más comunes e indispensables para formar un endoscopio flexible de fibra óptica son: fibra de luz, fibra óptica, tubo de inserción, tubo universal, punta distal, bending, objetivo óptico, conexión de fibra de luz. Estas partes se muestran en la figura 1.3 con el fin brindar una mejor visualización del tema. El presente trabajo no profundizará en los detalles de estas partes, sin embargo conforme se requiera en capítulos siguientes se dará una

breve

descripción de las mismas.

Imágenes provenientes de la pagina web de OLYMPUS Latinoamérica http://www.olympuslatinoamerica.com/spanish/msg/msg_home_esp.asp?d=1 4

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Conexión de fibra de luz

Punta distal

Cuerpo

Lente distal

Sección flexible

Perilla de angulación LEFT / RIGHT Perilla de angulación UP / DOWN

Entrada pinza de biopsia

Tubo de inserción

Lente Objetivo / Mirilla

Válvula aire / agua

Válvula succión

Figura 1.3 Endoscopio de fibra óptica visto en sus secciones.5 El segundo dispositivo indispensable en un estudio de endoscopia es la fuente de luz; la figura 1.4 muestra dos tipos. Cuando el endoscopio logra invadir el cuerpo del paciente y se observa a través del objetivo o en la pantalla de video, sea el caso que corresponde, se nota que la imagen está en obscuridad, esto es debido a que no existe luz dentro del cuerpo del paciente lo que hace necesaria la inyección de luz que se refleje en las paredes del tejido y así sea posible observar una imagen.

a) Fuente para fibra óptica

b) Fuente para video

Figura 1.4 Ejemplos de fuente de luz 6

Figura obtenida de la pagina web de OLYMPUS Latinoamérica http://www.olympuslatinoamerica.com/spanish/ola_aboutolympus_fiber_esp.asp 6 Cortesía Servicios Integrales Endobiomedic 5

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En la figura 1.5 se observa la interacción del endoscopio con la fuente de luz, básicamente el endoscopio se conecta a la fuente de luz a través del conector de fibra de luz; esta fibra se encarga de trasmitir la luz proveniente de la fuente a lo largo de todo el endoscopio hasta llegar a la punta distal y así permitir la observación del tejido dentro del paciente.

Figura 1.5 Interacción de fuente de luz y endoscopio7 1.1.2 Rinolaringoscopia La rinolaringoscopia es un estudio realizado por el médico especialista en otorrinolaringología y consiste en la observación de las cavidades conectadas a la nariz, principalmente:  Oído  Fosa nasal  Laringe 1.1.3 Uso de la tecnología durante un estudio de rinolaringoscopia Existen diversos dispositivos para desarrollar un estudio de rinolaringoscopia, en especial si cada región por observar se ve de forma aislada.

Gatroenterologic endoscopy, Pág. 23, Michael V. Sivak Jr., Editorial W.B. Saunders Company, Segunda edición, año 2000. 7

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En el caso del oído puede ser observado con el otoscopio, que es el dispositivo más común en un consultorio de otorrinolaringología (fig. 1.6).

Figura 1.6 Otoscopio neumático (Welch Allyn)8 Otro ejemplo es el laringofaringoscopio de Hopkins que consiste en la introducción al paciente de un tubo rígido para la observación de laringe o nasofaringe.

Figura 1.7 Laringofaringoscopio de Hopkins (Karl Storz Endoscopy America Inc.)9

8 9

Otorrinolaringología, Pág. 6, Stanley N. Farb, Editorial El manual moderno, tercera edición, año 1986 Otorrinolaringología, Pág. 7, Stanley N. Farb, Editorial El manual moderno, tercera edición, año 1986

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Sin

embargo,

el

rinolaringoscopio

puede

realizar

cada

uno

de

los

procedimientos de forma adecuada, esto lo convierte en un dispositivo muy versátil. 1.1.4 Tipos de rinolaringoscopio Como ya se ha mencionado, existen endoscopios por fibra óptica y endoscopios por video, el área de otorrinolaringología no es la excepción. La rinolaringoscopia tiene un requerimiento especial, el diámetro de la punta distal y del tubo de inserción deben ser muy pequeños debido a las dimensiones de las cavidades por invadir. Con el desarrollo de la fibra óptica es posible generar una visualización con un diámetro tan pequeño como el necesario para realizar el estudio. Originalmente

todos

los

endoscopios

de

fibra

óptica

incluyendo

el

Fibrorinolaringoscopio envían su imagen desde la punta distal hasta el lente objetivo el cual es observado de forma similar a como se observaría con un microscopio. Básicamente la imagen en un endoscopio de fibra óptica consiste en el alineamiento de las fibras, desde la punta distal hasta el objetivo o mirilla, así colocando fibra por fibra en una posición arriba y abajo se logra formar una imagen (fig. 1.8). Con el desarrollo de cámaras de video se han creado microcámaras y monitores de grado médico, capturas de fotografías y grabación de video a través de computadora, que complementan el estudio y generan un reporte que sirve como historial de paciente o como referencia en el caso de consultas con otros especialistas.10

Pruebas de laboratorio e imagen en gastroenterología y hepatología, Pág. 149, Nahúm Méndez Sánchez, Luis Guevara González, Misael Uribe Esquivel, Editorial El manual Moderno, Primera edición, Año 2001. 10

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La fibra recibe luz de los caracteres de color y el fondo blanco

Mezcla de información entre el caracter y el fondo blanco

Imagen vista en el objetivo del as de fibras

Letra “F” vista a través del as de fibras Imagen vista en el objetivo del as de fibras

Figura 1.8 Formación de una imagen a través de fibra óptica 11 Es importante mencionar que el Fibrorinolaringoscopio es el más común entre los especialistas en otorrinolaringología, sin embargo la tecnología actual ha logrado miniaturizar tanto la unidad CCD (Dispositivo de carga acoplada) o microcámara colocada en la punta distal, que es posible encontrar en el mercado Videorinolaringoscopios con un diámetro tan pequeño como el de los rinolaringoscopios por fibra óptica. 1.1.5 Tipos de fuentes de luz para Fibrorinolaringoscopio La clasificación de las fuentes de luz para el estudio de rinolaringoscopia puede derivarse en dos tipos, por tipo de lámpara o por tipo de control. En la figura 1.9 se muestran las lámparas más comunes en el mercado para aplicaciones de fuentes de luz en Fibrorinolaringoscopios, la lámpara de Halógeno de 150w y la lámpara de Xenón de 175w. Cada una tiene Gatroenterologic endoscopy, Pág. 22, Michael V. Sivak Jr., Editorial W.B. Saunders Company, Segunda edición, año 2000. 11

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características y requerimientos específicos para su activación, por lo que el diseño electrónico varía mucho de un sistema a otro.

a) Lámpara de Xenón

b) Lámpara de Halógeno

Figura 1.9 a) Lámparas utilizadas comúnmente en fuentes de luz12 En la clasificación por tipo de control es común en la actualidad encontrar en el mercado fuentes de luz automáticas para los endoscopios de fibra óptica que toman la señal de video del modulo de una cámara conectada al objetivo del Fibrorinolaringoscopio y de esta manera regulan la emisión de luz para que siempre se obtenga una imagen clara en el monitor o pantalla, la figura 1.10 muestra un ejemplo.

Figura 1.10 Fuente de luz Xenón con control automático de regulación de luz (STORZ)13 Por otro lado, las fuentes de control manual utilizan una perilla mecánica o eléctrica que regula la cantidad de luz saliente de la fuente con respecto de la Imagen obtenida de la pág. web de Ushio America Inc. a) http://www.ushio.com/files/specs/VACCeramicXenon.pdf b) http://www.ushio.com/files/catalog/pav-halogen-mr1418.pdf 13 Cortesía Servicios Integrales Endobiomedic. 12

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posición en la cual el médico o alguno de sus asistentes coloque dicha perilla mientras se realiza el estudio médico. La figura 1.11 muestra un ejemplo de este tipo de fuente de luz.

Figura 1.11 Fuente de luz con control electrónico manual (PENTAX) 14 1.2 Problemática actual Tanto las lámparas de Halógeno como las de Xenón pueden ser usadas en fuentes de luz automáticas, sin embargo cada una de ellas tiene características que impiden que su diseño sea simple. En el caso del Halógeno la lámpara no tiene un costo elevado sin embargo, genera mucho calor que debe ser disipado por la misma fuente, existe tanta energía en la luz emitida que incluso al atravesar la fibra de luz y llegar hasta la punta distal en el endoscopio, puede sentirse el calor desprendido, lo que en cavidades dentro del paciente puede causar molestias o heridas mientras se realiza el estudio, esto debido a la sensibilidad del tejido. Por otro lado la luminosidad emitida en ocasiones no es suficiente ya que el Halógeno produce una cantidad limitada de potencia luminosa (lúmenes). El control de regulación de luz debe realizarse a través del medio mecánico llamado iris, el cual consiste en una placa o vástago metálico que obstruye el paso de la luz que atraviesa un orificio de la fuente y llega a la entrada de la fibra de luz en el endoscopio, la figura 1.12 muestra dos ejemplos. Es importante mencionar que el hecho de usar tanta potencia implica que el uso de un control electrónico se

14

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vuelve costoso tanto de forma monetaria como en cuestión a diseño del sistema.

a) EPM-3300 (PENTAX)

b) CLV-20 (OLYMPUS)

Figura 1.12 Mecanismo iris dentro de una fuente de luz Xenón15 En el caso de las lámparas de Xenón el costo es muy elevado, esto debido a la inestabilidad del Xenón. En consecuencia el sistema electrónico necesario para activar la lámpara se vuelva muy complejo y por lo tanto costoso.

Figura 1.13 Modulo de excitación de fuente de Xenón EPM-3300 (PENTAX)16 Si bien es cierto que genera más calor que su similar de Halógeno, por lo que los sistemas de enfriamiento son más complejos para garantizar la operación optima de la lámpara, también es cierto que no transmite tanta cantidad de calor en su luz hacia el paciente, esto debido a la colocación de cristales anticaloricos entre la salida de luz de la lámpara y la entrada de la fibra de luz, 15 16

Cortesía Servicios Integrales Endobiomedic. Cortesía Servicios Integrales Endobiomedic.

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por lo que a diferencia del Halógeno no logra lastimar el tejido cuando la punta distal lo toca. Por otro lado, las fuentes de luz de Xenón utilizan un mecanismo de regulación de luz similar al de las fuentes con base de Halógeno. La razón se basa en el funcionamiento de activación de la lámpara. El Xenón necesita de un arco de alta tensión de al menos 30,000 volts de corriente directa para alinear las partículas de gas Xenón contenidas en la lámpara, una vez alineadas

las

partículas

chocan

una

contra

otra

produciendo

un

desprendimiento de luz, para mantener este choque la fuente debe bajar el nivel de tensión a 12.5 VCD y por otro lado garantizar un suministro de corriente de 14 A. Tal cantidad de energía requerida y estabilizada implica un sistema de control electrónico muy complejo, como se observa en la figura 1.13, lo que hace de estas fuentes las más caras del mercado. 1.3 Luz LED En la actualidad el desarrollo de sistemas a base de LED es muy común. Un LED, es un dispositivo electrónico que obtiene su nombre de las siglas en ingles light emisor diode o diodo emisor de luz. Su funcionamiento básico es el de generar luz al aplicar una diferencia de potencial a través de dos placas semiconductoras. Un ejemplo sencillo se muestra en la figura 1.14.

Figura 1.14 Diodo emisor de luz básico17 A diferencia de otros dispositivos eléctricos que pueden emitir luz, el LED convierte casi toda la energía entrante en luz, por lo que el calor desprendido es casi nulo. Esto lo convierte en una fuente de luz muy eficiente. Diodo LED básico pagina web Steren México 2011 http://www.steren.com/_cat_src/prod_zoom.asp?d=2121 17

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1.3.1 LED de potencia En esencia un modulo LED de potencia es la unión de muchos LEDs de potencia, es decir, un modulo está compuesto de una matriz de LEDs de potencia que cada uno consume 1 watt; de esta forma si se requiere un modulo de 20 watts se necesita una matriz de 4 X 5 LEDs de 1 watt cada uno como se muestra en la figura 1.15. Mientras más LEDs formen el módulo más potencia luminosa es producida, de esta forma se puede lograr una analogía lumínica del Halógeno o el Xenón.

Figura 1.15 Modulo LED de potencia de 20 watts (SiLED)18 1.4 Desarrollo de tecnologías nuevas El mercado actual requiere una alternativa que compita con la potencia lumínica del Xenón y el costo del Halógeno. Una fuente luz a base de tecnología LED de potencia no es común en el mercado actual, lo que hace muy ambicioso el diseño de este tipo de fuente. En la tabla 1.1 se muestran las características principales de cada tecnología. Es muy sencillo apreciar como el modulo LED de potencia es muy competitivo con sus similares, no solo en rendimiento sino también en costos.

Catalogo LEDs de potencia, Pág. 14, SiLed, año 2011 http://www.siled.com.mx/catalogos/potencia/index.html 18

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Es tal el grado de practicidad que ofrece la tecnología LED de potencia que facilita en gran medida el diseño de una fuente de luz de este tipo. Tabla 1.1 Comparativa entre tipos de lámparas19 Tensión Tecnología

de excitación (VCD)

Tensión

Corriente

Potencia

Potencia

nominal

nominal

consumida

lumínica

(VCD)

(A)

(w)

(lm)

Vida

Costo

útil (h)

($USD)

Halógeno

21

21

7.14

150

300

25

200

Xenón

25,000

12.5

14

175

2500

1000

1300

18

18

1.750

25

2000

3000

50

LED de potencia

Datos obtenidos de las páginas web de: Ushio America Inc.; http://www.ushio.com/files/specs/VACCeramicXenon.pdf Osram; http://www.osram.com/_global/pdf/Professional/Display_Optic/Entertainment/Halogen_lowVoltage_ with_reflector/93631e.pdf SiLed; http://www.siled.com.mx/catalogos/potencia/index.html 19

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CAPÍTULO II: “SISTEMAS DE CONTROL EN EQUIPOS DE ENDOSCOPIA”

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En general los equipos médicos son sistemas de dinámica crítica, esto quiere decir que los procesos en el cuales se desenvuelven son demasiado delicados. Es difícil definir que parte de un dispositivo o procedimiento médico debe automatizarse y qué otra debe permanecer en operación manual. El hecho de interactuar con la vida de un paciente implica que el control debe ser en extremo robusto y a la vez preciso en aquellos equipos que es posible realizar un proceso de automatización. Las diferencias entre cada paciente para el mismo procedimiento son muy grades entre sí, esto hace difícil el cálculo de un control que garantice su eficiencia en la mayoría de los procedimientos médicos. Tal es el caso de una maquina de anestesia, si bien es cierto que se puede automatizar para garantizar la cantidad de sustancias salientes de la maquina hacia el paciente, también es cierto que solo un médico anestesiólogo está capacitado y certificado para definir la cantidad y el orden de colocación de las sustancias de anestesia para cada paciente diferente. Este trabajo se limitará a reafirmar un proceso que ya ha sido automatizado y el cual no representa un riesgo para el paciente en caso de fallas. 2.1 Problemática de la automatización en equipos de endoscopia Es importante mencionar que el procedimiento de endoscopia es un proceso que es muy difícil de automatizar, desde la aplicación de anestesia del paciente hasta el diagnóstico del tejido interno debe ser realizado por un médico especialista y personal capacitado. La mayoría de los subprocesos que forman el estudio de endoscopia son sistemas de control manual, sin embargo, existe una parte del estudio que no solo es importante automatizar sino que es hoy una regla para diseñadores de este dispositivo, este es la regulación de luz saliente de una fuente de luz.

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2.1.1 Automatización de las fuentes de luz para equipos de rinolaringoscopia El estudio de rinolaringoscopia al igual que otros estudios de endoscopia, requiere de un dispositivo que lleve luz dentro de la cavidad del paciente a observar. Dicho dispositivo es conocido como fuente de luz. Como ya se ha mencionado en el capitulo anterior, la fuente de luz es la encargada de transmitir la luz que el médico necesita para observar el tejido del paciente mientras se realiza el estudio. Hasta hace unos años la cantidad de luz requerida para realizar dicho estudio era controlada de forma manual, en términos simples, el médico observaba a través del objetivo del Fibrorinolaringoscopio y pedía subir o bajar la intensidad de luz de la fuente a su asistente cada vez que él se movía dentro de la cavidad. La figura 2.1 muestra un diagrama a bloques del proceso en cuestión. Luz deseada

Luz real Cerebro

Músculos y perilla

Fuente de luz

Ojos

Figura 2.1 Diagrama a bloques de la regulación manual de una fuente de luz Al desarrollarse las microcámaras y los cabezales que podían empotrarse al objetivo del Fibrorinolaringoscopio la imagen se podía transmitir como una señal de video hacia un monitor de grado médico, de esta forma el médico especialista dejaba de preocuparse en su posición para observar a través del objetivo y su atención podía enfocarse solo a la introducción del instrumento hacia el paciente y la observación del tejido en pantalla como se muestra en la figura 2.2.

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a) Procedimiento por fibra óptica

b) Procedimiento por video

Figura 2.2 Tipos de procedimiento de endoscopia20 La inclusión de microcámaras y cabezales a los estudios de endoscopia por fibra óptica trajo consigo una repercusión peculiar. La señal de video proveniente de la microcámara, después de ser tratada,

contenía la misma

información que el médico requería para corregir la cantidad de luz, solo que en este caso la información ya estaba contenida en un circuito eléctrico analógico. Este fue el principio de las fuentes de luz automáticas, la idea principal era tomar la señal de video compuesto proveniente de la micocámara y tratarla de tal modo que se obtuviera una señal de tensión variante en el tiempo de forma proporcional a la cantidad de luz captada por la cámara, así la señal tratada podía fungir como la señal de entrada de un sistema de control analógico en un circuito electrónico y por lo tanto regular la cantidad de luz requerida durante el estudio.

Gatroenterologic endoscopy, Pág. 470, Michael V. Sivak Jr., Editorial W.B. Saunders Company, Segunda edición, año 2000. 20

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2.2 Parámetros y dispositivos requeridos para el desarrollo de un sistema de control de una fuente de luz automática Al igual que la automatización de otros procesos diferentes, una fuente de luz automática para Fibrorinolaringoscopio requiere de los parámetros generales de un sistema de control de lazo de retroalimentación. La figura 2.3 muestra un lazo de retroalimentación de índole general. Valor deseado

Señal de error

Valor real Controlador

Actuador

Planta

Punto suma

Lazo de retroalimentación

Figura 2.3 Lazo de retroalimentación en forma generalizada Específicamente para una fuente de luz automática la señal de entrada es la señal de video tratada. El punto suma, el lazo de retroalimentación y el controlador son un controlador electrónico junto con un algoritmo de control computarizado. El actuador es el circuito de potencia o fuente de tensión que excita a la lámpara o en su caso es el mecanismo de movimiento de iris que cambia su posición para regular la luz saliente. Por último, la planta es la cantidad de luz saliente hacia el Fibrorinolaringoscopio. La figura 2.4 muestra las partes indispensables en una fuente de luz automática general.

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Módulo de excitación de lámpara

Circuitos de control

Interfaz

Sistema de ventilación

Lámpara y disipador

Iris

Figura 2.4 Estructura general de una fuente de luz automática 2.3 Estructura básica de un fuente de luz automática a partir de la tecnología LED de potencia Las características primordiales de la fuente de luz a partir de tecnología LED de potencia son el disipar menos calor y consumir menos potencia que sus similares en Xenón y Halógeno. Esto permite utilizar circuitos de baja potencia a base de electrónica de estado sólido como actuadores del sistema de control en retroalimentación. Es decir, a diferencia del Xenón o el Halógeno que requieren del dispositivo mecánico conocido como iris para regular su cantidad de luz saliente, en tecnología LED de potencia el circuito de la fuente de tensión que excita la lámpara para funcionar puede ser utilizado como el actuador que recibe las ordenes del controlador electrónico y así regular la cantidad de luz de la fuente. En el capitulo siguiente se explicará más a fondo como el circuito de fuente de tensión regula la intensidad de luz del modulo LED de potencia. En consecuencia se reducen espacio, peso, costo de fabricación, costo de diseño y costo de mantenimiento por no existir partes mecánicas en la fuente de luz a base de LED de potencia. La fuente de luz debe contar con las siguientes características para una operación adecuada:

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Entrada de fibra de luz.- Es la sección en donde el conector de fibra de luz del Fibrorinolaringoscopio se conecta a la fuente, existen diferentes marcas de Fibrorinolaringoscopio, en este caso se utilizará una entrada para la marca PENTAX. Disipador del Modulo LED.-Como ya se ha comentado anteriormente el modulo LED de potencia requiere de un disipador de calor que le ayude a evitar el sobrecalentamiento del mismo. Ventiladores.- Los ventiladores servirán para ofrecer aire frio proveniente del exterior hacia los circuitos electrónicos y hacia el disipador del modulo LED. Circuito de control.- Sera el encargado de obtener todos los datos del exterior y así regular la luz saliente del modulo LED de potencia. Circuito de potencia.- Fungirá con dos propósitos, el primero será el de activar al modulo LED de potencia cumpliendo con las características de tensión y corriente necesarias para esa función. La segunda tarea será la de obtener la información proveniente del circuito de control para así obtener regulación de luz. Interfaz.- Realizará la tarea de establecer un vínculo entre el usuario y la fuente de luz. La interfaz estará compuesta de una botonera con opciones como AUTO/MAN, UP/DOWN, ESC, RESET, con el fin de que el usuario haga los cambios que crea necesarios para que la fuente funcione de manera adecuada. Por último, los datos y opciones también serán mostrados en una pantalla óptica a través de un display LCD óptico 16X2. Interruptores

y

conectores.-

Se

deberá

contemplar

el

espacio

para

interruptores, cableado de datos y energía que hagan la unión de todas las partes de la fuente. Debe colocarse un modulo de protección contra sobre corriente (fusible) en caso de existir un corto-circuito. Así mismo se debe colocar todos los conectores apropiados para una operación convencional,

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estos son: conector de energía, conector BNC para la entrada de video y rejillas de ventiladores. Algoritmo de control.- La programación de todas las tareas necesarias para realizar el funcionamiento de la fuente se programarán en lenguaje C debido a la practicidad y sencillez de su uso. Deberá contemplarse todas las tareas de acción lectura y escritura de datos junto con el procesamiento de la ley de control sin que esto afecte o retrase a alguna otra tarea en el algoritmo de programación. Si bien la finalidad del presente trabajo es el desarrollo de una fuente luz automática, la mayoría de los fabricantes internacionales colocan una opción en base a control manual en sus fuentes en caso de que el usuario necesite un cambio específico. Es por ello que en el algoritmo de control se contempla el uso de control manual. La operación generalizada de ambos tipos de control se describe a continuación estableciendo que cada uno de ellos desplegara datos en la interfaz visual para que el usuario tenga en cuenta los cambios realizados en la configuración de la fuente. 2.3.1 Control de regulación Automático El control automático toma un tratamiento de la señal de video proveniente de la micocámara, el algoritmo de control procesa dicha información en el puerto analógico-digital del controlador electrónico y desarrolla la ley de control programada, así, abate el error calculado y genera una salida para controlar el la fuente excitadora que alimenta el modulo LED de potencia. El resultado, obtener la cantidad de luz definida por el usurario en todo instante del estudio. La figura 2.5 muestra el diagrama a bloques del proceso de regulación automático.

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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA FUENTE DE LUZ CON REGULACIÓN AUTOMÁTICA PARA UN DIAGNOSTICO POR VIDEO EN EL USO DE FIBRORINOLARINGOSCOPIO Luz deseada

Luz real Módulo de potencia

Micro controlador

Lámpara LED

Señal de video

Figura 2.5 Diagrama a bloques del sistema de control automático de una fuente de luz a partir de tecnología LED de potencia 2.3.2 Control de regulación Manual De forma generalizada el control manual en una fuente de luz en base a tecnología LED de potencia actúa de forma similar al control automático con la única diferencia en que para cambiar la intensidad de luz saliente de la fuente debe oprimirse los controles de regulación manual, estos son: UP y DOWN. En pocas palabras, al seleccionar control manual y oprimir el botón UP la cantidad de luz saliente aumentará hasta llegar al límite definido por el algoritmo computarizado, de otra forma al oprimir el botón DOWN la intensidad de luz bajará hasta llegar a apagar por completo el modulo LED de potencia. En la figura 2.6 se muestra el diagrama a bloques del sistema de regulación de luz manual. Luz deseada

Luz real Selector UP/DOWN

Micro controlador

Módulo de potencia

Lámpara LED

Figura 2.6 Diagrama a bloques del sistema de control manual de una fuente de luz a partir de tecnología LED de potencia

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CAPÍTULO III: “DISEÑO DE UNA FUENTE DE LUZ AUTOMÁTICA A PARTIR DE LED DE POTENCIA”

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El diseño de una fuente de luz automática en base a la tecnología LED de potencia presentada en este trabajo es muy simple; esa es una de las fortalezas de esta tecnología. Las características de trabajo del modulo LED de potencia nos guían en la estructura general y requerimientos del sistema. 3.1 Proceso de regulación de luz Debido a que la tecnología LED de potencia consume mucho menos potencia con respecto a sus similares de Halógeno o Xenón, es posible utilizar la técnica PWM (Modulación por ancho de pulso) para la regulación de luz y no el mecanismo iris, como se mencionó en el capitulo anterior. Básicamente la regulación de luz se realiza de la siguiente manera. Se trata la señal de video del exterior para que funja como la señal de entrada del controlador electrónico, así éste toma dicha señal y la parametriza de tal modo que la cantidad de luz observada en pantalla sea la misma que la cantidad reflejada en el controlador, a esta técnica se le conoce como adquisición de datos. La idea principal es crear una analogía entre la señal real proveniente del exterior, en este caso la cantidad de luz en una imagen, y una cantidad de información en bits que una computadora pueda interpretar. En el desarrollo de este capítulo se darán más detalles de esta técnica. Por otro lado se usa información convertida en bits para que el controlador electrónico junto con la programación de una ley de control genere una salida esperada. La ley de control genera una respuesta a cada entrada de señal exterior, dicha respuesta es utilizada por la siguiente etapa de la regulación, esta es la generación

de

la

señal

PWM

en

el

sistema.

La

técnica

PWM varia el ancho de pulso de la señal de salida con la finalidad de regular la luz que se desea enviar a través del modulo LED de potencia; con lo que se

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regula la intensidad de luz saliente a la cantidad de luz que se desea en ese instante de tiempo. El PWM se conglomera con un circuito de potencia que excita al modulo LED de potencia, esto significa que, cuando el controlador da la orden de bajar la intensidad de luz, el circuito de potencia alimentará al modulo LED de tal forma que produzca menos intensidad de luz. Es importante mencionar que el controlador electrónico estará influenciando de forma directa el comportamiento del modulo LED, físicamente esto es un problema. La potencia consumida por modulo LED aunque muy poca con respecto al Halógeno y Xenón, es superior a la que puede resistir un controlador electrónico convencional. Para ello se contempla el uso de una separación de circuitos por optoacoplamiento, de esta forma se garantiza la seguridad del sistema, es decir, en caso de originarse una falla critica en alguno de los sectores, de control o de potencia, se evitará una avería en el sector que opere de forma adecuada. Por último el modulo LED de potencia entregará el brillo adecuado a la entrada de fibra de luz del Fibrorinolaringoscopio. Así, la luz enviada a la punta distal del equipo será reflejada en la pared del tejido del paciente y observada por el objetivo distal. La

imagen

enviada

a

la

microcámara

empotrada

al

objetivo

del

Fibrorinolaringoscopio entregará una señal de video a un monitor para ser observada por el médico especialista y a su vez se enviará a la entrada de video de la fuente de luz con lo que el lazo de retroalimentación se cerrará. El efecto principal será el de observar una imagen adecuada en cada instante del estudio.

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Display y botonera

Fuente de tensión 5VCD

Fuente de tensión 18 VCD

Micro controlador

Optoacoplador

Módulo de potencia

Tratamiento de señal de video

Microcámara (señal de video)

Endoscopio (fibra de luz)

Sistema de enfriamiento

LED de potencia

Figura 3.1 Diagrama a bloques del proceso de regulación de luz

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La figura 3.1 muestra el diagrama a bloques del comportamiento de regulación de luz automática para la fuente de luz a base de LED de potencia. El recuadro en líneas punteadas de la figura anterior muestra etapas clave que la fuente necesita para operar en el modo automático. Si bien no forman parte de los sectores internos de la fuente, se deben contemplar para conseguir un diseño sencillo y práctico. 3.1.1 Señal de video compuesto Los sensores de las microcámaras de video convierten los cambios en la imagen captada en una señal de video compuesto. Esta señal lleva toda la información de una escena hacia un decodificador y por último a una pantalla para así reconstruir dicha escena. En este trabajo se explicará de forma generalizada el tema de señal de video compuesto conforme se requiera en el desarrollo del diseño de la fuente. Se debe tomar en cuenta que la señal de video compuesto también contiene la sincronía y un pulso de referencia negro horizontal. Al suprimir la información no necesaria, es posible obtener una analogía de la percepción que los humanos tienen en los cambios de brillo en una imagen. En la figura 3.2 se observan las partes de la señal de video compuesto. Se observa que la sincronía es negativa mientras que la señal de video y el pulso de referencia negro horizontal son positivos, esto es debido a que es un estándar en la entrada y salida de señal en equipos de video como cámaras de televisión, equipos de control de video y líneas de distribución telefónica. La amplitud estándar es de 1 Vpp con sincronía negativa.21

Basic television and video systems; Bernard Grob; 5º Edition, Editorial McGraw-Hill, Año 1984; pág. 142. 21

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Figura 3.2 Señal de video compuesto22 La señal de video compuesto en su sección de información contempla una peculiaridad, como se muestra en la figura 3.3, la variación de la señal es directamente proporcional a la cantidad de luz en la escena que se observa, es decir, cuando la escena es completamente obscura la señal se presenta en una tensión baja y mientras el brillo de la imagen crece hasta ser completamente blanca se observa una señal de video completamente en alto.23 Debido a que la amplitud de la señal de video compuesto es de 1 Vpp se debe restar la magnitud de la sincronía que es de 0.4 VCD para así obtener el valor de la amplitud de la señal de información de video que varía de los 0 VCD a 0.6 VCD.

Basic television and video systems; Bernard Grob; 5º Edition, Editorial McGraw-Hill, Año 1984; pág. 142. 23 Basic television and video systems; Bernard Grob; 5º Edition, Editorial McGraw-Hill, Año 1984; pág. 28. 22

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Una línea de muestreo horizontal Blanco

Blanco

0.6 V Negro 0

Tiempo de muestreo

Figura 3.3 Información de la señal de video en un muestreo de línea horizontal24 3.1.2 Tratamientos de señal Existen muchos métodos para obtener la señal tratada que irá hacia el controlador electrónico, sin embargo el más sencillo y simple es un rectificador de señal. La idea básica es rectificar la señal para que de esta forma solo pueda pasar la parte positiva de la señal de video compuesto, así se elimina la sincronía y deja solo la señal de video. Por otro lado se debe convertir la señal periódica en una señal constante lo que la vuelve una señal de corriente directa. Así, a medida que la imagen se obscurece la tención baja a 0.1 VCD y cuando se obtiene un blanco total la tención de la señal cambia hasta los 0.6 VCD. Con esto se obtiene una señal tratada de tensión analógica que cambia de forma proporcional al cambio de brillo en la imagen de video compuesto captada por la microcámara conectada al Fibrorinolaringoscopio. La figura 3.4 muestra el cambio de la señal de video compuesto puro hacia la señal de tención analógica necesaria para el controlador electrónico pasando por las etapas de eliminación de señal de sincronía y de eliminación de la frecuencia de la señal.

Basic television and video systems; Bernard Grob; 5º Edition, Editorial McGraw-Hill, Año 1984; pág. 28. 24

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v

v

0

0 t

a) Señal de video compuesto

v 0 t

b) Señal recortada

t

c) Señal filtrada

Figura 3.4 Etapas de tratamiento de señal de video compuesto 3.1.3 Adquisición de datos La adquisición de datos es la siguiente etapa en la regulación automática de la fuente de luz, esto se logra con la técnica de conversión Analógico/Digital (ADC). El ADC es un proceso electrónico que se encarga de, como su nombre lo dice, convertir una señal analógica proveniente del exterior en una cantidad binaria que una computadora puede interpretar. Los convertidores Analógico/Digital convierten un nivel de tensión analógico en el número digital correspondiente.25 Un ejemplo de esto es convertir una tensión variable de 0-5 VCD a un numero digital de 8 bits de resolución. La figura 3.5 muestra una idea de la conversión analógica digital.

Figura 3.5 Conversión Analógico/Digital (ADC) 25

Diseño electrónico, C. J. Savant, 3º Edición, Editorial Prentice Hall, Año 2000, pág. 811.

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Es importante mencionar que la conversión se logra con una variación proporcional lineal por parte de la señal analógica, es decir, la variación de la tensión con respecto al tiempo debe ser lineal. De ser no lineal, debe compensarse con el programa en el controlador. Los parámetros a configurar en este tipo de conversión son: tiempo de lectura/escritura de dato, tiempo de habilitación del ADC, resolución de dato, calibración o referencias del ADC. Estos parámetros cambian de una tipo de ADC a otro por lo que la forma de configurarlos se mostrara en la sección de programación del controlador electrónico. 3.1.4 Señal PWM El PWM es una técnica utilizada para activar y desactivar funciones de un sistema en un instante de tiempo, modulando el ancho de pulso en un periodo constante. La modulación por ancho de pulso o PWM es usada con frecuencia en sistemas de control para controlar el valor promedio de una tensión de corriente directa (VCD). La idea base es utilizar una fuente de tensión VCD y seccionar la tensión para que varié su valor promedio. 26 El seccionado se establece en pulsos de tensión, es decir, la señal de tensión VCD se interrumpe por lapsos de tiempo creando estos pulsos. Cuando la frecuencia con la que ocurren estos pulsos tiene un valor especifico, esta cadena de pulsos toma el nombre de tren de pulsos. La longitud de cada ciclo de un tren de pulsos se llama periodo T.27 El tiempo en el que la señal permanece en el estado activo se conoce como tiempo de alto (ta) mientras que el tiempo en el que la señal esta desactivada se conoce como tiempo de bajo (tb), como se muestra en la ecuación 3.1

Mecatrónica Sistemas de control electrónico en ingeniería mecánica y eléctrica; W. Bolton, 2º edición; Editorial Alfaomega año 2001; pág. 89 y 172 27 Analisis de circuitos Teoria y practica; Allan H. Robbins, Wilhelm C. Miller; 4º edición; Editorial Thomson/Delmar Lerning; año 2007; pág. 366. 26

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Por lo tanto:

Ec. 3.1 El ancho tp de un pulso se refiere al tiempo en el cual la señal permanece activa. De esta forma la relación de tp con su periodo se conoce como ciclo de trabajo, la ecuación 3.2 muestra el desarrollo de esto.

Ec. 3.2

ta

ta

tb

tb

T

a) 90%

T

b) 50%

Figura 3.6 Señal PWM en diferentes etapas En la figura 3.6 se observa este efecto en la señal de tensión VCD, es decir, mientras más dure ta, el ciclo de trabajo es mayor. Por ejemplo, en la parte a) se nota que el tiempo en el que esta desactivada la señal es casi imperceptible dejando el ciclo de trabajo en 90%. Por otro lado la sección b) establece una igualdad de los tiempos de alto y bajo lo que deja al ciclo de trabajo en 50% En el caso de la regulación de la velocidad de un motor de CD el efecto sería pasar de una velocidad muy grande a la mitad de la velocidad del motor. En la aplicación hacia el modulo LED de potencia la consecuencia es que a medida que el tiempo de alto aumenta y el tiempo de bajo disminuye el brillo del modulo se incrementa. De forma contraria si el tiempo de alto disminuye y el tiempo de bajo aumenta el brillo en el modulo decae.

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Esto implica que debe programarse una técnica PWM con un periodo definido y ciclo de trabajo que varíe conforme a indicaciones provenientes del controlador electrónico y de la señal exterior. 3.2 Definición del controlador electrónico El controlador electrónico es siguiente paso para en el diseño de la fuente de luz en base a tecnología LED de potencia, es cierto que las tareas necesarias para lograr el efecto de una fuente de luz automática son variadas lo que lo hace un proceso complejo, sin embargo un Microcontrolador versátil y confiable que puede cumplir con las características de cantidad y tipos de puerto, cantidad de memoria operativa, tiempos de respuesta, compatibilidad con diferentes compiladores y lenguajes de programación y competitivo en tamaño y costo es la Unidad de Microcontrolador (MCU) PIC18F4550. El PIC18F4550 MCU es un Microcontrolador de gama alta, es decir tiene 32k bytes de memoria disponible para su programación, 5 puertos disponibles con 35 pines de entrada y salida de datos, 13 de ellos como entradas analógicas opcionales. Cuenta con módulos preregistrados para el uso y aplicación de ADC, PWM, LCD display y RTOS. Lo que lo convierte en una excelente opción como el controlador electrónico de la fuente de luz a base de LED de potencia.28

Hoja de datos, PIC 8F4550, año 2011 http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/microchip/39617a.pdf 28

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Figura 3.7 MCU PIC18f455029 3.3 Ley de control Existen diversos algoritmos de control que pueden ser usados para obtener una regulación de luz automática para este tipo de fuente, sin embargo la limitante de memoria por parte del Microcontrolador, la sencillez del sistema en cuestión a costos y diseño de hardware deja la opción al Control PID (Proporcional Integral y Derivativo) como la estrategia de control adecuado para la fuente de luz de tecnología LED de potencia. 3.3.1 Control PID para la regulación automática de una fuente de luz El control PID es uno de los controladores más populares en la industria por su confiabilidad. En este trabajo no se profundizará en el desarrollo de la técnica de control PID, sin embargo se darán los puntos más importantes necesarios para su colocación en un controlador electrónico. De igual manera no se profundizará en el tema de sintonización de PID. La sintonización del PID para una regulación automática de luz será establecida bajo la técnica empírica de ensayo de prueba y error debido a la carencia de modelados matemáticos en el diseño del sistema. 29Hoja

de datos, PIC 8F4550, año 2011 http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/microchip/39617a.pdf JULIO NOEL HERNÁNDEZ PÉREZ

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El término de control PID se basa en tres partes, control proporcional, control integral y control derivativo. La idea base es obtener la señal de error (et) que es la diferencia entre la referencia del controlador (valor deseado) y la señal de entrada (valor real) del controlador. Así el PID usa el error para generar respuestas en cada una de sus etapas. La suma de estas respuestas es llamada salida de control (ut), con lo que se obtiene el control PID. La ecuación de control PID se describe en la ecuación 3.3:

Ec. 3.3 La ecuación anterior muestra el comportamiento del algoritmo de control PID, se observan tres términos relevantes en dicha ecuación, cada uno multiplicado por la ganancia proporcional (Kp) del PID. El primer término es el correspondiente a la parte proporcional P. La parte proporcional adquiere su nombre debido a que es una parte proporcional del error, esto significa que multiplica el error por una magnitud y así obtiene un valor que se conoce como ganancia proporcional. 30 La parte P se describe en la ecuación 3.4:

Ec. 3.4 El segundo término es la parte integral I de PID. Esta etapa obtiene la integral de e(t) en un instante de tiempo con el fin de mantener una referencia de todos los errores obtenidos durante toda la medición del PID. Es proporcional al tiempo integral (Ti) del error con lo que se obtiene la ganancia integral (Ki).31 La ecuación 3.5 describe lo ya mencionado:

PID controllers; Karl Astrom & Tore Hagglund; 2º edition; Instrument Society of America, Año 1995; pág. 70 31 PID controllers; Karl Astrom & Tore Hagglund; 2º edition; Instrument Society of America; Año 1995; pág. 70. 30

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Ec. 3.5 Esta etapa es crítica debido a que obliga al sistema a llegar al valor de referencia durante la operación y de esta forma hacer que el error del sistema tienda a cero. La parte I se muestra en la ecuación 3.6:

Ec. 3.6 El tercer término es la parte derivativa D del PID. La etapa derivativa es una respuesta muy rápida a una perturbación en el sistema, podría decirse que una predicción del error. Es proporcional al tiempo derivativo (Td) de la señal de error con lo que se obtiene ganancia derivativa (Kd). 32 En la ecuación 3.7 se desarrolla la parte Kd:

Ec. 3.7 Y así se puede formar D como se muestra en la ecuación 3.8:

Ec. 3.8 La señal de salida del control PID o m(t) es igual a la suma algebraica de cada uno de los términos anteriores, la ecuación 3.9 muestra el desarrollo de la salida de control:

Ec. 3.9 La programación del algoritmo PID debe realizarse bajo esta idea con el fin de obtener un sistema de control sencillo y confiable. 3.4 Compilador CCS e interfaz de programación PCWH El compilador escogido para el desarrollo de este proyecto es el compilador CCS C.

PID controllers; Karl Astrom & Tore Hagglund; 2º edition; Instrument Society of America, Año 1995; pág. 70 32

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El compilador C de CCS ha sido desarrollado específicamente para PIC MCU, obteniendo la máxima optimización

del compilador con estos dispositivos.

Dispone de una amplia librería de funciones predefinidas, comandos de preprocesado y ejemplos. Además, suministra los controladores (drivers) para diversos dispositivos como LCD, convertidores AD, relojes en tiempo real, EEPROM serie, etc.33 Un compilador convierte el lenguaje de alto nivel a instrucciones en código maquina; un cross-compiler es un compilador que funciona en un procesador (normalmente un PC) diferente al procesador objeto. El compilador CCS C es un cross-compiler. Los programas son editados y compilados a instrucciones maquina en el entorno del trabajo del PC, el código maquina puede ser cargado del PC al sistema mediante cualquier grabador de PIC. 34 El CCS C es C estándar y además de las directivas estándar (#include, etc.), suministra unas directivas especificas para PIC (#device, etc.); además incluye funciones especificas (bit_set(), etc.). Se suministra con un editor que permite controlar la sintaxis del programa. 35 Este editor de programación en C es el PCWH, en este editor se colocan todas las instrucciones de un programa en lenguaje C para posteriormente entregarlas al CCS C, el cual generara el archivo en lenguaje maquina (*.HEX) necesario para grabar el PIC. El entorno de trabajo es muy similar a otros editores de lenguaje C de programación.

Compilador C CCS y simulador PROTEUS para Microcontroladores PIC; Eduardo García Breijo; Editorial Alfaomega, 1º Edición, año2008, pág. 23 34 Compilador C CCS y simulador PROTEUS para Microcontroladores PIC; Eduardo García Breijo; Editorial Alfaomega, 1º Edición, año2008, pág. 23 35 Compilador C CCS y simulador PROTEUS para Microcontroladores PIC; Eduardo García Breijo; Editorial Alfaomega, 1º Edición, año2008, pág. 23 33

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Para escribir un programa en C con el CCS C se debe tener en cuenta una serie de elementos básicos de su estructura (figura 3.8). 36 Directivas de procesado: Controlan la conversión del programa a código maquina por parte del compilador. Programas o funciones: Conjunto de de instrucciones. Pueden haber uno o varios; en cualquier caso siempre debe haber una definido como principal mediante la inclusión de la llamada main(). Instrucciones: Indican cómo se debe comportar el PIC en todo momento. Comentarios: Permiten describir lo que significa cada línea del programa.

Figura 3.8 Estructura básica de un programa 37 Compilador C CCS y simulador PROTEUS para Microcontroladores PIC; Eduardo García Breijo; Editorial Alfaomega, 1º Edición, año2008, pág. 24 36

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Por último CCS C y el editor PCWH dejan abierta la posibilidad de descarga de software de forma gratuita (http://www.ccsinfo.com/) para el desarrollo de proyectos escolares por lo que no fue necesario el pago de una licencia para su uso. 3.5 Selección del modulo LED de potencia Debido a las características de potencia luminosa del Xenón y el Halógeno se establece que el modulo LED que ofrecerá grandes ventajas será el modulo de 25 watts para un estudio de diagnóstico médico de rinolaringoscopia. En el mercado nacional actual no existe variedad de fabricantes debido a lo nuevo de esta tecnología, sin embargo la marca SiLED ofrece gran variedad de módulos LED y aplicaciones. Por otro lado es importante acentuar que el LED de potencia tiene un costo bajo si se compara con una lámpara de Xenón de 175 watts, esto es referente a su consumo de potencia y a su durabilidad. Con respecto al Xenón, el LED de potencia resalta en durabilidad y precio, esto debido a su característica de convertir casi por completo la energía consumida en luz, como ya se había mencionado en capítulos anteriores. En su catalogo de ventas 2011, SiLed muestra al módulo LED de potencia de 25 watts como se observa en la figura 3.9. Las características de operación ofrecen la información necesaria para diseñar partes de la fuente, unas de ellas, la fuente excitadora y el módulo de potencia.

Compilador C CCS y simulador PROTEUS para Microcontroladores PIC; Eduardo García Breijo; Editorial Alfaomega, 1º Edición, año2008, pág. 24 37

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Figura 3.9 Características del modulo LED de potencia seleccionado 38 3.5.1 Fuente excitadora Las características del modulo marcan una tensión mínima y máxima para funcionar, en la investigación de campo con el proveedor se concluyó que esto era

debido

a

que

los

módulos

LED

de

potencia

no

son

diseñados

específicamente para operar con regulación de intensidad luminosa, es decir, las fuentes excitadoras que se venden junto con los módulos LED de potencia son fuentes de corriente que varían su tensión de 15 – 18 VCD para garantizar una corriente en el modulo de 1750 mA, en el caso del módulo LED de potencia de 25 Watts, y de esta manera ofrecer la máxima cantidad de luz en el módulo LED de potencia.

Catalogo LEDs de potencia, Pág. 15, SiLed, año 2011 http://www.siled.com.mx/catalogos/potencia/index.html 38

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La aplicación de una fuente de luz automática en base a LED de potencia funcionará a partir de una fuente de tensión de 18 VCD a 2000 mA. Esto con la finalidad de utilizar PWM como técnica de control de regulación luminosa. 3.5.2 Optoacoplamiento El hecho de pasar 1750 mA por el módulo LED de potencia de 25Watts en un nodo eléctrico directo con el controlador electrónico representa un peligro en cuestión de seguridad del sistema. La corriente máxima que puede existir en todos los pines del PIC18F4550 es de 200 mA, por consecuencia no es posible conectar la carga de forma directa con el circuito de control. 39 Por otro lado la literatura en electrónica de potencia sugiere de forma puntualizada el agregar un circuito de separación que impida el contacto directo entre el circuito de control del sistema y el circuito de potencia con el fin de prevenir fallas y salvaguardar la integridad de los circuitos en caso de averías. La

técnica

seleccionada

en

la

fuente

de

luz

automática

será

el

optoacoplamiento debido a la facilidad de su diseño y lo pequeño de sus partes. En el mercado actual existen circuitos integrados como el 4N26 que ofrecen las características de tamaño y corriente entre terminales que se requieren en el presente proyecto. 3.6 Circuito electrónico del sistema La siguiente etapa del diseño es el desarrollo de los circuitos electrónicos que compondrán la fuente de luz. Cada parte del circuito electrónico se ha separado en secciones tal como se ha hablado en temas anteriores. Es importante mencionar que el diseño de los circuitos se realizó bajo la interfaz visual de la aplicación ISSIS de PROTEUS 7 versión estudiante con dos finalidades.

39

PIC18F4550 Data Sheet, Microchip, año 2011

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La primera era obtener el diseño de diagrama electrónico para revisiones y correcciones y por otro lado como evidencias en el presente trabajo. La segunda, utilizar una aplicación derivada de PROTEUS 7 versión de estudiante, ésta llamada ARES. ARES es una interfaz de edición de placas de circuito impreso (PCB), con él se desarrollará en el capitulo siguiente la generación de las placas de forma física. 3.6.1 Circuito de control y circuito de interfaz En la figura 3.10 observamos el circuito de control conglomerado con el circuito de interfaz, se aprecia un diseño sencillo y práctico. En la parte de control destacan la adquisición de datos y su calibración con el RV1. RV1 se ajusta para obtener 0.6 VCD, de esta forma el controlador recibe la indicación de que 0.6 VCD es el punto máximo en la escala de ponderación para el ADC del controlador. Las conexiones de alimentación, el Reset del sistema y del cristal de 20 MHz son de orden general. La conexión PWM en el Pin 17 del PIC finaliza la secuencia del circuito de control. Por su parte el circuito de interfaz muestra 6 botones: UP, DOWN, MANUAL, AUTO y RESET. Si bien RESET forma parte del circuito de control, se repite en esta parte debido a su colocación en el panel frontal de usuario. Destaca el LCD de 16 columnas por 2 líneas, en el se reflejan todos los ajustes y despliegues de datos durante la operación de la fuente. A su vez se muestran dos leds indicadores, el primero se acciona solo cuando el control manual es activado mientras que el segundo solo se activa al entrar el control automático en operación. Por tiempo y espacio durante la construcción estos indicadores solo se verán reflejados en la placa de interfaz dentro de la fuente y no en la parte exterior como el resto de las partes del circuito de interfaz.

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VIDEO INPUT

D2

LCD1

1N4148

R4

C4 100n

LM016L

C. AUTO

220R

C. MANUAL

R3

COM 5 VCD

RV1

D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 7 8 9 10 11 12 13 14

4 5 6

VSS VDD VEE 1 2 3

COM 5 VCD

RS RW E

+5 VCD 220R

+5 VCD

R5

X1 C6

CRISTAL 20 MHz

100n COM 5 VCD

+5 VCD

R6

C. AUTO

33 34 35 36 37 38 39 40

18

VUSB PIC18F4550 +5 VCD

RD0/SPP0 RD1/SPP1 RD2/SPP2 RD3/SPP3 RD4/SPP4 RD5/SPP5/P1B RD6/SPP6/P1C RD7/SPP7/P1D RE0/AN5/CK1SPP RE1/AN6/CK2SPP RE2/AN7/OESPP RE3/MCLR/VPP

15 16 17 23 24 25 26

PWM OUTPUT

19 20 21 22 27 28 29 30 8 9 10 1

+5 VCD

UP

R9

R11 100k

220R

R7

32

RB0/AN12/INT0/FLT0/SDI/SDA RB1/AN10/INT1/SCK/SCL RB2/AN8/INT2/VMO RB3/AN9/CCP2/VPO RB4/AN11/KBI0/CSSPP RB5/KBI1/PGM RB6/KBI2/PGC RB7/KBI3/PGD

VSS VSS

100n

RA0/AN0 RC0/T1OSO/T1CKI RA1/AN1 RC1/T1OSI/CCP2/UOE RA2/AN2/VREF-/CVREF RC2/CCP1/P1A RA3/AN3/VREF+ RC4/D-/VM RA4/T0CKI/C1OUT/RCV RC5/D+/VP RA5/AN4/SS/LVDIN/C2OUT RC6/TX/CK RA6/OSC2/CLKO RC7/RX/DT/SDO OSC1/CLKI

12 31

C5 COM 5VCD

VDD VDD

U5 2 3 4 5 6 7 14 13

10k

11

220R COM 5VCD

220R

C. MANUAL

DOWN

220R

R8

220R

ESC

RESET

220R

C7

+5 VCD

COM 5 VCD

R10

R12

100n

COM 5 VCD

470R

D3 1N4001

Figura 3.10 Circuito de control, circuito de interfaz y circuito de tratamiento de señal

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3.6.2 Circuito de tratamiento de señal de video En la parte superior izquierda de la figura 3.10 se aprecia el circuito de tratamiento de señal. Como se explicó en temas anteriores la señal de video compuesto proveniente de la microcámara debe ser tratada de forma tal que pueda ingresar al PIC MCU como una señal de entrada de control. Esto se logró al quitar la etapa de sincronía de la señal de video compuesto con la ayuda del diodo 1N4148 lo que dejo solo la parte de información junto con el pulso de referencia de negro. El capacitor en paralelo funge como amortiguador de señal para obtener una señal VCD que cambia su amplitud conforme varia el brillo en la imagen de la microcámara. En escancia, el circuito hace posible tratar la señal de video compuesto y así obtener

la

información

necesaria

para

cerrar

el

lazo

de

control

en

retroalimentación, como se muestra en la figura 3.11. VIDEO INPUT

PUERTO A0 / ADC DE PIC

D2 1N4148

C4 100n

COM 5 VCD

Figura 3.11 Circuito encargado de tratar la señal de video compuesto 3.6.3 Circuitos de fuentes de energía En las figuras siguientes se muestra el diseño de las fuentes de alimentación tanto para la parte de control como para el módulo LED de potencia. Se observa que son fuentes de diseño básico. La figura 3.12 Muestra la fuente alimentadora para la etapa de control, en la entrada se nota la inyección de tensión alterna de 120 VCA (Tensión de JULIO NOEL HERNÁNDEZ PÉREZ

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corriente alterna) mientras que en la salida se obtienen 5 VCD a 2 A. El motivo, la fuente alimentará no solo al controlador electrónico (PIC18F4550) sino también a la pantalla óptica (LCD), las botoneras, circuitos de calibración e indicadores secundarios. TR1

U1

BR1

7805 VI

VO

3

GND

1

+5 VCD

2

120 VCA

C1 1000u

COM 5 VCD

120 VCA / +6 VCA PUENTE DE DIODOS 2 A

Figura 3.12 Circuito de fuente de alimentación correspondiente a la etapa de control En la figura 3.13 vemos la fuente excitadora para el módulo LED de potencia de 25 watts. En el mercado actual no fue posible encontrar un transformador y circuitos de regulación para obtener 18 VCD a 2 A, requería de solicitar piezas hechas especialmente para esta fuente. Sin embargo se optó por un diseño simple en el que el transformador ocupado utiliza dos derivaciones para obtener en cada una 9 VCA, de esta manera al pasar esta energía por los rectificadores de onda se obtenía ±9 VCD los circuitos de regulación están calculados para ofrecer hasta 1 A cada uno por lo que al prescindir del común de ±9 VCD lo que se obtiene es una fuente de +18 VCD a 2 A, energía suficiente para alimentar al módulo LED de 25 watts. U2 7809

TR2

BR2

VI

VO

3

GND

1

C2

2

2200u 120 VCA

+18 VCD

1

C3 PUENTE DE DIODOS 4 A

2

GND

2200u

120 VCA / +-9 VCA

VI

VO

3

COM 18 VCD

U3 7909

Figura 3.13 Circuito de fuente de excitadora

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3.6.4 Circuito de potencia El circuito de potencia se muestra en la figura 3.14, es importante subrayar que está conglomerado con el Optoacoplador debido a condiciones de seguridad. El circuito de potencia es sumamente sencillo, no es más que un transistor NPN en configuración de base común y carga en colector para ofrecer la máxima corriente posible, que en este caso hacia el módulo LED de potencia. La idea principal es obtener la información de la señal PWM del PIC MCU, llevarlo al Optoacoplador para que éste le entregue la información al transistor TIP122 el cual logra soportar una corriente de hasta 5 A, con la disipación de calor adecuada. El transistor interrumpirá la tensión de la fuente excitadora (PWM en fuente excitadora) para así regular el brillo del modulo LED de potencia.

+18 VDC

SEÑAL PWM

U4 1

PWM INPUT

D1 MÓDULO LED DE POTENCIA 25 W

6 5

2 4 4N26 OPTOCOUPLER

R2

Q1 TIP122

100R

R1 100R

COM 5 VCD

COM 18 VCD

Figura 3.14 Circuito de potencia y optoacoplamiento 3.7 Conexiones generales La fuente de luz automática a base de LED de potencia contará con un fusible de seguridad en protección a falla por corto-circuito. Este fusible es de 3 A y se encuentra en un compartimiento del dispositivo de conexión a línea de 120 JULIO NOEL HERNÁNDEZ PÉREZ

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VCA. La tensión alterna protegida se enviara a un interruptor general que lleva energía a cada parte de la fuente, esto es: transformadores, ventiladores y un indicador luminoso dentro del dispositivo interruptor general. De esta forma al activarse dicho interruptor la consecuencia será la de activación inmediata de la fuente de luz automática a base de LED de potencia. La figura 3.15 muestra el diagrama de conexiones generales de la fuente de luz.

Línea de tensión 120 VCA

Interruptor general Fusible

Derivador de conexiones

Trans 1

Trans 2

Ventilador 1

Ventilador 2

Figura 3.15 Circuito de conexiones generales para 120 VCA 3.8 Diagrama esquemático La fuente de luz en base a tecnología LED de potencia no requiere de módulos o circuitos complicados, sin embargo es cierto que se debe garantizar una entrada de flujo de aire constante que logre enfriar ciertos componentes críticos, entre ellos el modulo LED de potencia. La figura 3.16 muestra cada uno de los sectores que conforman la fuente de luz, es importante tener todos los sectores en cuenta en el momento de diseñar su distribución en la fuente.

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Transformador 1

Ventilador 1

Placas 1 y 2

Transformador 2

Flujo de aire

Placa 3

Ventilador 2

Flujo de aire

LED de potencia

Figura 3.16 Diagrama esquemático de la fuente de luz a base de LED de potencia brillo 3.9 Arquitectura del diseño En cuestión a la arquitectura del diseño, se debe establecer una posición para cada una de las partes de la fuente tomando en cuenta los requerimientos expuestos en los temas anteriores. Cada parte juega un papel importante en la posición, debido a la distribución del aire para cada sector, es por ello que se deben tomar en cuenta cada uno de los sectores que conforman la fuente para establecer su posición en la misma. Al mismo tiempo la distribución es vital en la selección de las partes y tamaño de los componentes. En el presente trabajo se optó por usar un tamaño similar al de las fuentes automáticas de Xenón existentes en el

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mercado, así el usuario no tendría problemas con la implementación en sitio de la fuente a base de LED de potencia. A continuación se muestra el diseño que la fuente requiere para operar En la figura 3.17 se aprecia la vista frontal de la fuente de luz, es importante hacer las incisiones correspondientes con el fin de que puedan colocarse los dispositivos al final. La figura 3.18 muestra las incisiones necesarias en la parte posterior del gabinete para que en lo sucesivo se puedan colocar el ventilador 1, la entrada de video compuesto (BNC) y la entrada de tensión de 120 VCA. La figura 3.19 muestra la vista inferior de la fuente, se aprecian todas las hendiduras que la fuente necesita para colocar cada uno de los dispositivos que irán dentro de la fuente. El diseño de la fuente de luz contempla una salida de aire en la parte lateral derecha, esto con el fin de acelerar el proceso de enfriamiento del modulo LED de potencia. Se logra haciendo cortes horizontales en la parte lateral de la tapa del gabinete. La figura 3.20 también muestra las hendiduras para los tornillos externos del cierre de la tapa, estos deben ir en ambas caras, lateral derecha e izquierda. El diseño del hardware termina con la presentación en 3D de la fuente de luz automática, las figuras 3.21 y 3.22

muestran una propuesta en 3D de la

fuente de luz con los dispositivos ya montados en base a las medidas propuestas.

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Figura 3.17 Vista frontal de la fuente de luz marcando las medidas para las incisiones necesarias

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Figura 3.18 Vista posterior del gabinete mostrando los cortes necesarios.

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Figura 3.19 Vista inferior del gabinete marcando las hendiduras necesarias.

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Figura 3.20 Vista lateral derecha con cortes y hendiduras requeridas

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Figura 3.21 Vista superior 3D de la fuente de luz automática en referencia a las medidas propuestas.

Figura 3.22 Perfiles 3D de la fuente de luz automática en referencia a las medidas propuestas.

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3.10 Algoritmo de programación El lenguaje seleccionado para el diseño del software es el lenguaje C. La interfaz de programación PIC-C facilita el enlace con los protocolos de programación con el lenguaje C, utiliza el compilador CCS para generar los archivos de salida al momento de construir los proyectos de programación y sobretodo cuenta con versiones gratuitas para proyectos estudiantiles. 3.10.1 Diagrama de flujo del programa

Figura 3.23 Diagrama de flujo del programa principal

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Figura 3.24 Diagrama de flujo del programa automático JULIO NOEL HERNÁNDEZ PÉREZ

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Figura 3.25 Diagrama de flujo del programa manual JULIO NOEL HERNÁNDEZ PÉREZ

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3.10.2 RTOS – Real Time Operating System El sistema operativo en tiempo real simplifica el desarrollo de una aplicación y, mediante el uso de tareas, reduce los errores de programación. En general, se puede definir RTOS como un programa que trabaja en segundo plano, controla la ejecución de varias tareas y facilita la comunicación entre ellas. En el caso de que se esté ejecutando más de una tarea al mismo tiempo, el sistema se denomina multitarea; cada tarea tiene asignado un tiempo de procesador.40 El RTOS no es exactamente un SO (sistema operativo) a pasar de que los dos se basan en un núcleo (kernel) que se encarga de controlar la ejecución de las tareas. La diferencia estriba en la carga inicial, si es solo núcleo (RTOS) o si además se cargan otros procesos (SO). El RTOS está pensado para trabajar con los micocontroladores. Puede utilizarse en los PIC de gama media pero donde mayor rendimiento se obtiene es en los PIC de gama alta. 41 El RTOS que utiliza CCS permite al PIC ejecute regularmente las tareas programadas sin necesidad de interrupciones. Esto se logra a través de la función RTOS_RUN() que actúa como planificador de las tareas (dispatcher). La función del planificador consiste en dar el control del procesador a la tarea que debe ejecutarse en un momento dado. 42 Cuando la tarea ha terminado de ejecutarse o ya no necesita del procesador, el control de dicho procesador es devuelto al planificador el cual dará el control del procesador a la siguiente tarea que esté lista para ejecutarse en ese momento. Este proceso se conoce como cooperativo multitarea (cooperative milti-tasking).43

Compilador C CCS y simulador PROTEUS para Microcontroladores PIC; Eduardo García Breijo; Editorial Alfaomega, 1º Edición, año2008, pág. 239 41 Compilador C CCS y simulador PROTEUS para Microcontroladores PIC; Eduardo García Breijo; Editorial Alfaomega, 1º Edición, año2008, pág. 239 42 Compilador C CCS y simulador PROTEUS para Microcontroladores PIC; Eduardo García Breijo; Editorial Alfaomega, 1º Edición, año2008, pág. 239 43 Compilador C CCS y simulador PROTEUS para Microcontroladores PIC; Eduardo García Breijo; Editorial Alfaomega, 1º Edición, año2008, pág. 239 40

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En la aplicación para el desarrollo de una fuente de luz automática a base de LED de potencia RTOS simplifica la administración de todas las funciones necesarias como el ADC, PID, LCD y configuraciones de la fuente. En el programa de aplicación el RTOS se describe paso a paso como a continuación se observa. Se debe colocar la cabecera

#use rtos (timer=0, minor_cycle=1ms)

aquí se define el

uso del timer que en este caso será igual a cero y del tiempo de ciclo menor que en este caso será de un mili segundo. Por otro lado se deben definir las tareas que serán administradas por RTOS, esto se logra de la siguiente forma: #task(rate=1ms, max=1ms) void adc(); #task(rate=10ms, max=1ms) void teclado();

Cada tarea del RTOS tiene un rango de tiempo definido y un límite de tiempo máximo, esto quiere decir que si alguna durase más del tiempo establecido la secuencia de administración pasara a la siguiente tarea pendiente. Cada tarea manda a llamar a una subfunción del programa y regresa el control del procesador a la siguiente tarea. 3.10.3 Adquisición de datos en PIC18F4550 La adquisición de datos programada se observa de la siguiente forma: void adc(){ rtos_wait (a); read_adc(ADC_START_ONLY); while (!adc_done()); valor_adc=read_adc(ADC_READ_ONLY);

// empieza la conversión

del modulo ADC

// valor_adc= valor analógico convertido

valor_real=(valor_adc*k);

// convirtiendo a voltaje

rtos_signal(a); rtos_yield(); }

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Destaca la manera de formar la subrutina, es decir, debido a que es una tarea del RTOS se deben colocar ejecutara o no, terminado y

rtos_wait (a);

rtos_signal(a);

rtos_yield();

que es la espera de si esta función se

que es la indicación de que la función ha

que es la indicación de que RTOS debe pasar a la

siguiente tarea. En la cabecera del programa se define al ADC con un valor de 8 bits de resolución

#DEVICE

ADC=8,

setup_adc_ports(AN0|VSS_VREF);

contar

con

un

valor

de

referencia

positivo

y establecer al pin A0 como el único puerto

encargado de la adquisición de datos

set_adc_channel(0);.

La función del ADC consiste en tomar la lectura del convertidor Analógico / Digital, esperar a que termine el muestreo y luego asignar el valor ya convertido a una variable, en este caso valor_adc. Por último se hace una conversión de dato debido que el valor entregado por el ADC es un numero de 8 bits; valor_real es la conversión de este numero de 8 bits al correspondiente en una escala de 0 – 100. 3.10.4 PID en PIC18F4550 Al igual que la rutina de ADC se deben colocar los indicadores para definir a la secuencia de control como una tarea del RTOS. Destaca la implementación de las ecuaciones mostradas en la sección 3.3.1, ecuaciones: 3.3, 3.4, 3.6, 3.8 y 3.9 correspondientemente. Para así presentar la estrategia de control PID como el algoritmo de control utilizado en la realización de este proyecto. El algoritmo PID se establece de la siguiente manera: void control(){ rtos_wait (a); //********************************** Variables de control ***************************** //Ley de control m(t)= Kp*e(t) + Ki $e(t)dt + Kd d(e(t))/dt T= 0.1; Ti= 2.0;

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// Tiempo de muestreo T= 0.1 seg;

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DISEÑO DE UNA FUENTE DE LUZ CON REGULACIÓN AUTOMÁTICA PARA UN DIAGNOSTICO POR VIDEO EN EL USO DE FIBRORINOLARINGOSCOPIOS Td= 0.5; Ki= Kp * (T / Ti); // Ganancia integral del sistema de control Ki= Kp/Ti; Ti= 2 Kd= Kp * (Td / T); // Ganancia derivativa del sistema de control Kd= Kp*Td; Td=0.5 //************************************************************************************ et= (valor_deseado - valor_real);

// Obtención del error del sistema e(t)

P= Kp * (et); I= Ki * (et + I_0 + I_1); D= Kd * (et - et_1);

// Desarrollo de la parte proporcional del control // Desarrollo de la parte integral del control // Desarrollo de la parte derivativa del control

mt= P + I + D;

// Obtención de la lay del control del sistema

if (mt >= 99) mt= 99; if (mt = 99.0) valor_deseado= 99.0;

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DISEÑO DE UNA FUENTE DE LUZ CON REGULACIÓN AUTOMÁTICA PARA UN DIAGNOSTICO POR VIDEO EN EL USO DE FIBRORINOLARINGOSCOPIOS if (input(PIN_E1)== 1) valor_deseado= valor_deseado-0.1; if (valor_deseado = 254.0) setpoint= lim_max; (input(PIN_E1)== 1) setpoint= setpoint-1; (setpoint = 99.0) valor_deseado= 99.0; (input(PIN_E1)== 1) valor_deseado= valor_deseado-0.1; (valor_deseado = 99) mt= 99; if (mt = 254.0) setpoint= lim_max; (input(PIN_E1)== 1) setpoint= setpoint-1; (setpoint