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MICROPROCESADORES
PARA
IMPLANTES
Asignatura: Microprocesadores para Comunicaciones
Candela Losada Cabello
ÍNDICE
Introducción
Aplicación de los microprocesadores en la medicina
Microprocesador de genes
Implante coclear
Ojo artificial (Ojo biónico)
Corazón artificial
La compañía: Atmel
Serie AT91SAM
La familia SAM7X
Descripción del AT91SAM7X
Características del AT91SAM7X Microcontroller
Conclusiones
Referencias
INTRODUCCIÓN
LA APLICACIÓN DE LOS MICROPROCESADORES A LA MEDICINA
El microprocesador, o micro, es un circuito electrónico que actúa como unidad central de proceso
de un ordenador, proporcionando el control de las operaciones de cálculo. Los microprocesadores
también se utilizan en otros sistemas informáticos avanzados, como impresoras, automóviles y
aviones; y para dispositivos médicos, etc. El microprocesador es un tipo de circuito sumamente
integrado. Los circuitos integrados (chips) son circuitos electrónicos complejos integrados por
componentes extremadamente pequeños formados en una única pieza plana de poco espesor de un
material semiconductor.
APLICACIÓN DE LOS MICROPROCESADORES EN LA
MEDICINA
El "microprocesador de genes"
El "microprocesador de genes" realiza pruebas para saber cómo reaccionan las personas a los
fármacos. Incluye el perfil genético de una persona para determinar cómo reaccionará y si se
beneficiará o no de un determinado tratamiento farmacológico. Un microprocesador de genes es una
especie de placa de vidrio del tamaño de la uña del dedo pulgar que contiene secuencias de ADN
que se pueden usar para revisar miles de fragmentos individuales de ADN de ciertos genes. El uso
de los chips para la mejor aplicación de fármacos podría mejorar su valor terapéutico y reducir los
costos de atención de la salud. Se calcula que 25 millones de personas en todo el mundo se
beneficiarán de la prueba previa al tratamiento farmacológico, en un futuro cercano.
Implante coclear
Un implante coclear es un dispositivo implantado quirúrgicamente que ayuda a superar algunos
problemas de audición cuyo origen está en el oído interno, o cóclea. La cóclea está conectada al
nervio auditivo. Su función consiste en recoger las señales eléctricas procedentes de las vibraciones
sonoras y transmitirlas al nervio auditivo, quien a su vez envía esas señales al cerebro, donde son
interpretadas como sonidos reconocibles.
El implante coclear estimula artificialmente el área del oído interno con señales eléctricas y envía
esas señales al nervio auditivo, permitiendo oír al usuario.
Un implante coclear consta de una parte interna, que se implanta en el interior del cráneo, y de una
parte externa que contiene el procesador de sonido y habla. Los distintos componentes del implante
coclear trabajan conjuntamente para captar el sonido, transferirlo al nervio auditivo y enviarlo al
cerebro.
La parte interna de un implante coclear consta de:
• un receptor-estimulador que contiene todos los circuitos electrónicos que controlan el flujo
de impulsos eléctricos que se envían al oído
• una antena que recibe las señales del mundo exterior y del procesador de sonido y habla
• un imán que ayuda a mantener el procesador de sonido y habla en su sitio
• un cable que contiene electrodos que se insertan en la cóclea (la cantidad de electrodos varía
en función del modelo de implante utilizado). Los electrodos funcionan de una forma muy
similar a los cilios y emiten impulsos eléctricos para estimular al nervio auditivo.
El procesador de sonido y habla es un miniordenador que procesa el sonido y lo digitaliza (es decir,
lo transforma en información digital) y luego envía esa información a la parte interna del implante
en forma de señales eléctricas. El procesador de sonido y habla se lleva en el exterior y suele tener
el aspecto de un audífono normal y corriente. No obstante, dependiendo del tipo de procesador de
sonido y habla utilizado, se puede llevar detrás de la oreja como si se tratara de un audífono o unos
auriculares o bien en otra parte del cuerpo, por ejemplo en el cinturón o un bolsillo.
La parte externa del implante coclear consta de
• el procesador de sonido y habla propiamente dicho (que puede ser un modelo que se acopla
a la ropa como una radio portátil o un modelo que se engancha a la oreja)
• un micrófono
• un transmisor que envía las señales a la parte interna del implante. El transmisor también
incluye un imán que ayuda al usuario a alinear el procesador con la parte interna.
Para que el implante coclear funcione correctamente, la parte interna y el procesador de sonido y
habla deben estar alineados —esa es la función de los imanes.
Cuando las partes interna y externa no están completamente alineadas, el dispositivo no funciona
correctamente y la persona no puede oír.
Un implante coclear funciona de la siguiente forma:
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El micrófono recoge el sonido.
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El sonido es enviado al procesador de sonido y habla.
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El procesador de sonido y habla analiza el sonido y lo transforma en una señal eléctrica. (La
señal eléctrica contiene información que determina cuánta corriente eléctrica se enviará a los
electrodos.)
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El transmisor envía la señal a la parte interna del implante, donde es decodificada.
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La parte interna del implante determina cuánta corriente eléctrica debe transmitirse a los
electrodos y envía la señal. La cantidad de corriente eléctrica determinará el volumen del
sonido, y la posición de los electrodos, el tono del mismo.
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Las terminaciones nerviosas que hay en el interior de la cóclea (el área donde se encuentran
los cilios) son estimuladas y envían información al cerebro a través del nervio auditivo.
•
El cerebro interpreta el sonido y la persona oye.
Ojo artificial (ojo biónico)
Un microprocesador implantado bajo la retina permite a los ciegos percibir de nuevo la luz y
distinguir formas. El implante está constituido por un microprocesador del tamaño de la cabeza de
una aguja que comprende 3.500 fotopilas que convierten la luz en señales eléctricas enviadas al
cerebro por el nervio óptico. Sin embargo, la duración y fiabilidad a largo plazo del método llamado
'Artificial Silicon Retina' todavía se desconoce. Según Papadopoulus, director del Sun (laboratorio
de tecnología), la actual generación de procesadores será sustituida por computadoras basadas en un
chip único; en vez de un microprocesador, un microsistema que contará con tres conexiones (para la
memoria, para la red y para otros microsistemas). Con el paso del tiempo, cada chip no sólo podrá
contener un sistema individual, sino varios sistemas que podrán funcionar de manera independiente,
en una “microrred”.
El nuevo aparato cuenta con dos partes, un microprocesador que se coloca detrás del ojo del
individuo y es enlazado a una cámara de video diminuta que es construida dentro de unos lentes que
los pacientes tendrán que usar.
“La cámara de video, así como lo hacen nuestros ojos, capta las imágenes alrededor y las envía al
microprocesador que tiene el trabajo de traducirlas en señales que el cerebro pueda comprender y
procesar”.
La función principal la tiene el microprocesador y ha sido gracias a la tecnología desarrollada en la
computación que este nuevo prototipo ha sido posible.
Los microprocesadores son como traductores de señales e impulsos eléctricos que cada vez se
aproximan más a entender las señales eléctricas emitidas por las neuronas en el cerebro.
Una vez que la cámara, como hacen los ojos cuando el funcionamiento es ideal, envíe las imágenes
al chip donde se hace el trabajo complejo, el microprocesador traduce estos mensajes y los
convierte en imágenes que las personas ciegas puedan ver.
Corazón artificial
Un corazón artificial es una prótesis que se implanta en el cuerpo para reemplazar al corazón
biológico.
Avances en la microelectrónica, imanes de gran fortaleza y el diseño de sistemas de control hacen
posible un implante de corazón que funciona eléctricamente. La unidad de energía consiste en un
pequeño motor de corriente directa y un traductor de movimiento, y un sistema de control de
microprocesador es usado para regular el índice de bombeo del corazón.
Nuevos avances en el órgano artificial utiliza sensores electrónicos para regular el ritmo cardíaco y
el flujo sanguíneo.
Un nuevo proyecto de corazón artificial que se está realizando en la universidad RWTH de Aachen
(Alemania) utiliza un microprocesador Atmel, el AT91SAM7X. En el cual nos centraremos a
continuación.
LA COMPAÑÍA: ATMEL
Atmel es una compañía de semiconductores, fundada en 1984. Su línea de productos incluye
microcontroladores (incluyendo derivados del 8051, el AT91SAM basados en ARM, y sus
arquitecturas propias AVRy AVR32), dispositivos de radiofrecuencia, memorias EEPROM y Flash,
ASICs, WiMAX, y muchas otras. También tiene capacidad de ofrecer soluciones del tipo system on
chip (SoC).
Atmel sirve a los mercados de la electrónica de consumo, comunicaciones, computadores, redes,
electrónica industrial, equipos médicos, automotriz, aeroespacial y militar. Es una industria líder en
sistemas seguros, especialmente en el mercado de las tarjetas seguras.
Atmel posee cinco fábricas de semiconductores:
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Fab5 en Colorado Springs, USA
Fab7 e Rousset, Francia
Fab9 en North Tyneside, Inglaterra
Una fábrica en Heilbronn, Alemania
Una fabrica en Grenoble, Francia
Entre sus principales competidores se encuentra STMicroelectronics, Texas Instruments, Freescale,
Analog Devices y Microchip Technology.
SERIE AT91SAM
AT91SAM 32-bit ARM Flash MCUs y Embedded MPUs de Atmel están diseñados para el control
de sistemas, con conectividad cableada o inalámbrica, manejo de interfaz de usuario, baja potencia
y fácil uso. Han recibido profunda aceptación en mercados como seguridad, automatización de
edificios, control industrial, médicina, PC y periféricos, juguetes y accesorios de teléfonos móviles.
Un eco-sistema de alta calidad proporciona acceso a herramientas de desarrollo, Flash
programming, software y soporte técnico worldwide.
Atmel tiene antecedentes como vendedor de ARM MCU y MPU, desarrollor de arquitecturas de
gran ancho de banda, innovador de microcontroladores de baja potencia y facilitador de portabilidad
software.
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Amplio software compatible con ARM MCU y MPU empotrado
Mezcla de periféricos óptima, huella de memoria, baja potencia
Alta integración SRAM (SAM7X512, SAM9261)
Muy baja potencia en modo standby en MCU de 32 bits (SAM7L)
Software reutilizable entre diferentes miembros de la familia
Arquitecturas de un gran ancho de banda permite seleccionar de entre un rango de MCU de
coste muy bajo
LA FAMILIA SAM7X
La serie SAM7de Atmel está basada en ARM7 y posee un controlador de periféricos DMA (PDC)
que mejora las prestaciones.
La familia SAM7x ofrece conectividad Ethernet.
Los microcontroladores AT91 de la serie SMART ARM® (SAM) de Atmel proporcionan a los
clientes el acceso inmediato a los procesadores ARM® que lideran el mercado. Las tarjetas de
evaluación y las potentes herramientas de desarrollo de software de terceras partes complementan
la serie para desarrollar las aplicaciones con rapidez y sin problemas.
Prestaciones de primera clase
Los ARM® SMART MCUs de Atmel proporcionan prestaciones de hasta 200MIPs y ofrecen una
memoria Flash integrada con un rango de capacidad que se extiende desde 32Kbyte hasta 2Mbytes
y disponen de hasta 256Kbytes de memoria SRAM de alta velocidad en chip. Un sistema rico en
periféricos proporciona la conectividad, las comunicaciones y las funciones de control requeridas
por la mayoría de las aplicaciones. Una característica excepcional de estos MCUs es el PDC
integrado (Peripheral DMA Controller), un desarrollo patentado por Atmel. Utilizando el PDC, los
datos se pueden transferir de cualquier interfaz a la memoria integrada o de interfaz a interfaz,
mientras que otras tareas pueden funcionar en el núcleo ARM® al mismo tiempo. Entre las
diferencias clave de la actual familia AT91SAM en comparación con otros suministradores de
ARM® se incluyen:
Funciones integradas del sistema tales como la detección de bajadas de la tensión de alimentación
por debajo del nivel de funcionamiento normal (Brown-out), regulador de tensión, high drive pads,
POR (Power-on Reset) y protección por perro guardián (Watchdog)
Modo espera para reducir el consumo de potencia (oscilador RC interno)
Programación de la Flash en el sistema y programación de bajo costo en producción.
Protección del código programable.
Herramientas de desarrollo del bajo costo.
Amplio rango de aplicaciones
Los productos introducidos recientemente y bajo desarrollo amplían la gama de aplicaciones de los
microcontroladores SMART ARM® MCUs de Atmel. Las aplicaciones a las que se dirigen
incluyen los accesorios de ordenadores y de comunicación, los sistemas de navegación a bordo de
vehículos, la electrónica de consumo, la automatización industrial, medicina, los routers de bajo
costo y las infraestructuras de telecomunicación. Las características de seguridad incorporadas
hacen que los productos SMART ARM sean también ideales para las aplicaciones de seguridad
confidenciales tales como el control de acceso y la seguridad del pago.
Serie AT91SAM7x con Ethernet
La serie de AT91SAM7x combina por primera vez las capacidades de los buses USB, CAN y
Ethernet en un solo microcontrolador. Gracias al controlador de periféricos DMA (PDC), que está
integrado en cualquier producto SAM7, es posible manejar al mismo tiempo transferencias de
datos y tareas internas del ARM sin sacrificar prestaciones.
DESCRIPCIÓN DEL AT91SAM7X
AT91SAM7X512/256/128 de Atmel es miembro de una serie de microcontroladores Flash
altamente integrados, basado en el procesador RISC ARM de 32 bits. Se caracteriza por su alta
velocidad Flash de 512/256/128 Kbyte y SRAM de 128/64/32 Kbyte, un gran conjunto de
periféricos, incluido un 802.3 Ethernet MAC y un controlador CAN. Un completo conjunto de
funciones de sistema minimiza el número de componentes externos.
La memoria Flash empotrada puede ser programada in-system a través del interfaz JTAG-ICE o a
través del interfaz paralelo en un programador de fabricación anterior al montaje.Built-in lock bits y
un bit de seguridad protege el firmware de sobreescritura accidental y preserva su confidencialidad.
El controlador de sistema del AT91SAM7X512/256/128 tiene un controlador de reset capaz de
manejar la secuencia de potencia del microcontrolador y el sistema completo. Un correcto
dispositivo de operación puede ser monitorizado por un detector de corte eléctrico empotrado y un
watchdog sobre un oscilador RC integrado.
Combinando el procesador ARM7TDMI con Flash y SRAM, y un amplio rango de funciones
periféricas, incluyendo USART, SPI, Controlador CAN, Ethernet MAC, Timer Counter, RTT y
Conversor Analógico a Digital en un chip monolítico, el AT91SAM7X512/256/128 es un potente
dispositivo que proporciona una solución flexible y de coste efectivo para muchas aplicaciones de
control empotrado que requieren comunicación sobre, por ejemplo, redes Ethernet, CAN cableada y
ZigBee inalámbrica.
El AT91SAM7X512/256/128 se trata de un microcontrolador de propósito general hecho para
aplicaciones de control en tiempo real, que requieren conectividad USB, Ethernet, CAN o ZigBee.
El AT91SAM7X512, AT91SAM7X256 y AT91SAM7X128 sólo difieren en el tamaño de las
memorias.
Con respecto al consumo de potencia, el AT91SAM7X512/256/128 tiene una corriente estática de
menos de 60 μA sobre VDDCORE (uno de los pines de suministro de potencia) a 25°C.
El consumo de potencia dinámica en VDDCORE es menor de 90 mA a máxima velocidad cuando
va sobre el Flash.
Para el suministro de potencia el AT91SAM7X512/256/128 dispone de seis tipos de pines de
suministro de potencia e integra un regulador de voltaje.
CARACTERÍSTICAS DEL AT91SAM7X Microcontroller
He aquí las características del microcontrolador AT91SAM7X:
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Incorpora el procesador ARM7TDMI® ARM® Thumb®
Arquitectura RISC de 32 bits de alto rendimiento.
Set de Instrucción de 16 bits de alta densidad.
Flash interna de alta velocidad
512 Kbytes (AT91SAM7X512)
256 Kbytes (AT91SAM7X256)
128 Kbytes (AT91SAM7X128)
Acceso de ciclo simple hasta 30 Mhz en condiciones del caso peor.
Tiempo de programación de página: 6 ms, Tiempo de borrado total: 15 ms.
10,000 ciclos de escritura, capacidad de retención de datos de 10 años.
Interfaz de programación Flash rápido para producción de alto volumen.
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SRAM interna de alta velocidad, Acceso de ciclo-simple a máxima velocidad
128 Kbytes (AT91SAM7X512)
64 Kbytes (AT91SAM7X256)
32 Kbytes (AT91SAM7X128)
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Controlador de Memoria (Memory Controller , MC)
Controlador Flash Empotrado, estado de suspensión y detección de desalineamiento.
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Controlador Reset (RSTC)
Basado en Power-on Reset Cells and Low-power Factory-calibrated Brownout Detector
Proporciona señal de reset externa y estado de fuente reset.
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Generador de reloj (CKGR)
Oscilador RC de baja potencia, 3 a 20 Mhz Oscilador On-chip y un PLL.
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Controlador de manejo de potencia (PMC)
Capacidad de optimización de potencia
Cuatro señales de reloj externas programables
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Controlador de interrupción avanzado (AIC)
Enmascaramiento individual, ocho niveles de prioridad.
Dos fuentes de interrupción externas y una fuente de interrupción rápida.
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Unidad de eliminación de fallos (Debug Unit, DBGU)
Soporte para interrupción de canal de comunicación Debug
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Periodic Interval Timer (PIT)
Contador de 20 bits programable más un contador de intervalo de 12 bits.
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Windowed Watchdog (WDT)
Proporciona señal de reset o interrupción al sistema.
Contador Programable de 12 bits key-protected.
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Real-time Timer (RTT)
Contador Free-running de 32 bits con alarma
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Dos controladores entrada/salida paralelos (PIO)
Capacidad de interrupción de cambio de entrada en cada línea I/O.
Drenador-abierto programable individualmente, resistencia Pull-up y salida síncrona.
Trece canales de controlador DMA de periféricos (PDC)
Un USB 2.0 Full Speed (12 Mbits por segundo) Device Portabilidad
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Un Ethernet MAC 10/100 base
Media Independent Interface (MII) or Reduced Media Independent Interface (RMII)
Integrado FIFO de 28 bytes y canales DMA dedicados para transmitir y recibir
One Part 2.0A and Part 2.0B Compliant CAN Controller
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Un controlador serie síncrono (SSC)
Capacidad de cadena de información contínua de alta velocidad con transferencia de dato de 32bits.
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Dos receptores transmisores síncrono/asíncrono universal (USART)
Soporte para ISO7816 T0/T1 Smart Card, Hardware Handshaking, soporte RS485.
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Dos interfaces periféricos serie maestro/esclavo (SPI)
Longitud de información programable de 8- a 16-bit.
CONCLUSIÓN
Gracias a los avances tecnológicos y a la cada vez mayor integración de los componentes se han
podido realizar también muchos mejoras en el campo de la medicina. Desde equipos médicos, por
ejemplo de medición mucho más precisos, hasta operaciones con un robot.
Debido a esta modernización de la tecnología se está estudiando y desarrollando solución a
múltiples problemas que antes parecian no tener solución, como por ejemplo la pérdida de audición.
Para lo cual hoy en día ya se están llevando a cabo operaciones en la que se realiza un implante al
paciente, permitiendo así, mejorar la calidad de vida de muchas personas.
Por esto, es posible que en un futuro, muchas enfermedades que hoy no tienen cura ni solución
puedan ser tratadas gracias a nuevas tecnologías.
REFERENCIAS
www.atmel.com
www.wikipedia.org
www.elcaribecdn.com
http://www.embeddeddeveloper.com/group/202/Atmel/AT91SAM7X.htm
http://news.bbc.co.uk
http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=1358168
www.affymetrix.com
http://microprocesadores-medicina.blogspot.com/
http://www.slideshare.net/Alumnos/romano-vecchio-sanzoni/
http://kidshealth.org/parent/en_espanol/general/cochlear_esp.html