Miskolci Egyetem
Gépészmérnöki- és Informatikai Kar
SZAKDOLGOZAT SIM-02 készülék hardverének újratervezése gyárthatósági szempontok figyelembe vételével
KÉSZÍTETTE:
Kecsedi Gábor BSc szintű, villamosmérnök szakos Elektronikai tervezés és gyártás szakirányos hallgató
KONZULENSEK:
Dr. Tóth Lajos egyetemi docens Miskolci Egyetem
Végh Attila beágyazott hardver tervező és szoftver fejlesztő Debrecen Labtech Kft
Miskolc, 2016
EREDETISÉGI NYILATKOZAT
Alulírott
KECSEDI
GÁBOR;
Neptun-kód:
G1LSOM
a
Miskolci
Egyetem
Gépészmérnöki és Informatikai Karának végzős Villamosmérnök szakos hallgatója ezennel büntetőjogi és fegyelmi felelősségem tudatában nyilatkozom és aláírásommal igazolom, hogy SIM-02 készülék hardverének újratervezése gyárthatósági szempontok figyelembe vételével című szakdolgozatom/diplomatervem saját, önálló munkám; az abban hivatkozott szakirodalom felhasználása a forráskezelés szabályai szerint történt.
Tudomásul veszem, hogy szakdolgozat/diplomaterv esetén plágiumnak számít:
szószerinti idézet közlése idézőjel és hivatkozás megjelölése nélkül;
tartalmi idézet hivatkozás megjelölése nélkül;
más publikált gondolatainak saját gondolatként való feltüntetése.
Alulírott kijelentem, hogy a plágium fogalmát megismertem, és tudomásul veszem, hogy plágium esetén szakdolgozatom visszautasításra kerül.
Miskolc, 2015. december 4.
…….……………………………….… Hallgató
Tartalom 1.
Bevezetés ............................................................................................................................ 3 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6.
2.
Jelenlegi konstrukció hiányosságainak feltárása................................................................. 9 2.1. 2.2. 2.3.
3.
Megfelelő Csatlakozó kiválasztása........................................................................................ 21 NYÁK tervezés ..................................................................................................................... 21 Kapcsolási rajz bővítése ........................................................................................................ 23 Eredeti NYÁK terv módosítása ............................................................................................. 25
Kitűzött specifikációk megtervezése ................................................................................ 29 5.1. 5.2. 5.3.
6. 7. 8.
Dinamikus FAT memóriaillesztés ......................................................................................... 16 Elektróda leesést szimuláció eljárás ...................................................................................... 16 HDMI csatlakozó .................................................................................................................. 17 LCD kijelző módosítás .......................................................................................................... 19
Újratervezett készülék kapcsolási rajzának elkészítése .................................................... 21 4.1. 4.2. 4.3. 4.4.
5.
SIM-02 szimulátor elektróda kivezetés újratervezése ............................................................. 9 Kapcsolási rajz áttervezése .................................................................................................... 14 Dinamikus FAT memóriakezelés .......................................................................................... 15
A készülék új funkciókkal való bővítési lehetőségeinek vizsgálata ................................. 16 3.1. 3.2. 3.3. 3.4.
4.
EKG (elektrokardiográfia)....................................................................................................... 3 Az első EKG berendezés ......................................................................................................... 4 EKG vizsgálat célja ................................................................................................................. 5 EKG típusok [12.] ................................................................................................................... 5 EKG szimulátor[13.] ............................................................................................................... 6 Műszaki Paraméterek [14.] ...................................................................................................... 7
Flexibilis és rigid-flex nyákok ismertetése [26.] ................................................................... 29 Megfelelő típus kiválasztása.................................................................................................. 31 Flexibilis NYÁK megtervezése ............................................................................................. 31
Összegzés .......................................................................................................................... 36 Summary ........................................................................................................................... 38 Irodalomjegyzék ............................................................................................................... 40
Feladatkiírás 1. Ismertesse a SIM02 többfunkciós EKG szimulátor berendezés feladatát, paramétereit és működési elvét.
2. Vizsgálja
meg a jelenlegi konstrukció hiányosságait és adjon javaslatot ezek
kiküszöbölésére.
3. Vizsgálja meg a készülék új funkciókkal való bővítésének lehetőségeit. 4.
Készítse el az újratervezett készülék kapcsolási rajzát.
5. Tervezze meg a kitűzött specifikációnak megfelelően.
CégismertetőHiba! A hivatkozási forrás nem található. Feladatomat a Közép-Európában, Magyarországon belül Debrecenben található Labtech Kft-től kaptam. A Labtech Kft. egy olyan innovatív magyar vállalkozás, amely 1990-ben alapult, PC-alapú ambuláns EKG Holter és nyugalmi, valamint terheléses tesztelő rendszerek fejlesztésével és gyártásával fo glalkozik. A következő képen a cég logója található.
1. ábra. Labtech Kft. Debrecen [1.]
Az általuk gyártott termékek a szív működését és elektromos jelenségeit vizsgáló és analizáló készülékek, elsősorban ambuláns Holter EKG-k, valamint a nyugalmi és terheléses mérőrendszerek (a 2. ábrán egy EC-12S 12 csatornás terheléses rendszer beépített vérnyomásmérővel látható). Fő tevékenységeik tehát a készülékek gyártása, illetve a hozzá tartozó elemző szoftverek fejlesztése, mindezek mellett a termékek értékesítésével illetve terméktámogatással is foglalkozik.
2. ábra EC-12S 12 csatornás terheléses rendszer beépített vérnyomásmérővel[2.]
1
A legkorszerűbb technikával gyártott felhasználóbarát termékek kisméretűek és könnyűek, elemes működésűek, és egy Windows alapú számítógéppel komplett mérőrendszert alkotnak. A legújabb fejlesztéseik közé tartoznak továbbá az Android alapú készülékekkel (tablettel vagy okos telefonnal) együtt működtetett telemedicinás EKG megoldások.
2
1. BEVEZETÉS 1.1. EKG (elektrokardiográfia)
3. ábra. EKG jel[3.]
Az elektrokardiográfia (röviden EKG) egy nem invazív1 szívvizsgáló eljárás. Az EKG vizsgálat (elektrokardiográfiai vizsgálat) alapvető kardiológiai vizsgálat, mely a szívizom működése közben keletkező elektromos potenciakülönbséget a készülék segítségével regisztrálja. [7.] A kardiológiai praxisok elengedhetetlen kelléke, szív-érrendszeri betegségek szűrésére alkalmas. Az átlagembert legtöbbször csak az üzemorvosi vizsgálatok alkalmával kötik először EKG-ra, másoknak viszont - például szívbetegségük miatt - viszonylag rendszeresen kell alávetniük magukat a vizsgálatnak, melynek során a szív elektromos jeleiről, ritmusáról és minden egyes szívdobbanásáról grafikon készül. [8.] A szív összehúzódása elektromos inger hatására jön létre, mely normális esetben a sinuscsomóból indul el és a szív sajátságos ingerületvezető rostjain keresztül a szívizomsejtekhez jut. Ezt az elektromos ingerületet a test felszínére helyezett elektródokkal fel lehet jegyezni. Az EKG-hullám egy jellegzetes görbe, melynek egyedi sajátosságai vannak. [9.] 1
Olyan orvosi eljárás, melynek során a testbe vágás vagy szúrás által behatolnak.
3
1.2. Az első EKG berendezés Az első olyan készüléket, amely emberről elektromos, ún. akciós áramot regisztrált, Waller alkalmazta 1889-ben. A mai EKG megalkotása egy holland fiziológus Willem Einthoven (1860–1927) nevéhez fűződik, aki 1903-ban készítette az első elektrokardiográfot. Ezért 1924ben fiziológiai és orvostudományi Nobel-díjat kapott. A múlt század elején tett megfigyelései a mai napig változatlanul helytállnak Elsőnek a beteg kezeit és lábait sóoldatba mártotta, majd az oldatban a mérhető elektromos impulzusokat rögzítette. Ezt a 4. ábrán láthatjuk.
4. ábra. Willem Einthoven féle elektrokardiográfiai vizsgálat[4.]
Közvetlenül elektródákat csak az 1940-es években kezdtek a betegek végtagjaira helyezni, ekkor az elektromos hullámokat már papíron rögzítették. Az elektródák másik vége a szív elektromos jeleinek feldolgozására alkalmas készülékhez csatlakozik, így az eljárás lényegét az adja, hogy a szív által keltett elektromos impulzusok az EKG-készülékbe vezetődnek, a jeleket a szerkezet felerősíti, majd a jelek a feldolgozás után digitálisan tárolódnak.
4
1.3. EKG vizsgálat célja Az EKG tájékoztatást nyújt a szív ritmuszavarairól, az ingerképzési és ingerületvezetési zavarokról, az üregek nyomás és volumenterheléseiről, a kamrák falának megvastagodásáról, vérellátási zavarokról, a szívinfarktusról, a szívizom gyulladásos megbetegedéseiről, elektrolit zavarokról és gyógyszerhatásokról. [10.] Alkalmas többek közt a szívizom károsodás kimutatására, a szív saját vérellátását biztosító koszorúerek állapotának – bizonyos fokú – kimutatására, feltárhatóak vele a szívbillentyű rendellenességek és a veleszületett szívhibák. [11.]
1.4. EKG típusok [12.] Számos EKG típust gyártanak világszerte: megkülönböztetünk nyugalmi, terheléses és Holter rekordereket. A legelterjedtebb vizsgálattípus a nyugalmi (konvencionális) EKG vizsgálat, de egyre szélesebb körben használják a terheléses, vagy a 24 órás ambuláns (Holter EKG) vizsgálatokat is. Az EKG készülékek felépítésük alapján két csoportra oszthatóak: hő-papír alapú és PCalapú EKG. Az elektródák csatlakozási módja szerint szintén két csoport terjedt el: a „Banán” dugós és a patentos kivitelezésű modellek, ezen felül az amerikai és európai szabványban előírt elvezetésekre vonatkozó színkódok is különböznek.
5
1.5. EKG szimulátor[11.] Az EKG készülékek által mért különböző paraméterek igazolásához és a rendszeres kalibrálásához nélkülözhetetlen egy kalibrált EKG páciens-szimulátor. Ez a készülék a különböző elvezetésekhez tartozó kapcsain az emberi szívhez hasonló elektromos jelet állít elő. Beállítástól függően lehetnek ezek a jelek egészséges ember szívéhez hasonlóak, vagy akár aritmiákat is tartalmazó jelek. Egy sokoldalú szimulátor nem csupán a különböző EKG készülékek pontos kalibrálásához
használható:
oktatási
céllal
felhasználhatják
akár
egyetemek
szemléltetőeszközként, vagy akár a készülékek értékesítésében is támaszt nyújthatnak a disztribútoroknak. A nemzetközi piacon a korábbiakban nem volt olyan univerzális szimulátor, amely egyszerre tudott megfelelni a legkülönfélébb igényeknek. Ilyen igény például, hogy a szimulátor egyszerre rendelkezzen gyártóktól független EKG készülék és vérnyomásmérő
készülék beméréséhez, kalibrálásához
és
hitelesítéséhez
szükséges
funkciókkal. A SIM-02 szimulátor tulajdonságának köszönhetően a készülék egyszerre képes a szoros összefüggésben álló EKG jel és vérnyomásméréshez szükséges alapjel előállítására. Ezen felül a készülék alkalmas számos a terheléses vizsgálatokon használt ergometer (szobakerékpár) és treadmill (futópad) vezérlő funkcióinak ellátására is. Ilyen módon tehát a kifejlesztett termék alkalmas egy komplett terheléses mérőlabor szimulálására, bemutatására és ellenőrzésére.
6
1.6. Műszaki Paraméterek [12.] A SIM-02 termék egy 8051-es architektúrájú, több célú, világszerte használatos, rendkívül megbízható mikrokontrollert tartalmaz. A mag össze van kapcsolva egy nagy memóriakapacitású SD kártyával, amely többek között a ritmuszavart tartalmazó EKG jelek mintáit tartalmazza. Az EKG jelek előállításáért a mikro vezérlő DAC modulja és egy MUX a felelős. A jelek kondicionálását, szintillesztését műveleti erősítőkből felépített fokozat látja el.
5. ábra. Labtech Kft SIM-02 EKG szimulátor[5.]
A készülék univerzális EKG csatlakozó felülettel és egy áttekinthető, menü vezérelt LCD kijelzővel van ellátva. Így a különböző szimulációs funkciók kiválasztása kényelmes, kezelése egyszerű a felhasználó számára. Az EKG SIM-02 szimulátor akár hosszú idejű Holter EKG, akár nyugalmi EKG, akár terheléses EKG felvételezéshez szükséges alapjelet egyszerre képes előállítani. Egy mini-USB csatlakozón keresztül a számítógéphez csatlakoztatva treadmill (futópad) és ergometer (szobakerékpár) terhelőeszköz szimulálására is alkalmas. Valamint a készülék egyszerre képes a terheléses vizsgálatokon párhuzamosan megfigyelt EKG és vérnyomásméréshez szükséges alapjel szimulálására. 7
A kereskedelmi forgalomban kapható más gyártók által készített EKG szimulátorok felhasználási területe kivétel nélkül behatárolt, emiatt egyszerűbb feladatokra használhatóak, legnagyobb részük kizárólag csupán nyugalmi EKG-jeleket szimulál. A Labtech Kft. szimulátora ezen alapfunkciók mellett egy komplett 24 órás Holter - felvételezést, vagy akár egy összetett non - invazív vérnyomásmérést is tartalmazó terheléses vizsgálatot is hűen tud szimulálni.
8
2. JELENLEGI KONSTRUKCIÓ HIÁNYOSSÁGAINAK FELTÁRÁSA
2.1. SIM-02 szimulátor elektróda kivezetés újratervezése A SIM-02 jelenlegi hardvere nem megfelelő az elvárásnak. Módosítás szükséges a NYÁK jelenlegi kialakításában a könnyebb gyárthatósági és szervizelési szempontok miatt. A SIM-02 EKG szimulátor jelenlegi hardvere a 6. ábrán látható. A készülék csatlakozói túl nagyok, esztétikailag nem megfelelők, egy új és megfelelő megoldás szükséges. Nélkülözhetetlen az elektróda kiosztás megváltoztatása és egy új készülékdoboz meghatározása.
6. ábra SIM-02 NYÁK
9
A nyári szakmai gyakorlatom során egyik feladatom volt a SIM-02 szimulátor összeszerelése. Ennek a feladatnak sok hasznát vettem hisz a szakdolgozatom feladata ennek a szimulátornak az újra tervezése. Több mint két hetet foglalkoztam a SIM-02-es szimulátor összeszerelésével. Az összeszerelés néhány lépései: 1. Az LCD kijelzőt csatlakoztatjuk a panelhez, majd ragasztóval a megfelelő helyre illesztjük. 2. Távtartókat a megfelelő helyre rakjuk. Ez a megfelelő hely az előlapi doboz és a panel között van. 3. Összecsavarozzuk az előlapot a panellel. A végén ezt csavarrögzítő ragasztóval ragasztani kell. 4. Az oldalt lévő elektróda csatlakozókat minél közelebb kell elhelyezni a dobozhoz. Ennek a menete a következő: a csatlakozók már forrasztva vannak a panelon, így újbóli forrasztással a már dobozban lévő panel elektróda csatlakozóit egy segédeszközzel sorosan a doboz falához húzzuk. Ezt nagyon óvatosan kell végezni, valamint figyelni kell a túlzott felmelegedés elkerülésére, mert a műanyag doboz könnyen elolvadhat, így már nem lesz alkalmas az eladásra. Amennyiben nem sikerül tökéletesre ez a folyamat akkor a doboz hátsó lapja nem fog pontosan illeszkedni az előlapi részhez- akár 1-2cm hézag is lehet közöttük. Ráadásul, ha még ránézésre tökéletesen is illeszkedik a két doboz, esetleges feszültség még lehet az illesztések között, ami egy idő után töréshez vezethet. Ez az egyik legfőbb oka az újra tervezésnek, amire egy megfelelő megoldást kell tervezni. 5. A már megfelelő helyen lévő oldalsó elektróda csatlakozók csavarozása a panelhez. A csavar külső része már egyben a „SNAP” csatlakozó. Itt is alkalmazunk csavarrögzítő ragasztót. 6. Akkumulátor vezetékeinek a forrasztása 7. A doboz összecsavarozása majd matricák elhelyezése. Így a kész szimulátor elkészült. 10
Tehát, a legnagyobb gondot a javításnál és szervizelésnél a szimulátor „SNAP” csatlakozója okozza. A csatlakozók a NYÁK két oldalán vannak kivezetve, az egyik oldalon 6 db a másik oldalon 4 db, ahogy ez a következő ábrán láthatjuk (7. ábra).
7. ábra SIM-02 EKG szimulátor csatlakozók
Ehhez, elengedhetetlen a kapcsolás újratervezése valamint újrarajzolása. Új csatlakozók kiválasztása esetleges alkatrészek megváltozhatnak. Ezért az alkatrész listát frissíteni kell. A szükséges új alkatrészek beszerzése és a gyártók felkutatása is elengedhetetlen.
11
A jelenlegi SIM-02 szimulátor „Banán” és „SNAP” csatlakozókkal van ellátva. A csatlakozók méretei miatt a készülék mérete nagy. A kimeneteket a készülék egyik oldalára összegyűjtöm és a „Banán” vagy „SNAP” csatlakozókat egy erre alkalmas csatlakozóra cserélem. A szimulátort nem csak a cég által használt termékek mérésére használják, ezért más eszközöket is ki kell, hogy szolgáljon. Tehát a kétfajta csatlakozó típusnak maradnia kell, csak az elhelyezésében és kivitelezésében szükséges a módosítás. A cég már használ más EKG rendszerekben véleményem szerint megfelelő csatlakozót, ami egy 12 csatornás pácienskábel HDMI - „Banán” vagy HDMI - „SNAP” csatlakozó. Ezt a kétfajta csatlakozót a következő képen láthatjuk (8. ábra).
8. ábra HDMI – „Banán” és HDMI – „SNAP” csatlakozó Hiba! A hivatkozási forrás nem található.
12
A cég által használt egyes mérőberendezések HDMI csatlakozóval vannak felszerelve – amit a 9. ábrán láthatunk-, így egy új funkcióval lehetne a szimulátort bővíteni, ami azt jelentené, hogy a szimulátor és a mérőberendezés HDMI – HDMI csatlakozón keresztül csatlakozna. Ezzel jelentősen megkönnyítve a kábelkötegek összekeveredését. Egy ilyen kábelt a következő képen láthatunk (9. ábra).
9. ábra HDMI kábelHiba! A hivatkozási forrás nem található.
13
2.2. Kapcsolási rajz áttervezése A jelenlegi kapcsolási rajz ömlesztett és átláthatatlan, amit a 10. ábrán szemléltetek. A kapcsolási rajzot darabolni valamint külön lapokon átláthatóan kell megrajzolni. Ezt majd a kapcsolási rajz újra rajzolásánál kell megvalósítani.
10. ábra SIM-02 kapcsolási rajz részlet
14
2.3. Dinamikus FAT memóriakezelés A készülék statikus SD kártya kezelése nem megfelelő, egy dinamikus FAT fájlrendszer modulra van szükség. Azért van erre szükség, hogy cserélhetők legyenek a felvételek a szimulátorban, valamint pacemaker szimulálás és szerkeszthető menü rendszer. A FAT (File Allocation Table) fájl foglaltsági táblázat rövidítése. Ez a Microsoft DOS operációs rendszerének a fájlrendszere. Többféle típusa van: FAT12, FAT16 és FAT32. A FAT fájlrendszerben tárolt fájlok maximális mérete 4 GB lehet, mert a fájlméret 32 biten van tárolva.Hiba! A hivatkozási forrás nem található. A FAT12 és FAT16 rendszereken a gyökérkönyvtár mérete a fájlrendszer létrehozásakor (formázás) dől el, ez a későbbiekben nem módosítható, míg a FAT32 esetében a gyökérkönyvtár mérete dinamikusan változik a többi alkönyvtáréhoz hasonlóan.Hiba! A hivatkozási forrás nem található. Jelenleg a FAT fájlrendszert memóriakártyákon, pendrive-okon és egyéb, flash memóriát
beépítve
tartalmazó
eszközökön
(fényképezőgépeken,
használják.Hiba! A hivatkozási forrás nem található.
15
mobiltelefonokon)
3. A KÉSZÜLÉK ÚJ FUNKCIÓKKAL VALÓ BŐVÍTÉSI LEHETŐSÉGEINEK VIZSGÁLATA
3.1. Dinamikus FAT memóriaillesztés A szimulátorba egy meglévő fájlrendszert alkalmazunk, ami a FatFS. A FatFs egy általános FAT fájlrendszer modul, kis beágyazott rendszereknél használják. A FatFs modul leginkább ANSI C nyelvre van megfelelően megírva. Ez egy független platform. Be lehet építeni kis mikrokontrollerekbe, amiknek korlátozott az erőforrásuk, ilyenek például a 8051, PIC, AVR, ARM, Z80. Mivel a FatFs modul egy fájlrendszer réteg, teljesen elkülönül a fizikai eszközöktől, mint például a memória kártya, merevlemez és bármilyen típusú tároló eszközök. Az alacsony szintű eszközvezérlő modul nem része a FatFs modulnak. A következő képen egy FatFS rendszert láthatunk (11. ábra).
11. ábra Rendszer szervezetekHiba! A hivatkozási forrás nem található.
3.2. Elektróda leesést szimuláció eljárás A készüléket bővíteni kellene egy elektróda leesést szimuláció eljárással. Egy kimenő jel elé egy analóg kapcsolót kell tenni. Lényegében azt a feladatot szolgálná, hogy az egyik kapcsoló állásban az elektróda leesést tudná szimulálni, a másik állásban pedig lebegtetni hagyná a kimenetet. 16
3.3. HDMI csatlakozó Manapság szinte minden eszközön megtalálható valamilyen HDMI csatlakozó, háromfajta méretben létezik (ezt a 12. ábrán láthatjuk). A HDMI (High Definition Multimedia Interface) előnye, hogy tömörítetlenül képes audio és videó adatfolyam átvitelére, tehát egy kábelen képes akár HD minőséget és hangot egy megjelenítőre (TV, monitor, stb.) közvetíteni – ezzel is a kábelrengeteget lehet elkerülni. [19.]
12. ábra HDMI csatlakozó típusokHiba! A hivatkozási forrás nem található.
A mini leggyakoribb megjelenése a táblagépeknél ismert, amíg a micro a mobiltelefonoknál terjedt el. Átalakítóval az eltérő méretek kompatibilissé tehetőek egymással.Hiba! A hivatkozási forrás nem található. Technikai részlet: A kábel belsejében 19 eres kialakítású kábel biztosítja az akár 8 csatornás hang és az akár FullHD megjelenítést biztosító 165 MHz sávszélességet, összességében 5 Gbit/s sebességre képes.Hiba! A hivatkozási forrás nem található.
17
13. ábra HDMI láb kiosztás Hiba! A hivatkozási forrás nem található.
18
3.4. LCD kijelző módosítás A SIM-02 EKG szimulátor jelenleg egy LCD kijelzővel rendelkezik (a kijelző a 14. ábrán látható). Ezt esetleg módosítani lehetne egy új és korszerűbb kijelzőre, amit FT800-as chippel vezérelhetünk.
14. ábra SIM-02 LCD kijelző
Az FT800 egy grafikus chip, mely a nagyteljesítményű grafikus kimenethez minden szükséges elemet tartalmaz. Ennek a megoldásnak talán a legnagyobb előnye, hogy az „EVE”-nek csak minimális sebesség (és erőforrás) igénye van a gazda processzor iránt, így együtt tud működni a kisebb, „low-end” mikro vezérlőkkel is (Atmega, PIC, 8051, stb.), nagyon alacsony fogyasztás mellett. A gazda processzor iránti csekély követelmények lényege abban rejlik, hogy az FT800 tartalmaz minden, a grafikus műveletekhez és a kijelző vezérléshez szükséges működési egységet. [22.] Az FT800 programozása teljesen objektum orientált, így például egy egyszerű oszlopkijelző megrajzolásához mindössze 5 parancsra van szükség. Egy grafikus felhasználói
19
felület (GUI) készítéséhez a felhasználó inicializálja az objektum memóriát (legfeljebb 256 kB), majd vezérli a meghatározott objektumokat és azok tulajdonságait.[15.]
20
4. ÚJRATERVEZETT KÉSZÜLÉK KAPCSOLÁSI RAJZÁNAK ELKÉSZÍTÉSE
4.1. Megfelelő Csatlakozó kiválasztása Az eddigi elektróda kivezetések csatlakozói helyet, egy FPC típusú csatlakozót választottam. Típusa 0.5MM ZIF FPC Horizontal Top Contact, amit a Würth Elektronik gyárt (15. ábra). Egy 10 pin-es csatlakozót választottam, mert 10 darab kivezetést fogunk használni.
15. ábra 0.5MM ZIF FPC Horizontal Top Contact [23.]
Azért ezt választottam, mert a cég a Würth Electronik termékeit is használja így ez könnyen beszerezhető tőlük. Valamint kis helyet foglal, megbízható termék. A FPC csatlakozót a PCB top oldalára teszem annak is a táp oldallal szembeni részére. Itt fogok neki kialakítani elengedő helyet a panelre ültetésre.
4.2. NYÁK tervezés A kapcsolási rajz összeállításához és a NYÁK panel megtervezéséhez az Altium Designer szoftvert használtam. 21
16. ábra Altium Designer [24.]
Az Altium Designer egy egységes elektronikai tervezői környezet, amely egyesíti az összes tervező eszközt egy szoftverben. Magába foglalja kapcsolási rajz szerkesztőt, NYÁK tervezőt, jelintegritás analízist, FPGA fejlesztő modult, ECAD/MCAD integrációt, könyvtár és adatkezelést, valamint gyártási adatok kezelését. [25.] Előnyei: a sok alkatrészes adatbázis, alkatrész menedzselés, könnyen használható kapcsolási rajztervező és 3D-s megjelenítés.
22
4.3. Kapcsolási rajz bővítése A NYÁK panel módosításának első lépése a kapcsolási rajz bővítése. Az alkatrészeket kikeressük az alkatrészkönyvtárból és beillesztjük a munkaoldalra. Jelen esetben az FPC csatlakozó nem szerepelt az alkatrészkönyvtárban így létre kellett hozni a „Schematic Library”ban (17. ábra).
17. ábra Schematic Library Ezután a láblenyomatot (footprint) is el kellett készíteni a „PCB Library”-ban (18. ábra).
18. ábra PCB Library
Ezt IPC szabványoknak megfelelően tettem. Az IPC szabványoknak célja azonos nézőpontot, egyező szemléletet, gyártási, technológiai, elfogadhatósági követelményeket, értékelési, megítélési és minősítési módszereket biztosítani a világ legkülönbözőbb részein, különféle kultúrákban, számtalan szervezeti formában és egységben működő, de valamilyen 23
szinten mindenképp együttműködő elektronikai ipari szereplőknek. Mindez elképzelhetetlen lenne a szabványok rendszere nélkül.[28.] Az IPC szabvány a NYÁK gyártásra és tervezésre vonatkozólag fontos szabványokat fektet le, amiket érdemes betartani a panel gyárthatósága és minőségének biztosítása érdekében. Ezután az FPC csatlakozót összekötjük a kapcsolási rajzban az elektróda kivezetésekkel és elnevezzük a lábait a megfelelő nevekkel. A 19.-dik ábra az elkészült kapcsolási rajzot szemlélteti.
19. ábra WR-FPC-10 Az eredeti tervből az elektróda kivezetések PAD-jeit töröltem, hiszen nem lesz rájuk szükségünk. A PAD-ek törlésével hely szabadul fel, ami jelentősen megkönnyíti a munkánkat, mivel elegendő helyet kell kialakítanunk az új FPC csatalakozó számára, amit majd a NYÁK tervezésnél folytatunk. A kapcsolási rajzot leellenőrizzük és ügyelünk a jó áttekinthetőségre. A következő lépés a NYÁK rajz megtervezése.
24
4.4. Eredeti NYÁK terv módosítása A tervező programban a kész Schematic dokumentumot összeállítjuk (Compile). Ezt a Project→Compile menüpontban érhetjük el. Majd a PCB dokumentumba átkattintva importáljuk a Schematic dokumentum változásait. Ezt a Design→Import Changes From menüpontban érhetjük el. Miután importáltuk a változásokat betöltődik és megjelenik az új FPC csatlakozó huzalozásokkal együtt. Csak a módosított alkatrészek huzalozása jelenik meg, a nem változtatott alkatrészek huzalozása nem változik. A következő lépés a szükséges hely kialakítása az FPC csatlakozó számára. A csatlakozó mérete 17mm*7,5mm. A szükséges helyet a panel Top oldalán a táppal szembeni oldalon alakítottam ki. Az elegendő hely kialakítását a felszabaduló régi PAD-ek eltávolításával, az alkatrészek megfelelő pozícionálásával valamint a huzalozás módosításával értem el. Miután a csatlakozót elhelyeztem a nyomtatott áramkörön közvetkezett a huzalozás. Összekötjük a csatlakozási pontokat vezetékkel. Ez egy igen nehéz feladat volt, mert egyes összeköttetések távol helyezkedtek el egymástól, ami megnehezítette az összekötést. A huzalozás során VIA-kat használtam, ami könnyített a feladatomon. A következő képen (20. ábra) egy részletet láthatunk az elhelyezett és behuzalozott nyomtatott áramkörről.
25
20. ábra FPC csatlakozó elhelyezése a NYÁK-on
A NYÁK rajzot ellenőrizzük, kiszűrve ezzel a tervezéskor előforduló esetleges hibákat. Könnycsepp (Teardrop) használatával csökkenthetjük a mechanikai és termikus feszültséget. Könnycseppet gyakran használunk PCB tervezés során, így erős vezeték - PAD, vezeték - VIA és vezeték - vezeték kapcsolat jön létre. Ez igen hasznos, ha a tervezési objektumok nagyon kicsik, és különösen értékes a fúrt PAD-ek és VIA-ák használatakor. A módosítást elvégeztem a kész terven, amit láthatunk is a 21. ábrán.
26
21. ábra Vezeték-vezeték és Vezeték-VIA csatlakozás
Ezután a panel készen áll a gyártásra. A programmal „Gerber” és „NC drill” fájlt generálunk, ami tartalmazza a gyártáshoz szükséges paramétereket.
27
Az elhelyezet FPC csatlakozó 3D-és nézetben:
22. ábra FPC csatlakozó 3D nézetben
28
5. KITŰZÖTT SPECIFIKÁCIÓK MEGTERVEZÉSE 5.1. Flexibilis és rigid-flex nyákok ismertetése [26.] A mobil eszközök rohamos terjedésével és méretük csökkenésével egyre nagyobb igény mutatkozik a kis helyen elhelyezhető, könnyű nyomtatott huzalozásokra. Erre nyújtanak tökéletes megoldást a flexibilis és a merev-flexibilis hibrid hordozós panelek. 1. Flexibilis NYÁK A flexibilis hordozója polyimid alapú fólia, mely nagy hő- és tűzállósága mellett akár több tízezerszer meghajlítható, mire a vezetőpályák sérülnének. Ezt akár több rétegben, furatfémezéssel tudjuk gyártani. A hordozó vastagsága 50μm-től 175 μm-ig terjedhet 18, 35, illetve 70 μm-es vezetőpálya vastagsággal. A vezetőpályák szigetelése igény szerint lehet flexibilis forrasztás gátló lakk, illetve akril ragasztóval ragasztott polyimid fólia. 2. Rigid-Flex NYÁK A rigid-flex (merev- flexibilis) lemezek ideális megoldást nyújtanak, amikor szükség van a merev huzalozások fizikai ellenállóságára, teherbírására és a flexibilis lemezek hajlékonyságára is, csatlakozók alkalmazása nélküli összekötésre. A flexibilis réteg polyimid hordozójú és No-Flow prepreggel préseljük a multilayer belső rétegekhez, előre elkészített speciális kontúrkialakításokkal szétválasztva a flexibilis és merev rétegeket.
29
A belső rétegszerkezetbe elhelyezett hajlékony hordozójú lemez kilép az egyik rigid lemezből és összeköttetést biztosít a másik rigid lemezzel úgy, hogy belső rétegként beleépül abba. A merev-flexibilis huzalozások esetében, ha belső réteg a flex réteg, akkor akril ragasztóval, szelektíven felvitt polyimid fólia biztosítja a flexibilis rétegen lévő vezetőpályák külső szigeteléses védelmét. Külső hajlékony réteg esetében, flexibilis forrasztás gátló lakk biztosítja a vezetőpályák megfelelő külső szigetelését. A következő képen láthatunk egy rigid-flex NYÁK-ot.
23. ábra Rigid-Flex kialakítású NYÁK lemez [26.]
30
5.2. Megfelelő típus kiválasztása A tervezés során fontos szempont volt az egyszerűség, a költségtakarékosság és robosztusság. Ezeket figyelembe véve a Flexibilis NYÁK-ot választottam, mert megfelel minden elvárásnak többek között egyszerűség, olcsó előállítás. A következőkben ennek a NYÁK-nak a megtervezése kerül sorra.
5.3. Flexibilis NYÁK megtervezése A nyomtatott áramkör tervezése előtt felkerestem néhány gyártót akik PCB gyártással foglakoznak. Ezek közül a Sentak Technology Co.,Ltd gyártót választottam. A Sentak Technology Co.,Ltd egy professzionális High-tech PCB gyártó. A gyár Shenzhen területén, Kínában található. A továbbiakban az általuk elfogadott technológia jellemzőkkel dolgoztam. Néhány fontos adatot összegyűjtöttem és egy táblázatban összefoglaltam.
31
Sentak Technology Co. Flex PCB technológiai korlátai Tétel
Leírás
Réteg
Flex NYÁK: 1-6 rétegek
Anyag
PI, PET, PEN, FR-4
Végső vastagság
Flex NYÁK: 0.002" - 0.1" (0.05-2.5mm)
Max/Min tábla méret
Min: 0.2"x0.3" Max: 20.5"x13"
Min.nyom
Belső: 0.5oz: 4/4mil Külső: 1/3oz-0.5oz: 4/4mil
Szélesség/Min hézag
1oz: 5/5mil
1oz: 5/5mil
2oz: 5/7mil
2oz: 5/7mil
Belső: 0.5oz: 4mil
Külső: 1/3oz-0.5oz: 4mil
Min gyűrű lyuk
1oz: 5mil
1oz: 5mil
2oz: 7mil
2oz: 7mil
Réz vastagság
1/3oz - 2oz
Max/Min szigetelés vastagsága
2mil/0.5mil (50um/12.7um)
Min lyuk méret és Tolerancia
Min.lyuk: 8mil Tolerancia: PTH±3mil, NPTH±2mil
Min rés
24mil x 35mil (0.6x0.9mm) 1. táblázat Sentak Technology Co. Flex PCB technológiai korlátai [27.]
32
A NYÁK megtervezését ismételten az Altium Designer programmal végeztem. Első sorban egy új PCD dokumentumot nyitunk, amiben készülni fog a terv. Egy új Schematic dokumentumban
elkészítettem
a
Flexibilis
NYÁK
kapcsolási
rajzát.
Az elkészült kapcsolási rajz a következő képen látható:
24. ábra Elkészült kapcsolási rajz
A kapcsolási rajz után egy PCB dokumentumba megterveztem a flexibilis nyomtatott áramkört a technológia adatok betartásával.
33
A tervezés lépései:
Flexibilis NYÁK méretének megrajzolása
A 10 pin-es csatlakozó és a 10 db PAD elhelyezése a nyomtatott áramkörön
Szigetelési távolság meghatározása (jelen esetben 0,15mm)
A huzalozáshoz poligonokat használtam. Így a vezeték impedanciája a lehető legkisebb.
A megtervezett nyomtatott áramkört láthatjuk a következő képen:
25. ábra PCB terv
A flexibilis nyomtatott áramkör készen áll a gyártásra. A programmal „Gerber” és „NC drill” fájlt generálunk, ami tartalmazza a gyártáshoz szükséges paramétereket.
34
Az elkészült tervről egy 3D képet láthatunk a következő képen.
26. ábra Elkészült terv 3D nézet
A flexibilis nyomtatott áramkör terve elkészült. Az ipari konzulensek javaslatára és az időhiány miatt, egyenlőre nem fog gyártásra kerülni.
35
6. ÖSSZEGZÉS A szakdolgozat feladatomat a debreceni Labtech Kft-től kaptam. A cég által tervezett és kereskedelmi forgalomban is kapható SIM-02 típusú EKG szimulátor hiányosságait és új funkciókkal való bővítésének lehetőségeit kellett feltárni. A feladat nagyon tetszett, hiszen konkrét hibákkal kellett megküzdenem és új megoldási javaslatokkal kerültem szembe. A SIM-02 EKG szimulátornak nem volt megfelelő a hardver felépítése. Módosítani kellett a NYÁK kialakításában a könnyebb gyárthatóság és szervizelési szempontok szerint. Legfőbb gondot a készülék szélein elhelyezett SNAP csatlakozók okozták. A nyári szakmai gyakorlatom során egyik feladatom volt a SIM-02 szimulátor összeszerelése. Ennek a feladatnak sok hasznát vettem hisz a szakdolgozatom feladata ennek a szimulátornak az újra tervezése. A feladatomat egy új csatlakozó keresésével kezdtem. Több csatlakozó fajtát is találtam és ezek közül kiválasztottam az általam legmegfelelőbbet. A kiválasztott csatlakozót elhelyeztem a már meglévő kapcsolási rajzon. Ez sok gondot okozott mivel elegendő helyet kellett kialakítani a csatalakozó elhelyezésre. Az elegendő hely kialakítását a felszabaduló régi PAD-ek eltávolításával, az alkatrészek megfelelő pozícionálásával valamint a huzalozás módosításával értem el. Ezek után a hajlékony nyomtatott áramkör megtervezése került sorra. A tervezés során fontos szempont volt az egyszerűség, a költségtakarékosság és robosztusság. Ezeket figyelembe véve a Flexibilis NYÁK megtervezését választottam. Tervezés előtt felkerestem olyan cégeket, amelyek flexibilis nyomtatott áramkört gyártanak, majd ezek közül kiválasztottam a legoptimálisabbat. A továbbiakban az általuk elfogadott technológia jellemzőkkel dolgoztam. Elkészítettem a hajlékony NYÁK elvi kapcsolási rajzát, majd a nyomtatott áramkör tervezését is befejeztem. A feladat megvalósítás során több apróbb problémába is beleütköztem. Például már az alkatrészek kiválasztásánál találkoztam nehézséggel: széles volt a választék, így nagyon alaposan utána kellett járnom, hogy a tervemhez mik a legtesthezállóbbak. Egyik legnagyobb feladat volt egy új tervező program elsajátítása. Első körben nagyon idegen volt számomra viszont a program nagyon gyorsan és könnyen tanulható. Rengeteg
36
gyakorló videót találtam az interneten ezzel megkönnyítve a munkámat. A végére nagyon megszerettem a programot és remélem, hogy a jövőben még fogom használni. Összességében a kitűzött célt, azt, hogy a SIM-02 készülékének hajlékony nyomtatott áramkörét megtervezzem: elértem. Az ipari konzulensek javaslatára, egyenlőre még nem lesz gyártható, mert nem lett volna elég idő a legyártáshoz. A feladat megvalósítása során rengeteg tapasztalatot szereztem, amely által értékes útravalót kaptam életem további állomásaira. Fejlesztési lehetőségek: a dolgozatomban felsorolt bővítési lehetőségek nagyon sokrétűek. Az egyes részekből külön-külön is dolgozat készíthető. Terveim között van a későbbiekben ezeknek a részeknek a megvalósítása amennyiben lehetőség lesz rá.
37
7. SUMMARY I got my project degree topic from the Labtech Ltd, Debrecen. I had to find the gaps of the commercial-available SIM-02 typed EKG simulator, which was desinged by the company and I also had to reveal new funcions of it. I really liked the task, because I had to cope with specific defects, and faced with solutions. The hardware structure of the SIM-02 EKG simulator was not appropriate. I had to change the PCB design for the ease of manufacturability and service criteria. The main problem was caused by the SNAP connectors placed on the edges of the device. During my summer internship, the assembling of the SIM02 simulator was one of my tasks. It meant a lot of benefits to me, because in my degree project I had to redesign this simulator. I began my task with the searcing of a new connector. I found a lot of type of them, so I chose the best one. I placed the selected connector on the existing circuit diagram. It caused a lot of trouble, because I had to design enough room to place the connector. I freed space by removing the old PADs, positioning the components and modifying the wiring. After that I had to design the flexible printed circuit board. During the design process, simplicity, cost savings andt robustness was very important. According to these, my choice was the flexible PCB desing. Before planning, I visited companies that manufactured flexible printed circuit boards, then I chose the most optimal. After that, I worked the technological characteristics they have adopted. During the implementation of the task, I came across some minor problems. For example, the difficulties of the choice of components: There was a wide variety, so I had find the most appropriate components for my plan. One of my most difficult tasks was to learn to use a new desing software. In the first round it was very strange to me, however, the program is very quick and easy to learn. I found some tutorial video on the internet that helped me. In the end, I liked this program so I hope that I will use it in the future. Overall, I reached the target, I designed a flexible printed circuit for the SIM-02 unit. For the proposal of the industry consultants, It won’t be manufactured because the lack of time.
38
In carrying out the task, I got a lot of experience, which gave me valuable knowledge I can use in my life. Development opportunities: expansion options listed in my work are very diverse. The individual parts could be separate degree projects. If it will be possible, I will implement these parts in the future.
39
8. IRODALOMJEGYZÉK [1.] www.labtech.hu [2.] http://www.labtech.hu/index.php/hu/termekek/nyugalmi-es-terheleses-rendszerek/ec-12s [3.] https://www.alliedhealthinstitute.edu/online-training-courses/ekg-technician/ [4.] https://www.patentplaques.com/blog/?p=1641 [5.] http://www.labtech.hu/index.php/hu/termekek/ekg-szimulatorok/sim-02 [6.] http://hirmagazin.sulinet.hu/hu/eletmod/mit-mutat-meg-az-ekg [7.] http://gyakorloapolo.webnode.hu/diagnosztika/a2-tetel/ [8.] http://www.hazipatika.com/eletmod/rolunk_gondoskodik/cikkek/szurovizsgalatok_diohejb an/ekg-ra_keszul_tudjon_meg_mindent_a_vizsgalatrol/20130402151132 [9.] https://hu.wikipedia.org/wiki/Elektrokardiogr%C3%A1fia [10.]http://gyakorloapolo.webnode.hu/diagnosztika/a2-tetel/ [11.]http://hirmagazin.sulinet.hu/hu/eletmod/mit-mutat-meg-az-ekg [12.]www.labtech.hu [13.]www.labtech.hu [14.]www.labtech.hu [15.]www.labtech.hu [16.]http://www.giga.de/extra/hdmi/tipps/hdmi-auf-scart-so-verbindet-ihr-die-beidenschnittstellen/ [17.]http://wiki.prog.hu/wiki/FAT [18.]http://elm-chan.org/fsw/ff/en/appnote.html [19.]http://gyik.reblog.hu/cimke/vide%C3%B3 [20.]http://gyik.reblog.hu/miert-jo-a-hdmi-csatlakozas [21.]http://www.showmecables.com/product/HDMI-Male-Solder-Connector-Kit.aspx [22.]http://www.soselectronic.hu/?str=1389&article=ftdi-bonyolult-a-kijelzo-tervezesy-hagyjaeve-re [23.]https://www.we-online.com/web/en/wuerth_elektronik/start.php [24.]http://www.altium.com/ [25.]http://www.ccontrols.hu/magyar/Termekek/Szoftverek/Altium-Designer.html [26.]http://hitelap.hu/index.php?page=59 [27.]http://www.sentakpcb.com/index.php?m=content&c=index&a=lists&catid=17 [28.]http://www.elektro-net.hu/gyartosor/5062-az-ipc-szabvanyrendszere
Linkek utoljára ellenőrizve: 2015.12.04.
40
