Высокоточный измеритель температуры тела в виде гибкого PCB-датчика с поддержкой Bluetooth®

16 августа

медицинапотребительская электроникалабораторные приборыинтернет вещейTexas Instrumentsстатьяинтегральные микросхемыбеспроводные технологии

Гибкий PCB-контактный датчик для высокоточного измерения температуры тела с поддержкой Bluetooth на элементной базе Texas Instruments предназначен для применения как в стационарной, так и в портативной медицинской аппаратуре

Разработка инженеров компании Texas Instruments предназначена для высокоточного измерения температуры тела с использованием прецизионного цифрового датчика температуры TMP117 и беспроводного микроконтроллера (МК) CC2640R2F. Разработчики делятся рекомендациями по проектированию средств измерения температуры тела для медицины и портативной электроники, а также приводят описание оценочного ПО и приложения данного интеллектуального устройства.

Потребительские преимущества системы:

  • высокоточное (±0,1ºC) измерение температуры тела;
  • 2,4 ГГц РЧ-трансивер, совместимый с Bluetooth® Low Energy (BLE) 4.2 и 5;
  • интегрированная PCB-антенна;
  • гибкая печатная плата;
  • срок хранения устройства до 3 лет при 5 сутках активной работы;
  • приложение под iOS для мониторинга устройства.

Области применения:

  • медицинские приборы;
  • контроль состояния здоровья;
  • портативная электроника 

Описание системы

Следуя тенденции к интегрированию датчиков в современные беспроводные и облачные приложения, гибкий PCB контактный датчик для высокоточного измерения температуры тела с поддержкой Bluetooth обеспечивает получение точных значений температуры на Bluetooth-совместимом устройстве — смартфоне или планшете.

Благодаря прямому контакту с кожей высокоточный маломощный цифровой интегральный датчик температуры TMP117 может выдавать 16-битные цифровые выходные данные через I²C в беспроводной МК CC2640R2F SimpleLink™ с поддержкой Bluetooth Low Energy (BLE). После сбора этих данных CC2640R2F может использовать протокол Bluetooth для их отправки Bluetooth-сопряженному устройству.

Контактный датчик может работать от гибкой тонкопленочной батареи напряжением 3 В. Для отладки и демонстрации работы разработчик может использовать большие контактные площадки устройства для подачи внешнего питания от других источников.

Предусмотрено два основных режима работы: активный и неактивный. Когда контактный датчик неактивен, CC2640R2F переходит в состояние полного выключения, TMP117 также выключается. В данном режиме срок хранения устройства может достигать трех лет, без значительного снижения емкости батареи. Когда разработчик нажимает на кнопку пробуждения, контактный датчик переходит в активный режим, и TMP117 начинает чтение и автоматическую выдачу данных о температуре, которые считываются BLE-микросхемой CC2640R2F.

Если разработчик использует ПО без изменений, единственным способом перевести контактный датчик из активного режима в неактивный является отключение и последующее включение источника питания. В области здравоохранения повторное или продленное использование контактных датчиков для мониторинга может нанести вред здоровью пациента в гигиеническом аспекте. ПО для данного контактного датчика создавалось с целью разработки строго одноразового устройства. В качестве альтернативы одноразовым системам температурного мониторинга можно использовать съемное защитное покрытие, которое затем может быть утилизировано. Это широко используемый подход при разработке термометров зондового типа для измерения температуры оральным способом. В этом случае разработчик может скорректировать ПО для переключения между активным и неактивным режимами, однако МК должен быть расположен в зонде, чтобы использовать протокол связи Bluetooth в соответствии с этой модификацией.

Ключевые характеристики системы представлены в таблице 1.

Таблица 1. Ключевые характеристики системы

Характеристика Описание Примечания
Рабочий диапазон питающих напряжений, В DC 1,8…3,8 Ограничен допустимым напряжением питания CC2640R2 и TMP117
Рабочая температура, ºC -40…85 Ограничена рабочим диапазоном CC2640R2
Температурная точность, ºC ± 0,1ºC (макс.)
при температурах 35…43ºC
Превышает требования к точности измерения температуры тела человека
Дальность работы, м >10 BLE 4.2/5
Форм-фактор Двухслойная гибкая PCB

Обзор системы

Блок-схема TIDA-01624, задействованной в данном проекте, представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Блок-схема TIDA-01624

Рис. 1. Блок-схема TIDA-01624

В первую очередь, необходимо тщательно продумать размещение контактного датчика для обеспечения соответствия считываемой температуры ожидаемым значениям. Среднее значение температуры здорового взрослого человека, измеренное оральным термометром, составляет 98,06ºF или 36,7ºC, однако измерения, проведенные на других участках тела, будут различаться по температуре. Например, височный термометр покажет температуру, которая может быть на 1ºC ниже температуры, измеренной орально.

Ключевым различием является разность внутренней и кожной температур. Основной целью данной разработки является демонстрация эффективных методик измерения температуры кожи. Температура на поверхности кожи пациента в норме не должна быть равна внутренней температуре. Наиболее точными методами получения значения внутренней температуры являются методы внутренних измерений с применением оральных или ректальных термометров. Тем не менее, в некоторых случаях, таких как долговременный мониторинг состояния пациента в инкубаторе ОИТН (отделения интенсивной терапии новорожденных, или Neonatal Intensive Care Unit, NICU), измерение кожной температуры зачастую является единственным доступным методом.

Гибкий контактный датчик PCB с поддержкой Bluetooth® для высокоточного измерения температуры тела включает в себя следующие устройства (рисунок 2):

Рис. 2. Основные элементы устройства

Рис. 2. Основные элементы устройства

  • TMP117 – высокоточный цифровой датчик температуры с малым энергопотреблением;
  • CC2640R2F – беспроводной микроконтроллер SimpleLink™ Bluetooth® с малым энергопотреблением.

TMP117 – это маломощный высокоточный температурный датчик, который дает 16-разрядный результат измерения температуры с разрешением 7,8125×10-3°C и точностью до ± 0,1°C без калибровки. TMP117 работает при питании 1,8…5,5 В, обычно потребляя 3,5 мкА, и поставляется в корпусе WSON 2,00×2,00 мм. Устройство также имеет встроенную память EEPROM и регистр смещения температуры, который может хранить данные калибровки по одной точке (рисунок 3).

Рис. 3. Внутренняя блок-схема TMP117

Рис. 3. Внутренняя блок-схема TMP117

SimpleLink Bluetooth CC2640R2F с малым энергопотреблением – это беспроводной МК, предназначенный для малопотребляющих приложений Bluetooth 4.2 и Bluetooth 5. Низкие активные токи РЧ и МК, а также потребление тока в режиме малой мощности гарантируют превосходный срок службы для приложений с функцией сбора энергии (Energy Harvesting) или работающих от небольших батарей.

CC2640R2F содержит 32-битное ядро ARM® Cortex®-M3, которое работает на частоте 48 МГц в качестве основного процессора. Устройство также имеет богатый набор периферийных функций, который включает в себя уникальный контроллер датчиков, имеющий сверхмалое энергопотребление (рисунок 4).

Рис. 4. Блок-схема CC640R2F

Рис. 4. Блок-схема CC640R2F

Теоретическая часть проекта

Проектные требования к носимым контактным датчикам могут варьироваться, в зависимости от конкретного применения. В рамках данного проекта были выдвинуты требования по следующим параметрам:

  • срок хранения;
  • время активной работы;
  • диапазон дальности;
  • удобство ношения;
  • точность системы. 

Бюджет мощности для этого проекта основан на требованиях к сроку хранения (неактивному состоянию) и сроку активной работы (активному состоянию). В высокоточном гибком контактном датчике для измерения температуры тела с поддержкой Bluetooth CC2640R2F пребывает в выключенном режиме до тех пор, пока не будет нажата тактильная кнопка (S1) и контактный датчик не активируется. Ввиду общего малого потребления тока TMP117 датчик температуры питается от одного из GPIO CC2640R2. Это уменьшает общий расчетный ток выключенного состояния благодаря нулевому току датчика температуры. Таким образом, ток потребления устройства в режиме отключения ограничен 150 нА и обусловлен в основном током микроконтроллера CC2640R2. В результате ожидаемый общий срок хранения данного устройства должен составлять три года. Этот срок ограничен сроком годности самой батареи, а не ее емкостью.

В части требований к продолжительности активной работы можно ожидать, что одноразовые термометры-контактные датчики будут работать в течение нескольких дней после их закрепления на теле пользователя. Потребление тока можно уменьшить, ограничивая частоту измерений и передавая данные о температуре вместе с Advertising-сообщениями. В разделе «Потребление тока и срок службы» приведены результаты потребления тока для высокоточного гибкого патча с поддержкой Bluetooth для измерения температуры тела. Если патч активен, но не прикреплен к пользователю, то он будет автоматически объявляться до 10 раз в секунду (Advertising, рисунок 5), измерять температуру с интервалом один раз в секунду, и его ожидаемое время работы составит более пяти дней. А при подключении к смартфону (connection state) ожидаемое время активной работы составит около трех с половиной дней.

Рис. 5. Окно измерителя мощности при измерении потребления тока в режиме Advertising с частотой 10 Гц

Рис. 5. Окно измерителя мощности при измерении потребления тока в режиме Advertising с частотой 10 Гц

Дальность широковещательной передачи BLE сильно зависит как от выходной мощности, излучаемой антенной, так и от расположения платы. Чтобы свести к минимуму ослабление сигнала телом человека, радиочастотная антенна должна быть открыта с одной стороны для обеспечения лучшего распространения сигнала и максимальной дальности. Во время ношения выходная мощность устройства со встроенной антенной F-типа составляет примерно -48 дБм в ближней зоне без какого-либо специального согласования. Это дает ожидаемую дальность более 12 м. Она зависит от чувствительности приемника и наличия препятствий на пути распространения сигнала. В разделе «Дальность действия» описаны испытания, проведенные для определения дальности действия устройства. На практике на открытом пространстве было получено максимальное расстояние около 12 метров.

В данной конструкции использовалась двухслойная гибкая печатная плата с уменьшенной теплоемкостью и максимальной гибкостью. Основным преимуществом гибкости является удобство и комфорт для пользователей, что повышает надежность фиксации контактного датчика на пациенте. Такие области как РЧ-часть, которые требуют сплошных заземляющих плоскостей, должны иметь наименьший размер, чтобы минимизировать жесткую для пациента часть платы. Важно учитывать этот фактор при проектировании любых конечных продуктов. Может возникнуть необходимость в заключении конечного устройства в мягкую ткань либо в специальную повязку для прокладки между платой и телом человека. При этом необходимо позаботиться, чтобы теплообмен между TMP117 и кожей пользователя по-прежнему был оптимален с точки зрения времени отклика и точности. Рекомендации, перечисленные в «Layout Considerations for Wearable Temperature Sensing» (SNOAA03) и «Design Challenges of Wireless Patient Temperature Monitors» (SNOAA07), могут помочь разработчику улучшить время и точность отклика системы.

С целью соответствия медицинским стандартам ISO-80601 и ASTM E1112 для мониторов температуры пациента с периодическим измерением, точность системы должна быть проверена с использованием жидкостной ванны и высокоточного эталона. Эти требования к точности, соответствующие ASTM E1112, представлены в таблице 2. TMP117 спроектирован так, чтобы выполнять эти требования с запасом, но разработчик также должен учитывать температурный сдвиг, вызванный интеграцией устройства в конечную конструкцию для обеспечения полной точности системы. Точечная калибровка в пределах желаемого диапазона может обеспечить точность для большинства систем, и эта коррекция смещения может быть сохранена в регистре смещения температуры TMP117. Точность измерения температуры гибкого контактного датчика с BLE проверялась на образце, помещенном в ванну с жидким маслом, и соответствовала требованиям, перечисленным в таблице 2, без какой-либо коррекции смещения.

Если в конечных системах необходимо смещение, разработчик должен протестировать статистически значимый объем образцов продукции, чтобы определить оптимальное смещение для TMP117.

Таблица 2. Требования к точности измерения температуры по ASTM E1112

Температура, ºC Максимальная ошибка, ºC
< 35,8 ±0,3
35,8…37,0 ±0,2
37,0…39,0 ±0,1
39,0…41,0 ±0,2
> 41,0 ±0,3

Аппаратная часть, программное обеспечение, условия и результаты испытаний

Проект был разработан и реализован для следующих параметров батареи, если не указано иное:

  • напряжение: 3,0 В;
  • минимальная емкость: 35 мА⋅ч;
  • максимальный продолжительный ток разряда: 17,5 мА.

Для программирования устройства необходимы компьютер и программатор JTAG. Также необходим смартфон или планшет для связи с устройством при его использовании.

Существует специальное встроенное ПО, которое необходимо предварительно загрузить в устройство. Для его компиляции и загрузки необходимы следующие программные продукты:

  • Code Composer Studio версии 8.2 или выше;
  • SimpleLink™ CC2640R2 SDK – Bluetooth® Low Energy;
  • SmartRF Flash Programmer v2 (опционально);
  • SimpleLink™ SDK Explorer (приложение на смартфоне или планшете). 

Первым шагом является компиляция проекта для встроенного ПО. Если CCS v 8.2 и SimpleLink SDK для CC2640R2 установлены, пользователь должен сделать следующие шаги:

  1. Скачать zip-файл с ПО и извлечь его на своем локальном ПК.
  2. Скопировать папку «tida_01624» из извлеченного zip-архива в директорию установки SimpleLink CC2640R2SDK“C:\ti\simplelink_cc2640r2_sdk_2_20_00_49\examples\rtos\CC2640R2_LAUNCHXL\blestack”.
  3. Запустить CCS v 8.2 и импортировать проект, нажав File → Import. В появившемся диалоговом окне развернуть Code Composer Studio → CCS Projects. Нажать кнопку «Next», как показано на рисунке 6.

Рис. 6. Меню импорта ПО

Рис. 6. Меню импорта ПО

  1. Выбрать опцию «Selectsearch-directory» в открывшемся окне и нажать кнопку «Browse», как показано на рисунке 7.

Рис. 7. Меню импорта проекта

Рис. 7. Меню импорта проекта

  1. Найти путь в SimpleLink CC2640R2 SDK, по которому расположен проект ПО, и нажать «ОК» в соответствии с рисунком 8;

Рис. 8. Браузер проектов

Рис. 8. Браузер проектов

  1. Убедиться в том, что установлена галочка tida_01624_app, как показано на рисунке 9, и нажать «Finish». Произойдет импорт проекта CCS;

Рис. 9. Импорт проекта CCS

Рис. 9. Импорт проекта CCS

  1. В обозревателе проектов произвести клик правой кнопкой мыши на tida_01624_app и нажать «Build Project» в выпадающем меню. Процесс компиляции может занять около минуты. Как только произойдет успешное завершение сборки – будет сгенерирован выходной файл ПО.

Для загрузки ПО на плату необходим программатор XDS110 USB Debug Probe. XDS110 USB Debug Probe может быть как самостоятельным программатором, так и входить в состав одного из многих комплектов разработки TI Launchpad™. В рамках данного проекта мы настроили TI Launchpad для работы в качестве XDS110 USB Debug Probe с 10-жильным кабелем, поставляемым с Launchpad (рисунок 10).

Рис. 10. Схема программирования контактного датчика

Рис. 10. Схема программирования контактного датчика

После настройки Launchpad разработчик может нажать на кнопку «Debug» для загрузки ПО с использованием CCSv8.2 (рисунок 11).

Рис. 11. Загрузка ПО в CC2640R2

Рис. 11. Загрузка ПО в CC2640R2

Рассмотрим последовательность действий для чтения данных с контактного датчика и навигации в приложении SimpleLink SDK Explorer. На рисунке 12 показана схема испытаний для чтения данных с контактного датчика через смартфон, а рисунок 13 сориентирует вас в меню приложения SimpleLink SDK Explorer.

Рис. 12. Чтение данных с контактного датчика. Необходимы только датчик и смартфон

Рис. 12. Чтение данных с контактного датчика. Необходимы только датчик и смартфон

  1. При запуске в Simplelink SDK Explorer по умолчанию выбран SDK BLE Plugin (рисунок 13). Вы можете его сменить, выбрав «SDK BLE Plugin» под «CurrentProduct».

Рис. 13. Главное меню SimpleLink SDK Explorer

Рис. 13. Главное меню SimpleLink SDK Explorer

  1. В списке продуктов выберите «TI Sensing Solutions» (рисунок 14).

Рис. 14. Выбор программного продукта

Рис. 14. Выбор программного продукта

  1. Вернитесь в главное меню и выберите «Demos/Designs» (рисунок 15).

Рис. 15. Основное меню с выбранным продуктом «TI Sensing Solutions»

Рис. 15. Основное меню с выбранным продуктом «TI Sensing Solutions»

  1. В «Demos/Designs» выберите «Temperature Sensor Medical Patch», чтобы найти TMP117 BLE Flex Patch.

Испытания и их результаты

Для начальных тестов на потребление тока выводы питания беспроводного контактного датчика подключались к анализатору мощности, способному измерять токи в наноамперном диапазоне (рисунок 16). Полученные средние значения тока использовались для оценки ожидаемого срока службы устройства при батарейном питании. В целях практического тестирования срока службы контактный датчик был активирован и оставлен работающим в режиме автообъявлений (auto-advertising). Температурные данные можно было читать даже более чем через четыре дня после первого запуска датчика.

Рис. 16. Схема испытаний на энергопотребление. Для подачи питания 3 В на тестируемые контактные датчики был использован анализатор мощности

Рис. 16. Схема испытаний на энергопотребление. Для подачи питания 3 В на тестируемые контактные датчики был использован анализатор мощности

Традиционно метод измерения эффективной изотропно-излучаемой мощности (EIRP) считается хорошим подходом для оценки общего диапазона дальности РЧ-системы, однако в случае с носимым медицинским патчем имеет место значительное поглощение радиосигнала человеческим телом. По этой причине наилучшим методом проверки максимальной дальности связи с патчем является эксперимент. Выходная мощность контактного датчика при его ношении измерялась при помощи приложения «Bluetooth Explorer» на смартфоне, а дальность связи с ним на открытом воздухе может быть вычислена на основе характеристик приемника. Для проверки такого подхода в течение длительного периода времени использовался один из контактных датчиков, зафиксированный на инженере Texas Instruments при помощи пластыря Tegaderm™, сертифицированного FDA. Дальность связи с устройством периодически тестировалась посредством фиксации регулярного обновления показаний температуры, индикацией которых служили Advertising-сообщения. Это послужило основой для подтверждения начальных расчетов.

Стандарт ASTM E1112 рекомендует тестировать точность системы с использованием жидкостной ванны и датчика, откалиброванного, как минимум, до точности 0,03°C. Схема испытания, использованная для подтверждения температурной точности системы, повторяла эту установку. Во время тестирования точности один из контактных датчиков был погружен в ванну с жидким маслом и получал питание 3 В от внешнего источника. Затем температура ванны менялась для разных значений в диапазоне температуры тела человека и сохранялись выборки значений для расчета корреляции с калиброванным датчиком. Установка показана на рисунке 17.

Рис. 17. Тестовая установка для проверки точности гибкой накладки на основе TMP117

Рис. 17. Тестовая установка для проверки точности гибкой накладки на основе TMP117

Ниже поясняются результаты испытаний, проведенных с контактными датчиками. 

Потребление тока и срок службы

На рисунках 18…23 показаны графики потребления тока при работе устройства в различных режимах. В конечном варианте контактный датчик был настроен на передачу автообъявлений с периодом 100 мс и чтение значений температуры раз в секунду. Такой режим обеспечивает среднее потребление тока на уровне около 230 мкА, из чего следует, что время активной работы датчика превышает 5 дней с момента инициализации при питании от батареи емкостью 35 мА⋅ч. Это на сегодняшний день значительно превышает показатели 12…24 ч большинства беспроводных контактных датчиков для мониторинга температуры. Время работы устройства было подтверждено путем полного разряда одной из гибких батарей после активации датчика. Среднее потребление тока сведено в таблицу 3. Формула 1 показывает, как оценить время работы датчика в зависимости от общей продолжительности подключения:

$$T_{ACTIVE}=\frac{Q_{Batt}}{\left(X\times I_{Connected}+(1-X)\times I_{Auto} \right)},\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

где

  • TACTIVE – время работы контактного датчика (в часах);
  • QBatt – количество заряда в батарее в мА⋅ч;
  • X – процент времени, при котором ожидалось, что контактный датчик подключен к смарт-устройству;
  • IConnected и IActive – среднее потребление тока устройством в мА, подключенным к смарт-устройству и при автообъявлениях соответственно.

Таблица 3. Среднее потребление тока

Условия Измеренное
потребление, мА
Соответствующий график Расчетное время работы
Первичный запуск 3,8 (среднее значение)
за 21 мкс
Рисунок 18 н/д
При автообъявлениях 11,1 (в пике) Рисунок 19 н/д
Автообъявления каждые 100 мс (10 Гц) 227,37 (среднее значение) Рисунок 20 159,93 часов, или 6,4 дня
Автообъявления раз в 1 с (1 Гц) 106,204 (среднее значение) Рисунок 21 329,6 часов, или 13,7 дней
Подключено к смарт-устройству 420,743 (среднее значение) Рисунок 23 83,2 часа, или 3,5 дня

Рис. 18. Пусковой ток

Рис. 18. Пусковой ток

Рис. 19. Пики тока при автообъявлениях

Рис. 19. Пики тока при автообъявлениях

Рис. 20. Средний ток при автообъявлениях раз в 100 мс

Рис. 20. Средний ток при автообъявлениях раз в 100 мс

Рис. 21. Средний ток при автообъявлениях раз в 1 с

Рис. 21. Средний ток при автообъявлениях раз в 1 с

Рис. 22. Изменение потребления тока при смене режима с «Не подключено, автообъявления» на «Подключено»

Рис. 22. Изменение потребления тока при смене режима с «Не подключено, автообъявления» на «Подключено»

Рис. 23. Среднее потребление тока в подключенном к смарт-устройству состоянии

Рис. 23. Среднее потребление тока в подключенном к смарт-устройству состоянии

Дальность действия

При ношении контактного датчика уровень сигнала при считывании температуры через приложение на Android был определен на уровне около -48…-50 дБм при максимальном сближении. Это примерно соответствует дальности связи с устройством около 12 м на открытом пространстве. На практике для тестируемого контактного датчика дальность оказалась равной около 12,2 м при передаче данных посредством автообъявлений и их приеме через приложение SimpleLink SDK Explorer. Единственной передаваемой информацией была температура, поэтому данные в приложении могли постоянно обновляться, не требуя BLE-соединения между патчем и смарт-устройством. Практическая дальность действия конечных образцов изделия не будет одинаковой ввиду наличия препятствий на пути распространения радиосигнала, положения носящего и излучаемой выходной мощности. Если требуется большая дальность, аналогичным образом может быть реализован протокол, отличный от BLE.

Точность системы

Испытания на точность с помощью жидкостной ванны прошли суммарно 10 контактных датчиков. Результаты показаны на рисунке 24. Было установлено, что патчи соответствуют точности медицинского уровня, согласно требованиям ASTM, как показано в таблице 2, поэтому в регистр смещения температуры TMP117 не вносилось калибровочное значение. Для продукции, предназначенной к использованию в медицинских целях, испытания на точность должны также проводиться с учетом влияния упаковки, ткани или бинта, чтобы определить общую точность системы.

Рис. 24. Результаты испытаний контактных датчиков на точность измерения температуры. Утолщенной линией показаны ограничения ASTM

Рис. 24. Результаты испытаний контактных датчиков на точность измерения температуры. Утолщенной линией показаны ограничения ASTM

Файлы для разработок

Более подробно ознакомиться со схемами и материалами вы сможете, перейдя на страницу TIDA-01624.

Рекомендации по трассировке

Трассировка гибкого контактного датчика PCB производилась на двухслойной плате по стратегии максимизации общей гибкости платы. Большее количество слоев, скорее всего, увеличило бы минимальный радиус изгиба платы и повлияло на удобство в процессе ношения. Так как основной целью данной разработки является измерение температуры, в документе «Layout Considerations for Wearable Temperature Sensing» (SNOAA03) дается краткое резюме и пояснение по многим применявшимся методам. По общим вопросам разработки гибких печатных плат разработчики должны консультироваться с целевым производителем печатных плат. Такие платы очень тонки, поэтому они могут быть чувствительны к нагреву, который возникает в процессе монтажа компонентов. Важно учитывать эту особенность для снижения потенциального риска повреждения проводников платы. Если надежность вызывает опасения, рассмотрите возможность исполнения в полужестком форм-факторе, добавив элемент жесткости к нижней стороне активной части платы.

Микросхема CC2640R2F, наряду с согласующими цепями РЧ-части и антенны, требует большой площади медного полигона на нижнем слое платы для обеспечения низкоимпедансного соединения с землей. При двухслойной структуре для трассировки проводников к микросхеме CC2640R2F и от нее доступен только верхний слой. Позаботьтесь о том, чтобы необходимые bypass-компоненты были размещены максимально близко к микросхеме. Массив переходных отверстий под CC2640R2F обеспечивает низкоомное соединение устройства с землей. На рисунке 25 показано посадочное место и подключение цепей к CC2640R2F на гибкой печатной плате.

Рис. 25. Трассировка CC2640R2F на двухслойной гибкой печатной плате, план земли показан синим

Рис. 25. Трассировка CC2640R2F на двухслойной гибкой печатной плате, план земли показан синим

Не забудьте учесть ширину сигнальных цепей согласующего трансформатора и РЧ-антенны при исполнении на двухслойной плате. Для большинства жестких печатных плат часто требуется поиск разумной ширины дорожек для обеспечения согласованного импеданса. Для двухслойной платы максимальное характеристическое сопротивление этих проводников ограничивается толщиной платы, правилами ее трассировки и желаемой стоимостью. Если согласовать цепи не представляется возможным, TI рекомендует делать длину этих проводников минимальной. Кроме того, для возможности согласования с сосредоточенными элементами была оставлена схема согласования под посадочные места типоразмера 0201. Для имитации среды использования согласование радиочастотного импеданса должно быть выполнено для патча, прикрепленного к коже пользователя.

Для высокоточных измерений необходимо следовать рекомендациям, приведенным в документе «Precise Temperature Measurements with the TMP116» (SNOA986). Для обеспечения наиболее точных температурных данных необходимо убедиться, что между верхним и нижним слоями отсутствует медный слой. В рассматриваемом устройстве имеются два переходных отверстия, показанных на рисунке 26, которые могут проводить тепло от нижнего слоя к верхнему. Слой меди, находящийся между этими слоями, может уменьшить количество передаваемого тепла.

Рис. 26. Цепи TMP117 (U1) на гибкой двухслойной печатной плате с развязывающим конденсатором (C1). Переходные отверстия проводят тепло через открытые свободные медные площадки с нижнего слоя (синий цвет) к термоконтактуTMP117

Рис. 26. Цепи TMP117 (U1) на гибкой двухслойной печатной плате с развязывающим конденсатором (C1). Переходные отверстия проводят тепло через открытые свободные медные площадки с нижнего слоя (синий цвет) к термоконтактуTMP117

Более того, с термоконтакта TMP117 были убраны паяльная маска и маска для паяльной пасты. Разработчик может убрать опциональный слой паяльной маски для улучшения теплопередачи. Паяльная маска не является необходимой, поскольку термальная площадка не должна пропаиваться. Разработчик может оставить термоплощадку неприпаянной («висящей»), чтобы предотвратить какие-либо нагрузки на корпус, смонтированный на гибкую печатную плату.

Чтобы удостовериться в том, что припой протекает непосредственно к выводам TMP117 под корпус микросхемы (не попадая при этом на термоплощадку), по периметру корпуса должна быть проведена граница запретной зоны (keep-out). Чтобы избежать проблем с распределением припоя по выводам TMP117, в этой области не должно быть никаких покрытий. Данные инструкции включены в примечания к производству для производителя печатных плат.

На рисунке 27 показано, как тепловой поток проходит к WSON-корпусу, аналогичному корпусу TMP117. Воздушный зазор между термоплощадкой и омеднением нижнего слоя не должен оказывать значительного влияния на измерение температуры ввиду малой теплоемкости TMP117.

Рис. 27. Тепловой поток через TMP117

Рис. 27. Тепловой поток через TMP117

Для загрузки проводящих рисунков топологии перейдите по ссылке TIDA-01624.

Для загрузки файлов проекта Altium перейдите по ссылке TIDA-01624.

Для загрузки Gerber-файлов перейдите по ссылке TIDA-01624. 

Для загрузки монтажных чертежей перейдите по ссылке TIDA-01624.

Для загрузки файлов программного обеспечения перейдите по ссылке TIDA-01624. 

Список литературы

  1. Texas Instruments, CC26x0 SimpleLink™ Bluetooth® low energy software stack 2.2.x developer’s guide (SWRU393)/Руководство разработчика по программному стеку CC26x0 SimpleLink™ Bluetooth® low energy 2.2.x.
  2. Texas Instruments, CC13x0, CC26x0 SimpleLink™ wireless MCU technical reference manual(SWCU117)/Техническое руководство по беспроводным МК SimpleLink™ CC13x0, CC26x0.
  3. Texas Instruments, TMP117 High-accuracy, low-power, digital temperature sensor (SNOSD82)/Высокоточный цифровой датчик температуры TMP117 с малым энергопотреблением.
  4. Texas Instruments, Layout considerations for wearable temperature sensing (SNOAA03)/Рекомендации по трассировке печатных плат для портативной электроники.
  5. Texas Instruments, Design challenges of wireless patient temperature monitors (SNOAA07)/Проблемы при разработке беспроводных устройств мониторинга температуры тела пациента.
  6. Texas Instruments, Precise temperature measurements with the TMP116 (SNOA986)/Прецизионное измерение температуры

Оригинал статьи

Перевел Вячеслав Семёнов по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонентов, технологий и отладочных средств, а также ...читать далее

Товары
Наименование
CC2640R2FRGZT (TI)
CC2640R2FRHBT (TI)
CC2640R2FTWRGZTQ1 (TI)
CC2640R2FRSMR (TI)
CC2640R2FYFVR (TI)
CC2640R2FRGZR (TI)
CC2640R2FRSMT (TI)