ProjetoReduzido

Projeto de sistema de audiometria portátil de baixo custo [Parte 3] - EA801/Projeto 3

Autores:

• Henrique Stumm Rocha
  • Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (FEEC), Universidade Estadual de Campinas
  • Email: h239694@dac.unicamp.br
• Vitor Rolim Cardoso
  • Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (FEEC), Universidade Estadual de Campinas
  • Email: v204077@dac.unicamp.br

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Introdução

A elevada complexidade e custo de equipamentos de audiometria tradicional (como o \cite{formis2023}, comercializado por R$15.990,00) limitam seu acesso em contextos de baixo orçamento, como clínicas de pequeno porte e regiões com recursos limitados. Sistemas embarcados, como os baseados em ESP32 ou Raspberry Pi, surgem como alternativas promissoras: com componentes de baixo custo, permitem implementar funcionalidades básicas de teste auditivo de forma portátil e acessível. No documento a seguir, apresentamos um sistema de audiometria básico utilizando o microcontrolador RP2350 \cite{rp2350} integrado à placa de desenvolvimento BitDogLab \cite{bitdoglab}, junto com uma série de componentes periféricos que permitem à placa de circuitos BitDogLab se comunicar com fones de ouvido analógicos P2.

Essa abordagem não substitui equipamentos profissionais, mas pode viabilizar triagens preliminares em condições em que o acesso a equipamentos tradicionais representa um custo proibitivo.

Descrição Funcional

Objetivo

O programa é um sistema interativo para avaliação auditiva em formato de jogo, onde o usuário deve identificar e responder a tons de frequências variadas emitidos por dois buzzers. O sistema fornece feedback visual imediato (via LED RGB) e histórico (via matriz de LEDs) sobre a precisão das respostas, simulando um teste de audiometria simplificado. Nessa terceira etapa do projeto, integramos todo o desenvolvimento do hardware em uma placa de circuito impresso (PCB) capaz de realizar a conexão entre todos os componentes e a conversão do sinal diferencial do amplificador classe D para sinal single-ended.

Componentes Principais

• Botões (2 unidades):
  • O usuário deve pressionar o botão correspondente ao buzzer que emitiu o tom durante sua execução.
  • Respostas fora do intervalo do tom ou pressionamento do botão errado são consideradas incorretas.
• Matriz de LEDs NeoPixel (5x5):
  • Exibe um histórico sequencial das respostas:
    • Verde: Resposta correta (botão pressionado durante o tom).
    • Vermelho: Resposta ausente, incorreta ou fora do tempo.
  • Os LEDs são preenchidos da direita para a esquerda e de baixo para cima, reiniciando após 25 respostas.
• LED RGB:
  • Fornece feedback temporário (1 segundo) após cada resposta:
    • Verde: Resposta incorreta.
    • Vermelho: Resposta correta.
    • Magenta: Resposta ausente ou fora do tempo.
• PCM5102:
  • Conversor Digital-Analógico:
    • Recebe um sinal digital em protocolo I2S da BitDogLab e o converte em um sinal analógico de 2.1V centrado no GND.
    • Datasheet \cite{PCM5102}.
• PAM8403:
  • Amplificador de Áudio:
    • Recebe um sinal analógico do Conversor D/A PCM5102 e o amplifica para 5V de saída.
    • É um amplificador sem filtro, portanto, é necessário colocar um filtro LC na saída para atenuar o ruído no alto-falante.
    • Datasheet \cite{PAM8403}.
• Filtro LC:
  • Conjunto de indutores e capacitores para atenuar o ruído da saída do amplificador:
    • Para cada saída P2 temos um indutor de 10 uH e um capacitor de 470 nF conectados em série.
    • Foi necessário usar o filtro LC para filtrar o sinal PWM, que é característico de amplificador tipo D.
• Saída de Áudio:
  • A saída de áudio do projeto, agora integrada em uma PCB, é composta pelos seguintes elementos:
    • Circuito de Conversão (LM324): O sinal de áudio, gerado internamente de forma diferencial, é processado por um amplificador operacional LM324. Ele está configurado como um amplificador diferencial com ganho de atenuação (0.082) para converter o sinal para o formato single-ended e, ao mesmo tempo, eliminar o estouramento (clipping) do áudio.
    • Conector de Saída P2: O sinal já convertido é disponibilizado em um conector de áudio padrão P2 (3.5mm), permitindo a conexão universal com a maioria dos dispositivos de áudio.
    • Carga de Saída (Fone de Ouvido): O circuito foi projetado e validado para alimentar a carga de saída, especificamente um fone de 38.5 ohms (operando a 0.41 V), garantindo que o LM324 forneça o sinal com qualidade e sem perdas, mesmo considerando sua baixa capacidade de fornecer corrente para o fone.

Funcionamento do Sistema

1. Geração de Tons Aleatórios

• Frequências: Selecionadas aleatoriamente da lista FREQUENCIAS_AUDIOMETRIA (125 Hz a 8000 Hz).
• Volume: Amplitude aleatória (128 a 2048) para simular variações de intensidade sonora.
• Buzzer Ativo: Escolhido aleatoriamente (Buzzer 1 ou 2) a cada rodada.

2. Lógica de Resposta

• Tempo de Resposta: O usuário tem 1 segundo para pressionar o botão correto após o início do tom.
• Validação:
  • Acerto: Botão correto pressionado durante o tom → LED RGB vermelho + LED verde na matriz.
  • Erro:
    • Botão errado pressionado → LED RGB verde + LED vermelho na matriz.
    • Nenhum botão pressionado → LED RGB magenta + LED vermelho na matriz.

3. Matriz de LEDs (NeoPixel)

• Sequenciamento: Cada resposta acende um LED na posição atual (current_led_index), avançando até o 25º LED.
• Reinício: Ao chegar ao 25º LED, a matriz é apagada e o sequenciamento recomeça.
• Brilho: Configurado em nível reduzido (BRILHO = 10) para evitar saturação visual.

4. LED RGB

• Controle:
  • Verde: set_led_color(0, 1, 0) (resposta incorreta).
  • Vermelho: set_led_color(1, 0, 0) (resposta correta).
  • Magenta: set_led_color(0, 0, 1) (resposta fora do tempo).
  • Desligado: Após 1 segundo, independentemente do resultado.

5. Temporização e Aleatoriedade

• Intervalo entre Tons: 2 a 5 segundos (aleatório) para evitar padrões previsíveis.
• Duração do Tom: 1 segundo por padrão.

Fluxo de Operação

1. Inicialização:
   • LEDs RGB e matriz são desligados.
2. Loop Principal:
   • Aguarda um intervalo aleatório (2-5 segundos).
   • Seleciona buzzer, frequência e volume aleatoriamente.
   • Toca o tom no buzzer escolhido.
   • Monitora pressionamento do botão correspondente durante o tom.
   • Atualiza a matriz de LEDs e o LED RGB conforme a resposta.
   • Repete o processo indefinidamente.

Casos de Uso

• Teste Auditivo: Avaliação da capacidade do usuário de identificar tons em diferentes frequências e volumes.
• Treino de Discriminação Sonora: Prática para distinguir sons entre dois pontos (fones esquerdo/direito).
• Demonstração Visual: A matriz de LEDs serve como placar dinâmico para acompanhamento de progresso.

Notas Técnicas

• Microcontrolador: Raspberry Pi Pico (RP2040) com suporte a PIO para geração de clock dedicado.
• Clock de Alta Precisão:
  • Gerador de clock de 1.024MHz via PIO (GP16).
  • Configuração PLL para sincronismo com PCM5102.
• Conexões Principais:
  • Interface I2S para PCM5102:
    • BCK: GP18 (Bit Clock)
    • LRCK: GP19 (Word Select)
    • DIN: GP20 (Dados de Áudio)
  • Controles:
    • Botões: GP5 (Canal Esquerdo), GP6 (Canal Direito)
    • Matriz NeoPixel: GP7 (25 LEDs, brilho configurável)
    • LED RGB: GP11 (Azul), GP12 (Vermelho), GP13 (Verde)
• Parâmetros Customizáveis:
  • Audio:
    • Taxa de amostragem (16kHz padrão)
    • Buffer I2S (1024 bytes)
    • Faixas de frequência (125Hz-8kHz)
  • Visuais:
    • Brilho LEDs (0-255)
    • Padrões de matriz (histórico de 25 testes)
    • Cores de feedback RGB
  • Lógica:
    • Intervalos entre testes (2-5s)
    • Níveis de amplitude (128-2048)

A equação abaixo descreve o comportamento da saída $V_o$ do amplificador diferencial, em função da entrada inversora $V_-$ e a entrada não inversora $V_+$. Os resistores estão rotulados como no esquemático.

$$ V_{o}=-\frac{R_{2}}{R_{1}}V_{-}+\frac{R_{4}}{R_{3}+R_{4}}\cdot\frac{R_{1}+R_{2}}{R_{1}} \cdot V_{+} $$

Código de software do projeto disponível no arquivo .py dentro do diretório projetoReduzido. Esquemático da PCB e do circuito disponíveis no projeto kicad com a extensão .kicad_pro