Sử dụng công nghệ FPAA và PSoC trong thiết kế mạch thu thập và xử lý tín hiệu điện tim Bài báo sẽ trình bày về thiết kế thiết bị đo điện tim sử dụng công nghệ FPAA và PSoC. Nhờ vào khả năng tích hợp chức năng lớn của PSoC và khả năng xây dựng các bộ thu thập và tiền xử lý tín hiệu với các tham số có thể lập trình mềm được của FPAA mà ta có thể xây dựng được các thiết bị gọn nhẹ, thuận tiện trong sử dụng. Hơn thế nữa các thông số của các bộ lọc và khuếch đại trong FPAA có thể được điều chỉnh “nóng” trong thời gian thiết bị vẫn làm việc. Khả năng này cho phép ta có được các thiết bị mềm dẻo, có khả năng thích nghi lớn với các môi trường đo thay đổi
Trang 1Sử Dụng Công Nghệ FPAA và PSoC Trong Thiết Kế Mạch Thu Thập và
Xử Lý Tín Hiệu Điện Tim
Application of FPAA and PSoC Technologies in Implementing Devices for
Measuring and Processing ECG Signals
Trần Hoài Linh1, Nguyễn Bá Biền1, Phạm Văn Nam1
, Nguyễn Đức Thảo1,2
1Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, 2Trường Đại học Sao Đỏ
e-mail: linh-3i@mail.hut.edu.vn Tóm tắt
Bài báo sẽ trình bày về thiết kế thiết bị đo điện tim sử
dụng công nghệ FPAA và PSoC Nhờ vào khả năng
tích hợp chức năng lớn của PSoC và khả năng xây
dựng các bộ thu thập và tiền xử lý tín hiệu với các
tham số có thể lập trình mềm được của FPAA mà ta
có thể xây dựng được các thiết bị gọn nhẹ, thuận tiện
trong sử dụng Hơn thế nữa các thông số của các bộ
lọc và khuếch đại trong FPAA có thể được điều chỉnh
“nóng” trong thời gian thiết bị vẫn làm việc Khả
năng này cho phép ta có được các thiết bị mềm dẻo,
có khả năng thích nghi lớn với các môi trường đo thay
đổi
Abstract
This paper will present about the design of a compact
ECG measuring device by using the FPAA and PSoC
IC Thanks to the high degree of functional blocks
integration we can create measure devices with very
compact size and easy to use A very strong
advantage of FPAA is the fact that the parameters of
the filters and the amplifiers implemented in FPAA
can be changed “in fly” during the working process of
the circuit This capability allows us to create
adaptive, flexible devices for different working
conditions and environments
1 Đặt vấn đề
Trong cuộc sống hiện tại, nhu cầu kiểm tra sức khỏe
định kỳ của mỗi người ngày càng được nâng cao Các
thiết bị hiện nay có xu hướng ngày càng nhỏ gọn,
thông minh và đa chức năng Việc thiết kế các thiết bị
mới luôn có được động lực từ sự phát triển của công
nghệ điện tử Trước đây một thiết bị đo điện tim đòi
hỏi phải có mạch thu thập, cơ cấu hiển thị, lưu trữ
rất cồng kềnh Với sự phát triển của ngành chế tạo
linh kiện điện tử thì ngày nay chúng ta đã có được
những vi mạch tích hợp đa năng có khả năng tái cấu
hình mạnh mẽ Ta có thể tích hợp nhiều chức năng
hiện đại vào thiết bị mà không yêu cầu nhiều về kích
thước phần cứng
Hiện nay trên thị trường đã có một số thiết bị đo
điện tim của một số hãng như trên hình 1 Hình 1a là
Portable ECG EKG Handheld HCG-801 Monitor của
Omron có khả năng đo nhịp đập và hiển thị hình dạng
tín hiệu điện tim trên LCD, có kết nối máy tính, có thẻ
nhớ SD với khả năng lưu trữ 300 lần đo (thời gian
mỗi lần đo là 30s) với giá thành là 310 USD Hình 1b
là ECG Monitor Handheld của ReadMyHeart với khả năng xác định nhịp đập, phát hiện được khoảng ST và QRS, có thể kết nối máy tính để lưu trữ và phân tích
dữ liệu trên máy tính và giá thành khoảng 250USD Trên hình 1c là Portable CardioCare ECG với giá thành khoảng 330USD, đo được một đường chuyển đạo chính LA – RA, có khả năng xác định nhịp đập, phát hiện được khoảng ST và QRS, có thẻ nhớ lưu lại nhiều lần đo (30s/1 lần) Hình 1d là Portable Handheld Real Time ECG Monitor InstantCheck có khả năng đo một đường chuyển đạo chính LA – RA
và xác định nhịp đập, phát hiện được khoảng ST và QRS, có thẻ nhớ lưu lại 100 lần đo (30s/1 lần), có thể kết nối máy tính để truyền dữ liệu lên máy tính và có phần mềm phân tích và lưu trữ dữ liệu đo trên máy tính Giá thành của thiết bị trên hình 1d khoảng 450 USD
H 1 Một số thiết bị đo điện tim trên thị trường hiện nay
Tuy nhiên các thiết bị này được cung cấp dưới dạng giải pháp “đóng”, người dùng không có khả năng mở rộng hoặc điều chỉnh các chức năng của thiết
bị một cách linh hoạt Mục tiêu của nghiên cứu trong bài báo này là ứng dụng công nghệ vi điện tử mới để thiết kế ra một thiết bị đo điện tim nhỏ gọn, thuận tiện nhưng vẫn có đầy đủ các chức năng với giá thành cạnh tranh và cho phép làm chủ được các công nghệ thiết kế, từ đó có thể mở rộng các chức năng tùy theo nhu cầu thực tế của người sử dụng
Trang 2Hai IC chính được sử dụng trong thiết kế mạch đo
điện tim là PSoC (Programmable System on Chip) và
FPAA (Field-Programmable Analog Array)
PSoC là tên gọi của một họ vi xử lý chứa sẵn
nhiều các mạch tín hiệu tích hợp cả phần điều khiển
trên bo mạch Việc tích hợp sẵn những chức năng này
cho phép chúng ta chỉ sử dụng một chíp PSoC là có
thể xây dựng được mạch chức năng mà trước đây ta
phải sử dụng rất nhiều chíp cùng một lúc Ví dụ như
trong chíp PSoC có tích hợp rất nhiều bộ ADC với
nhiều thông số hoạt động và độ chính xác khác nhau
để tiện cho người sử dụng lựa chọn, hay là các mạch
khuếch đại đo lường IOAMP (Instrumentaion
Operational Amplifier) hay các khối chức năng truyền
thông như I2C hay UART, Bên cạnh đó các chíp
PSoC còn được trang bị bộ nhớ Flash, bộ nhớ dạng
SRAM và nhiều cổng vào ra đa dụng – khả trình để
có thể đơn giản hóa tối qua quá trình thiết kế và xây
dựng mạch vi xử lý tín hiệu Quan điểm xây dựng hệ
thống trên chíp PSoC có thể được tóm tắt như sau:
“Chíp đã có chứa sẵn nhiều mạch chức năng (cả tín
hiệu tương tự, cả tín hiệu số) và các khả năng ghép
nối hết sức linh hoạt giữa các khối chức năng đó
Nhiệm vụ của người thiết kế là lựa chọn những khối
chức năng phù hợp với bài toán của mình và tiến
hành lập trình kết nối giữa những khối chức năng đó
Việc lập trình kết nối này được thực hiện bằng phần
mềm và mạch nạp đi cùng với chíp PSoC nên xác suất
thành công và độ chính xác có thể nói là đạt tới
100%.”
Tương tự như vậy, trong lĩnh vực thiết kế điện tử
tương tự, người ta cũng cố gắng tìm ra các thực thể có
tính năng tương đương với PSoC nhằm giúp cho quá
trình thiết kế và chế tạo thiết bị analog trở nên đơn
giản hơn, đồng thời làm tăng tính linh hoạt và mềm
dẻo của thiết bị Những cố gắng đó của các nhà chế
tạo vi mạch đã tạo ra một dòng sản phẩm FPAA, tức
là IC chứa sẵn mạng lưới các khối mạch điện tử tương
tự để người sử dụng có thể tự lựa chọn và lập trình
ghép nối chúng vào mạch đang thiết kế
Việc sử dụng các IC dòng PSoC và FPAA cho
phép người thiết kế:
Chế tạo các thiết bị gọn nhẹ do các IC đều được
tích hợp rất nhiều khối chức năng tương tự và
chức năng số nên ít cần tới các khối chức năng
ngoại vi,
Các đặc tính trên cũng cho phép mạch hoạt động
tiết kiệm năng lượng do ít bị tổn thất trên các IC
ngoài cũng như trên các phần tử điện trở trong
các khối analog ngoài,
Đơn giản hóa được quá trình thiết kế do các
thông số của các mạch chức năng như: các tần số
cơ bản của các mạch lọc, các hệ số khuếch đại,
tần số lấy mẫu, tốc độ truyền thông, đều có thể
được điều chỉnh “mềm” ngay cả khi IC đang hoạt
động nên rất thuận tiện và chính xác
2 Phân Tích Chức Năng Của Thiết Bị
Thiết bị được nghiên cứu và thiết kế trong bài báo
này là thiết bị đo tín hiệu điện tim Với mục đích xây
dựng thiết bị đo dùng đo cá nhân, mang theo người thuận tiện, thiết bị được nghiên cứu trong bài báo này được thiết kế với một số yêu cầu và chức năng như sau:
Đo một đường chuyển đạo chính của tín hiệu điện tim
Thiết bị cầm tay, gọn nhẹ, sẽ mang theo người,
sử dụng pin sạc, giá thành cạnh tranh
Hiển thị các thông số đo được, vẽ lại đồ thị tín hiệu điện tim trên màn hình thiết bị
Lưu trữ dữ liệu đo vào bộ nhớ thiết bị
Có khả năng kết nối trao đổi dữ liệu với máy tính
Sơ đồ tổng thể các khối chức năng cơ bản của thiết
bị được trình bày trên hình 2
H 2 Sơ đồ khối của thiết bị
Trong sơ đồ thiết bị chức năng cụ thể từng khối là:
Mạch thu thập-chuyển đổi-chuẩn hóa: bao gồm
điện cực và mạch đo với các khối lọc thông thấp, thông cao, lọc chắn dải Mạch thu thập còn có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu điện tim ở mức mV lên một dải phù hợp để xử lý Các chức năng này đều có thể được thực hiện bởi IC FPAA
Vi xử lý trung tâm: Cũng do yêu cầu về tính nhỏ
gọn, đa chức năng mà lựa chọn khối xử lý trung tâm là PSoC Khả năng sử dụng các khối Analog
và Digital có khả năng tái cấu hình trong tài nguyên của PSoC sẽ giúp giảm bớt gánh nặng phần cứng phía bên ngoài vi xử lý PSoC có thư viện hỗ trợ hầu hết các khối chức năng quan trọng như ADC, giao tiếp SPI, giao tiếp UART, LCD
Màn hình: Lựa chọn hiển thị phù hợp trong
trường hợp thiết bị đo độc lập, có khả năng quan sát hình dạng tín hiệu điện tim sẽ là màn hình LCD đồ họa
Phím bấm: Được lựa chọn là phím bấm cảm ứng
để được tận dụng không gian trên bề mặt của LCD để gắn tấm cảm ứng Do đó khi sử dụng thiết bị thì giao tiếp sẽ dễ dàng hơn, đồng thời không làm tăng kích thước của thiết bị
Lưu trữ: Thiết bị có khả năng lưu trữ dữ liệu đo
được cũng như thời gian đo vào trong thẻ nhớ SD/MMC Card Thông tin này sẽ dễ dàng được đồng bộ với cơ sở dữ liệu trên máy tính nếu thiết
bị được bổ sung chức năng giao tiếp với máy tính
Giao tiếp với máy tính: Thiết bị có khả năng kết
nối với máy tính thông qua chuẩn RS232
Nguồn: Thiết bị được cung cấp nguồn từ pin
Trang 33 Lựa chọn linh kiện, thiết bị và thiết kế
phần cứng
3.1 Mạch thu thập tín hiệu điện tim
H 3 Tín hiệu điện tim cơ bản với mức tín hiệu cần thu
thập cỡ mV
a) Các khối lọc và tiền khuếch đại:
Tín hiệu điện tim có hình dạng cơ bản như trên
hình 3 Tín hiệu có giá trị biên độ đỉnh thuộc về sóng
R ở mức 1,2 đến 2,5mV Để đưa tín hiệu đầu ra về dải
0 ,5V V thiết kế phải có hệ số khuếch đại vào khoảng
2000 lần Ngoài ra tín hiệu điện tim còn chứa một số
nhiễu nên cần phải có các bộ lọc thích hợp Ta sẽ
khuếch đại tín hiệu kết hợp trong từng khối lọc và sử
dụng thêm khối khuếch đại phụ nếu cần thiết Dòng
chip lựa chọn trong thiết kế là AN221E04 (hình 5a)
của hãng Anadigm do IC AN221E04 có những tài
nguyên phù hợp với việc thiết kế bộ lọc cho tín hiệu
điện tim
H 4 Sơ đồ mạch thu thập tín hiệu điện tim sử dụng
FPAA
Tất cả các thiết kế sau đây cho FPAA đều được
thực hiện rất thuận tiện trên phần mềm Anadigm
Designer tích hợp đi kèm theo IC Người thiết kế chỉ
cần thực hiện các công việc sau:
Lựa chọn chủng loại chip FPAA dựa trên tính
chất của ứng dụng
Chọn từ thư viện CAM các khâu chức năng
analog đã được lập sẵn, ví dụ như các mạch
khuếch đại, chỉnh lưu tích cực, lọc tích cực bậc cao Người thiết kế chỉ cần xác định tham số cho các khối được chọn Ví dụ giao diện dùng để thiết
kế khối lọc và khuếch đại được thể hiện trên hình
6
Cấu hình sau khi thiết kế sẽ được xuất ra một file
mã hex và ghi xuống bộ nhớ của vi xử lý (hoặc hệ
số nói chung) để nạp cho FPAA mỗi khi khởi động Sơ đồ ghép nối cho trường hợp sử dụng vi
xử lý ngoài nạp cấu hình cho FPAA được giới thiệu trên hình 6
(a)
(b)
H 5 IC AN121E04 và AN221E04 (a) cùng sơ đồ bố trí chân của AN221E04 (b)
H 6 Sơ đồ nguyên lý ghép nối FPAA với vi xử lý để nạp cấu hình cho FPAA khi khởi động
Cụ thể các khâu cần thiết kế như sau:
Thiết kế khâu lọc thông thấp: Trong thư viện
CAM của Anadigm Designer có khối CAM DC
Blocking High Pass Filter with Optional LPF Sử
dụng khối CAM này ta có thể lựa chọn được tần
số cắt của bộ lọc thông thấp theo tần số hoặc theo
Trang 4giá trị tụ điện mắc nối tiếp tại đầu vào Do yêu
cầu của tín hiệu điện tim là thu thập toàn bộ phần
tín hiệu có dải tần nằm trong khoảng 0,05Hz đến
150Hz Ta thiết lập tần số cắt cho tín hiệu ở
0,05Hz Với tần số lấy mẫu tín hiệu của FPAA là
16kHz thì giá trị tụ điện mắc phía ngoài là 740nF
Ta chọn tụ điện loại C105 (1000nF) khi đó tần số
cắt của tín hiệu là 0,037Hz, đạt yêu cầu sử dụng
Thiết kế khâu lọc thông cao: ta sử dụng khối
CAM Biquadratic Filter Sử dụng Biquadratic
Filter làm khâu lọc thông thấp với tần số lấy mẫu
tín hiệu là 16kHz (bằng với tần số lấy mẫu của
khâu lọc thông cao), tần số cắt của khâu lọc cho
phép đặt trong dải từ 0,032kHz đến 1,6kHz Bằng
cách thay đổi Quality Factor sẽ làm cho giới hạn
về tần số cắt và hệ số khuếch đại của khâu lọc
thay đổi Với yêu cầu về tần số cắt của khâu lọc
thông cao cho tín hiệu điện tim là 150Hz ta đặt
Quality Factor là 5
Thiết kế khâu lọc chặn dải: Với những thiết bị
điện tim mini sử dụng nguồn một chiều thì sẽ ít bị
ảnh hưởng bởi nhiễu do nguồn điện xoay chiều
tạo ra Tuy nhiên nếu thiết bị sử dụng với nguồn
cắm trực tiếp vào điện lưới hoặc các dây điện cực
cách ly kém thì cần thiết kế bộ lọc có khâu lọc
chặn dải cho tần số điện lưới Bộ lọc chặn dải
được lựa chọn là bộ lọc Chebyshev Công cụ
Anadigm Filter sẽ tính toán chất lượng của khâu
lọc và lượng tài nguyên của chip được sử dụng
cho khâu lọc đó Trên cơ sở tài nguyên của
IC221E04 ta lựa chọn được các thông số sau:
Pass Band Ripple = 3dB,
Stop Band Attend = 30dB,
Center Frequency = 50Hz,
Stop Band Width = 2Hz
Tần số lấy mẫu của bộ lọc = 8kHz
H 7 Sơ đồ thiết kế của mạch lọc và khuếch đại trên
FPAA
b) Tính toán hệ số khuếch đại cho mạch
Với nhu cầu cần khuếch đại các tín hiệu với hệ số
khuếch đại là khoảng 2000, để thực hiện được hệ số
này trên FPAA AN221E04 ta lựa chọn phương pháp
mắc nối tiếp một số khâu
Sử dụng một bộ khuếch đại bên trong khối IO như trên hình 7 Và thiết lập hệ số khuếch đại G1 16
Đặt hệ số khuếch đại trong khâu lọc thông cao là
G , hệ số khuếch đại trong khâu lọc thông thấp là
G Như vậy hệ số khuếch đại của toàn bộ các khâu sẽ là:
1 2 3 16 8 16 2048
Cấu hình của FPAA cần được nạp cho IC mỗi khi
ta khởi động hệ thống Cấu hình này có thể được nạp
từ 1 bộ nhớ ngoài (nếu mạch không có vi xử lý khác) hoặc được truyền từ một vi xử lý trung tâm xuống FPAA theo chuẩn ghép nối SPI Trong thiết kế này thì
vi xử lý trung tâm PSoC sẽ nhận nhiệm vụ nạp cấu hình cho FPAA
Trên hình 8 là kết quả kiểm tra chất lượng hoạt động của mạch lọc được thiết kế trong FPAA Có thể nhận thấy cho tín hiệu điện tim bị nhiễu các bộ lọc đã hoạt động tốt
H 8 Kết quả chạy thử nghiệm các mạch lọc nhiễu cho tín hiệu ECG trên Anadigm Designer: tín hiệu gốc (trên) và tín hiệu sau khi lọc với các bộ lọc đã thiết
kế (dưới)
3.2 Khối vi xử lý
Khối vi xử lý trung tâm của thiết bị được lựa chọn là PSoC (CY8C29566) có tới 16 khối Digital và 12 khối Analog có khả năng cấu hình để trở thành các khối chức năng phù hợp với yêu cầu của thiết kế Các khối chức năng được hỗ trợ đầy đủ bởi phần mềm PSoC Designer 5 của hãng CYPRESS CY8C29566 có 48
Trang 5chân trong khi đó có tới 44 chân I/O như trên hình 9
Mỗi chân IO này có khả năng kết nối tới một trong rất
nhiều các khối số và tương tự bên trong lõi PSoC
Đặc điểm này giúp ích rất nhiều khi quy hoạch chân
để thiết kế mạch in PSoC có bộ dao động nội tới
48MHz và có bộ chia tần số bên trong giúp cho các
khối chức năng bên trong PSoC có nhiều lựa chọn về
tần số hoạt động
H 9 Hình ảnh bên ngoài của PSoC CY8C29566
Tổng số chân I/O sẽ sử dụng cho các thiết bị ngoại
vi trong thiết kế này là 35 Như vậy còn dư ra 9 chân
I/O chưa sử dụng nên có thể để làm dự phòng trong
trường hợp cần kết nối với một vài phần cứng khác
Để thử nghiệm và test các chức năng của vi xử lý
CY8C29566 ta có thể sử dụng kit như trên hình 10 do
Cypress cung cấp Cũng tương tự như FPAA, các vi
xử lý dòng PSoC được thiết kế trước về cấu trúc ghép
nối và cấu hình các khối chức năng trên phần mềm
thiết kế (đi kèm theo từng dòng IC), sau đó file cấu
hình được nạp xuống vi xử lý để có được một vi xử lý
với các chức năng cho trước mà không cần phải thay
đổi cấu hình phần cứng của mạch IC
H 10 Mạch kit thử nghiệm cho PSoC CY8C29566
3.3 Khối hiển thị giao diện
Để hiển thị giao diện điều khiển của thiết bị cũng như
có khả năng đưa thông tin về tín hiệu điện tim đo
được tới người quan sát thì phần giao diện sẽ sử dụng
màn hình Graphic LCD để có khả năng tái tạo trực
quan hơn hình ảnh của tín hiệu điện tim
Màn hình lựa chọn là GLCD 128X64 KS0108, có
độ phân giải là 128 điểm ảnh chiều ngang và 64 điểm
ảnh chiều dọc, hoạt động theo chuẩn song song Để
giao tiếp với màn hình GLCD này cần phải có tổng
cộng 14 chân I/O Hình 11 minh họa màn hình thực tế
đã lựa chọn
H 11 Màn hình graphic KS0108
3.4 Phím giao diện
Giao diện đầu vào qua các phím bấm là một trong những giao diện cơ bản của các thiết bị Để giảm kích thước và trọng lượng của thiết bị, trong thiết kế ta sẽ
sử dụng màng cảm ứng điện trở để nhận phím bấm của người sử dụng Màng này có thể được tận dụng đặt lên không gian phía trên của màn hình LCD Màng cảm ứng thực chất là hai màng điện trở được đặt sát vào nhau Khi có tác động nhấn tại một điểm thì hai màng điện trở này dính với nhau và tạo thành một hình sao điện trở Hình dạng bên ngoài của màng được minh họa trên hình 12
H 12 Màn hình cảm ứng điện trở dạng màng trong suốt
và các chân giao diện
Đo được các giá trị điện trở này ta sẽ suy ra được tọa độ điểm nhấn và chuyển nó thành mã phím Để làm việc với touchpad yêu cầu phải có hai đầu vào ADC và hai chân GPIO
3.5 Khối lưu trữ
Đối với các thiết bị đo thì nhu cầu lưu trữ dữ liệu đo được là rất quan trọng Ở các thiết bị đo điện tim cổ điển thì việc lưu trữ dữ liệu được thể hiện qua cơ cấu ghi và cuộn giấy Tuy nhiên với sự phát triển của ngành điện tử như hiện nay thì việc lưu trữ dữ liệu cần được thực hiện dưới dạng số hóa Ta lựa chọn dạng thẻ nhớ SD cho thiết bị Thẻ SD có khả năng lưu trữ tới 2GB dữ liệu đo Do PSoC hỗ trợ chuẩn giao tiếp với thẻ nhớ SD nên vấn đề này thực hiện khá là dễ dàng Dữ liệu lưu vào trong thẻ nhớ dưới dạng FAT32 cho nên hoàn toàn có thể truy xuất bằng các thiết bị khác hỗ trợ chuẩn FAT32 Chức năng chống ghi
(Write Protect) và phát hiện ra thẻ (Card Detect) được
PSoC CY8C29566 hỗ trợ một cách đầy đủ
Giao diện ghép nối thẻ nhớ vào mạch vi xử lý được giới thiệu trên hình 13
Trang 6H 13 Giao diện của thẻ SD và mạch ghép nối giao tiếp
thẻ SD với PSoC
3.6 Truyền thông máy tính
PSoC hỗ trợ sẵn rất nhiều các khối chức năng thông
dụng như UART, SPI, I2C Do đó sử dụng trực tiếp
các hàm API về truyền thông là sự lựa chọn hợp lý
Chức năng UART (RS232) yêu cầu hai khối số để
làm việc Chuẩn kết nối với máy tính được sử dụng
trong trường hợp này là RS232 Vì mức tín hiệu từ
PSoC là CMOS cho nên để giao tiếp với máy tính ta
phải thông qua IC MAX232 để chuyển đổi mức
CMOS sang RS232 Trên hình 14 là sơ đồ nguyên lý
ghép nối bên ngoài (14.a) giữa IC chuyển đổi mức
MAX232 và PSoC và các lựa chọn cấu hình mềm bên
trong PSoC được thực hiện trên phần mềm Cypress
PSoC Designer để cài đặt chức năng cho các chân I/O
(hình 14.b)
(a)
(b)
H 14 Ghép nối PSoC với IC truyền thông MAX232 (a) và
cấu hình bên trong của PSoC cho khối UART và hai
chân TX, RX (b)
3.7 Khối nguồn
Do mục đích thiết kế đặt ra là một thiết bị di động nên
ta sử dụng nguồn chính là các loại pin sạc nhiều lần
Một trong những loại pin có sẵn trên thị trường là BL-6C của hãng NOKIA Pin BL-BL-6C có điện áp làm việc
là 3.6÷3.75V và dung lượng là 1150mAh Mạch có các IC hoạt động với 2 mức điện áp là +5V và -5V
Để chuyển đổi điện áp từ 3,7VDC sang +/-5VDC có thể dùng IC ADP3607-5 (cho điện áp +5V) và IC ADP3605 (cho điện áp -5V) với dòng cung cấp tối đa của ADP3605 là 120mA còn của ADP3607-5 là 50mA, nếu cần dòng lớn hơn ta có thể dùng IC ADP3000-5 (tới 400mA) với sơ đồ nguyên lý được cho trên hình 15
H 15 Sơ đồ nguyên lý ghép nối IC nguồn với pin 3,7V
4 Kết quả triển khai
Các thiết kế trên đây đã được thử nghiệm hoàn chỉnh trên các phần mềm mô phỏng, các sơ đồ nguyên lý và thiết kế mạch cứng đã được hòan thiện Thiết bị nhỏ gọn, được đóng trong vỏ có kích thước
10,5cm 10,5cm 2cm(Để tạm thời giảm chi phí sản xuất, vỏ của sản phẩm được chọn từ các mẫu vỏ đã có sẵn trên thị trường, Nếu có nhu cầu thì kích thước của sản phẩm có thể tiếp tục thiết kế thu nhỏ được nữa) Hình ảnh thiết bị đã được thiết kế được giới thiệu trên hình 16
(a)
(b)
Trang 7(c)
H 16 Sản phẩm được đã chế tạo: (a) – Mạch in đã lắp
các linh kiện chính, (b) – Mạch đã lắp màn hình và
các dây điện cực, (c) – Mạch in sau khi đóng vỏ
Giá thành hiện tại của việc chế tạo thiết bị vào
khoảng 80USD Nếu sản xuất hàng loạt thì giá thành
có thể được bước đầu giảm xuống khoảng 55USD
Các chức năng đo, khuếch đại, hiển thị, lưu trữ và
truyền thông đã hoạt động tốt, đạt được các thông số
kỹ thuật theo như thiết kế
Thiết bị đang được lên kế hoạch thử nghiệm thực
tế với sự đánh giá kiểm định của các bác sỹ chuyên
ngành về mặt chất lượng hoạt động đo tín hiệu ECG
5 Kết luận và Hướng phát triển
Bài báo đã trình bày về một thiết kế mạch đo sử dụng
IC FPAA và PSoC Nhờ vào khả năng tích hợp chức
năng lớn của các IC mà thiết bị khá nhỏ gọn Đồng
thời các thông số của mạch có thể được điều chỉnh dễ
dàng mà không cần can thiệp lại tới phần cứng Cần
nhấn mạnh rằng với thiết kế hiện tại thì các IC FPAA
và PSoC vẫn chưa phải sử dụng hết tài nguyên, vì vậy
nếu có nhu cầu thì thiết bị vẫn có thể tiếp tục được bổ
sung chức năng mà không cần thiết phải tăng kích
thước bên ngoài cũng như thay đổi lại đáng kể thiết kế
mạch
Dự kiến có thể bổ sung các chức năng khác cho
thiết bị như: kết nối không dây với máy tính theo
chuẩn Wifi hoặc Bluetooth, kết nối mạng theo chuẩn
Ethernet,… Thiết bị có thể được dễ dàng ghép thêm
các khối tính toán chuyên dụng (như DSP, FPGA) để
bổ sung chức năng tự động phân tích và nhận dạng tín
hiệu ECG của bệnh nhân phục vụ cho cảnh báo
sớm,
Lời cảm ơn
Công trình được thực hiện trong khuôn khổ đề tài mã
số 102.02-2010.05 của Quỹ NAFOSTED
Tài liệu tham khảo
[1] J Adamec, R Adamec, ECG Holter: Guide to
Electrocardiographic Interpretation, Springer,
2008
[2] A Bayés de Luna, Basic Electrocardiography:
Normal and Abnormal ECG Patterns,
Wiley-Blackwell, 2007
[3] Cypress Library, www.cypress.com/
[4] Datasheet các linh kiện sử dụng trong thiết kế,
www.datasheetarchive.com
[5] J R Hampton, 150 ECG Problems, Churchill
Livingstone, 2003
[6] J R Hampton, The ECG Made Easy, Churchill
Livingstone, 2003
[7] A.C Metting van Rijn, A Peper, C A
Grimbergen, The Isolation Mode Rejection
Ratio in Bioelectric Amplifiers,
www.biosemi.com/publications/artikel5.htm
[8] Lê Hải Sâm, Điện Tử Tương Tự Với Công Nghệ
FPAA, Nhà xuất bản KHKT, 2005
www.stm32circle.com/projects/project.php?id=31
Trần Hoài Linh sinh năm 1974, tốt nghiệp
ĐHBK Vác-sa-va năm 1997 chuyên ngành Tin học ứng dụng, nhận bằng Tiến sỹ chuyên ngành
Kỹ thuật điện năm 2000 (ĐHBK Vác-sa-va), bằng Tiến sỹ khoa học chuyên ngành Kỹ thuật điện và Trí tuệ nhân tạo năm 2005 (ĐHBK Vác-sa-va) Năm 2007 được phong hàm Phó Giáo sư Hiện nay Trần Hoài Linh đang công tác tại Viện Điện, trường ĐHBK Hà Nội Các nghiên cứu chính của ông là ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong các giải pháp đo lường, điều khiển và tự động hóa, các thiết bị đo thông minh, hệ chuyên gia.
Phạm Văn Nam sinh năm 1981, tốt nghiệp
ĐHBK Hà Nội năm 2006 chuyên ngành Kỹ thuật
đo và Tin học công nghiệp, nhận bằng Thạc sỹ chuyên ngành Đo lường và các hệ thống điều khiển năm 2008 (ĐHBK Hà Nội)
Hiện nay Phạm Văn Nam đang công tác tại Công ty TNHH Tin học & Điện tử Thăng Long Các nghiên cứu chính của ông là ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong các giải pháp đo lường, điều khiển và tự động hóa, các thiết bị đo thông minh.
Nguyễn Bá Biền sinh năm 1986, tốt nghiệp
ĐHBK Hà Nội năm 2010 chuyên ngành Kỹ thuật
đo và Tin học công nghiệp (ĐHBK Hà Nội), và đang là học viên cao học chuyên ngành Đo lường
và các hệ thống điều khiển (ĐHBK Hà Nội) Hiện nay Nguyễn Bá Biền đang công tác tại Công ty TNHH Sáng tạo & Phát triển Tự động hóa Chuyên môn nghiên cứu chính là thiết kế và tích hợp các hệ thống nhúng cho các thiết bị đo lường - điều khiển, các hệ thống thu thập
dữ liệu đo lường qua mạng không dây, các thiết bị thông minh trong tòa nhà.
Nguyễn Đức Thảo sinh năm 1981, tốt nghiệp
ĐHBK Hà nội năm 2004 chuyên ngành Điện tử viễn thông, nhận bằng Thạc sỹ chuyên ngành Đo lường và các hệ thống điều khiển năm 2009 Hiện nay Nguyễn Đức Thảo đang công tác tại Khoa Điện tử - Tin học, Trường Đại học Sao Đỏ Các nghiên cứu chính của ông là ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong các giải pháp đo lường, điều khiển và tự động hóa.
