Design of integrated diagnostic equipment for tele home healthcare

TÓM TẮT THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHẨN ĐOÁN TÍCH HỢP PHỤC VỤ CHĂM SÓC SỨC KHỎE TỪ XA TELE-HOME HEALTHCARE Huỳnh Quang Linh Khoa Khoa học Ứng dụng, trường Đại học Bách khoa – ĐHQG HCM MSĐT: B20

II NHỮNG NHIỆM VỤ ĐƯỢC ĐẶT RA VÀ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦA ĐỀ TÀI 7

A MINH CHỨNG ẤN PHẨM KHOA HỌC

B MINH CHỨNG KẾT QUẢ ĐÀO TẠO

C PHỤ LỤC QUẢN LÝ

TÓM TẮT

THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHẨN ĐOÁN TÍCH HỢP PHỤC VỤ CHĂM SÓC SỨC KHỎE TỪ XA

(TELE-HOME HEALTHCARE) Huỳnh Quang Linh Khoa Khoa học Ứng dụng, trường Đại học Bách khoa – ĐHQG HCM

MSĐT: B2012-20-16

Dịch vụ chăm sóc sức khoẻ từ xa thực sự có nhu cầu bức thiết và kết hợp nhiều lĩnh vực công nghệ

để có thể thực hiện được: kỹ thuật thiết bị y sinh – các thiết bị chẩn đoán hỗ trợ có khả năng thu nhận và truyền tín hiệu đi xa, công nghệ viễn thông – giao diện giao tiếp và hệ thống mạng để thực hiện giao tiếp từ xa, công nghệ thông tin – các phần mềm giao tiếp, chẩn đoán tự động vv… và y khoa - kiến thức chẩn đoán sức khoẻ và điều trị bệnh

Trong phạm vi đề tài này, mục tiêu đề tài là thiết kế và chế tạo hệ thiết bị tích hợp bao gồm:

- Thiết bị chẩn đoán thông dụng có khả năng thu nhận và truyền tín hiệu đi xa ;

- Hệ thống giao tiếp trao đổi bác sĩ - bệnh nhân thông qua máy tính, mạng Internet, điện thoại di động ;

- Phần mềm hỗ trợ chẩn đoán ban đầu, phần mềm quản lý bệnh án từ xa

Kết quả thực hiện được bao gồm:

a) Thiết bị chẩn đoán tích hợp bao gồm 02 modules: điện tim và SpO2,ngoại trừ việc cung cấp các thông số sinh học như nhịp tim, nồng độ oxy trong máu còn cho dạng tín hiệu biến thiên theo thời gian thực hỗ trợ các bác sĩ chẩn đoán những bất thường có thể có

b) Các chương trình chẩn đoán điện tim trên Android, hệ chuyên gia chẩn đoán là những thử nghiệm để bổ sung cho hệ thống trên

Tuy nhiên do không tìm được địa chỉ ứng dụng để thử nghiệm, phần hệ thống giao tiếp bác sĩ – bệnh nhân và các phần mềm cụ thể chưa được hoàn chỉnh, sẽ cố gắng phát triển sắp tới trong điều kiện thích hợp

ABSTRACT

DESIGN OF INTEGRATED DIAGNOSTIC EQUIPMENT FOR TELE-HOME HEALTHCARE

Huynh Quang Linh Faculty of Applied Science, University of Technology – VNU HCM

Tele-home healthcare service has actually an urgent need due to the combination of multiple technology areas such as biomedical instrumentation – diagnostic devices capable of wireless detection and transmission of biosignals, telecommunication technology – interface and network capable of remote communication, information technology – doctor-patient interface and diagnostic supporting softwares, medicine – knowledge of medical diagnosis anf treatment

Within the scope of the project, the main goal is to design and manufacture an integrated system including:

- Common integrated diagnostic equipment capable of wireless detection and transmission of biosignals;

- Doctor - patient communication interface using computers, internet and mobile phones;

- Supporting diagnostic and medical management softwares

a) Diagnostic Equipment includes 02 integrated modules: ECG and SpO2, except for the provision

of biological parameters such as heart rate, blood oxygen levels also for signal shape varies with time real support doctors diagnose abnormalities may have

b) The ECG diagnostic programs on Android, diagnostic expert systems are tested to complement the system

However, due to not finding the address to the test application, the communication system doctor - patient and the particular software is not complete, will try next development in appropriate conditions

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 29i: Đáp ứng của Opamp với một xung dòng điện photodiode 37

LỜI CẢM ƠN

Nhóm nghiên cứu chân thành cảm ơn:

- KS Trần Anh Huy

- ThS Nguyễn Anh Tú

- ThS Nguyễn Tuấn Anh

- Phòng Thí nghiệm Trọng điểm DCSELAB

Đã có những đóng góp hỗ trợ về chuyên môn để hoàn thành hướng nghiên cứu này Đặc biệt chân thành cảm ơn phòng Khoa học Công nghệ - Dự án trường Đại học Bách khoa – ĐHQG TP.HCM đã chân tình nhắc nhở và hỗ trợ thủ tục trong những thời điểm khó khăn

để tôi có thể hoàn thành đề tài

I TỔNG QUAN

Tele-home Healthcare được dùng nhằm mô tả cung cấp dịch vụ chăm sóc sức khỏe cho các bệnh nhân ở nhà từ xa thông qua việc sử dụng công nghệ thông tin Dịch vụ chăm sóc sức khỏe ở đây có thể bao gồm cả chẩn đoán và điều trị, cung cấp thuốc men, tư vấn, dự phòng và phục hồi, bảo hiểm y tế, vv…

Ở Việt nam hiện nay, nhu cầu về khám chữa bệnh luôn là vần đề thời sự nhức nhối đối với ngành y tế Hiện tượng quá tải các cơ sở khám chữa bệnh và chất lượng dịch vụ y tế kèm theo luôn là hiện tượng trầm kha chưa thể giải quyết trong thời gian gần Một số dịch

vụ như bác sĩ gia đình được triển khai nhằm đưa dịch vụ y tế đến tận nhà, giải quyết một phần sự quá tải của các dịch vụ công, nhưng phương thức chưa thật sự hiệu quả

Ý tưởng chính của đề tài là hình thành một hệ thống chăm sóc sức khoẻ từ xa, trong đó bác sĩ và bệnh nhân có thể giao tiếp từ xa thông qua phương tiện thông tin như mạng Internet, điện thoại di động vv… mà vẫn đạt được hiệu quả nhờ vào các thiết bị chẩn đoán thông dụng mà bệnh nhân có thể tự vận hành Bên cạnh đó hệ thống cũng hỗ trợ bệnh nhân

tự thăm dò trước những khả năng triệu chứng bệnh của mình để định hướng việc xác định

sẽ thăm khám điều trị ở đâu, cũng như có thể tư vấn cho bệnh nhân trong quá trình điều trị Nếu làm được như vậy, hệ thống dịch vụ trên sẽ giúp đỡ đáng kể một mặt cho việc giảm tải các dịch vụ thăm khám công, một mặt sẽ cho phép bệnh nhân chọn lựa dịch vụ chất lượng

và đỡ mất thời gian, đồng thời nâng cao khả năng đưa dịch vụ thăm khám đến tận nhà theo đúng nghĩa của nó

Hiện tại, Bộ Y Tế cũng đang chủ trì một đề tài cấp Bộ nhằm nghiên cứu mô hình E Health có thể áp dụng tại Việt Nam Đề tài này chủ yếu tập trung về tổng quan về mô hình

E Health của một số nước và đề xuất mô hình phù hợp cho Việt Nam Khi Bộ Y Tế hoàn thành đề án này, thì nhu cầu xây dựng một hệ thống quản lý (bao gồm cả phần cứng và phần mềm) nhằm giúp các bác sĩ và y tá theo dõi tình trạng các bệnh nhân từ xa sẽ hết sức cấp bách nhằm triển khai công nghệ E Health ở Việt Nam Đề tài đưa ra là một trong những phương án góp phần giải quyết vấn đề này Mặt khác, BM Kỹ thuật Y sinh Đại học Quốc tế cũng chủ trương xây dựng hệ thống tương tự và đặt mạnh vấn đề chế tạo làm chủ công nghệ nội địa hoá một số dạng thiết bị y tế hiện đại

Trong tình hình chung đó, đề tài này được đề ra với mục tiêu thực tiễn như sau:

- Tăng cường khả năng chẩn đoán ban đầu và chăm sóc từ xa bằng việc cung cấp dịch vụ trọn gói bao gồm cung cấp thiết bị chẩn đoán đa năng, cung cấp dịch vụ theo dõi, tư vấn và các tiện ích tự chẩn đoán

- Với mục tiêu chẩn đoán ban đầu, các thiết bị sẽ được chế tạo với các tính năng đặc thù xác định cơ bản các thông số y sinh cho chẩn đoán định hướng nhanh, không đi vào hướng nâng cao tiện ích như thiết bị ngoại nhập nhằm giảm giá thành đáng kể và khả năng tích hợp module phục vụ truyền dữ liệu từ xa

Tóm lại, đề tài mong muốn thực hiện được một mô hình trọn vẹn một hệ thống chăm sóc sức khoả từ xa với những chức năng cơ bản nhằm thử nghiệm cho quá trình nâng cấp hoàn thiện tiếp theo

II NHỮNG NHIỆM VỤ ĐƯỢC ĐẶT RA VÀ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦA ĐỀ TÀI

1) Mục tiêu:

- Trong phạm vi đề tài này, mục tiêu cụ thể là thiết kế và chế tạo hệ thiết bị tích hợp bao gồm:

- Thiết bị chẩn đoán thông dụng có khả năng thu nhận và truyền tín hiệu đi xa ;

- Hệ thống giao tiếp trao đổi bác sĩ - bệnh nhân thông qua máy tính, mạng Internet, điện thoại

* Đo huyết áp, nhịp tim

* Đo điện tim cơ bản

* Đo nồng độ Oxy trong máu

có khả năng thu nhận và truyền tín

hiệu đi xa ;

1 bộ

- Đã hoàn thành tổ hợp thiết bị chẩn đoán truyền tín hiệu không dây đã yêu cầu thử nghiệm

- Có 04 luận văn (02 LV cao học

và 02 LV đại học) thực hiện liên quan

2

- Hệ thống giao tiếp trao đổi bác sĩ -

bệnh nhân thông qua máy tính, mạng

- Các chương trình khác chưa

thực hiện được

4

- Báo cáo khoa học tại hội nghị hoặc

bài báo đăng tạp chí chuyên ngành

02 báo cáo khoa học tại Hội nghị BME2014 (Kỷ yếu IFMBE 2014)

và Hội nghị KHCN2013 (ISEMP2013)

III NỘI DUNG CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦA ĐỀ TÀI III.1 MÔ TẢ THIếT Kế VÀ THử NGHIệM THIếT Bị

* Sơ đồ khối tổng quát modul truyền phát tín hiệu không dây

-

- Tín hiệu sinh học (ECG, SpO2…) được đưa vào module thu tín hiệu, ngõ ra của khối này được xử lý hoàn toàn với những bộ khếch đại, mạch lọc analog Tín hiệu analog này sẽ được đưa vào khối vi xử lý thông qua khối connector và bảo vệ và sẽ chuyển đổi từ dạng analog sang digital do bộ chuyển đổi A DC 12bit được tích hợp bên trong vi xử lý LPC1788 ra dạng dữ liệu số, dữ liệu số 12bit sẽ cho qua thuật toán lọc số (DSP) để triệt dãi hoàn toàn những tín hiệu không mong muốn, sau đó dữ liệu đã xử lý hoàn toàn sẽ được biến đổi thành dữ liệu 8bit với những thuật toán cơ bản đơn giản Dữ liệu 8bit sẽ được đưa tới khối chuyển đổi điện áp ra mức điện áp TTL theo dạng tuần tự nối tiếp UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter), cuối cùng dữ liệu 8bit sẽ được đưa vào module truyền phát tín hiệu không dây Zigbee, mã hóa và phát bức xạ sóng điện từ dưới dạng RF ra ngoài Bên cạnh đó, ngoài xuất tín hiệu ra bộ phát RF, dữ liệu còn có thể lưu trữ trên Chip, hiển thị trên LCD graphics hoặc trên thẻ SD tùy vào mục đích sử dụng

- Thiết bị thu sóng sẽ thu sóng bức xạ điện từ này, tách sóng, giải điều chế… ra tín hiệu số rồi chuyển tới khối chuyển đổi mức điện áp sang điện áp máy tính, tín hiệu cuối cùng sẽ được truyền lên máy tính theo giao thức UART qua cổng RS232

III.1.1 Bo mạch chính của modul phát tín hiệu

* Khối nguồn điện 5V DC, 3.3V DC và khối công tắc chuyển áp

Cung cấp điện áp 5V DC cho bo mạch chính Điện áp này được cho qua khối ổn áp tạo ra 3.3V DC chuẩn

12V

L1 220uF

5V

R3 330

5V_OUT

R4 2K

D3 MBR340

D5V_OUT LED FEEDBACK

+ CP8 330uF/35V

C1

+ CP7 330uF/35V

U8 LM2576ADJ/TO220

PWR (VCC) D- D+

J3 TP2

VOUT VIN

+ CP13 330uF/35V

R34 330

R5 330

Vusb 5V

Hình 1: Khối ổn định điện áp 5V DC và 3.3V DC

Dựa trên sơ đồ được mô tả như trên, điện áp ngõ vào được thực hiện một trong hai cách sau:

 Thông qua giắc cắm ba chân: Đây là điện áp được lấy ra từ mạch nguồn xung - điện áp

ổn định 12V DC Điện áp này được hạ áp xuống còn 5V DC thông qua IC ổn áp LM2576 và những tụ điện phụ trợ Điện áp 5V DC này được cung cấp cho Module HY-LPC1788-CORE Board, khối USB-COM và vào khối tạo nguồn điện áp chuẩn 3.3V DC

 Thông qua cổng USB: Để thuận tiện trong việc cung cấp nguồn cho mạch, cổng USB này được thiết kế tương thích cho việc lấy nguồn áp trực tiếp từ máy tình, các loại sạc adapter điện áp 5V DC…, điện áp được lấy từ cổng này sẽ được sử dụng như trên

 Tùy thuộc vào điều kiện lấy điện áp, điện áp được lấy ra và cung cấp cho bo mạch chính được điều khiển bởi một công tắc chuyển mạch SWDP1, sơ đồ kết nối được mô

tả như trên

* Khối vi xử lý

Với sự phát triển về khoa học công nghệ, nhiều loại vi xử lý được ra đời đáp ứng mọi nhu cầu ứng dụng của con người Sau một thời gian tìm hiểu và thực hành ứng dụng chúng tôi đã lựa chọn một loại vi điều khiển có khả năng đáp ứng mọi yêu cầu trong dự án này, do đó Module HY-LPC1788-CORE Board của hãng Philips Dưới đây là sơ đồ chân linh kiện cũng như sơ đồ kết nối với các khối khác trong dự án này

U2_TXD

P1.9

R2 1K

P3.27

SD_PWR LED2

MOSI

P1.8 P3.25

SD_CD SD_DAT0 ADC0_IN2

SER2 U0_RXD

SD_DAT3 LED4

BT1 3V

P3.29

SER3 U2_RXD

U4_RXD

3V3

DAC_OUT

LED5 P1.17

U3_TXD

P1.0 P2.15

P3.24

P1.16

Module ARM_LPC1788

1 3 5 7 9 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60

61 63 65 67 69 71 73 75 77 79 81 83 85 87 89 91 93 95 97 99 100 102 104 106 108 110 112 114 116 118 120

5V GND P2.12/EINT2 _/SD_DAT2/I2S_TX_WS/LCD_VD4/VD3/VD8/VD18 P2.6/PWM1_CAP0/U1_RI/T2_CAP0/U2_OE/TRACECLK/LCD_VD0/LCD_VD4 P2.7/CAN_RD2/U1_RTS/LCD_VD1/LCD_VD5

P2.8/CAN_TD2/U2_TXD/U1_CTS/ENET_MDC/LCD_VD2/LCD_VD6 P2.9/USB_CONNECT1/U2_RXD/U4_RXD/ENET_MDIO/LCDVD3/LCD_VD7 P1.20/USB_TX_DP1/PWM1.2/QEI_PHA/MC_FB0/SSP0_SCK/LCD_VD6/LCD_VD10 P1.21/USB_TX_DM1/PWM1.3/SSP0_SSEL/MC_ABORT _/LCD_VD7/LCD_VD11 P1.22/USB_RCV1/USB_PWRD1/T1_MAT0/MC_0B/SSP1_MOSI/LCD_VD8/LCD_VD12 P1.23/USB_RX_DP1/PWM1.4/QEI_PHB/MC_FB1/SSP0_MISO/LCD_VD9/LCD_VD13 P1.24/USB_RX_DM1/PWM1.5/QEI_IDX/MC_FB2/SSP0_MOSI/LCD_VD10/LCD_VD14 P1.25/USB_LS1 _/USB_HSTEN1 _/T1_MAT1/MC_1A/CLKOUT/LCD_VD11/LCD_VD15 P2.13/EINT3 _/SD_DAT3/I2S_TX_SDA/LCD_VD5/VD9/VD19

P1.26/USB_SSPND1 _/PWM1.6/T0_CAP0/MC_1B/SSP1_SSEL/LCD_VD12/LCD_VD20 P1.27/USB_INT1 _/USB_OVRCR1 _/T0_CAP1/CLKOUT/LCD_VD13/LCD_VD21 P1.28/USB_SCL1/PWM1_CAP0/T0_MAT0/MC_2A/SSP0_SSEL/LCD_VD14/LCD_VD22 P1.29/USB_SDA1/PWM1_CAP1/T0_MAT1/MC_2B/U4_TXD/LCD_VD15/LCD_VD23 P4.26/EMC_BLS0 _

P2.2/PWM1.3/U1_CTS/T2_MAT3/TRACEDATA3/LCD_DCLK P2.0/PWM1.1/U1_TXD/LCD_PWR

P2.5/PWM1.6/U1_DTR/T2_MAT0/TRACEDATA0/LCD_LP P2.3/PWM1.4/U1_DCD/T2_MAT2/TRACEDATA2/LCD_FP P2.4/PWM1.5/U1_DSR/T2_MAT1/TRACEDATA1/LCD_ENAB_M P2.1/PWM1.2/U1_RXD/LCD_LE

P0.0/CAN_RD1/U3_TXD/I2C1_SDA/U0_TXD P0.1/CAN_TD1/U3_RXD/I2C1_SCL/U0_RXD P2.14/EMC_CS2 _/I2C1_SDA/T2_CAP0 P2.15/EMC_CS3 _/I2C1_SCL/T2_CAP1 P2.10/EINT0 _/NMI _

P0.10/U2_TXD/I2C2_SDA/T3_MAT0 P0.11/U2_RXD/I2C2_SCL/T3_MAT1 P2.21/EMC_DY CS1 _

P1.13/ENET_RX_DV P0.14/USB_HSTEN2 _/SSP1_SSEL/USB_CONNECT2 P1.18/USB_UP_LED1/PWM1.1/T1_CAP0/SSP1_MISO P1.19/USB_TX_E1 _/USB_PPWR1 _/T1_CAP1/MC_0A/SSP1_SCK/U2_OE P0.29/USB_D+1/EINT0 _

P0.30/USB_D-1/EINT1 _

P2.25/EMC_CKE1 P0.31/USB_D+2 USB_D-2 P1.30/USB_PWRD2/USB_VBUS/ADC0_IN4/I2C0_SDA/U3_OE P1.31/USB_OVRCR2 _/SSP1_SCK/ADC0_IN5/I2C0_SCL P0.27/I2C0_SDA/USB_SDA1

P0.28/I2C0_SCL/USB_SCL1 P0.12/USB_PPWR2/SSP1_MISO/ADC0_IN6 P0.13/USB_UP_LED2/SSP1_MOSI/ADC0_IN7 VBAT

RSTOUT _

GND RESET _

JTAG_TDO(SWO) JTAG_TCK(SWDCLK) JTAG_TMS(SWDIO) JTAG_TDI JTAG_TRST _

P4.28/EMC_BLS2 _/U3_TXD/T2_MAT0/LCD_VD6/VD10/VD2 P4.29/EMC_BLS3 _/U3_RXD/T2_MAT1/I2C2_SCL/LCD_VD7/VD11/VD3

P0.23/ADC0_IN0/I2S_RX_SCK/T3_CAP0 P0.24/ADC0_IN1/I2S_RX_WS/T3_CAP1 P0.25/ADC0_IN2/I2S_RX_SDA/U3_TXD P0.26/ADC0_IN3/DAC_OUT/U3_RXD P5.1/EMC_A25/SSP2_MISO/T2_MAT3 P5.4/U0_OE/T3_MAT3/U4_TXD P0.2/U0_TXD/U3_TXD P0.3/U0_RXD/U3_RXD VREFP P3.19/EMC_D19/PWM0.44/U1_DCD P3.18/EMC_D18/PWM0.3/U1_CTS P3.16/EMC_D16/PWM0.1/U1_TXD P3.23/EMC_D23/PWM1_CAP0/T0_CAP0 P3.22/EMC_D22/PWM0_CAP0/U1_RI P3.21/EMC_D21/PWM0.6/U1_DTR P3.20/EMC_D20/PWM0.5/U1_DSR P3.27/EMC_D27/PWM1.4/T1_CAP0 P3.26/EMC_D26/PWM1.3/T0_MAT1/STCLK P3.25/EMC_D25/PWM1.2/T0_MAT0 P3.31/EMC_D31/T1_MAT2 P3.30/EMC_D30/U1_RTS/T1_MAT1 P3.28/EMC_D28/PWM1.5/T1_CAP1 P1.0/ENET_TXD0/T3_CAP1/SSP2_SCK P1.1/ENET_TXD1/T3_MAT3/SSP2_MOSI P1.4/ENET_TX_EN/T3_MAT2/SSP2/MISO P1.8/ENET_CRS(CRS_DV)/T3_MAT1/SSP2_SSEL

P1.9/ENET_RXD0/T3_MAT0 P1.10/ENET_RXD1/T3_CAP0 P1.15/ENET_RX_CLK(REF_CLK)/I2C2_SDA P1.16/ENET_MDC/I2S_TX_MCLK P1.17/ENET_MDIO/I2S_RX_MCLK P0.4/I2S_RX_SCK/CAN_RD2/T2_CAP0/LCD_VD0

GND P1.2/ENET_TXD2/SD_CLK/PWM0.1 P1.3/ENET_TXD3/SD_CMD/PWM0.2 P1.5/ENET_TX_ER/SD_PWR/PWM0.3 P1.6/ENET_TX_CLK/SD_DAT0/PWM0.4 P1.7/ENET_COL/SD_DAT1/PWM0.5 P1.11/ENET_RXD2/SD_DAT2/PWM0.6 P1.12/ENET_RXD3/SD_DAT3/PWM0_CAP0 P0.9/I2S_TX_SDA/SSP1_MOSI/T2_MAT3/RTC_EV2/LCD_VD17 P0.7/I2S_TX_SCK/SSP1_SCK/T2_MAT1/RTC_EV0/LCD_VD9 P0.8/I2S_TX_WS/SSP1_MISO/T2_MAT2/RTC_EV1/LCD_VD16 P0.5/I2S_RX_WS/CAN_TD2/T2_CAP1/LCD_VD1 P0.6/I2S_RX_SDA/SSP1_SSEL/T2_MAT0/U1_RTS/LCD_VD8

P0.15/U1_TXD/SSP0_SCK P0.16/U1_RXD/SSP0_SSEL P0.18/U1_DCD/SSP0_MOSI P0.19/U1_DSR/SD_CLK/I2C1_SDA P0.20/U1_DTR/SD_CMD/I2C1_SCL P0.21/U1_RI/SD_PWR/U4_OE/CAN_RD1/U4_SCLK P0.22/U1_RTS/SD_DAT0/U4_TXD/CAN_TD1

P5.2/T3_/MAT2/I2C0_SDA P5.3/U4_RXD/I2C0_SCL

SSEL

P3.26 P3.20

LED1

Hình 2a: Sơ đồ chân ngõ ra của Module HY-LPC1788-CORE Board

Hình 2b: Mặt trên của Module HY-LPC1788-CORE Board

Hình 2c: Mặt dưới của Module HY-LPC1788-CORE Board

Từ hình mặt dưới của Module ta nhận thấy, Module còn hổ trợ giao tiếp bộ nhớ ngoài EMC (External Memory Control) Ưu điểm của chức năng này là giúp vi xử lý giảm sử dụng bộ nhớ nội, các biến được lưu trữ bên RAM ngoài làm giúp truy xuất nhanh hơn, giảm thời gian tính toán trong bộ lọc số

Các đặc điểm chính của Module được mô tả bên dưới:

HY-LPC1788-CORE Board Features

1 JTAG connector ( 2*10 pin 2.00mm ) for programming/debugging with ARM-JTAG

2 The board has access to allmost all pins for external connection

3 The pins are named according to the interfaces where ever possible

4 All pins are available via standard 2.00mm Berg Strip

5 On Board USB Device This is a perfect solution for developing USB Peripherals

6 On Board Mini USB ( USB Device ) Power Supply with Power Supply LED

7 On Board Reset Circuit

8 12 MHz crystal oscillator

9 32.768 kHz crystal for Real Time Clock

10 Board Dimensions: 60 * 45 mm

11 one user programmable LED

12 LCD interface with backlight and TouchPanel circuit, support the resolution of 480 * 272,

800 * 480, 4.3" inch, 5" inch, 7" inch TFT LCD touch screen

13 on board EMC 32MB 16bit data bus SDRAM memory on board EMC 128M NAND FLASH memory

14 on board EMC 8MB NOR FLASH memory

15 on board 2MB SPI FLASH memory

16 on board 256Mbit EEPROM memory

Sơ đồ kết nối chân:

Chận 3 – 26 : Kết nối LCD 4.3in

Chân 27 – 30 : Sử dụng cho mục đích GPIO

Chân 32 – 33 : Sử dụng như là chức năng UART2, dùng để giao tiếp truyền dữ liệu

với Module SpO2

Chan 33 – 34: Điều khiển các trạng thái LED1, LED2

Chân 50: Kết nối với nguồn pin 3V DC, được sử dụng cho RTC (Real Time

Control)

Chân 53: Chân điều khiển reset

Chân 59 – 60: Sử dụng như là chức năng UART3, dùng để giao tiếp truyền dữ liệu

với Module ECG

Chân 61: Ngõ vào analog từ Module SPO2

Chân 62: Ngõ vào analog từ Module ECG

Chân 63: Ngõ vào analog từ Module huyết áp

Chân 64: Ngõ ra của bộ chuyển đổi DAC

Chân 65- 66: Điều khiển các trạng thái LED3, LED4

Chân 68 – 69: Sử dụng như là chức năng UART0, dùng để giao tiếp truyền

dữ liệu với Module Zigbee, hay sử dụng cho mục giao tiếp UART với máy tính

Chân từ 71 tới 86: Sử dụng như là GPIO cho mục đích điều khiển với các Module ngoại vi

Chân từ 86 tới 96: Được sử dụng cho mục đích mở rộng như giao tiếp với Module huyết áp

Chân từ 99 tới 105,110: Được sử dụng cho mục đích giao tiếp với thẻ SD Chân từ 106 tới 109: Dùng để điều khiển cách giao tiếp giữa các Module ngoại vi

và vi xử lý (UART hay SPI)

Chân từ 111 tới 114: Được sử dụng cho chức năng giao tiếp SPI giữa Module ngoại vi và vi xử lý

Chân 117,119: Điều khiển trạng thái LED5, LED6

Chân 115,116: Mở rộng cho giao tiếp I2C

* Khối Giao tiếp USB – COM:

C47 100nF

R28 1k

C22 100nF

7

9 10 12

13

15 17 18 20 21 22 24 26

28

TXD DTR

RTS

VDD_325 RXD RI

GND NC DSR

VDD_5 NC GP0 NC GND2 TEST NC RESERVED

VBUS VCCUSB

3V3_USB

R56 27R

C21 4.7uF

Ferrite Bead

1 2

UART0_TX

R57 4.7k

DP DM

1 3

PWR (VCC) D- D+

C24

100nF

C48 100nF

Hình 3: Khối giao tiếp USB-COM

Ứng dụng của khối này dùng để giao tiếp máy tính qua cổng USB như là một cổng COM ảo Chức năng chính dùng để nạp chương trình qua cổng RS232 hay còn gọi là nạp chương trình theo giao thức ISP

Ngoài chức năng nạp chương trình, khối này còn ứng dụng trong qiao tiếp giữa vi xử

lý với máy tính qua cổng COM hay còn gọi là RS232 thông qua port P0.2 (chân 68) và P0.3 (chân 69) (UART0_TX và UART0_RX)

* Khối nạp JTAG:

Hình 4: Khối nạp JTAG

Khối này được tích hợp trên Module HY-LPC1788-CORE Board, ứng dụng dùng để nạp chương trình cho vi xử lý theo chuẩn JTAG sử dụng một máy nạp JTAG riêng lẻ từ bên ngoài được giao tiếp với máy tính qua cổng USB Tùy thuộc vào loại vi xử lý mà ta sử dụng máy nạp JTAG phù hợp

* Module LCD hiển thị và cảm ứng

Hình 5a: Khối kết nối hiển thị và cảm ứng

Khối này cũng được tích hợp trên Module HY-LPC1788-CORE Board và ngõ ra là một connector 40PIN kết nối trực tiếp với LCD Có hai dạng giao tiếp LCD, dạng giao tiếp SPI ( Serial Peripheral Interface) và dạng giao tiếp 16 bit parallel Bo mạch này được thiết

kế phù hợp với dạng LCD giao tiếp 16 bit parallel:

LPC1788 được thiết kế phần cứng phù hợp với loại LCD này với độ phân giải 4.3in 400x280 pixels , nhờ vậy sẽ làm giảm tối thiểu về đoạn lệnh trên phần mềm, tiết kiệm thời gian thực thi cũng như thời gian khởi động cho hệ thống

Cảm ứng:

Module này là một miếng dán cảm ứng được đán lên màn hình LCD với kích thước 4.3in Tín hiệu trả về gồm 4 dây X+, X-, Y+, Y- khi có sự tác động lực lên màn hình

Hình 5b: Module LCD hiển thị và Module cảm ứng

* Khối điều khiển màn hình cảm ứng

Hình 6 :Khối giao tiếp màn hình cảm ứng

Một miếng dán cảm ứng với kích thước 4.3in được dán lên màn hình LCD hiển thị, sử dụng IC TSC2046 chuyên dụng để điều khiển miếng dán cảm ứng này

Theo sơ đồ kết nối ở trên X+, Y+, X-, Y- là những tín hiệu điện áp analog trả về IC TSC2046 khi tác động một lực bất kì vị trí trên màn hình IC này sẽ biến đổi điện áp analog này sang tín hiệu số, tín hiệu số này sẽ được kết nối với vi xử lý theo chuẩn giao tiếp SPI

* Khối mở rộng Lưu trữ trên SD card

Khối này có chức năng lưu trữ dữ liệu trên thẻ SD, Các chân được kết nối theo trên hình vẽ Khối này được thiết kế tương thích cho hai dạng thẻ SD (mini SD hay MMC SD)

LPC1788 được thiết kế phần cứng bên trong phù hợp điều khiển các loại thẻ SD này

R11 10K

R19 10K

SD_DAT2

SD_CMD SD_DAT2

R15 0R R20 10K

SD_CLK SD_CMD

R16 10K

SD_DAT0

Q1 MMBT2222A

SD_DAT1

R18 10K

Q11 FDN340P

SD_CARD

HEADER 12

1 3 5 7

9

10 12

CD/D3 CMD VDD CLK GND D0 DI

D2

CD GND WP

SD_CD R21 10K

SD_CD

SD_DAT0

R13 1K

SD_PWR

R14 10K

SD_DAT1 SD_CLK

10 9

D1 VSS CLK VDD CD/D3 D2

GND /CD

* Khối kết nối ngõ vào:

U2_TXD U2_RXD FCLK

P3.21

MISO MOSI SSEL

TPUART2

HEADER 2

1 2

P3.17 P3.16 P3.18

U3

SpO2 Module

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32

33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64

A1/VCC A2/GND A3/SER_0 A4/SER_1 A5 A6/HQ_CS/

A7/HQ_SIMO A8/HQ_SOMI A9/HQ_SPICLK 10

A11/HQ_RXD A12/HQ_TXD 13 A14/MOD_RESET/

A15/MOD_DATA_READY A16/GPIO1

A17/GPIO2 A18/GPIO3 A19/GPIO4 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 A31/GND A32/VCC

VCC GND 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 C31/GND C32/VCC

P3.22 SER0

Hình 9: Khối Connector và bảo vệ ngõ vào

Chức năng của khối này được sử dụng kết nối giữa Module thu tín hiệu và Module vi xử

lý, bao gồm một header 30x2, sơ đồ kết chân được mô tả như

III.1.2 Module truyền dữ liệu không dây

III.1.2.1 Module truyền dữ liệu HM-TR

* Mô tả thiết bị

Thiết bị HM-TR của hãng Hope Microelectronics co., LTD được lựa chọn trong quá trình thử nghiệm Với các đặc điểm như sau:

Với những đặc điểm quan trọng của thiết bị mà ta lựa chọn là:

- Khả năng truyền dữ liệu song công theo hai hướng

- Khả năng chống nhiễu cao

- Hoạt động ở tần số cao nhất là 915MHz

- Giao thức truyền nhận UART Đây là giao thức đơn nhất và dễ dàng nhất, giao thức này có mặt hầu hết trong tất cả các loại vi xử lý

- Công suất cao, khả năng truyền dữ liệu lên tới >300m không vật cản

Hình 12: Thiết bị HM-TR

* Sơ đồ kết nối HM-TR với vi xử lý

Hình 13: Sơ đồ kết nối HM-TR với vi xử lý

Sơ đồ kết nối HM-TR với máy tính (PC)

Hình 14: Sơ đồ kết nối HM-TR với máy tính

Trong đó: IC Max232CSE đóng vai trò như khối chuyển đổi mức tính hiệu TTL sang điện

áp máy tính

* Kết quả đạt được và hướng giải quyết

-Thử nghiệm trên máy phát sóng, với tần số 300Hz Sử dụng bộ truyền phát RF HM-TR

Tần số A DC là 5Mhz, số lượng lấy mẫu là 200 mẫu, với thời gian trì hoãn cho mỗi lần lấy mẫu là bằng 0 giây

Hình 15: kết quả thu được với 200 mẫu Kết quả từ hình trên cho thấy được với số lượng lấy 200 mẫu liên lục thì không đủ

để tái tạo sóng như ban đầu Thời gian trì hoãn sau khi dữ liệu bức xạ ra không gian và được bộ thu tái tạo 200 mẫu là 8200ms

Như vậy thời gian để một mẫu được phát ra, ghi nhận và tái tạo trên máy tính là:

Tần số A DC là 5Mhz, số lượng lấy mẫu là 600 mẫu, với thời gian trì hoãn cho mỗi lần lấy mẫu bằng 0

Hình 16: Kết quả thu được với 600 mẫu

Với số lượng mẫu tương đối lớn thì hình tái tạo đủ chu kì sẽ không làm mất dữ kiệu nhưng bên cạnh đó thời gian tri hoãn qua bộ thu phát RF tương đối lớn ~23800ms với số lượng mẫu là 600 mẫu

Để chứng minh được điều đó, chúng tôi thực hiện các bước thí nghiệm như sau:

- Tạo ra một xung tam giác từ vi xử lý LPC1768 với thời gian tạo trễ cho các dữ liệu truyền bằng 0 ( Tdelay = 0)

Thời gian delay 23800ms Không đủ mẫu để tái tạo

Thời gian delay 8200ms

- Sử dụng FabulaTech Serial Port Control, đây là một thư viện chuyên dụng dùng để điều khiển qua cổng tuần tự nối tiếp của hãng sản xuất FabulaTech dành cho Visual Basic Kết quả thu được:

Hình 17: Kết quả thu được sóng tam giác qua HM-TR với thời gian Tdelay = 0

Như vậy từ kết quả trên ta thấy được bộ truyền HM-TR không đáp ứng được với tốc độ truyền theo thời gian thực

III.1.2.2 Module truyền dữ liệu Bluetooth HC-06

*Mô tả thiết bị

Bluetooth HC-06 là một thiết bị truyền nhận không dây theo chuẩn bluetooth v2.0 Dữ liệu được truyền nhận thông qua giao tiếp tuần tự hai chiều Module được tích hợp bộ ổn định điện áp cho phép sử dụng nguồn điện từ 3.6V đến 6V mà không lo lắng về chênh lệch điện gây hỏng bo

Những ưu điểm của module HC-06:

- Cách truyền nhận đơn giản theo giao thức UART hầu hết xuất hiện trong tất cả các loại vi điều khiển

- Nguồn cung cấp rộng từ 3.6V tới 6V tránh hư hỏng cho mạch và phù hợp tất cả các tín hiệu theo chuẩn TTL

- Tần số hoạt động cao 2.4Ghz Tốc độ truyền lớn 2.1Mbps

- Độ nhạy cao, với hệ số suy giảm -84dBm tại 0.1% BER

Hình 18: Module Bluetooth HC-06

Nhược điểm của module HC-06 là Khoảng cách truyền ngắn, truyền tốt trong phạm vi < 10m

Những đặc điểm của Bluetooth HC-06 từ nhà sản xuất:

Bluetooth protocal : Bluetooth Specification v2.0+EDR

Frequency : 2.4GHz ISM band

Modulation : GFSK(Gaussian Frequency Shift Keying)

Emission power : <=4dBm, Class 2

Current : Paring - 35mA, Connected - 8mA

Temperature : -40~ +105 Degrees Celsius

User defined Baud rate : 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200,

230400,460800,921600 ,1382400

Dimension : 26.9mm*13mm*2.2mm

Hình 19: Thiết bị nhận tín hiệu USB Bluetooth Dongle

Tương tự như Bluetooth HC-06, USB Bluetooth Dongle hỗ trợ truyền nhận tín hiệu của các thiết bị với nhau thông qua Bluetooth Sau đây là những đặc điểm của USB Bluetooth Dongle theo tiêu chuẩn của nhà sản xuất:

• Transfer Rates (Max) 2.1Mbps

• Range Up to 10 meters / 33 feet (peer-to-peer)

• RF-Wireless Frequency 2400 - 2483.5 MHz for USA/Europe/Japan

• Antenna 2dBi On-Board

Hình 20: Sơ đồ kết nối bộ thu phát Bluetooth

Thí nghiệm trên bộ thu phát Bluetooth

USB Bluetooth Dongle được kết nối với PC

Bluetooth HC-06

Vi xử lý Khối nguồn

adapter 5Vdc

- Tạo ra một xung tam giác từ vi xử lý LPC1768 với thời gian tạo trễ cho các dữ liệu truyền bằng không ( Tdelay = 0)

- Sử dụng FabulaTech Serial Port Control, đây là một thư viện chuyên dụng dùng để điều khiển qua cổng tuần tự nối tiếp của hãng sản xuất FabulaTech dành cho Visual Basic

* Kết quả thu được:

Hình 21: Kết quả thu được từ bộ thu phát Bluetooth

Từ kết quả thu ta thấy:

- Dữ liệu không bị mất hay sai lệch trong quá trình truyền nhận

- Thời gian thu nhận cho 511 samples là 536ms

 Ta thấy tốc độ baudrate là 9600, đây là giá trị 9600 bps (bit per second)

 Như vậy thời gian truyền cho 1 bit là tbit = 1/9600 ~ 0.1ms

 1 gói dữ liệu truyền hay 1 mẫu là : 1 bit khởi động + 8 bit dữ liệu + 1 bit ngừng = 10bit

 Thời gian 1 gói dữ liệu hay một mẫu (sample) là Tsample = 10*tbit ~ 1ms

 Thời gian cho 511 mẫu là TTotal = 510*Tsample ~ 510ms

- So với kết quả đo được là 536ms => dữ liệu gần như được truyền theo thời gian thực

III.1.2.3 Module truyền dữ liệu Zigbee CC2530

* Mô tả thiết bị

Khi thí nghiệm hai dạng truyền tín hiệu ở trên, chúng tôi nhận thấy kết quả thu được vẫn chưa đáp ứng được những mục tiêu đề ra bởi vì những thiết bị trên chỉ thu được những tín hiệu với tần số tương đối thấp ( < 100Hz) Những tín hiệu với tần số cao ( > 100Hz) chẳng hạn như tín hiệu điện não thì những thiết bị trên không thể đáp ứng được yêu cầu

Sau khi tìm hiểu cũng như thu nhập ý kiến từ các chuyên gia chúng tôi nhận thấy dữ liệu được truyền theo chuẩn Zigbee có khả năng đáp ứng theo những yêu cầu này ZigBee là một giao thức truyền thông bậc cao được phát triển dựa trên chuẩn truyền thông không dây IEEE 802.15.4, sử dụng tín hiệu radio cho các mạng cá nhân PAN (personal area network) ZigBee thích hợp với những ứng dụng không đòi hỏi tốc độ truyền dữ liệu quá cao nhưng cần có mức độ bảo mật lớn và thời gian hoạt động dài

* Những đặc điểm của ZigBee

Hiện nay có rất nhiều giao thức truyền thông không dây phổ biến (như đã đề cập ở trên), tuy nhiên so với chúng, ZigBee có nhiều đặc trưng vượt trội phù hợp với các hệ thống công nghiệp

+ Tính ổn định: mạng ZigBee hình lưới có đặc điểm tự thích nghi, tức là chúng có khả năng tự xây dựng lại và hoạt động như bình thường ngay cả khi một vài nút bị hỏng, hoặc tìm đường đi khác khi đường đi thông thường bị chặn - đây đều là những tình huống

có thể xảy ra trong hệ thống công nghiệp

+ Tính bảo mật: chuẩn ZigBee hỗ trợ bảo mật trên nhiều tầng, gồm có tầng xác thực cơ bản, mã hóa AES 128bit, bảo mật trong cơ cấu hình thành và sát nhập nút mới vào mạng

+ Khả năng mở rộng: cơ chế định địa chỉ 64bit có thể mở rộng đến 65000 mạng, có khả năng bao quát toàn bộ nhà máy công nghiệp

+ Giá thành rẻ: bao gồm chi phí mua thiết bị, chi phí lắp đặt và chi phí bảo trì Các thiết bị ZigBee có thể hoạt động bằng pin chính trong vài năm mà không cần có bộ sạc, đồng thời các nút có thể hoạt động ở chế độ nghỉ (sleep mode) giúp tiết kiệm đáng kể năng lượng

+ Khả năng hỗ trợ: chuẩn mở với nhiều nhà cung cấp, hỗ trợ nhiều ứng dụng và ngày càng được cải tiến, phát triển rộng rãi Hiện nay trên thị trường đã xuất hiện rất nhiều thiết bị hỗ trợ giao thức ZigBee Các thành phần cảm biến, cơ cấu chấp hành, PLC đều có phiên bản ZigBee tương đương với chúng Bên cạnh đó, các hệ thống cũ đang hoạt động cũng có thể được trang bị truyền thông ZigBee bằng cách kết nối thêm các thành phần ZigBee module, modem cảm biến, cổng giao tiếp dữ liệu (gateway)…

* Module ZigBee

Hình 22: Module Zigbee DRF1605H V2.0

* Đặc điểm thiết bị

Khối xử lý

Khối tương tác UART

Zigbee Router bộ phát

Zigbee Coodinator

bộ thu

PC

U

Hình 24: Sơ đồ chân của module Zigbee DRF1605H

* Các bước tiến hành thí nghiệm

- Sử dụng máy phát sóng, có tần số thay đổi được

- Dùng mạch nâng áp để dịch toàn bộ sóng lên điện áp dương

- Đưa tín hiệu vào ngõ vào chân P1.31(AD05) của LPC1768

- Dùng bộ chuyển đổi A DC nội 12bit để chuyển đổi tín hiệu Analog sang tín hiệu Digital

- Đưa dữ liệu ra ngoài qua cổng UART2 tới Module Zigbee router để phát tín hiệu

- Coodinator thu nhận tín hiệu và chuyển vào máy tính

- Xây dựng phần mềm trên VB6.0 để lấy dữ liệu và tái tạo sóng

* Kết quả đạt được

Hình 25: Sóng Sin với tần số 150Hz được tái tạo trên VB6.0

Hình 26: Sóng vuông với tần số 150Hz

Kết quả:

- Từ những kết quả trên ta nhận thấy tốc độ truyền được tăng lên đáng kể với tốc độ baudrate: 57600 bps

- Một khung hình tương ứng với 510 mẫu

- Số lượng bít truyền/frame = 510*10 = 5100 bit/frame

- Thời gian truyền một frame : T = 5100/baudrate = 5100/57600 = 88ms

- Độ trễ tín hiệu rất thấp so với các thiết bị khác

- Sóng tái tạo rất trung thực không bị méo dạng (mất dữ liệu) so với các thiết bị khác

- Tốc độ truyền ổn định

- Truyền dữ liệu gần như theo thời gian thực

Như vậy từ kết quả trên ta thấy được bộ truyền module Zigbee DRF1605H đáp ứng được với tốc độ truyền theo thời gian thực

III.1.3 Module thu tín hiệu ECG

* Sơ đồ khối tổng quát:

Hình 27: Sơ đồ khối SpO2

UART

Mạch lọc thông thấp

Hồi tiếp về chân phải

Mạch khuếch đại

vi sai

Mạch lọc thông cao

Mạch triệt dãi 50Hz

Khối chuyển mạch

Mạch khuếch đại

và dịch áp Connector kết

nối bo chính

Mạch tạo nguồn

UART- USB

5V

P C