Sử dụng công nghệ FPAA và PSoC trong thiết kế mạch thu thập và xử lý tín hiệu điện tim

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

Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011 VCCA-2011 Sử 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 Linh 1 , Nguyễn Bá Biền 1 , Phạm Văn Nam 1 , Nguyễn Đức Thảo 1,2 1 Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, 2 Trường 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. (a) (b) (c) (d) 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. 81 Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011 VCCA-2011 Hai 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. 82 Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011 VCCA-2011 3. 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 ,5VV 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 83 Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011 VCCA-2011 giá 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 1 16.G Đặt hệ số khuếch đại trong khâu lọc thông cao là 2 8G , hệ số khuếch đại trong khâu lọc thông thấp là 3 16.G Như vậy hệ số khuếch đại của toàn bộ các khâu sẽ là: 1 2 3 16 8 16 2048G G G G 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 84 Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011 VCCA-2011 chân 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. 85 Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011 VCCA-2011 H. 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-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 10,5 10,5 2cm cm cm (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) 86 Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011 VCCA-2011 (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. [9] J. Zhang, ECG Primer 1.0, 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. 87 . quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011 VCCA-2011 Sử 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. 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. 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 thu n tiện trên