4.2.1 Khối nguồn
Để đảm bảo được sự hoạt động chính xác cho các IC khuếch đại thuật toán thì việc cách ly nguồn cung cấp cho nó khỏi các thiết bị khác là cực kỳ quan trọng. Vì lý do đó phải thiết kế mạch nguồn riêng cung cấp cho các IC khuếch đại thuật toán trong mạch.[10]
Hình 4.2: Khối nguồn
Nguồn được lấy từ điện áp 220VAC/50Hz. Sau khi đưa qua biến áp lấy được giá trị điện áp +12VAC/-12VAC(50Hz), giá trị này là giá trị hiệu dụng của tín hiệu. Giá trị đỉnh của nó sau chỉnh lưu đi-ốt cầu là Vp = 12 2 - 2*0.7 = 15.57V
Do mạch nguồn chỉ cung cấp cho số lượng IC khuếch đại thuật toán không nhiều nên dòng yêu cầu là không lớn. Ta thiết kế mạch nguồn ±9V với dòng
điện tối đa là 200mA.
Cấu tạo họ IC ổn áp 78xx và 79xx chỉ hoạt động khi điện áp đầu vào lớn hơn điện áp đầu ra từ 1.6V trở lên. Công thức tính giá trị tụ bù để san phẳng hình dạng điện áp sau cầu đi-ốt như sau:
35 * load ripple I t C V
Với Iload là dòng cung cấp tối đa cho phép, Vripple khoảng dao động của điện áp đầu vào trước IC ổn áp. t là khoảng thời gian giữa 2 đỉnh của điện áp. Với tần số nguồn xoay chiều 50Hz thì t = 0.01s
0.2*0.01 5
C = 400.10-6 F Trên thực tế ta lựa chọn tụ điện 470uF/50V. Khi đó điện áp
ripple
V = 4.26V. Mức điện áp IC đầu vào IC ổn áp là (11.31 ÷ 15.57V) thỏa mãn điều kiện của IC ổn áp.
Hình 4.3: Điện áp được san phẳng hơn bằng tụ lọc
4.2.2 Khối bảo vệ đầu vào và tiền khuếch đại
Trong các mạch điện tử thì không thể thiếu mạch bảo vệ đầu vào, để đảm bảo an toàn cho các linh kiện trong mạch trong trường hợp xuất hiện những tín hiệu đầu vào vượt quá dải cho phép của các linh kiện.[11]
36
Hình 4.4: Khối bảo vệ
Đối với mạch xử lí tín hiệu y sinh còn quan tọng hơn bởi việc đo đạc tín hiệu được thu nhận trực tiếp trên cơ thể người. Trong trường hợp có nhiều thiết bị được sử dụng một lúc đối với một bệnh nhân thì không tránh khỏi những tín hiệu do các thiết bị này tác động lên nhau, cũng như nếu vô tình để bệnh nhân chạm phải nguồn cung cấp. Vì vậy mạch bảo vệ đầu vào là rất cần thiết.
4.2.3 Khối chọn chuyển đạo
Hệ thống điện tim đồ đo 12 chuyển đạo nên ta cần thiết kế mạch chọn chuyển đạo.[14]
Khi muốn sử dụng nhiều đầu vào tín hiệu mà chỉ muốn có một đầu ra thi ta sử dụng bộ dồn kênh với IC CD4051. Mạch này có 3 đầu vào A, B, C để lựa chọn và quyết định 1 trong 8 đầu vào được tích cực và nối đầu vào này với đầu ra chung. Chân INH (inhibit) là chân cho phép hoạt động của IC (enable). IC sẽ hoạt động nếu chân này được đưa xuống mức 0.
Nguồn cung cấp: -0.5V ÷ 7.5V
37
Hình 4.5: Sơ đồ chân và nguyên lý hoạt động của IC CD4051
38
Mạch chọn chuyển đạo sử dụng kết hợp nguyên lý của tam giác Einthoven, điểm trung tâm Wilson với 2 IC CD4051. Bằng cách điều khiển mức 0, 1 của các chân điều khiển A, B, C của CD4051 thì ta sẽ chọn được lần lượt từng chuyển đạo để đưa vào xử lý.
Chân INH của CD4051 cũng được nối với mạch điều khiển để cho phép hoặc không cho phép các IC hoạt động
Bảng 1: Nguyên lý chọn chuyển đạo bằng IC CD4051
4.2.4 Thiết kế mạch khuếch đại vi sai
AD620 là IC khuếch đại vi sai chất lượng cao. Với khả năng dễ dàng điều chỉnh hệ số khuếch đại từ 1 cho tới 1000 bằng cách thay đổi giá trị điện trở khuếch đại đặt vào giữa của hai phần từ khuếch đại thuật toán nằm bên trong IC (được nối ngoài qua chân 1 và chân 8). Dòng bias đầu vào tối đa là 1nA, đặc tính khuếch đại ít phụ thuộc vào nhiệt độ (điện áp offset tối đa là 0.6µV/oC). Hệ số khuếch đại của AD620 được tính bằng công thức: 49.4 49.4 1 1 G G k k G R R G
39
Hình 4.7 Mạch khuếch đại vi sai[3]
4.2.5 Khối lọc thông cao 0.05Hz
Hình 4.8: Mạch lọc thông cao
Đối với tín hiệu điện tim, tần số cần quan tâm nằm trong khoảng 0.05Hz đến 100Hz. Do đó bộ lọc thông cao phải đáp ứng cho phép tín hiệu với tần số >0.05Hz đi qua. Để đáp ứng được điều này, lựa chọn tốt nhất là mạch lọc thông cao RC.
40 Chọn linh kiện: R13 = R14 = 33k C30 = C31 = 100uF Tần số cắt: 1 0.05 2 c f Hz RC Hình 4.9: Đặc tính tần số mạch lọc thông cao[13] 4.2.6 Khối lọc thông thấp 100Hz
Mạch lọc thông cao cũng sử dụng mạch lọc tích cực bậc 2. Lựa chọn linh kiện và công thức tính toán như sau:
R15 = R16 = 15k C32 = C33 = 100nF 1 100 2 c f Hz RC
41
Hình 4.10: Mạch lọc thông thấp
42
4.2.7 Khối lọc triệt tần 50Hz
Hình 4.12: Mạch lọc triệt tần 50Hz
Khối triệt tần được thiết kế dựa trên sử dụng mạch lọc cầu T có hồi tiếp với tần số cắt là:
fc=
Các giá trị linh kiện trong mạch: R22 = R23 = 33kΩ
C8 = C9 = C10 = C11=100nF Tần số cắt: fc
43
Hình 4.13: Đặc tính tần số mạch lọc triệt tần 50Hz
4.2.8 Khối khuếch đại tín hiệu ra
Hình 4.14: Mạch khuếch đại tín hiệu ra[11]
Do tín hiệu điện tim là tín hiệu xoay chiều trong khi ADC của PIC chỉ có thể lấy mẫu trong khoảng từ 0V đến Vref cho nên phải thiết kế mạch khuếch đại lặp có tác
44
dụng điều chỉnh offset cho tín hiệu điện tim sau mạch khuếch đại về dạng điện áp trong khoảng 0V-Vref.
Mạch khuếch đại lựa chọn trong trường hợp này là mạch khuếch đại vi sai đơn giản. Sử dụng khuếch đại thuật toán OP07 cho chất lượng đáp ứng rất tốt.
Với các thông số linh kiện lựa chọn trên hình vẽ thì điện áp tín hiệu đầu ra được tính theo công thức: 5 1 26 out in V VR V R
4.2.9 Vi điều khiển, truyền thông RS232 và giao diện phần mềm hiển thị
Vi điều khiển PIC 16F877A[15]
PIC 16F877A là dòng PIC phổ biến nhất hiện nay (đủ mạnh về tính năng, 40 chân, bộ nhớ đủ cho hầu hết các ứng dụng thông thường). Cấu trúc tổng quát của PIC 16F877A như sau:
Hình 4.15: Cấu trúc chức năng của PIC 16F877A
- 8 K Flash ROM. - 368 Bytes RAM. - 256 Bytes EEPROM.
45
- 2 bộ định thời 8 bits (Timer 0 và Timer 2).
- Một bộ định thời 16 bits (Timer 1) có thể hoạt động trong chế độ tiết kiệm năng lượng (SLEEP MODE) với nguồn xung Clock ngoài.
- 2 bô CCP( Capture / Compare/ PWM). - 1 bộ biến đổi ADC 10 bits, 8 kênh. - 2 bộ so sánh tương tự (Compartor).
- 1 bộ định thời giám sát (WatchDog Timer).
- Một cổng song song 8 bits với các tín hiệu điều khiển. - Một cổng nối tiếp.
- 15 nguồn ngắt.
- Có chế độ tiết kiệm năng lượng.
- Nạp chương trình bằng cổng nối tiếp ICSP(In-Circuit Serial Programming) - Được chế tạo bằng công nghệ CMOS
- 35 tập lệnh có độ dài 14 bits. - Tần số hoạt động tối đa 20MHz.
Hình 4.16: Sơ đồ chân PIC 16F877A
ADC (Analog to Digital Converter) là bộ chuyển đổi tín hiệu giữa hai dạng tương tự và số. PIC 16F877A có 8 ngõ vào analog (RA4:RA0 và RE2:RE0). Hiệu điện thế chuẩn VREF có thể được lựa chọn là VDD , VSS hay hiệu điện thế chuẩn được xác lập trên hai chân RA2 và RA3. Kết quả chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số là 10 bit số tương ứng và được lưu trong hai thanh ghi ADRESH:ADRESL. Khi không sử dụng bộ chuyển đổi ADC, các thanh ghi này có thể được sử dụng như
46
các thanh ghi thông thường khác. Khi quá trình chuyển đổi hoàn tất, kết quả sẽ được lưu vào hai thanh ghi ADRESH:ADRESL, bit (ADCON0<2>) được xóa về 0 và cờ ngắt ADIF được set.
Quy trình chuyển đổi từ tương tự sang số bao gồm các bước sau:
- Thiết lập các thông số cho bộ chuyển đổi ADC: Chọn ngõ vào analog, chọn điện áp mẫu(dựa trên thông số của thanh ghi ADCON1); Chọn kênh chuyển đổi AD (thanh ghi ADCON0); Chọn xung clock cho kên chuyển đổi AD (thanh ghi ADCON0); Chọn phép bộ chuyển đổi AD hoạt động (thanh ghi ADCON0).
- Thiết lập các cờ ngắt cho bộ AD: Clear bit ADIF; Set bit ADIE; Set bit PEIE, set bit GIE.
- Đợi cho tới khi quá trình lấy mẫu hoàn tất. - Bắt đầu quá trình chuyển đổi (set bit ).
- Đợi cho tới khi quán trình chuyển đổi hoàn tất bằng các: kiểm tra bit . Nếu bit =0, quá trình chuyển đổi hoàn tất. ; Kiểm tra cờ ngắt.
- Đọc tiếp kết quả chuyển đổi và xóa cờ ngắt. sét bit (nếu cần tiếp tục chuyển đổi).
47
Hình 4.17 Chọn kênh ADC[15]
Cần chú ý là có hai cách lưu kết quả chuyển đổi AD, việc lựa chọn cách lưu được điều khiển bởi bit ADFM và được minh họa cụ thể trong hình sau:
48
Các thanh ghi liên quan đến bộ chuyển đổi ADC bao gồm:
INTCON (địa chỉ 0Bh, 8Bh, 10Bh, 18Bh ): cho phép các ngắt ( các bit GIE, PEIE).
PIR1 (địa chỉ 0Ch): chứa cờ ngắt AD(bit ADIF). PIE1 (địa chỉ 8Ch): chứa bit điều khiển AD (ADIE).
ADRESH (địa chỉ 1Eh) và ADRESL (địa chỉ 9Eh): các thanh ghi chứa kết quả chuyển đổi AD.
ADCON0 (địa chỉ 1Fh) và ADCON1 (địa chỉ 9Fh): xác lập các thông số cho bộ chuyển đổi AD.
PORTA (địa chỉ 05h) và TRISA (địa chỉ 85h): liên quan đến các ngõ vào analog ở PORTA.
PORTE (địa chỉ 09h) và TRISE (địa chỉ 89h): liên quan đến các ngõ vào anolog ở PORTE.
Hình 4.19: Hình ảnh thực tế PIC 16F877A[15]
Truyền thông RS232
Ngày nay các thiết bị đo lường, điều khiển ... đều phải giao tiếp với máy tính để quan sát thông số và chế độ hoạt động của thiết bị như thế nào? Chuẩn giao tiếp được coi là đơn giản và dễ dùng đó là RS232. Hầu như các thiết bị đều được giao tiếp với
49
máy tính thông qua chuẩn này. Bài viết này sẽ nói về cơ bản chuẩn giao tiếp RS232: Tổng quan chung về RS232, Sơ đồ ghép nối, Giao diện phần mềm.
Vấn đề giao tiếp giữa PC và vi điều khiển rất quan trọng trong các ứng dụng điều khiển, đo lường... Ghép nối qua cổng nối tiếp RS232 là một trong những kỹ thuật được sử dụng rộng rãi để ghép nối các thiết bị ngoại vi với máy tính.Nó là một chuẩn giao tiếp nối tiếp dùng định dạng không đồng bộ, kết nối nhiều nhất là 2 thiết bị , chiều dài kết nối lớn nhất cho phép để đảm bảo dữ liệu là 12.5 đến 25.4m, tốc độ 20kbit/s đôi khi là tốc độ 115kbit/s với một số thiết bị đặc biệt. Ý nghĩa của chuẩn truyền thông nối tiếp nghĩa là trong một thời điểm chỉ có một bit được gửi đi dọc theo đường truyền.
Có hai phiên bản RS232 được lưu hành trong thời gian tương đối dài là RS232B và RS232C. Nhưng cho đến nay thì phiên bản RS232B cũ thì ít được dùng còn RS232C hiện vẫn được dùng và tồn tại thường được gọi là tên ngẵn gọn là chuẩn RS232.
Hình 4.20: IC Max232 và cổng COM
Các máy tính thường có 1 hoặc 2 cổng nối tiếp theo chuẩn RS232C được gọi là cổng Com. Chúng được dùng ghép nối cho chuột, modem, thiết bị đo lường... Trên main máy tính có loại 9 chân hoặc lại 25 chân tùy vào đời máy và main của máy tính. Việc thiết kế giao tiếp với cổng RS232 cũng tương đối dễ dàng, đặc biệt khi chọn chế độ hoạt động là không đồng bộ và tốc độ truyền dữ liệu thấp.
RS 232 sử dụng phương thức truyền thông không đối xứng, tức là sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch giữa một dây dẫn và đất. Do đó ngay từ đầu tiên ra đời nó đã mang vẻ lỗi thời của chuẩn TTL, nó vấn sử dụng các mức điện áp tương thích TTL để
50
mô tả các mức logic 0 và 1. Ngoài mức điện áp tiêu chuẩn cũng cố định các giá trị trở kháng tải được đấu vào bus của bộ phận và các trở kháng ra của bộ phát.
Mức điện áp của tiêu chuẩn RS232C ( chuẩn thường dùng bây giờ) được mô tả như sau:
- Mức logic 0 : +3V , +12V - Mức logic 1 : -12V, -3V
Các mức điện áp trong phạm vi từ -3V đến 3V là trạng thái chuyển tuyến. Chính vì từ - 3V tới 3V là phạm vi không được định nghĩa, trong trường hợp thay đổi giá trị logic từ thấp lên cao hoặc từ cao xuống thấp, một tín hiệu phải vượt qua quãng quá độ trong một thơì gian ngắn hợp lý. Điều này dẫn đến việc phải hạn chế về điện dung của các thiết bị tham gia và của cả đường truyền. Tốc độ truyền dẫn tối đa phụ thuộc vào chiều dài của dây dẫn. Đa số các hệ thống hiện nay chỉ hỗ trợ với tốc độ 19,2 kBd .
Ưu điểm của giao diện nối tiếp RS232
- Khả năng chống nhiễu của các cổng nối tiếp ca
- Thiết bị ngoại vi có thể tháo lắp ngay cả khi máy tính đang được cấp điện - Các mạch điện đơn giản có thể nhận được điện áp nguồn nuôi qua công nối tiếp
Giao diện phần mềm hiển thị
Phần mềm hiển thị được viết bằng ngôn ngữ C# trong phần mềm Visual Studio 2008 của Microsoft.
Giao diện hiển thị gồm thành phần chính: Thông tin bệnh nhân
Khung hiển thị sóng điện tim
Cài đặt kết nối máy với thiết bị ngoại vi Nút nhấn chọn chuyển đạo
51
Hình 4.21: Giao diện hiển thị sóng điện tim trên máy tính
Phần mềm đã vẽ đúng được tín hiệu điện tim thu được từ vi xử lý gửi tới. Phần mềm có khả năng quản lý và lưu dữ liệu cho bệnh nhân.
Ưu điểm:
- Giao diện đơn giản, dễ sử dụng cho các đối tượng
- Tạo dựng được một hệ thống cơ sở dữ liệu khá đầy đủ và rất hữu ích cho lưu trữ và công tác chuẩn đoán bệnh.
Nhược điểm:
- Phần mềm còn sơ khai nên chưa có nhiều tính năng thuyết phục cho các nhu cầu chuyên biệt khác nhau.
52
4.3 Mạch in
53
54
55
56
CHƢƠNG 5 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
Luận văn đã chế tạo thành công một máy đo tín hiệu điện tim 12 đạo trình giao tiếp và hiển thị lên máy tính với giao diện được thiết kế bằng phần mềm C#.
Kết quả đồ án bao gồm:
Thiết bị đo tín hiệu điện tim va giao diện trên máy tính.
So sánh với tín hiệu trên máy điện tim NIHON KAI.
Đánh giá kết quả.
Mục tiêu cần giải quyết.
5.1 Thiết bị đo điện tim và giao diện trên máy tính
57
Hình 5.2. Các điện cực chi
58
Hình 5.4. Cáp dẫn
59
5.2 So sánhtín hiệu điện tim của tác giả với tín hiệu điện tim chuẩn.
Hình 5.6:Tín hiệu điện tim của tác giả
60
5.3 Kết quả điện tim của một số bệnh nhân
Trong quá trình làm Luận văn, học viên đã thực hiện nghiên cứu ảnh hưởng của bệnh động mạch vành lên tín hiệu điện tim thông qua các kết quả đo thực tế tại Bệnh viên Trung ương Huế. Các kết quả này được học viên sử dụng trong quá trình căn chỉnh hệ thống máy đo điện tim của nhóm nghiên cứu.
Bệnh nhân: Nguyễn Ngọc A. Tuổi: 74 Kiểm tra ECG ngày 14/04/2015
Kêt quả điện tim Sau khi nông mạch vành, ngày 16/04/2015
61
s Kết quả điện tim
Bệnh nhân: Lê Văn B. Tuổi: 49