Hình 2.17: Mạch ứng dụng TP4056
Khi có cắm nguồn sạc, TP4056 cấp năng lượng. Hiệu điện thế giữa chân Bat và GND là khoảng 4.2V. Ở điều kiện thường, DW01A nhận biết có nguồn sạc ở chân CS. Điều khiển cho OC và OD ở mức cao và xạc, xả Pin bình thường. Dòng sạc sẽ đi qua MOSFET OC và diode kí sinh của OD, dòng xả sẽ đi qua MOSFET OD và diode kí sinh OC. Lúc điện áp sạc quá cao, chân điều khiển sạc xuống mức LOW, lúc này sẽ ngắt sạc cho Pin. Lúc dòng xả cao hoặc điện áp Pin thấp hơn 2.4V, chân điều khiển xả OD sẽ xuống LOW và không cho phép xả pin, ngắt pin tạm thời.
Bảng 2.5: Bảng liên hệ dòng sạc và điện trở
Rprog (k) Ibat (mA)
Ngoài ra, để bảo vệ Pin và thiết bị hoạt động tốt hơn, trên mạch ứng dụng còn có NTC và cầu phân áp hai điện trở R1, R2. Khi nhiệt độ lên quá cao hoặc xuống quá thấp thì đèn sẽ báo và tự động ngắt sạc. Tuy nhiên vì để tiết kiệm chi phí và làm hệ thống đơn giản hơn, phần này không cần sử dụng.
Hình 2.18: Module nguồn có báo vệ Pin
Mạch nguồn này sẽ được kết hợp thành một module. Module này có hình như
hình 2.18. Module này xây dựng các ngõ vào, ngõ ra, kết nối với Pin ở các vị trí hợp lý.Ngoài ra còn sử dụng cổng Micro usb để lấy năng lượng sạc.
e. Thiết kế bộ lọc tín hiệu số
Tín hiệu điện tim mới vừa thu được thường không đạt chất lượng mong muốn vì có nhiễu làm ảnh hưởng. Nhiễu tín hiệu thường gặp là nhiễu cao tần và nhiễu DC.
Bộ lọc thông thấp để xử lý nhiễu cao tần. Tín hiệu điện tim đo ở ba đạo trình bằng ba cực có thông tin cần thiết trong khoảng tần số nhỏ hơn fc = 40Hz. Tần số lấy mẫu
điện tim fs = 125 Hz. Trong hệ thống này, bộ lọc thông thấp FIR được thiết kế bằng phương pháp cửa sổ (phân tích Fourier).
Đáp ứng ngõ ra y n của bộ lọc có dạng như phương trình (2.12) với hàm truyền h n ở
phương trình (2.13). K 1 y n h n x nh i x n i i 0 Trong đó w n h n hd n w n K 2
là hàm cửa sổ chiều dài K-1 với w n w K n ; h
(2.13)
có dạng như
công thức (2.15).
Chọn cửa sổ phù hợp phải nhờ vào As
khảo tài liệu, chọn cửa sổ Hamming với
độ suy hao dải chặn. Bằng phương pháp tham
0.54 w n h nsin nc dn 2 f f s 6.6 K (2.14) (2.15) (2.16) (2.17)
Tìm bậc K của bộ lọc bằng công thức (2.16). là độ rộng dải chuyển tiếp của
bộ lọc. Bằng phương pháp thực nghiệm, chọn tương ứng f = 2.6 Hz. Từ công thức (2.16) và công thức (2.17), K 161. Thay fs = 125 Hz, fc = 40Hz, K 161 vào công thức (2.13), sử dụng Matlab để cho ra kết quả các hệ số của bộ lọc thông thấp.
Thành phần DC được loại bỏ bằng bộ lọc Cascaded integrator–comb filter (CIC as a moving average filter). Bộ lọc này sẽ di chuyển tín hiệu có đường cơ sở bị dịch chuyển trở về mức 0v. Đáp ứng ngõ ra y n của bộ lọc CIC được thể hiện ở công thức(2.18). Hàm truyền của bộ lọc H z trên miền Z có dạng phương trình (2.19).
y n
H z 1
Bộ lọc CIC này có D là độ trễ vi sai. Tham khảo các các nghiên cứu khoa học, chọn D=5 là thích hợp trong hệ thống này.
Tính toán nhịp tim bằng phương pháp Đạo hàm bậc 1. Dữ liệu điện tim sau khi được qua hai bộ lọc sẽ đưa vào quá trình tính toán. Tín hiệu qua các bước tính toán sau: đạo hàm, lấy giá trị tuyệt đối, so sánh ngưỡng và cập nhật giá trị mới.
y n y n 1 y n 1
Th 0.7Max y n
(2.20) (2.21)
HR (2.22)
Đầu tiên, dữ liệu sẽ được tính đạo hàm bậc 1 theo công thức (2.20). Hai mẫu được chọn là hai mẫu cách nhau hai khoảng t . Phương pháp này gọi là central-difference. Ngưỡng so sánh sẽ được tính bằng giá trị đạo hàm lớn nhất tính được ở công thức (2.21). Nếu lần tính đạo hàm tiếp theo vượt ngưỡng M, sẽ được tính là một đỉnh, từ thời gian giữa hai đỉnh liên tiếp, nhịp tim HR sẽ được tính theo công thức (2.22).
Tính sai số của hệ thống
Để đánh giá tính ổn định và chính xác của hệ thống thử nghiệm với tín hiệu thực tế là điều cần thiết. Các đánh giá được đánh giá dựa trên các hình ảnh dạng sóng cũng như các số liệu được thu thập và tính toán dựa trên các công thức (2.23), (2.24), (2.25).
Công thức tính giá trị trung bình:
N X i X i 0
N
Công thức tính phương sai:
S Công thức tính độ lệch chuẩn: S Trong đó: (2.23) (2.24) (2.25)
X : giá trị trung bình của tập dữ liệu.
X i : giá trị thứ i trong tập dữ liệu.
S 2: Phương sai của tập dữ liệu.
S : Độ lệch chuẩn của tập dữ liệu.
f. Thiết kế khối trực tuyến và lưu trữ
Một phần rất quan trọng trong hệ thống này là truyền dữ liệu không dây và lưu trữ. Mọi thông tin cần phải được lưu trữ để có thể xem lại, đánh giá, kết luận sau này. Khối trực tuyến gửi dữ liệu lên để xem thông tin trên ứng dụng điện thoại. Dữ liệu thu được từ cảm biến có giá trị 24bit, sau khi qua các bộ lọc và tính toán nhịp tim sẽ được giảm độ phân giải mẫu còn 16bit để dễ dàng truyền và lưu trữ. Dữ liệu gửi từ cảm biến lên trên ứng dụng điện thoại sẽ theo từng gói. Độ dài mỗi khối là 32 mẫu điện tim và một dữ liệu nhịp tim.
Truyền dữ liệu dựa trên bộ giao thức TCP/IP (Internet Protocol Suite). Bộ giao thức này có tầng: Tầng ứng dụng - Application Layer, Tầng giao vận - Transport Layer, Tầng mạng - Internet Layer, Tầng liên kết - Link Layer. Lúc này điện thoại và thiết bị thu dữ liệu hoạt động chung mạng, gọi là Local network.
Tầng liên kết (Link Layer): cung cấp một giao tiếp với mạng vật lý, hệ thống sử dụng wireless để truyền dữ liệu.
Tầng mạng: (Internet layer). Cung cấp chức năng địa chỉ luận lý, độc lập phần cứng để dữ liệu có thể di chuyển giữa các mạng con có kiến trúc vật lý khác nhau. Hệ thống sử dụng giao thức định tuyến liên mạng (Internet Protocol) trong tầng này.
Tầng vận chuyển (Transport layer): Cung cấp chức năng điều khiển luồng, kiểm soát lỗi và các dịch vụ báo nhận liên mạng. Tầng này có hai giao thức chính là Transmission Control Protocol (TCP) và User Datagram Protocol (UDP). TCP giao nhận dữ liệu đảm bảo được chất lượng gói tin nhưng tốn thời gian, còn UDP thì ngược lại. Dữ liệu điện tim liên quan đến con người nên việc vận chuyển dữ liệu phải được đảm bảo. Do đó chọn chọn giao thức TCP hoạt động trong mô hình này. Mỗi gói tin giao thức TCP không quá 65535 byte.
Tầng ứng dụng (Application Layer): Cung cấp ứng dụng cho việc xử lý các tập tin hoặc truyền dữ liệu. Tầng này hỗ trợ các giao thức như: FTP, TELNET,
SMTP, HTTP … Dữ liệu điện tim sẽ được tạo thành gói, và để dễ dàng truyền nhận với phần cứng, hệ thống sử dụng HTTP để hoạt động.
Khối lưu trữ của hệ thống có thể truy cập được khắp mọi nơi. Các thông tin được đóng gói bởi khối truyền thông và được gửi lên cơ sở dữ liệu (Database). Giúp cho ứng dụng liên kết được với database, hệ thống sẽ dùng web.
Database được xây dựng trên Structured Query Language (SQL. Database trong hệ thống này được xây dựng mô hình dữ liệu quan hệ. Hệ quản trị cơ sở dữ liệu
(Database Management System) này là MySQL. Có hai bảng được tạo là bảng đăng nhập và bảng dữ liệu ECG. Truy vấn dữ liệu trong bảng đăng nhập để xác nhận quyền được hoạt động. Truy vấn dữ liệu trong bảng dữ liệu ECG để lưu dữ liệu đo hoặc đọc dữ liệu đo đã được ghi.
Web là công cụ trung gian giúp ứng dụng điện thoại liên kết và truy vấn dữ liệu từ MySQL. Tương tác dụng điện thoại với Web bao gồm các hoạt động: gửi dữ liệu lên (POST), lấy dữ liệu về (GET). Tương tác Web với MySQL gồm: kết nối MySQL, truy vấn đọc-ghi dữ liệu từ MySQL. Web sẽ được lập trình bằng PHP.
Server cung cấp hai dịch vụ là Database server và Web server. Databaser server dùng để lưu dữ liệu và Web server giúp điện thoại thông minh giao tiếp với Database server.
2.2.3. Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch
Từ những tính toán và thiết kế trên, sơ đồ nguyên lý toàn mạch được vẽ như
hình 2.19. Trong đó, khối (1) là khối cảm biến, khối (2) là khối hiển thị, khối (3) là khối viđiều khiển và khối (4) là khối nguồn.
Khối cảm biến (1) có IC chính là ADS1292R và IC chuyển đổi điện áp mức logic để giao tiếp với vi điều khiển. Truyền dữ liệu với vi điều khiển thông qua giao thức SPI. Giao thức này sử dụng các chân: MISO, MOSI, SCL, CS. Các chân START, DRDY, PWDN/RESET là các chân chức năng để điều khiển IC và báo sự kiện truyền nhận dữ liệu.
Khối hiển thị (2) hiển thị dữ liệu thu được và các thông tin cần thiết. IC SSD1306 đảm nhiệm nhận dữ liệu và hiển thị chúng trên Panel oled. Giao tiếp với vi điều khiển thông qua giao thức SPI. Sử dụng các chân D/C và CS để chọn chế độ ghi dữ liệu/lệnh và chọn ic giao tiếp.
Hình 2.19: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
Khối vi xử lý (3) là khối có vai trò tiếp nhận dữ liệu, xử lý dữ liệu và giao tiếp với các ngoại vi khác. Giao thức SPI trên ESP8266 Node MCU sử dụng các chân D5, D6, D7, D8 và các chân D0, D3, D4 tương ứng với các chân bên khối cảm biến. Giao thức SPI trên Node MCU còn dùng kết hợp các chân D1, D2 để giao tiếp và điều khiển khối hiển thị.
Khối (4) là khối nguồn, cung cấp năng lượng chính cho IC. Sử dụng nguồn sạc với IC TP4056 có chức năng tự ngắt nếu dòng sạc thấp hoặc tự ngắt dòng xả khi điện áp pin thấp. Pin lưu trữ năng lượng là loại LiPo có điện áp hoạt động bình thường là 3.7V và dung lượng 2000 mAh.
Chương 3. THI CÔNG HỆ THỐNG
3.1. GIỚI THIỆU
Hệ thống được thiết kế và tính toán phần cứng ở chương II được thi công. Mạch chính bao gồm một tấm kim loại có các đường mạch thiết kế sẵn trên một diện tính giới hạn để gắn linh kiện hoạt động thay vì nối dây. Các công đoạn thi công phần cứng bao gồm: Thi công mạch chính, lắp ráp và kiểm tra. Hệ thống bao gồm mạch chính và các ngoại vi khác kết nối với nhau để thực hiện nhiệm vụ đặt ra. Thi công hệ thống bao gồm: đóng gói bộ điều kiển, thi công mô hình. Các phần thi công sẽ được mô tả chi tiết ở dưới đây.
3.2. THI CÔNG HỆ THỐNG3.2.1. Thi công bo mạch 3.2.1. Thi công bo mạch
Để thi công được mạch của hệ thống, cần thiết kế bản mạch in. Vì linh kiện và mạch đơn giản nên hệ thống chỉ được thiết kế trên mạch một lớp. Hình 3.1 là hình thể hiện sơ đồ mạch in được thiết kế trên phần mềm Altium.
Hình 3.1: Sơ đồ mạch in
Để trực quan hơn trong việc thi công, sơ đồ bố trí linh kiện được tạo ra. Nhìn vào
hình 3.2, dễ dàng thấy được bên trái là ESP8266 Node MCU. Bên phải góc dưới là ADS1292R có ngõ vào là Jack cắm 3.5mm được quay ra mép phải để dễ dàng kết nối. Bên phải góc trên là mạch sạc TP4056 với ngõ vào Micro USB hướng ra mép phải để dễ dàng cắm nguồn lúc sạc.
Hình 3.2: Sơ đồ bố trí linh kiện
Từ những thiết kế ban đầu, có thể liệt kê được các linh kiện cần sử dụng trong
bảng 3.1 dưới đây.