Sơ đồ khối PIC16F887: Đây là vi điều khiển thuộc họ PIC 16Fxxx (40 chân) với tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài 14 bit. Mỗi lệnh đều được thực thi trong một chu kì xung clock. Tần số hoạt động tối đa là 20 MHz với một chu kì lệnh là 200ns. Bộ nhớ chương trình 8K Flash ROM, bộ nhớ dữ liệu 368 bytes RAM và bộ nhớ dữ liệu EEPROM với dung lượng 256 bytes. Số Port In/Out (I/O) là 5 Port (A, B, C, D, E) với 33 chân I/O với tín hiệu điều khiển độc lập.
CHƢƠNG II: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 23
CHƢƠNG II: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 24
Chức năng các khối bên trong PIC16F887:
Timer0: Bộ đếm 8 bit.
Timer1: Bộ đếm 16 bit với bộ chia tần số, có thể hoạt động trong cả chế độ tiết kiệm năng lượng (sleep mode) với nguồn xung clock ngoài.
Timer2: Bộ đếm 8 bit.
2 bộ Capture/Compare/PWM.
1 bộ biến đổi A/D 10 bit, 8 ngõ vào.
2 bộ so sánh tương tự (Compartor).
1 bộ định thời giám sát (Watchdog Timer).
15 nguồn ngắt (Interrupts).
Cổng giao tiếp song song PSP (Parallel Slave Port) với các chân điều khiển RD, WR, CS ở bên ngoài.
Các chuẩn giao tiếp nối tiếp SSP (Synchronous Serial Port), SPI và I2C.
Chuẩn giao tiếp nối tiếp USART với 9 bit địa chỉ.
Nạp được chương trình ngay trên mạch điện ICSP (In Circuit Serial Programming) thông qua 2 chân.
2.5.3Bộ biến đổi tương tự sang số:
Bộ chuyển đổi tương tự-số có 5 ngõ vào đối với thiết bị 28 chân và 8 đối với các thiết bị khác. Ngõ vào tương tự được lấy mẫu, ngõ ra của mẫu được đặt vào bộ biến đổi. Bộ biến đổi phát một giá trị nhị phân tương ứng với ngõ vào tương tự. Giá trị tương tự được bộ biến đổi cho một kết quả số tương ứng với 10 bit nhị phân. Bộ biến đổi có các thế ngưỡng cao và thấp đặt vào mà phần mềm có thể lựa chọn trên chân RA2, RA3.
Bộ biến đổi A/D có đặc điểm duy nhất là hoạt động có thể hoạt động trong khi thiết bị đang ở chế độ nghỉ.
CHƢƠNG II: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 25 Bộ biến đổi A/D có 4 thanh ghi:
Thanh ghi kết quả cao (ADRESH).
Thanh ghi kết quả thấp (ADRESL).
Thanh ghi điều khiển 0 (ADCON0).
Thanh ghi điều khiển 1 (ADCON1).
Sau đây là các bước được yêu cầu trước khi làm việc với bộ biến đổi A/D:
Cấu hình cho bộ biến đổi:
o Cấu hình cho thanh ghi ADCON1.
o Chọn kênh tương tự đặt vào bộ biến đổi.
o Chọn clock cho bộ biến đổi.
o Khởi động bộ biến đổi.
Cấu hình ngắt:
o Xóa cờ ngắt ADIF.
o Đặt cờ cho phép ngắt bộ biến đổi.
o Đặt cờ cho phép ngắt ngoại vi.
o Đặt cờ cho phép ngắt toàn cục.
2.5.4 Timer:
Timer là các module độc lập với CPU. Chức năng chính của các bộ Timer, là định thời (tạo ra một khoảng thời gian, đếm thời gian…) và đếm sự kiện. Trên các chip AVR, các bộ Timer cịn có thêm chức năng tạo ra các xung điều rộng PWM (Pulse Width Modulation), ở một số dòng AVR, một số Timer còn được dùng như các bộ canh chỉnh thời gian (calibration) trong các ứng dụng thời gian thực. Các bộ Timer được chia theo độ rộng thanh ghi chứa giá trị định thời hay giá trị đếm của chúng, cụ thể trên chip PIC 16F877A có 2 bộ Timer 8 bit (Timer 0 và Timer2) và 1 bộ 16 bit (Timer1). Chế độ hoạt động và phương pháp điều khiển của từng Timer cũng khơng hồn tồn giống nhau.
CHƢƠNG II: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 26
2.6 Tìm hiểu LCD:
2.6.1 Cấu tạo:
Cấu tạo:Màn hình tinh thể lỏng (Liquid Crystal Display) là loại thiết bị hiển thị cấu tạo bởi các tế bào (các điểm ảnh) chứa tinh thể lỏng có khả năng thay đổi tính phân cực của ánh sáng và do đó thay đổi cường độ ánh sáng truyền qua khi kết hợp với các kính lọc phân cực. Chúng có ưu điểm là phẳng, cho hình ảnh sáng, chân thật và tiết kiệm năng lượng.
CHƢƠNG II: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 27
2.6.2 Chức năng các chân:
Chân số Tên Chức năng
1 Vss Đất
2 VDD Cực + của nguồn điện
3 VEE Tương phản (constrast)
4 RS Register Select (chọn thanh ghi)
5 R/W Read/Write
6 E Enable (cho phép)
7 D0 Bit 0 của dữ liệu
8 D1 Bit 1 của dữ liệu
9 D2 Bit 2 của dữ liệu
10 D3 Bit 3 của dữ liệu
11 D4 Bit 4 của dữ liệu
12 D5 Bit 5 của dữ liệu
13 D6 Bit 6 của dữ liệu
14 D7 Bit 7 của dữ liệu
CHƢƠNG II: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 28
2.6.3Hiển Thị:
Để hiển thị các chữ cái và các con số chúng ta gửi các mã ASCII của các chữ cái từ A đến Z, a đến z và các số từ 0 – 9 đến các chân này khi bật RS=1.
Bảng 2.2 Mã ký tự chuẩn của LCD.
Điều khiển LCD qua các bước:
Bước 1: Khởi tạo cho LCD.
Bước 2: Gán các giá trị cho các bit điều khiển các chân RS, R/W, E cho phù hợp với các chế độ: hiển thị các ký tự lên LCD hay thực hiện một lệnh của LCD.
CHƢƠNG II: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 29
Bước 4: Kiểm tra cờ bận xem LCD sẵn sàng nhận dữ liệu mới chưa.
Bước 5: Quay vòng lại bước 1.
2.7 Tìm hiểu AD620: 2.7.1 Chức năng:
AD620 là IC khuếch đại vi sai cho 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 tử khuếch đại thuật toán nằm bên trong IC (được nối ra 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 0.6µV/ºC). Hệ số khuếch đại của AD620 được tính bằng cơng thức (1):
49.4 49.4 1 1 G G k k G R R G Với G: là độ lợi khuếch đại.
RG: là điện trở ngồi đặt giữa hai phần tử khuếch đại tht tốn.
2.7.2 Sơ đồ chân và chức năng các chân:
Hình 2.28 Sơ đồ chân AD620.
Chân 1 và chân 8 kết nối với điện trở để quyết định độ lợi khuếch đại. Chân 2 và chân 3 là hai ngõ vào trừ cộng của AD620.
Chân 4 và chân 7 là chân điện áp V- và V+.
CHƢƠNG II: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 30 Chân 5 là chân offset.
Chân 6 là ngõ ra của AD620.
2.8 Tìm hiểu OP07: 2.8.1 Chức năng: 2.8.1 Chức năng:
OP07 là IC được dùng để tạo nên các mạch lọc hay mạch khuếch đại, OP07 có phạm vi điện áp vào lớn (± 13 V), đầu vào có trở kháng cao tạo sự chính xác cao cho các mạch chức năng.
2.8.2 Sơ đồ chân và chức năng các chân:
Hình 2.29 Sơ đồ chân OP07.
Chân 2 và chân 3 là hai ngõ vào của OP07. Chân 4 là điện áp V-.
Chân 7 là điện áp V+. Chân 6 là ngõ ra.
CHƢƠNG III: PHƢƠNG PHÁP ĐO ĐẠC TÍN HIỆU ECG 31
CHƢƠNG III : PHƢƠNG PHÁP ĐO ĐẠC TÍN HIỆU ECG
Tín hiệu điện tim (đối với đạo trình Tay trái – Tay phải) có hình dạng chuẩn như hình vẽ sau:
Hình 3.1 Hình dạng và thơng số của tín hiệu điện tim thơng thƣờng [7].
Giá trị biên độ lớn nhất thuộc về sóng R (1.2-1.5mV) do đó để đưa về điện áp chuẩn qua ADC xử lý cần khuếch đại tín hiệu lên khoảng 1000-2000 lần. Chu kỳ của tín hiệu điện tim nằm trong khoảng 60-300BPM (tương ứng 1-5Hz), tuy nhiên dải tần cần quan tâm để xử lý tín hiệu điện tim là khoảng từ 0.1Hz-150Hz (theo quy ước thông dụng trong việc thu thập xử lý tín hiệu điện tim).
Hơn nữa,đặc điểm tín hiệu ECG có rất nhiều nhiễu. Các nhiễu chính ảnh hưởng đến chất lượng ghi tín hiệu điện tim là:
Nhiễu từ mạng cung cấp điện có tần số thay đổi ngẫu nhiên.
Nhiễu sóng cơ do bệnh nhân mất bình tĩnh khi đo gây ra.
Nhiễu do tiếp xúc không tốt giữa điện cực và bệnh nhân gây ra.
Nhiễu do tần số thấp gây trôi đường nền.
Nhiễu do tồn tại 2 nguồn tạo tín hiệu điện tim trong cùng một cơ thểnhư ghép tim hoặc do mang thai.
CHƢƠNG III: PHƢƠNG PHÁP ĐO ĐẠC TÍN HIỆU ECG 32 Do đó, sơ đồ khối của máy điện timECG được thiết kế như sau :
Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ thống điện tim.
3.1Mạch khuếch đại Vi sai:
Hình 3.3 Mạch khuếch đại vi sai.
Ta có phương trình điện áp ra (2): ECG input Khuếch Đại Thuật Tốn Lọc Thơng Cao Lọc Thông Thấp Lọc Nguồn 50hz Khếch Đại Ngõ Ra Ngõ Ra (2)
CHƢƠNG III: PHƢƠNG PHÁP ĐO ĐẠC TÍN HIỆU ECG 33 Với Vout: Điện áp ngõ ra mạch khuếch đại vi sai.
V1, V2: Điện áp ngõ vào mạch khuếch đại vi sai.
Như vậy nếu điện áp ngõ vào cổng thuận và cổng đảo bằng nhau thì điện áp ra có giá trị bằng 0, cịn nếu khác nhau thì sẽ có điện áp ngõ ra.Qua đây cho thấy ý nghĩa của khuếch đại vi sai là loại bỏ được nhiễu đồng pha và khuếch đại tín hiệu sai lệch ở đầu vào.Để khuếch đại tốt tín hiệu nhỏ như tín hiệu tim,chúng ta nên dùng các IC chuyên dụng.Hệ số khuếch đại phụ thuộc vào điện trở ngồi.Tìm hiểu vi mạch của AD620:
Hình 3.4 Cấu trúc vi mạch AD620.
AD620 là IC khuếch đại vi sai cho 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 tử khuếch đại thuật toán nằm bên trong IC (được nối ra ngồi qua chân 2 và chân 8). Dịng bias đầu vào tối đa là 1nA, đặc tính khuếch đại ít phụ thuộc vào nhiệt độ (điện áp offset tối đa 0.6µV/ºC). Hệ số khuếch đại của AD620 được tính bằng cơng thức (3):
CHƢƠNG III: PHƢƠNG PHÁP ĐO ĐẠC TÍN HIỆU ECG 34 49.4 49.4 1 1 G G k k G R R G Với G: là độ lợi khuếch đại.
RG: là điện trở ngoài đặt giữa hai phần tử khuếch đại thuât toán.
3.2 Mạch điều khiển chân phải :
Trong quá trình đo điện tim, tồn tại một điện áp Vc giữa điểm trung tính trên cơ thể người và điểm trung tính trên mạch đo. Điều này dẫn đến việc tín hiệu điện tim thu được bị lệch khỏi đường cơ sở. Để tránh hiện tượng trơi điểm khơng trong q trình đo điện tim người ta thường dùng một mạch điều khiển chân phải (nối với một điện cực gắn vào chân phải) để nhằm mục đích giảm điện áp chênh lệch Vc. Tuy nhiên nếu không đảm bảo được sự cách ly với điện kháng đủ lớn dịng điện chạy qua điện cực này có thể gây nguy hiểm tới người sử dụng.
Hình 3.5Mạch điều khiển chân phải.
Quan sát trên hình 3.5 ta thấy được điện thế giữa trung tính của mạch đo (Vo) và trung tính của người (Vc) của khuếch đại U1 (OP07) có quan hệ như phương trình (4):
1
C O d v v R i (4)
Với id là dòng điện chạy từ mạch đo vào chân phải. Mặt khác, ta lại có phương trình (5):
V0= - R3//R4R2 Vc=> Vc = R2+(R3//R4) iR1(R3//R4) d (5)
CHƢƠNG III: PHƢƠNG PHÁP ĐO ĐẠC TÍN HIỆU ECG 35 Do đó để giảm được điện áp chênh lệch Vc ta phải chọn lựa R1, R2, R3, R4 sao cho với id cho trước thì Vc phải nhỏ hơn mức quy định.
Theo tiêu chuẩn điện tim quy ước quốc tế dòng id thường ở mức nhỏ hơn 20µA (với dịng >5mA trong khoảng thời gian 200mS có thể gây sốc cho tim). Với những giá trị điện trở lựa chọn trên hình vẽ ta tính được: vC 47V. Khi đó chỉ cần bù sai lệch tĩnh tương ứng với 47V (hoặc bỏ qua nếu khơng cần thiết) thì tín hiệu điện tim thu được sẽ tránh được hiện tượng trôi điểm không khi đo. Tụ điện C1 mắc nối tiếp với R5 nhằm mục đích lọc nhiễu cao tần khi chạy qua mạch điều khiển chân phải.
3.3 Mạch lọc tích cực :
Do tín hiệu ECG rất bé,khoảng 1-1.5mv, rất nhỏ so với nhiễu điện lưới nên ta cần dùng bộ lọc có thể vừa lọc vừa khuếch đại. Hơn nữa mạch lọc tích cực hơn hẳn mạch lọc thụ động ở vùng tần số thấp như tín hiệu ECG ( từ 0.5-150Hz).
Bộ lọc tích cực bao gồm tổ hợp các điện trở, điện dung và một hay nhiều linh kiện tích cực (như opamp..) sử dụng hồi tiếp.Hiện nay bộ lọc tích cực vẫn được phát triển và đóng vai trị quan trọng trong công nghệ lọc.
Ta xem đáp hứng biên độ và tần số của một số loại mạch lọc:
Ta thấy mạch lọc Butterworth có đáp ứng biên tần phẳng, khơng bị gơn sóng gây sai dạng tín hiệu,và là mạch lọc được sử dụng nhiều nhất.
Mạch lọc Chebyshev đặc tuyến có gơn sóng trong dải thơng,độ dốc lớn hơn 20dB/1dec.
Mạch lọc Bessel có đặt tínhBiên độ - Tần số giảm dần từ miền thông sang miền chắn.
CHƢƠNG III: PHƢƠNG PHÁP ĐO ĐẠC TÍN HIỆU ECG 36
Hình 3.6 Đặc tính Biên độ - Tần số của 3 loại mạch lọc.
3.3.1 Mạch lọc thơng thấp :Mạch lọc sẽ cho tín hiệu có tần số nhỏ hơn tần số
cắt đi qua, cịn các tín hiệu có tần số lớn hơn tần số cắt sẽ bị suy giảm biên độ.
Mạch lọc thông thấp bậc 1:Độ dốc của đáp ứng biên độ là 20dB/dec.
CHƢƠNG III: PHƢƠNG PHÁP ĐO ĐẠC TÍN HIỆU ECG 37
Hình 3.8Mạch lọc thơng thấp bậc 1.
Với Uv: Điện áp ngõ vào mạch lọc. Ur: Điện áp ngõ ra mạch lọc.
Để xác định được tần số cắt trên của mạch lọc thông thấp bậc 1 ta tính theo cơng thức (6):
f1 =2πRC1 (6)
Với mạch lọc này có độ lợi là A=1.
Mạch lọc thông thấp bậc 2:Độ dốc của đáp ứng biên độ là 40dB/dec.
CHƢƠNG III: PHƢƠNG PHÁP ĐO ĐẠC TÍN HIỆU ECG 38 Với Vi: Điện áp ngõ vào mạch lọc.
Vo: Điện áp ngõ ra mạch lọc.
Tần số cắt của mạch Butterworth được xác định bởi công thức (7):
fc = 1
2π R₁R₂C₁C₂ (7)
3.3.2 Mạch lọc thông cao:
Mạch lọc thơng cao bậc 1:
Hình 3.10Mạch lọc thơng cao bậc 1.
Với Vi: Điện áp ngõ vào mạch lọc. Vo: Điện áp ngõ ra mạch lọc.
Tần số cắt của mạch lọc thông cao bậc 1 được xác định theo cơng thức (8) độ lợi khuếch đại được tính theo cơng thức (9):
CHƢƠNG III: PHƢƠNG PHÁP ĐO ĐẠC TÍN HIỆU ECG 39 A = 1+R2R3(9)
Mạch lọc thơng cao bậc 2 :
Hình 3.11Mạch lọc thơng cao bậc 2.
Với Vi: Điện áp ngõ vào mạch lọc. Vo: Điện áp ngõ ra mạch lọc.
Tần số cắt được xác định bởi công thức (10):
fc = 1
2π R₁R₂C₁C₂ (10)
3.3.3 Mạch lọc chắn dải :
Các dây dẫn lưới điện và các vật dẫn lưới điện đều sinh ra điện trường xung quanh nó. Điện trường sẽ tác động tới máy điện tim, dây điện cực và cơ thể bệnh nhân do điện áp lưới điện có tần số 50Hz nên điện trường do nó sinh ra cũng biến thiên theo tần số trên.Sự biến thiên này gây ảnh hưởng rất lớn đến sóng nhịp tim. Do đó ta cần dùng mạch lọc chắn dải. Mạch lọcchắn dải là tương ứng với mạch lọc
CHƢƠNG III: PHƢƠNG PHÁP ĐO ĐẠC TÍN HIỆU ECG 40 thông cao và thông thấp ghép song song với tần số của mạch lọc thông cao lớn hơn mạch lọc thơng thấp.
Hình 3.12Sơ đồ khối mạch lọc triệt dải.
Hình 3.13Sơ đồ mạch lọc triệt dải.
Với Vin: Điện áp ngõ vào mạch lọc. Vout: Điện áp ngõ ra mạch lọc.
Với R = R1 = R2 ; C = C1 = C2 ; C3 = 2C ; R3+R4 =R2 thì ta tính được tần số cắt theo cơng thức (11):
CHƢƠNG III: PHƢƠNG PHÁP ĐO ĐẠC TÍN HIỆU ECG 41 fc = 2πRC1 (11) 3.4 Mạch lọc thụ động: Là mạch chứa các phần tử thụ động ( R,L,C). Có hệ số truyền đạt K(w) < 1. 3.4.1 Mạch lọc thơng thấp: Hình 3.14 Lọc thơng thấp thụ động.
Với Vinput: Điện áp ngõ vào mạch lọc. Voutput: Điện áp ngõ ra mạch lọc.
Tần số cắt của mạch lọc thơng thấp thụ động bậc 1 được tính theo cơng thức (12):
fc = 2πRC1 (12)
CHƢƠNG III: PHƢƠNG PHÁP ĐO ĐẠC TÍN HIỆU ECG 42
Hình 3.15 Lọc thơng cao thụ động.
Với Vinput: Điện áp ngõ vào mạch lọc. Voutput: Điện áp ngõ ra mạch lọc.
Tần số cắt của mạch lọc thơng cao thụ động bậc 1 cũng được tính theo cơng thức (13):
fc = 2πRC1 (13)
3.4.3 Mạch lọc thơng dải:
Hình 3.16 Lọc thơng dải thụ động.
Với Vi: Điện áp ngõ vào mạch lọc.
Vi Vo
Lọc thông thấp
CHƢƠNG III: PHƢƠNG PHÁP ĐO ĐẠC TÍN HIỆU ECG 43 Vo: Điện áp ngõ ra mạch lọc.
Đặc điểm của mạch lọc thông dải:
Mạch lọc thông dải gồm mạch lọc thông thấp mắc nối tiếp với