Xem mẫu
- B GIÁO D C & ĐÀO T O
TR NG Đ I H C S PH M K THU T TP. H CHÍ MINH
KHOA ĐI N – ĐI N T
B MÔN ĐI N T CÔNG NGHI P – Y SINH
---------------------------------
Đ ÁN T T NGHI P
NGÀNH CÔNG NGH K THU T ĐI N T TRUY N THÔNG
Đ TÀI:
THI T K , MÔ PH NG B L C
NHI U TÍN HI U ĐI N TIM DÙNG
MATLAB VÀ CHUY N MÃ VHDL
GVHD: ThS. Nguy n Thanh Nghƿa
SVTH: Tr n Phan Ái M
MSSV: 14141200
Tp. H Chí Minh – 01/2019
- TR NG ĐH SPKT TP. H CHÍ MINH C NG HÒA XÃ H I CH NGHƾA VI T NAM
KHOA ĐI N-ĐI N T Đ C L P - T DO - H NH PHÚC
B MÔN ĐI N T CÔNG NGHI P – Y SINH ----o0o----
Tp. HCM, ngày 03 tháng 10 năm 2018
NHI M V Đ ÁN T T NGHI P
H tên sinh viên: Tr n Thanh Lâm MSSV: 14141160
Tr n Phan Ái Mỹ MSSV: 14141200
Chuyên ngành: Đi n t công nghi p Mã ngành: 14941
H đào t o: Đ i h c chính quy Mã h : K14941
Khóa: 2014 L p: 14941DT
I. TÊN Đ TÀI: THI T K , MÔ PH NG B L C NHI U TÍN HI U
ĐI N TIM DÙNG MATLAB VÀ CHUY N MÃ VHDL
II. NHI M V
1. Các s li u ban đ u:
- Tín hi u đi n tim ECG đ c thu th p trên Matlab
- S dụng bộ x lý chính là kit FPGA Altera – DE2-115.
2. Nội dung th c hi n:
- Tìm hiểu về các bộ l c thông th p, l c thông cao, l c thông d i.
- L a ch n ph n cứng, nghiên cứu, phân tích nguyên tắc ho t động của từng kh i
để xây d ng mô hình hoàn chỉnh cho h th ng.
- Thi t k và mô ph ng bộ l c tín hi u đi n tim trên Matlab và chuyển mã VHDL.
III. NGÀY GIAO NHI M V : 03/10/2018
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHI M V : 10/01/2019
V. H VÀ TÊN CÁN B H NG D N: ThS. Nguy n Thanh Nghĩa
CÁN B H NG D N BM. ĐI N T CÔNG NGHI P – Y SINH
Trang i
- TR NG ĐH SPKT TP. H CHÍ MINH C NG HÒA XÃ H I CH NGHƾA VI T NAM
KHOA ĐI N - ĐI N T Đ C L P - T DO - H NH PHÚC
B MÔN ĐI N T CÔNG NGHI P – Y SINH ----o0o----
Tp. HCM, ngày 05 tháng 10 năm 2018
L CH TRÌNH TH C HI N Đ ÁN T T NGHI P
H tên sinh viên 1: Tr n Thanh Lâm
L p: 14941DT MSSV: 14141160
H tên sinh viên 2: Tr n Phan Ái Mỹ
L p: 14941DT MSSV: 14141200
Tên đề tài: THI T K , MÔ PH NG B L C NHI U TÍN HI U
ĐI N TIM DÙNG MATLAB VÀ CHUY N MÃ VHDL
Tuần/ngày Nội dung Xác nhận GVHD
Tu n 1 Tìm ý t ởng cho đề tài, xây d ng đề
c ng, sắp x p lịch trình th c hi n đồ
03/10/2018 – 08/10/2018 án.
Tu n 2, 3, 4 Phân tích yêu c u h th ng, tìm hiểu
09/10/2018– 29/10/2018 c sở lý thuy t về tín hi u đi n tim, lý
thuy t về các bộ l c
Tu n 5, 6, 7
Tìm hiểu lý thuy t về kit FPGA
30/10/2018 – 19/11/2018 De2_115
Tu n 8 Xây d ng và phân tích s đồ kh i của
20/11/2018– 26/11/2018 h th ng.
Tu n 9, 10 Ti n hành l p trình, thi t k các bộ l c
27/11/2018 – 10/12/2018 trên FDATool của Matlab
Tu n 11, 12
Ti n hành mô ph ng, ch y th ho t
11/12/2018 – 24/12/2018 động của bộ l c và chỉnh s a các l i.
Tu n 14, 15
25/12/2018 – 10/01/2018 Vi t và hoàn thi n báo cáo
GV H NG D N
(Ký và ghi rõ h và tên)
Trang ii
- L I CAM ĐOAN
Đề tài này do nhóm chúng em th c hi n d a vào một s tài li u và công trình
nghiên cứu tr c đó và không sao chép từ tài li u hay công trình đã có tr c đó.
Ng i th c hi n đề tài
Tr n Thanh Lâm Tr n Phan Ái M
Trang iii
- L IC M N
L i đ u tiên, nhóm em xin g i l i c m n chân thành và sâu sắc nh t đ n Th y
Nguy n Thanh Nghĩa. Th y đã t n tình h ng d n, góp ý định h ng, t o m i điều ki n
cho nhóm em trong su t quá trình th c hi n đề tài t t nghi p.
Nhóm em xin chân thành c m n đ n t t c các th y cô Khoa Đi n – Đi n t ,
Tr ng Đ i H c S Ph m Kỹ Thu t Tp HCM, nh ng ki n thức và kinh nghi m quý báu
mà chúng em nh n đ c từ th y cô trong su t quá trình theo h c s là hành trang t t
nh t giúp chúng em v ng b c trong s nghi p của mình.
Nhóm em xin chân thành c m n Ban Giám Hi u Tr ng Đ i H c S Ph m Kỹ
Thu t Tp HCM đã t o điều ki n cho chúng em làm đồ án này.
Cu i cùng, chúng em xin g i nh ng l i tri ân đ n gia đình, b n bè, nh ng ng i
thân yêu nh t luôn quan tâm và t o điều ki n t t nh t cho chúng em trong su t quá trình
h c t p.
Trang iv
- M CL C
NHI M V Đ ÁN T T NGHI P ........................................................................... i
LỊCH TRÌNH TH C HI N Đ ÁN T T NGHI P ................................................. ii
L I CAM ĐOAN ...................................................................................................... iii
L I C M N ............................................................................................................ iv
M C L C .................................................................................................................. v
LI T KÊ HÌNH ......................................................................................................... ix
LI T KÊ B NG ........................................................................................................ xi
DANH M C CÁC TỪ VI T T T .......................................................................... xii
CH NG 1: T NG QUAN ...................................................................................... 1
1.1 Đ T V N Đ .................................................................................................. 1
1.2 M C TIÊU ....................................................................................................... 2
1.3 N I DUNG NGHIÊN CỨU ............................................................................. 2
1.4 GI I H N ........................................................................................................ 2
1.5 B C C ............................................................................................................ 2
CH NG 2: C S LÝ THUY T ........................................................................... 4
2.1 T NG QUAN V TÍN HI U ĐI N TIM ECG .............................................. 4
2.1.1 Khái ni m về tín hi u đi n tim ECG .......................................................... 4
2.1.2 C u trúc gi i ph u và chức năng của tim ................................................... 4
2.1.3 Nhịp tim ..................................................................................................... 6
2.1.4 Các quá trình đi n h c của tim................................................................... 6
2.1.5 Quá trình hình thành tín hi u đi n tim ....................................................... 6
2.1.5.1 Nhĩ đồ ................................................................................................. 6
2.1.5.2 Th t đồ ................................................................................................ 7
2.1.6 S hình thành các d ng sóng của tim ......................................................... 9
2.1.6.1 Tính d n truyền................................................................................... 9
2.1.6.2 Tính tr và các th i kì tr ................................................................... 9
2.1.6.3 Đi n tr ng của tim .......................................................................... 10
2.1.7 Các thành ph n của tín hi u đi n tim ECG .............................................. 10
2.1.8 Các d i t n trong tín hi u đi n tim ECG .................................................. 13
Trang v
- 2.1.9 Các ph ng pháp đo tín hi u ECG .......................................................... 14
2.1.9.1 Ph ng pháp Oscillometric .............................................................. 14
2.1.9.2 Ph ng pháp đi n tim đồ.................................................................. 14
2.1.9.3 Ph ng pháp h p thụ quang h c ...................................................... 15
2.1.10 Các lo i nhi u tác động đ n tín hi u đi n tim ........................................ 15
2.2 LÝ THUY T V TÍN HI U S VÀ B L C S ....................................... 17
2.2.1 T ng quan về tín hi u s .......................................................................... 17
2.2.2 H x lý s ............................................................................................... 19
2.2.2.1 Mô t h x lý s .............................................................................. 19
2.2.2.2 H x lý s đ quy và không đ quy ................................................ 22
2.2.3 T ng quan về bộ l c s ............................................................................ 22
2.3.3.1 Bộ l c thông th p LPF ...................................................................... 23
2.3.3.2 Bộ l c thông cao HPF....................................................................... 25
2.3.3.3 Bộ l c thông d i BPF ....................................................................... 25
2.3 T NG QUAN V CÔNG C MATLAB ...................................................... 25
2.3.1 Gi i thi u chung ....................................................................................... 25
2.3.2 L p trình trong matlab.............................................................................. 26
2.3.2.1 M-File ............................................................................................... 26
2.3.2.2 Một s câu l nh c b n ..................................................................... 30
2.3.3 Trình mô ph ng Simulink ........................................................................ 34
2.3.4 Công cụ thi t k bộ l c s FDATool của Matlab .................................... 38
2.3.4.1 Gi i thi u ph ng pháp thi t k theo mô hình ................................. 38
2.3.4.2 T ng quan về hộp công cụ thi t k bộ l c s (FDATool) ................ 39
2.3.4.3 Thi t k bộ l c s dụng giao di n FDATool .................................... 41
2.4 T NG QUAN V FPGA (ALTERA) VÀ PH N M M QUARTUS II ....... 45
2.4.1 Lịch s ra đ i và phát triển của FPGA .................................................... 45
2.4.2 Khái ni m FPGA ...................................................................................... 46
2.4.3 Ứng dụng FPGA ...................................................................................... 48
2.4.4 Ý nghĩa FPGA .......................................................................................... 48
2.4.5 Ph n mềm h tr thi t k Quatus II ......................................................... 49
2.5 T NG QUAN V KIT DE2 -115 ALTERA ................................................. 51
Trang vi
- 2.5.1 Gi i thi u.................................................................................................. 51
2.5.2 Kit DE2 Cyclone IV EP4CE115F29C7N ................................................ 52
2.5.3 C p nguồn cho kit DE2 ............................................................................ 55
2.6 GI I THI U NGÔN NG VHDL ................................................................ 55
2.6.1 Gi i thi u.................................................................................................. 55
2.6.2 C u trúc một mô hình h th ng mô t bằng VHDL ................................. 57
2.6.3 Cú pháp và ng nghĩa .............................................................................. 59
2.6.3.1 Đ i t ng trong VHDL .................................................................... 59
2.6.3.2 Kiểu d li u trong VHDL................................................................. 61
CH NG 3: THI T K VÀ THI CÔNG ............................................................... 62
3.1 GI I THI U ................................................................................................... 62
3.2 TÍNH TOÁN VÀ THI T K H TH NG .................................................... 62
3.2.1 Thi t k s đồ kh i h th ng .................................................................... 62
3.2.2 Tính toán và thi t k bộ l c d ng FIR ...................................................... 62
3.2.2.1 K t c u cho các kiểu l c t n s d ng FIR: ....................................... 62
3.2.2.2 C u hình t ng quát của bộ l c FIR ................................................... 68
3.2.3 Thi t k bộ l c s d ng FIR theo ph ng pháp MBD ............................. 69
3.2.3.1 Xây d ng s đồ kh i ........................................................................ 69
3.2.3.2 Thi t k , mô ph ng và chuyển mã VHDL ....................................... 70
3.3 THI CÔNG H TH NG ................................................................................ 80
3.3.1 Biên dịch ch ng trình trên Quartus II .................................................... 80
3.3.2 S đồ kh i trên Quartus ........................................................................... 83
3.3.3 Mô ph ng bộ l c dùng ModelSim ........................................................... 84
3.3.3.1 T ng quát về ph n mềm mô ph ng ModelSim ................................ 84
3.3.3.2 Mô ph ng m ch l c trên ModelSim ................................................. 85
3.3.4 Th nghi m và kiểm tra ........................................................................... 86
CH NG 4: K T QU - NH N XÉT - ĐÁNH GIÁ ........................................... 87
4.1 K T QU ....................................................................................................... 87
4.1.1 K t qu mô ph ng bộ l c trên Matlab ..................................................... 87
4.1.2 K t qu d ng sóng mô ph ng trên ModelSim ......................................... 99
4.2 NH N XÉT – ĐÁNH GIÁ ............................................................................ 99
Trang vii
- CH NG 5: K T LU N VÀ H NG PHÁT TRIỂN ....................................... 101
5.1 K T LU N ................................................................................................... 101
5.2 H NG PHÁT TRIỂN................................................................................ 101
TÀI LI U THAM KH O ...................................................................................... 102
PH L C ............................................................................................................... 103
Trang viii
- LI T KÊ HÌNH
Hình 2.1 C u t o tim ng i ............................................................................................. 4
Hình 2.2 H th ng d n truyền tim ...................................................................................5
Hình 2.3 Kh c c tâm nhĩ và s hình thành sóng P ........................................................7
Hình 2.4 Kh c c vách liên th t và s hình thành sóng Q ..............................................7
Hình 2.5 D ng sóng tín hi u đi n tim............................................................................10
Hình 2.6 Máy đó huy t áp kỹ thu t s s dụng Oscillometric ......................................14
Hình 2.7 Thu th p tín hi u ECG từ các đi n c c ..........................................................14
Hình 2.8 D ng sóng của b nh thi u máu cục bộ c tim ................................................17
Hình 2.9 S đồ kh i của h x lý s .............................................................................20
Hình 2.10 S đồ kh i của h x lý s phức t p ............................................................. 20
Hình 2.11 Ký hi u ph n t cộng ...................................................................................21
Hình 2.12 Ký hi u ph n t nhân ...................................................................................21
Hình 2.13 Ký hi u ph n t nhân v i hằng s ................................................................ 21
Hình 2.14 Ký hi u ph n t tr đ n vị ............................................................................22
Hình 2.15 S đồ kh i bộ l c thông th p d ng chính tắc ...............................................24
Hình 2.16 S đồ kh i bộ l c thông th p d ng chuyển vị ..............................................24
Hình 2.17 Giao di n trình mô ph ng Simulink ............................................................. 35
Hình 2.18 Kh i Sine Wave và thông s cài đ t ............................................................. 36
Hình 2.19 Kh i Scope và màn hình hiển thị .................................................................36
Hình 2.20 Kh i Random Source và thông s cài đ t ....................................................37
Hình 2.21 Kh i Sum và thông s cài đ t .......................................................................37
Hình 2.22 Kh i Gain và thông s cài đ t ......................................................................38
Hình 2.23 Giao di n thi t k của FDATool ..................................................................41
Hình 2.24 Thông s kỹ thu t bộ l c thông th p ............................................................ 43
Hình 2.25 Đáp tuy n biên độ_ t n s pha của bộ l c thông th p ..................................44
Hình 2.26 Chuyển thi t k trên FDATool sang mã VHDL...........................................45
Hình 2.27 Ki n trúc t ng quan của FPGA ....................................................................46
Hình 2.28 C u trúc SRAM FPGA (SRAM Logic Cell) ................................................47
Hình 2.29 C u trúc của OTP FPGA (OTP Logic Cell) .................................................47
Hình 2.30 Giao di n ph n mềm Quatus II .....................................................................50
Hình 2.31 Kit DE2-115 Altera ......................................................................................52
Hình 2.32 Adapter 9V- 1.3A .........................................................................................55
Hình 3.1 S đồ kh i của h th ng .................................................................................62
Hình 3.2 Đ c tính biên độ t n s của bộ l c thông th p lý t ởng .................................63
Hình 3.3 Đ c tính biên độ t n s của bộ l c thông cao lý t ởng ..................................65
Hình 3.4 Đ c tính biên độ t n s của bộ l c thông d i lý t ởng ...................................67
Hình 3.5 C u hình t ng quát của bộ l c FIR đáp ứng xung h u h n ............................ 68
Trang ix
- Hình 3.6 S đồ kh i chức năng của h th ng ................................................................ 69
Hình 3.7 Thông s của bộ l c thông th p d ng FIR......................................................70
Hình 3.8 Thông s của bộ l c thông cao d ng FIR .......................................................71
Hình 3.9 Thông s của bộ l c thông d i d ng FIR........................................................71
Hình 3.10 Ch n ch độ l c thông th p cho kh i mô ph ng ..........................................72
Hình 3.11 Kh i l c thông th p trong Simulink ............................................................. 72
Hình 3.12 Thi t l p mô ph ng l c nhi u thông th p ECG ............................................73
Hình 3.13 Ch n ch độ thông cao cho kh i mô ph ng .................................................74
Hình 3.14 Kh i l c thông cao trong Simulink .............................................................. 74
Hình 3.15 Thi t l p mô ph ng l c nhi u thông cao ECG .............................................75
Hình 3.16 Ch n ch độ thông d i cho kh i mô ph ng ..................................................76
Hình 3.17 Kh i l c thông cao trong Simulink .............................................................. 76
Hình 3.18 Thi t l p mô ph ng l c nhi u thông d i ECG ..............................................77
Hình 3.19 Thi t l p mô ph ng l c nhi u ng u nhiên thông th p ECG .........................78
Hình 3.20 Chuyển mã VHDL theo s đồ kh i .............................................................. 79
Hình 3.21 Cài đ t chuyển mã VHDL từ FDATool .......................................................80
Hình 3.22 Thao tác add file trong quartus .....................................................................81
Hình 3.23 Ch y kiểm tra l i Analysis & Synthesis .......................................................82
Hình 3.24 Biên dịch l i ch ng trình ............................................................................83
Hình 3.25 Giao di n v s đồ kh i ................................................................................83
Hình 3.26 V s đồ kh i trong Block Diagram............................................................. 84
Hình 3.27 Giao di n ph n mềm ModelSim version 6.5 ................................................85
Hình 3.28 Hộp tho i đ t tên project ModelSim ............................................................ 85
Hình 3.29 Hộp tho i add file cho project trong ModelSim ...........................................85
Hình 3.30 Biên dịch file mô ph ng thành công ............................................................ 86
Hình 3.31 Quá trình t i c u hình xu ng FPGA ............................................................. 86
Hình 4.1 Các d ng sóng của h th ng bộ l c thông th p tr ng h p 1 ........................87
Hình 4.2 Các d ng sóng của h th ng bộ l c thông th p tr ng h p 2 ........................88
Hình 4.3 Các d ng sóng của h th ng bộ l c thông th p tr ng h p 3 ........................89
Hình 4.4 Các d ng sóng của h th ng bộ l c thông th p tr ng h p 4 ........................89
Hình 4.5 Các d ng sóng của h th ng bộ l c thông cao tr ng h p 1..........................90
Hình 4.6 Các d ng sóng của h th ng bộ l c thông cao tr ng h p 3..........................91
Hình 4.7 Các d ng sóng của h th ng bộ l c thông cao tr ng h p 2..........................91
Hình 4.8 Các d ng sóng của h th ng bộ l c thông cao tr ng h p 4..........................92
Hình 4.9 Các d ng sóng của h th ng dùng bộ l c thông d i .......................................93
Hình 4.10 D ng sóng của h l c nhi u ng u nhiên dùng l c thông th p l n 1 .............94
Hình 4.11 Thi t l p mô ph ng l c nhi u ng u nhiên thông th p ECG có khu ch đ i ..94
Hình 4.12 D ng sóng của h l c nhi u ng u nhiên dùng l c thông th p l n 2 .............95
Hình 4.13 D ng sóng của h l c nhi u ng u nhiên dùng l c thông th p l n 3 .............95
Trang x
- Hình 4.14 Thi t l p mô ph ng l c nhi u ng u nhiên thông cao ECG có khu ch đ i ...96
Hình 4.15 D ng sóng của h l c nhi u ng u nhiên dùng l c thông th p l n 1 .............96
Hình 4.16 D ng sóng của h l c nhi u ng u nhiên dùng l c thông th p l n 2 .............97
Hình 4.17 Thi t l p mô ph ng l c nhi u ng u nhiên thông d i ECG có khu ch đ i ....97
Hình 4.18 D ng sóng của h l c nhi u ng u nhiên dùng l c thông d i l n 1 ...............98
Hình 4.19 D ng sóng của h l c nhi u ng u nhiên dùng l c thông d i l n 2 ...............98
Hình 4.20 D ng sóng mô ph ng trên ModelSim........................................................... 99
LI T KÊ B NG
Bảng 2.1 Cấu trúc của bộ lọc có đáp tuyến xung hữu hạn ...........................................40
Trang xi
- DANH M C CÁC T VI T T T
FPGA : Field – Program Gate Array
LPF : Low Pass Filter
HPF : High Pass Filter
BPF : Band Pass Filter
PLD : Programmable Logic Device
ASIC : Application-specific Integrated Circuit
GPIO : General Purpose Input Output
SPI : Serial Peripheral Interface
PWM : Pulse-width modulation
IFT : Interfacial Tension
DSP : Digital signal processing
Trang xii
- CH NG 1. T NG QUAN
CH NG 1: T NG QUAN
1.1 ĐẶT V N Đ
X lý tín hi u s (Digital Dignal Processing – DSP), hay t ng quát h n là x lý tín
hi u r i r c theo th i gian (Discrete-Time Signal Processing), là vi c x lý một tín hi u
vào b t kỳ để thu đ c tín hi u ra mong mu n, nhằm đ t mục đích nh t định. X lý tín
hi u ngày càng đóng vai trò quan tr ng trong nhiều ngành khoa h c và kỹ thu t, là động
l c thúc đ y s ti n bộ của nhiều ngành kỹ thu t cao nh : vi n thông, đa ph ng ti n,
cũng nh góp ph n quan tr ng trong các lĩnh v c khác nh quân s , y h c, … Cùng v i
s bùng n của ngành công nghi p đi n t hi n nay, công ngh x lý tín hi u s DSP
cũng bùng n nhanh chóng và r t phát triển. Có thể nói, x lý tín hi u s là nền t ng cho
m i lĩnh v c và ch a có s biểu hi n bão hòa trong s phát triển của nó, v y nên, ngày
nay, có nhiều ph n mềm (Matlab, Scilab, …) cũng nh ph n cứng (PC, Vi điều khiển,
Arduino, FPGA, …) đ c dùng để x lý tín hi u s [1].
Công ngh FPGA (Field – Program Gate Array) là vi m ch dùng c u trúc m ng
ph n t logic mà ng i dùng có thể l p trình đ c. FPGA chứa các logic cells th c hi n
các m ch logic đ c k t n i v i nhau bởi ma tr n k t n i và chuyển m ch l p trình đ c.
Thi t k hay l p trình cho FPGA đ c th c hi n chủ y u bằng các ngôn ng mô t ph n
cứng HDL, VHDL, VERILOG, … FPGA đ c xem nh một lo i vi m ch bán d n có
nhiều u điểm h n hẳn các lo i bán d n xu t hi n tr c đó nh có tính linh động đ i
v i ng i dùng, giúp phát triển các gi i pháp t t h n mà không phụ thuộc vào ph n cứng
của nhà s n xu t, ngoài ra, FPGA còn có thể tái c u trúc l i khi đang s dụng: ngoài kh
năng tái c u trúc vi m ch toàn cục, một s FPGA hi n đ i còn h tr tái c u trúc cục bộ,
tức kh năng tái c u trúc một bộ ph n riêng lẻ trong khi v n đ m b o ho t động bình
th ng cho các bộ ph n khác, công đo n thi t k đ n gi n, do v y chi phí gi m, rút ngắn
th i gian [1-2].
Tr c đó, đã có một s đề tài nghiên cứu về X lý tín hi u s dùng FPGA nh :
“Thi t k bộ l c tín hi u s trên công ngh FPGA v i công cụ Matlab và EDA của
XILINX” [3], “Thi t k trên FPGA để lo i ồn cho tín hi u ECG nh bi n đ i sóng con”
[4], “Thi t k bộ l c s trên dsPIC ứng dụng trong vi c x lý đi n tâm đồ” [5]. Cụ thể,
đề tài [3] dùng Matlab để thi t k bộ l c tín hi u s d ng FIR, dùng kit FPGA của hãng
B MÔN ĐI N T CÔNG NGHI P – Y SINH Trang 1
- CH NG 1. T NG QUAN
Xilinx và ngôn ng VHDL để x lý tín hi u s . Công trình [4] dùng phép bi n đ i
wavelet r i r c (Discrete Wavelet Transform – DWT) để x lý tín hi u ECG, theo th i
gian th c, trên nền FPGA hãng Xilinx. Bên c nh đó, vi c s dụng Vi x lý
dsPIC30F3012 để thi t k bộ l c thông th p và l c thông ch n nhằm l c nhi u cho tín
hi u ECG cũng đã đ c nghiên cứu trong đề tài [5].
Từ nh ng c sở lý thuy t đã tìm hiểu và nh ng công trình nghiên cứu tr c đó, thêm
vào đó là nhu c u về l c nhi u tín hi u ECG, nhóm quy t định ch n đề tài: “THI T K ,
MÔ PH NG B L C NHI U TÍN HI U ĐI N TIM DÙNG MATLAB VÀ CHUYỂN
MÃ VHDL”.
1.2 M C TIÊU
Xây d ng một bộ l c s trên nền t ng FPGA để l c nhi u tín hi u đi n tim ECG
nhằm đem l i tín hi u xác th c nhằm h tr t t h n cho vi c khám ch a b nh. Trong
đó, FPGA đ c xem nh là ph n cứng v i chức năng th c thi bộ l c nhi u cho tín hi u
đi n tim, còn Matlab đ c s dụng nh một công cụ để thi t k và mô ph ng bộ l c
nhằm đánh giá kh năng th c hi n trong th c t .
1.3 N I DUNG NGHIÊN C U
• N I DUNG 1: Nghiên cứu t ng quan về FPGA, ngôn ng VHDL, tín hi u ECG,
các bộ l c thông cao, thông th p, thông d i.
• N I DUNG 2: Nghiên cứu về kit FPGA Altera – DE2-115.
• N I DUNG 3: Thi t k bộ l c và mô ph ng trên Matlab.
• N I DUNG 4: Mô ph ng và th c thi bộ l c trên kit FPGA Altera – DE2-115.
• N I DUNG 5: Ch y th nghi m h th ng.
• N I DUNG 6: Chỉnh s a các l i l p trình và l i của các thi t bị.
• N I DUNG 7: Vi t lu n văn.
• N I DUNG 8: Báo cáo đề tài t t nghi p.
1.4 GI I H N
• Thi t k bộ l c thông th p, thông cao và thông d i cho tín hi u ECG.
• Kho ng t n s bộ l c dao động từ 50–120Hz.
• Nền t ng ph n cứng th c thi bộ l c dùng kit FPGA Altera – DE2-115.
1.5 B C C
B MÔN ĐI N T CÔNG NGHI P – Y SINH Trang 2
- CH NG 1. T NG QUAN
• Ch ng 1: T ng Quan
Ch ng này trình bày đ t v n đề d n nh p lý do ch n đề tài, mục tiêu, nội dung
nghiên cứu, các gi i h n thông s và b cục đồ án.
• Ch ng 2: C Sở Lý Thuy t
Ch ng này gi i thi u các lý thuy t liên quan, các linh ki n, thi t bị, ph n cứng
s dụng thi t k .
• Ch ng 3: Thi t k và thi công h th ng
Ch ng này tính toán thi t k h th ng, thi t k s đồ kh i, chức năng từng kh i
và th c thi ch ng trình trên FPGA.
• Ch ng 4: K t Qu , Nh n Xét, Đánh Giá
Ch ng này nêu k t qu đã đ t đ c, nh n xét đánh giá h th ng.
• Ch ng 5: K t Lu n và H ng Phát Triển
Ch ng này trình bày nh ng gì đã đ t đ c và ch a đ t đ c so v i mục tiêu
ban đ u, nêu h ng phát triển.
B MÔN ĐI N T CÔNG NGHI P – Y SINH Trang 3
- CH NG 2. C S LÝ THUY T
CH NG 2: C S LÝ THUY T
2.1 T NG QUAN V TÍN HI U ĐI N TIM ECG
2.1.1 Khái ni m v tín hi u đi n tim ECG
Một trong các tín hi u đi n sinh h c quan tr ng và kinh điển nh t ứng dụng trong
vi c ch n đoán và điều trị b nh là tín hi u đi n tim đồ (hay còn g i là đi n tâm đồ, ti ng
Anh: Electrocardiogram hay th ng g i tắt là ECG hay EKG).
ECG là tín hi u đi n thu đ c từ các đi n c c gắn lên c thể ng i để đo các ho t
động của tim ng i. Khi tim đ p tác dụng lên các đi n c c t o ra các xung đi n. Thông
th ng các xung đi n này r t nh do đó c n ph i khu ch đ i lên rồi m i đ c x lí. Tín
hi u đi n tim đ c đ c tr ng bởi các d ng sóng đ c ký hi u P, Q, R, S, T và U [2, 3].
Do trái tim trong h tu n hoàn là bộ ph n có c u t o hoàn toàn bằng c . M i khi
co l i trong quá trình b m máu, nó s t o ra một đi n tr ng sinh h c và truyền qua kh i
d n liên h p từ ng c, bụng t i bề m t da. Vì th , chúng ta có thể đo đ c s chênh l ch
đi n th sinh h c này từ b t kỳ 2 điểm nào trên bề m t da. Tín hi u thu đ ct im ic p
2 điểm này đ c g i là một đ o trình của tín hi u đi n tim đồ. Biên độ và d ng sóng của
tín hi u ECG phụ thuộc vào c p đi n c c đ c đ t ở đâu trên bề m t da của b nh nhân.
2.1.2 C u trúc gi i ph u và ch c năng c a tim
Hình 2.1 Cấu tạo tim người
Tim là một t chức c r ng gồm 4 buồng. Bên ngoài đ c bao b c bởi một túi s i
g i là bao tim, bên trong đ c c u t o bằng c tim có vách ngăn chia tim thành hai n a
B MÔN ĐI N T CÔNG NGHI P – Y SINH Trang 4
- CH NG 2. C S LÝ THUY T
riêng bi t g i là tim trái và tim ph i. Tim trái b m máu ra ngo i vi, còn tim ph i b m
máu lên ph i. M i n a tim l i đ c chia ra thành hai buồng, buồng trên là tâm nhĩ có
thành m ng làm nhi m vụ chứa máu, buồng d i là tâm th t có thành dày, kh i c l n
giúp cung c p l c đ y máu đi đ n các bộ ph n. Gi a tâm nhĩ và tâm th t có van nhĩ th t,
gi a tâm th t trái và động m ch chủ, tâm th t ph i và động m ch ph i có van bán nguy t.
Các van này đ m b o cho máu chỉ di chuyển theo một chiều từ tâm nhĩ xu ng tâm th t,
từ tâm th t xu ng động m ch chứ không cho đi ng c l i, nh v y đ m b o đ cs
tu n hoàn máu.
Ngoài ra, tim còn có một c u trúc đ c bi t th c hi n chức năng phát và d n
truyền xung đ c g i là h d n truyền. H th ng d n truyền gồm:
+ Nút xoang nhĩ (SAN): là nút t o nhịp cho toàn bộ trái tim, nằm ở c tâm nhĩ
ph i, phát xung v i t n s kho ng 120 l n/phút.
+ Các đ ng liên nút: nằm ở gi a nút xoang nhĩ và nút nhĩ th t, th c hi n chức
năng d n truyền các xung động gi a nút xoang nhĩ và nút nhĩ th t.
+ Nút nhĩ th t (AVN): nằm ở bên ph i vách liên nhĩ, gi nhi m vụ làm ch m d n
truyền tr c khi các xung động đ c truyền xu ng th t v i t n s kho ng 50-60
l n/phút.
+ Bó His: bắt đ u từ nút nhĩ th t đ n vách liên th t thì chia thành hai nhánh trái và
ph i ch y d i nội tâm m c hai th t để d n truyền xung động đ n hai th t, t i đây,
chúng phân nhánh thành m ng l i Purkinje ch y gi a các s i c tim giúp d n
truyền xung động xuyên qua các thành của th t. Bó His phát xung kho ng 30-40
l n/phút.
Hình 2.2 Hệ thống dẫn truyền tim
B MÔN ĐI N T CÔNG NGHI P – Y SINH Trang 5
- CH NG 2. C S LÝ THUY T
2.1.3 Nh p tim
Nhịp tim là s nhịp đ p của tim trên một đ n vị th i gian, th ng đ c tính bằng
s nhịp/phút. Nhịp tim có thể thay đ i theo nhu c u h p thụ Oxi và bài ti t CO2 của c
thể, ví dụ nh lúc t p thể dục và lúc ngủ.
Tim là t chức c r ng, t i đó s co bóp một cách tu n t các c s t o ra áp l c
đ y máu đi qua các bộ ph n khác nhau trên c thể. M i nhịp tim đ c kích thích bởi
xung đi n từ các t bào nút xoang t i tâm nhĩ. Các xung đi n truyền đ n các bộ ph n
khác của tim và làm cho tim co bóp. Vi c ghi tín hi u đi n tim là ghi l i các tín hi u
đi n này (tín hi u ECG).
2.1.4 Các quá trình đi n h c c a tim
Năng l ng chuyển hóa đ c s dụng để t o ra môi tr ng trong giàu Kali nh ng
ít Natri so v i thành ph n ngo i bào Natri cao và Kali th p. Do có s không cân bằng
tồn t i đi n th tĩnh trên màng t bào, bên trong chừng 90mV so v i bên ngoài. Khi t
bào bị kích thích (bằng cách cho dòng đi n v n làm tăng t m th i th ngang màng), các
tính ch t của màng thay đ i theo chu trình, pha thứ nh t của nó là độ th m m nh đ i v i
Natri, dòng Natri l n (s m) ch y vào trong do các gradient khu ch tán và đi n.
Dòng ch y t o ra dòng đi n. Trong khi di chuyển ti p, t bào về c b n có tính
ch t nh nguồn l ỡng c c đi n. Dòng Natri chuyển ti p này chịu trách nhi m về dòng
m ch đi n nội t i và là một ph n của dòng đi n đó. Theo cách này, ho t động mở rộng
ti p t i các t bào lân c n. Khi màng hồi phục (trở về các tính ch t nghỉ), th tác động
của t bào k t thúc và nó trở l i tr ng thái nghỉ và có kh năng đ c tái kích thích. Nói
một cách ngắn g n khi có dòng Natri, Kali ch y qua màng tim thì có đi n th đ c sinh
ra.
2.1.5 Quá trình hình thành tín hi u đi n tim
2.1.5.1 Nhƿ đ
Tim ho t động đ c nh vào một xung động truyền qua một h th ng th n
kinh t kích của tim. Đ u tiên, nút xoang nhĩ s phát xung t động, xung động t a
ra làm c nhĩ kh c c tr c. Sóng kh c c có h ng chung là từ trên xu ng d i,
từ ph i sang trái và h p v i ph ng ngang một góc 490. Đ t sóng này đ c máy
ghi đi n tim ghi l i v i d ng một sóng d ng, đ n, th p, nh và có biên độ kho ng
0,25mV g i là sóng P (hình 2.3)
B MÔN ĐI N T CÔNG NGHI P – Y SINH Trang 6
- CH NG 2. C S LÝ THUY T
Hình 2.3 Khử cực tâm nhĩ và sự hình thành sóng P
2.1.5.2 Th t đ
Ngay khi nhĩ còn đang kh c c thì xung động đã bắt đ u truyền vào nút nhĩ
th t xu ng th t và hai nhánh bó His xu ng kh c c th t. Sóng kh c c h ng từ
gi a m t trái đi xuyên qua m t ph i của vách liên th t. Máy s ghi nh n đ c một
sóng âm nh , g n g i là sóng Q (hình 2.4).
Hình 2.4 Khử cực vách liên thất và sự hình thành sóng Q
Xung ti p tục truyền xu ng và ti n hành kh c c đồng th i c hai tâm th t theo
h ng xuyên qua bề m t dày c tim, từ d i nội tâm m c ra d i th ng tâm m c. Véc-
t kh c c h ng từ ph i sang trái và máy ghi nh n đ c một làn sóng d ng, cao và
nh n g i là sóng R. Sau cùng, xung động truyền xu ng và kh c c vùng đáy th t. Véc-
t kh c c h ng từ trái sang ph i, máy s ghi nh n đ c một sóng âm, nh và nh n
B MÔN ĐI N T CÔNG NGHI P – Y SINH Trang 7
nguon tai.lieu . vn