Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế, mô phỏng bộ lọc nhiễu tín hiệu điện tim dùng Matlab và chuyển mã VHDL

Chia sẻ: Xylitol Extra | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:126

Thêm vào BST

Báo xấu

93
lượt xem 21
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Xây dựng một bộ lọc trên nền tảng FPGA để lọc nhiễu tín hiệu điện tim ECG nhằm đem lại tín hiệu xác thực nhằm hỗ trợ tốt hơn cho việc khám chữa bệnh. Trong đó, FPGA được xem như là phần cứng với chức năng thực thi bộ lọc nhiễu cho tín hiệu điện tim, còn Matlab đựӧc sử dụng như một công cụ để thiết kế và mô phỏng bộ lọc nhằm đánh giá khả năng thực hiện trong thực tế.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế, mô phỏng bộ lọc nhiễu tín hiệu điện tim dùng Matlab và chuyển mã VHDL

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