Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011
Sử Dụng Công Nghệ FPAA và PSoC Trong Thiết Kế Mạch Thu Thập và
Xử Lý Tín Hiệu Điện Tim
Application of FPAA and PSoC Technologies in Implementing Devices for
Measuring and Processing ECG Signals
Trần Hoài Linh
1
, Nguyễn Bá Biền
1
, Phạm Văn Nam
1
, Nguyễn Đức Thảo
1,2
1
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội,
2
Trường Đại học Sao Đỏ
e-mail: [email protected]

Tóm tắt
Bài báo sẽ trình bày về thiết kế thiết bị đo điện tim sử
dụng công nghệ FPAA và PSoC. Nhờ vào khả năng
tích hợp chức năng lớn của PSoC và khả năng xây
dựng các bộ thu thập và tiền xử lý tín hiệu với các
tham số có thể lập trình mềm được của FPAA mà ta
có thể xây dựng được các thiết bị gọn nhẹ, thuận tiện
trong sử dụng. Hơn thế nữa các thông số của các bộ
lọc và khuếch đại trong FPAA có thể được điều chỉnh
“nóng” trong thời gian thiết bị vẫn làm việc. Khả

thước phần cứng.
Hiện nay trên thị trường đã có một số thiết bị đo
điện tim của một số hãng như trên hình 1. Hình 1a là
Portable ECG EKG Handheld HCG-801 Monitor của
Omron có khả năng đo nhịp đập và hiển thị hình dạng
tín hiệu điện tim trên LCD, có kết nối máy tính, có thẻ
nhớ SD với khả năng lưu trữ 300 lần đo (thời gian
mỗi lần đo là 30s) với giá thành là 310 USD. Hình 1b
là ECG Monitor Handheld của ReadMyHeart với khả
năng xác định nhịp đập, phát hiện được khoảng ST và
QRS, có thể kết nối máy tính để lưu trữ và phân tích
dữ liệu trên máy tính và giá thành khoảng 250USD.
Trên hình 1c là Portable CardioCare ECG với giá
thành khoảng 330USD, đo được một đường chuyển
đạo chính LA – RA, có khả năng xác định nhịp đập,
phát hiện được khoảng ST và QRS, có thẻ nhớ lưu lại
nhiều lần đo (30s/1 lần). Hình 1d là Portable
Handheld Real Time ECG Monitor InstantCheck có
khả năng đo một đường chuyển đạo chính LA – RA
và xác định nhịp đập, phát hiện được khoảng ST và
QRS, có thẻ nhớ lưu lại 100 lần đo (30s/1 lần), có thể
kết nối máy tính để truyền dữ liệu lên máy tính và có
phần mềm phân tích và lưu trữ dữ liệu đo trên máy
tính. Giá thành của thiết bị trên hình 1d khoảng 450
USD. (a)
(b)


để tiện cho người sử dụng lựa chọn, hay là các mạch
khuếch đại đo lường IOAMP (Instrumentaion
Operational Amplifier) hay các khối chức năng truyền
thông như I2C hay UART, Bên cạnh đó các chíp
PSoC còn được trang bị bộ nhớ Flash, bộ nhớ dạng
SRAM và nhiều cổng vào ra đa dụng – khả trình để
có thể đơn giản hóa tối qua quá trình thiết kế và xây
dựng mạch vi xử lý tín hiệu. Quan điểm xây dựng hệ
thống trên chíp PSoC có thể được tóm tắt như sau:
“Chíp đã có chứa sẵn nhiều mạch chức năng (cả tín
hiệu tương tự, cả tín hiệu số) và các khả năng ghép
nối hết sức linh hoạt giữa các khối chức năng đó.
Nhiệm vụ của người thiết kế là lựa chọn những khối
chức năng phù hợp với bài toán của mình và tiến
hành lập trình kết nối giữa những khối chức năng đó.
Việc lập trình kết nối này được thực hiện bằng phần
mềm và mạch nạp đi cùng với chíp PSoC nên xác suất
thành công và độ chính xác có thể nói là đạt tới
100%.”
Tương tự như vậy, trong lĩnh vực thiết kế điện tử
tương tự, người ta cũng cố gắng tìm ra các thực thể có
tính năng tương đương với PSoC nhằm giúp cho quá
trình thiết kế và chế tạo thiết bị analog trở nên đơn
giản hơn, đồng thời làm tăng tính linh hoạt và mềm
dẻo của thiết bị. Những cố gắng đó của các nhà chế
tạo vi mạch đã tạo ra một dòng sản phẩm FPAA, tức
là IC chứa sẵn mạng lưới các khối mạch điện tử tương
tự để người sử dụng có thể tự lựa chọn và lập trình
ghép nối chúng vào mạch đang thiết kế.
Việc sử dụng các IC dòng PSoC và FPAA cho

 Có khả năng kết nối trao đổi dữ liệu với máy tính.
Sơ đồ tổng thể các khối chức năng cơ bản của thiết
bị được trình bày trên hình 2.

H. 2 Sơ đồ khối của thiết bị

Trong sơ đồ thiết bị chức năng cụ thể từng khối là:
 Mạch thu thập-chuyển đổi-chuẩn hóa: bao gồm
điện cực và mạch đo với các khối lọc thông thấp,
thông cao, lọc chắn dải. Mạch thu thập còn có
nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu điện tim ở mức mV
lên một dải phù hợp để xử lý. Các chức năng này
đều có thể được thực hiện bởi IC FPAA.
 Vi xử lý trung tâm: Cũng do yêu cầu về tính nhỏ
gọn, đa chức năng mà lựa chọn khối xử lý trung
tâm là PSoC. Khả năng sử dụng các khối Analog
và Digital có khả năng tái cấu hình trong tài
nguyên của PSoC sẽ giúp giảm bớt gánh nặng
phần cứng phía bên ngoài vi xử lý. PSoC có thư
viện hỗ trợ hầu hết các khối chức năng quan trọng
như ADC, giao tiếp SPI, giao tiếp UART, LCD
 Màn hình: Lựa chọn hiển thị phù hợp trong
trường hợp thiết bị đo độc lập, có khả năng quan
sát hình dạng tín hiệu điện tim sẽ là màn hình
LCD đồ họa.
 Phím bấm: Được lựa chọn là phím bấm cảm ứng
để được tận dụng không gian trên bề mặt của
LCD để gắn tấm cảm ứng. Do đó khi sử dụng
thiết bị thì giao tiếp sẽ dễ dàng hơn, đồng thời
không làm tăng kích thước của thiết bị.

dụng thêm khối khuếch đại phụ nếu cần thiết. Dòng
chip lựa chọn trong thiết kế là AN221E04 (hình 5a)
của hãng Anadigm do IC AN221E04 có những tài
nguyên phù hợp với việc thiết kế bộ lọc cho tín hiệu
điện tim. H. 4 Sơ đồ mạch thu thập tín hiệu điện tim sử dụng
FPAA

Tất cả các thiết kế sau đây cho FPAA đều được
thực hiện rất thuận tiện trên phần mềm Anadigm
Designer tích hợp đi kèm theo IC. Người thiết kế chỉ
cần thực hiện các công việc sau:
 Lựa chọn chủng loại chip FPAA dựa trên tính
chất của ứng dụng.
 Chọn từ thư viện CAM các khâu chức năng
analog đã được lập sẵn, ví dụ như các mạch
khuếch đại, chỉnh lưu tích cực, lọc tích cực bậc
cao Người thiết kế chỉ cần xác định tham số cho
các khối được chọn. Ví dụ giao diện dùng để thiết
kế khối lọc và khuếch đại được thể hiện trên hình
6.
 Cấu hình sau khi thiết kế sẽ được xuất ra một file
mã hex và ghi xuống bộ nhớ của vi xử lý (hoặc hệ
số nói chung) để nạp cho FPAA mỗi khi khởi
động. Sơ đồ ghép nối cho trường hợp sử dụng vi
xử lý ngoài nạp cấu hình cho FPAA được giới
thiệu trên hình 6.


CAM Biquadratic Filter. Sử dụng Biquadratic
Filter làm khâu lọc thông thấp với tần số lấy mẫu
tín hiệu là 16kHz (bằng với tần số lấy mẫu của
khâu lọc thông cao), tần số cắt của khâu lọc cho
phép đặt trong dải từ 0,032kHz đến 1,6kHz. Bằng
cách thay đổi Quality Factor sẽ làm cho giới hạn
về tần số cắt và hệ số khuếch đại của khâu lọc
thay đổi. Với yêu cầu về tần số cắt của khâu lọc
thông cao cho tín hiệu điện tim là 150Hz ta đặt
Quality Factor là 5.
 Thiết kế khâu lọc chặn dải: Với những thiết bị
điện tim mini sử dụng nguồn một chiều thì sẽ ít bị
ảnh hưởng bởi nhiễu do nguồn điện xoay chiều
tạo ra. Tuy nhiên nếu thiết bị sử dụng với nguồn
cắm trực tiếp vào điện lưới hoặc các dây điện cực
cách ly kém thì cần thiết kế bộ lọc có khâu lọc
chặn dải cho tần số điện lưới. Bộ lọc chặn dải
được lựa chọn là bộ lọc Chebyshev. Công cụ
Anadigm Filter sẽ tính toán chất lượng của khâu
lọc và lượng tài nguyên của chip được sử dụng
cho khâu lọc đó. Trên cơ sở tài nguyên của
IC221E04 ta lựa chọn được các thông số sau:
 Pass Band Ripple = 3dB,
 Stop Band Attend = 30dB,
 Center Frequency = 50Hz,
 Stop Band Width = 2Hz.
 Tần số lấy mẫu của bộ lọc = 8kHz. H. 7 Sơ đồ thiết kế của mạch lọc và khuếch đại trên

Trên hình 8 là kết quả kiểm tra chất lượng hoạt
động của mạch lọc được thiết kế trong FPAA. Có thể
nhận thấy cho tín hiệu điện tim bị nhiễu các bộ lọc đã
hoạt động tốt.
H. 8 Kết quả chạy thử nghiệm các mạch lọc nhiễu cho tín
hiệu ECG trên Anadigm Designer: tín hiệu gốc
(trên) và tín hiệu sau khi lọc với các bộ lọc đã thiết
kế (dưới)

3.2. Khối vi xử lý
Khối vi xử lý trung tâm của thiết bị được lựa chọn là
PSoC (CY8C29566) có tới 16 khối Digital và 12 khối
Analog có khả năng cấu hình để trở thành các khối
chức năng phù hợp với yêu cầu của thiết kế. Các khối
chức năng được hỗ trợ đầy đủ bởi phần mềm PSoC
Designer 5 của hãng CYPRESS. CY8C29566 có 48
84
Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011
chân trong khi đó có tới 44 chân I/O như trên hình 9.
Mỗi chân IO này có khả năng kết nối tới một trong rất
nhiều các khối số và tương tự bên trong lõi PSoC.
Đặc điểm này giúp ích rất nhiều khi quy hoạch chân
để thiết kế mạch in. PSoC có bộ dao động nội tới
48MHz và có bộ chia tần số bên trong giúp cho các
khối chức năng bên trong PSoC có nhiều lựa chọn về

cộng 14 chân I/O. Hình 11 minh họa màn hình thực tế
đã lựa chọn.

H. 11 Màn hình graphic KS0108

3.4. Phím giao diện
Giao diện đầu vào qua các phím bấm là một trong
những giao diện cơ bản của các thiết bị. Để giảm kích
thước và trọng lượng của thiết bị, trong thiết kế ta sẽ
sử dụng màng cảm ứng điện trở để nhận phím bấm
của người sử dụng. Màng này có thể được tận dụng
đặt lên không gian phía trên của màn hình LCD.
Màng cảm ứng thực chất là hai màng điện trở được
đặt sát vào nhau. Khi có tác động nhấn tại một điểm
thì hai màng điện trở này dính với nhau và tạo thành
một hình sao điện trở. Hình dạng bên ngoài của màng
được minh họa trên hình 12.

H. 12 Màn hình cảm ứng điện trở dạng màng trong suốt
và các chân giao diện

Đo được các giá trị điện trở này ta sẽ suy ra được
tọa độ điểm nhấn và chuyển nó thành mã phím. Để
làm việc với touchpad yêu cầu phải có hai đầu vào
ADC và hai chân GPIO.

3.5. Khối lưu trữ
Đối với các thiết bị đo thì nhu cầu lưu trữ dữ liệu đo
được là rất quan trọng. Ở các thiết bị đo điện tim cổ
điển thì việc lưu trữ dữ liệu được thể hiện qua cơ cấu

CMOS sang RS232. Trên hình 14 là sơ đồ nguyên lý
ghép nối bên ngoài (14.a) giữa IC chuyển đổi mức
MAX232 và PSoC và các lựa chọn cấu hình mềm bên
trong PSoC được thực hiện trên phần mềm Cypress
PSoC Designer để cài đặt chức năng cho các chân I/O
(hình 14.b). (a)

(b)
H. 14 Ghép nối PSoC với IC truyền thông MAX232 (a) và
cấu hình bên trong của PSoC cho khối UART và hai
chân TX, RX (b)

3.7. Khối nguồn
Do mục đích thiết kế đặt ra là một thiết bị di động nên
ta sử dụng nguồn chính là các loại pin sạc nhiều lần.
Một trong những loại pin có sẵn trên thị trường là BL-
6C của hãng NOKIA. Pin BL-6C có điện áp làm việc
là 3.6÷3.75V và dung lượng là 1150mAh. Mạch có
các IC hoạt động với 2 mức điện áp là +5V và -5V.
Để chuyển đổi điện áp từ 3,7VDC sang +/-5VDC có
thể dùng IC ADP3607-5 (cho điện áp +5V) và IC
ADP3605 (cho điện áp -5V) với dòng cung cấp tối đa
của ADP3605 là 120mA còn của ADP3607-5 là
50mA, nếu cần dòng lớn hơn ta có thể dùng IC
ADP3000-5 (tới 400mA) với sơ đồ nguyên lý được
cho trên hình 15.


có thể được bước đầu giảm xuống khoảng 55USD.
Các chức năng đo, khuếch đại, hiển thị, lưu trữ và
truyền thông đã hoạt động tốt, đạt được các thông số
kỹ thuật theo như thiết kế.
Thiết bị đang được lên kế hoạch thử nghiệm thực
tế với sự đánh giá kiểm định của các bác sỹ chuyên
ngành về mặt chất lượng hoạt động đo tín hiệu ECG.

5. Kết luận và Hướng phát triển
Bài báo đã trình bày về một thiết kế mạch đo sử dụng
IC FPAA và PSoC. Nhờ vào khả năng tích hợp chức
năng lớn của các IC mà thiết bị khá nhỏ gọn. Đồng
thời các thông số của mạch có thể được điều chỉnh dễ
dàng mà không cần can thiệp lại tới phần cứng. Cần
nhấn mạnh rằng với thiết kế hiện tại thì các IC FPAA
và PSoC vẫn chưa phải sử dụng hết tài nguyên, vì vậy
nếu có nhu cầu thì thiết bị vẫn có thể tiếp tục được bổ
sung chức năng mà không cần thiết phải tăng kích
thước bên ngoài cũng như thay đổi lại đáng kể thiết kế
mạch.
Dự kiến có thể bổ sung các chức năng khác cho
thiết bị như: kết nối không dây với máy tính theo
chuẩn Wifi hoặc Bluetooth, kết nối mạng theo chuẩn
Ethernet,… Thiết bị có thể được dễ dàng ghép thêm
các khối tính toán chuyên dụng (như DSP, FPGA) để
bổ sung chức năng tự động phân tích và nhận dạng tín
hiệu ECG của bệnh nhân phục vụ cho cảnh báo
sớm,

Lời cảm ơn

Kỹ thuật điện năm 2000 (ĐHBK Vác-sa-va), bằng
Tiến sỹ khoa học chuyên ngành Kỹ thuật điện và
Trí tuệ nhân tạo năm 2005 (ĐHBK Vác-sa-va).
Năm 2007 được phong hàm Phó Giáo sư.
Hiện nay Trần Hoài Linh đang công tác tại Viện Điện, trường
ĐHBK Hà Nội. Các nghiên cứu chính của ông là ứng dụng trí tuệ
nhân tạo trong các giải pháp đo lường, điều khiển và tự động hóa,
các thiết bị đo thông minh, hệ chuyên gia. Phạm Văn Nam sinh năm 1981, tốt nghiệp
ĐHBK Hà Nội năm 2006 chuyên ngành Kỹ thuật
đo và Tin học công nghiệp, nhận bằng Thạc sỹ
chuyên ngành Đo lường và các hệ thống điều
khiển năm 2008 (ĐHBK Hà Nội).
Hiện nay Phạm Văn Nam đang công tác tại
Công ty TNHH Tin học & Điện tử Thăng Long.
Các nghiên cứu chính của ông là ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong các
giải pháp đo lường, điều khiển và tự động hóa, các thiết bị đo thông
minh. Nguyễn Bá Biền sinh năm 1986, tốt nghiệp
ĐHBK Hà Nội năm 2010 chuyên ngành Kỹ thuật
đo và Tin học công nghiệp (ĐHBK Hà Nội), và
đang là học viên cao học chuyên ngành Đo lường
và các hệ thống điều khiển (ĐHBK Hà Nội).
Hiện nay Nguyễn Bá Biền đang công tác tại
Công ty TNHH Sáng tạo & Phát triển Tự động hóa.
Chuyên môn nghiên cứu chính là thiết kế và tích hợp các hệ thống