Đang tải... (xem toàn văn)
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.
TR B GIÁO D C & ĐÀO T O 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 B NG ĐH SPKT TP H CHÍ MINH C NG HỊA XÃ H I CH NGHƾA VI T NAM KHOA ĐI N-ĐI N T Đ C L P - T DO - H NH PHÚC 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 Tr n Phan Ái Mỹ Chuyên ngành: Đi n t công nghi p H đào t o: Đ i h c quy Khóa: 2014 I TÊN Đ TÀI: MSSV: 14141160 MSSV: 14141200 Mã ngành: 14941 Mã h : K14941 L p: 14941DT 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 Các s li u ban đ u: - Tín hi u n tim ECG đ - S dụng bợ x lý kit FPGA Altera – DE2-115 c thu th p Matlab Nội dung th c hi n: - Tìm hiểu về 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 ngun tắc ho t đợng của từng kh i để xây d ng mô hình hoàn chỉnh cho h th ng - Thi t k mơ ph ng bợ l c tín hi u n tim Matlab 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 CÁN B H NG D N NG D N: ThS Nguy n Thanh Nghĩa BM ĐI N T CÔNG NGHI P – Y SINH Trang i TR B 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 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 H tên sinh viên 1: Tr n Thanh Lâm L p: 14941DT H tên sinh viên 2: Tr n Phan Ái Mỹ L p: 14941DT Tên đề tài: THI T K , MÔ PH NG B ÁN T T NGHI P MSSV: 14141160 MSSV: 14141200 L C NHI U TÍN HI U ĐI N TIM DÙNG MATLAB VÀ CHUY N MÃ VHDL Tuần/ngày Nội dung Xác nhận GVHD Tìm ý t ởng cho đề tài, xây d ng đề Tu n c ng, sắp x p lịch trình th c hi n đồ 03/10/2018 – 08/10/2018 án Tu n 2, 3, 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 n tim, lý thuy t về bộ l c Tu n 5, 6, Tìm hiểu lý thuy t về kit FPGA 30/10/2018 – 19/11/2018 De2_115 Tu n 20/11/2018– 26/11/2018 Xây d ng phân tích s đồ kh i của h th ng Tu n 9, 10 Ti n hành l p trình, thi t k bộ l c 27/11/2018 – 10/12/2018 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 chỉnh s a l i Tu n 14, 15 25/12/2018 – 10/01/2018 Vi t hoàn thi n báo cáo GV H NG D N (Ký ghi rõ h tên) Trang ii L I CAM ĐOAN Đề tài nhóm chúng em th c hi n d a vào một s tài li u công trình nghiên cứu tr c khơng chép từ tài li u hay cơng trình có tr Ng Tr n Thanh Lâm c i th c hi n đề tài 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 sâu sắc nh t đ n Th y Nguy n Thanh Nghĩa Th y t n tình h ng d n, góp ý định h ng, t o m i điều ki n cho nhóm em su t trình th c hi n đề tài t t nghi p Nhóm em xin chân thành c m n đ n t t c 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 kinh nghi m quý báu mà chúng em nh n đ c từ th y cô su t trình theo h c s hành trang t t nh t giúp chúng em v ng b c 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 t o điều ki n cho chúng em làm đồ án 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 quan tâm t o điều ki n t t nh t cho chúng em su t 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 Đ T V N Đ 1.2 M C TIÊU 1.3 N I DUNG NGHIÊN CỨU 1.4 GI I H N 1.5 B C C 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 về tín hi u n tim ECG 2.1.2 C u trúc gi i ph u chức của tim 2.1.3 Nhịp tim 2.1.4 Các trình n h c của tim 2.1.5 Quá trình hình thành tín hi u n tim 2.1.5.1 Nhĩ đồ 2.1.5.2 Th t đồ 2.1.6 S hình thành d ng sóng của tim 2.1.6.1 Tính d n truyền 2.1.6.2 Tính tr th i kì tr 2.1.6.3 Đi n tr ng của tim 10 2.1.7 Các thành ph n của tín hi u n tim ECG 10 2.1.8 Các d i t n tín hi u 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 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 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 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 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 đ i 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 VHDL 57 2.6.3 Cú pháp ng nghĩa 59 2.6.3.1 Đ i t ng VHDL 59 2.6.3.2 Kiểu d li u VHDL 61 CH NG 3: THI T K VÀ THI CÔNG 62 3.1 GI I THI U 62 3.2 TÍNH TỐN 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 tốn thi t k bợ l c d ng FIR 62 3.2.2.1 K t c u cho 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 chuyển mã VHDL 70 3.3 THI CÔNG H TH NG 80 3.3.1 Biên dịch ch ng trình Quartus II 80 3.3.2 S đồ kh i 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 ModelSim 85 3.3.4 Th nghi m 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 Matlab 87 4.1.2 K t qu d ng sóng mơ ph ng 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 Hình 2.2 H th ng d n truyền tim Hình 2.3 Kh c c tâm nhĩ s hình thành sóng P Hình 2.4 Kh c c vách liên th t s hình thành sóng Q Hình 2.5 D ng sóng tín hi u n tim 10 Hình 2.6 Máy huy t áp kỹ thu t s s dụng Oscillometric 14 Hình 2.7 Thu th p tín hi u ECG từ 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 đờ 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 s 21 Hình 2.14 Ký hi u ph n t tr đ n vị 22 Hình 2.15 S đờ kh i bợ l c thơng th p d ng tắc .24 Hình 2.16 S đờ kh i bợ 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 thông s cài đ t 36 Hình 2.19 Kh i Scope hình hiển thị 36 Hình 2.20 Kh i Random Source thông s cài đ t 37 Hình 2.21 Kh i Sum thông s cài đ t .37 Hình 2.22 Kh i Gain thông s cài đ t 38 Hình 2.23 Giao di n thi t k của FDATool 41 Hình 2.24 Thơng s kỹ thu t bợ l c thông th p 43 Hình 2.25 Đáp n biên đợ_ t n s pha của bộ l c thông th p 44 Hình 2.26 Chuyển thi t k 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 đợ 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 đợ 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 CH NG K T QU -NH N XÉT-ĐÁNH GIÁ Nhận xét: Nhìn vào d ng sóng của tín hi u đ u so v i d ng sóng của tín hi u đ u vào của bợ l c ta th y tín hi u đ u đáp ứng đ c u kỹ thu t đ c so v i yêu c đề cho bộ l c t t V y nên, thi t k hồn tồn có thể đ a vào để hi n th c hoá FPGA 4.1.2 K t qu d ng sóng mơ ph ng ModelSim Để ti n hành mô ph ng ModelSim, sau hồn thành b chủn sang ch đợ library d Trình mô ph ng đ c ở mục 3.3.3, i góc hình: click vào work → lowpass_tb c hi n Ch n h t t t c Objects → click chu t ph i → Add → To wave → Selected signals Hộp tho i mơ ph ng s hi n ra, sau ta ch n simulate → Run → Run all Ta s đ c hình d ng d ng sóng nh hình: Hình 4.20 Dạng sóng mơ ModelSim 4.2 NH N XÉT – ĐÁNH GIÁ Nhóm hồn thành vi c thi t k mô ph ng bợ l c cho tín hi u n tim Matlab chuyển sang mã VHDL để th c thi FPGA Tuy nhiên, thi t k nhóm g p khơng khó khăn vi c thi t k bợ l c nhi u cho tín hi u ECG bị nhi u bởi nhi u ng u nhiên Nh s h tr của th y, nhóm có thể thi t k bợ l c thơng th p, thơng cao thơng d i cho tín hi u ECG bị nh h ởng bởi nh ng tín hi u nhi u b t kỳ Nh v y, sau h n 15 tu n tìm hiểu tài li u chuyên môn, tài li u Internet v i s giúp đỡ t n tình của th y h THI CƠNG B ng d n, nhóm th c hi n đề tài: “THI T K VÀ L C NHI U TÍN HI U ĐI N TIM DÙNG CƠNG NGH FPGA” hồn thành xong mợt s chỉ tiêu đ t th i gian quy định v i nh ng nợi dung sau: B MƠN ĐI N T CÔNG NGHI P – Y SINH Trang 99 CH NG K T QU -NH N XÉT-ĐÁNH GIÁ + Nắm đ c ki n thức về tín hi u n tim ECG, bộ l c thông th p, thông cao thông d i + Nắm đ c ki n thức về thi t k nh mô ph ng bộ l c Matlab cách thức chuyển đ i thi t k bộ l c từ Matlab sang mã VHDL để th c thi kit FPGA + Nắm đ c ki n thức c b n về kit FPGA DE2–115 Altera có thể l p trình nh th c thi bộ l c kit + H th ng l c nhi u cho tín hi u ECG ho t đợng n định, cho tín hi u g n v i tín hi u ban đ u B MÔN ĐI N T CÔNG NGHI P – Y SINH Trang 100 CH NG K T LU N VÀ H CH NG PHÁT TRIỂN NG 5: K T LU N VÀ H NG PHÁT TRI N 5.1 K T LU N Sau th i gian nghiên cứu, tìm hiểu v i s giúp đỡ của th y Nguy n Thanh Nghĩa, nhóm hồn thành vi c thi t k mô ph ng bộ l c nhi u tín hi u n tim thơng qua bợ l c thông th p, thông cao thông d i xu t đ c mã VHDL Các bộ l c n p vào FPGA th i gian dài không phát sinh l i ho t đợng Tuy nhiên, th i gian có h n, nhóm v n ch a kịp hồn thành vi c k t n i th c t ph n cứng D đánh giá chung về u – nh - i c điểm của h th ng: u điểm của h th ng: + Tín hi u đ u t - Nh ng đ i chu n xác c điểm của h th ng: + Q trình x lý phức t p + Chi phí đắt 5.2 H NG PHÁT TRI N Trong đề tài này, nhóm th c hi n thi t k mô ph ng bộ l c nhi u tín hi u n tim ECG dùng cơng ngh Matlab xu t mã VHDL Để phát triển đề tài thêm n a, nhóm xin đề xu t ý t ởng sau: + Ti p tục nghiên cứu gi i pháp ph n cứng ph để đ a đ ng pháp x lí tín hi u n m i c h đo t i u + L c nhi u tín hi u khác cơng ngh FPGA ví dụ nh tín hi u n não để s dụng lĩnh v c y sinh – y t + Giám sát qu n lý tín hi u ECG sau đ c thu th p l c nhi u công ngh FPGA qua Internet + Thu th p l c nhi u tín hi u ECG l c nhi u FPGA ph ng thức trùn khơng dây B MƠN ĐI N T CƠNG NGHI P – Y SINH Trang 101 TÀI LI U THAM KH O TÀI LI U THAM KH O [1] Vũ Thị Hờng Xiêm, Cơng nghệ xử lý tín hiệu sớ DSP cơng nghệ FPGA, Khóa lu n t t nghi p, tr ng ĐH S ph m Hà Nội 2, Hà Nội, 2010 [2] Nguy n Văn Thông, Thử nghiệm thiết kế dao động ký sớ FPGA, Khóa lu n t t nghi p, tr ng ĐH Công ngh , Hà Nội, 2008 [3] Tr n Thanh S n, Thiết kế lọc tín hiệu sớ cơng nghệ FPGA với công cụ Matlab EDA XILINX, Lu n văn Th c sỹ Kỹ thu t, H c vi n Kỹ thu t Quân s , Hà Nội, 2008 [4] Nguy n Qu c Tu n, Tr n Quang Đ t, Thiết kế FPGA để loại ồn cho tín hiệu ECG nhờ biến đổi sóng con, T p chí Khoa h c ĐHQGHN, Tr ng Đ i h c Công ngh ĐHQGHN, Hà Nội, 2008 [5] Bùi Công Quân, Thiết kế lọc số dsPIC ứng dụng việc xử lý điện tâm đồ, Khóa lu n T t nghi p, tr ng ĐH Công Ngh , Hà Nội, 2013 [6] Bộ môn n t công nghi p – y sinh, Tài liệu thực hành xử lý tín hiệu y sinh, Tr ng Đ i h c S ph m Kỹ thu t, Tp HCM, 2018 [7] Bộ môn n t công nghi p – y sinh, Biomedical Signal Processing, Tr h c S ph m Kỹ thu t, Tp HCM, 2018 B MÔN ĐI N T CÔNG NGHI P – Y SINH ng Đ i Trang 102 PH L C PH L C Code ch ng trình chính: Code ch ng trình b l c thơng th p: B MƠN ĐI N T CÔNG NGHI P – Y SINH Trang 103 PH L C B MÔN ĐI N T CÔNG NGHI P – Y SINH Trang 104 PH L C B MÔN ĐI N T CÔNG NGHI P – Y SINH Trang 105 PH L C B MÔN ĐI N T CÔNG NGHI P – Y SINH Trang 106 PH L C B MÔN ĐI N T CÔNG NGHI P – Y SINH Trang 107 PH L C B MÔN ĐI N T CÔNG NGHI P – Y SINH Trang 108 PH L C B MÔN ĐI N T CÔNG NGHI P – Y SINH Trang 109 PH L C B MÔN ĐI N T CÔNG NGHI P – Y SINH Trang 110 PH L C B MÔN ĐI N T CÔNG NGHI P – Y SINH Trang 111 PH L C B MÔN ĐI N T CÔNG NGHI P – Y SINH Trang 112 PH L C Code ch ng trình b t o nhi u (counter): B MƠN ĐI N T Powered by TCPDF (www.tcpdf.org) CÔNG NGHI P – Y SINH Trang 113 ... “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 mô t bộ l c s nền t ng FPGA để l c nhi u tín hi u n tim ECG nhằm đem l i tín hi u xác... MSSV: 14141200 Mã ngành: 14941 Mã h : K14941 L p: 14941DT THI T K , MƠ PH NG B L C NHI U TÍN HI U ĐI N TIM DÙNG MATLAB VÀ CHUY N MÃ VHDL II NHI M V Các s li u ban đ u: - Tín hi u n tim ECG đ - S... v i nhịp tim Khi tim giãn ra, l ng máu qua động m ch nh nên h p thụ ánh sáng, ánh sáng sau trùn qua đợng m ch có c ng đợ l n Ng c l i tim co vào, l qua động m ch l n h n, ánh sáng sau trùn