چکیده :

بطور کلی ما در این پروژه ابتدا سیگنال دریافتی از بدن را با یک تقویت کننده ابزار دقیق تقویت کرده ، سپس آنرا از چند فیتلر عبور می دهد تا نویزهای احتمالی از بین بروند . سپس سیگنال آنالوگ را با استفاده از یک مبدل آنالوگ به دیجیتال 8 بیتی که دارای سرعت مناسبی است ، به دیجیتال تبدیل می کنیم و آنرا همزمان در یک حافظه ذخیره می نماییم . برد FPGA وظیفه کنترل ADC و حافظه را بر عهده دارد . در مرحله بعد این اطلاعات بصورت پروتکل USB به کامپیوتر منتقل می شود .

در این پایان نامه هر بخش به تفصیل مورد بحث قرار گرفته و مسائل تئوری و عملی که در طول کار به آن برخورد شده  بررسی شده است که در ادامه به آن می پردازیم .

 

کلید واژه ها:

سیگنال حیاتی بدن ، الکتروکاردیوگرام ، (Electrocardiography)ECG ، FPGA ، پورت USB

 

فهرست مطالب

مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 1

فصل اول – سیگنال های حیاتی (ECG ) و آشکار سازی آن  ……………………………………………………………….. 2

1-1-سیگنال های حیاتی (ECG )چیست؟ ……………………………………………………………………………………………. 2

1-1-1-منشاء فعالیت الکتریکی قلب ……………………………………………………………………………………………………….. 2

1-1-2-ارتباط امواج P,Q,R,S,T با اتفاقات قلب ………………………………………………………………………………….. 3

1-2 – اشتقاقهای الکتروکاردیوگرام …………………………………………………………………………………………………………… 5

1-2-1-اشتقاقهای استاندارد ……………………………………………………………………………………………………………………… 5

1-2-2-اشتقاقهای تقویت شده یک قطبی ……………………………………………………………………………………………….. 6

فصل دوم –  بررسی مدار آماده سازی سیگنال های حیاتی E.C.G  …………………………………………………….10

2-1–  الکترودها ……………………………………………………………………………………………………………………………………… 11

2-2– بررسی مدار تقویت کننده ……………………………………………………………………………………………………………. 13

2-2-1-طراحی تقویت کننده دیفرانسیلی ……………………………………………………………………………………………… 14

2-2-2- کاهش اثر نویز وولتاژ حالت مشترک ……………………………………………………………………………………….  16

2-2-3-طراحی بهبود یافته ……………………………………………………………………………………………………………………  17

2-2-4-طراحی بر پایه اشتقاقهای سینه ای …………………………………………………………………………………………… 19

2-2-5-طراحی پیشنهادی ……………………………………………………………………………………………………………………… 20

2-3- فیلترها …………………………………………………………………………………………………………………………………………… 21

2-3-1- فیلترهای پیشنهادی و بررسی روابط حاکم بر آنها ………………………………………………………………….. 21

2-3-2-طراحی فیلتر BandPass ……………………………………………………………………………………………………….. 22

2-3-3-طراحی فیلتر BandStop ……………………………………………………………………………………………………….. 26

2-3-4-فیلترهای بهینه شده و مورد استفاده در پروژه …………………………………………………………………………. 29

2-3-5- بررسی طراحی فیلترهای  تطبیقی ……………………………………………………………………………………………33

2-3-6-بررسی طراحی فیلتر با استفاده از میکروکنترولر ………………………………………………………………………..38

فصل سوم – بررسی طبقه دوم (FPGA ) ……………………………………………………………………………………………. 42

3-1- بررسیFPGA  …………………………………………………………………………………………………………………………….. 42

3-1 -1- FPGAچیست ؟ ………………………………………………………………………………………………………………………43

3-1-2-کاربرد FPGA ………………………………………………………………………………………………………………………….. 45

3-1-3-برنامه نویسی و طراحی با FPGA …………………………………………………………………………………………….45

3-1-3-1-VHDL چیست ؟ …………………………………………………………………………………………………………………46

3-1-3-2-چگونگی پیدایش VHDL ………………………………………………………………………………………………….. 46

3-1-3-3-کاربردهای VHDL …………………………………………………………………………………………………………….. 47

3-1-4-خصوصیات FPGA  استفاده شده در پروژه ………………………………………………………………………………47

3-1-5-نرم افزاربرنامه ریزی و شبیه سازی    ISE 9.1……………………………………………………………………….. 50

3-1-6-کدهای برنامه FPGA  ………………………………………………………………………………………………………………59

3-2-مبدل آنالوگ به دیجیتال ( ADC) ………………………………………………………………………………………………. 66

3-2-1- انواع مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC)…………………………………………………………………………………….67

3-2-2-مبدل آنالوگ به دیجیتال در AVR…………………………………………………………………………………………….67

3-2-2-1-ADC در CODEVISION………………………………………………………………………………………………73

3-2-3-خصوصیات ADC  مورد استفاده………………………………………………………………………………………………. 74

3-2-3-1-خصوصیات ای سی ADC0804…………………………………………………………………………………………..74

3-2-3-2- خصوصیات ای سی HI1175……………………………………………………………………………………………… 76

3-3- حافظه FLASH MEMORY ……………………………………………………………………………………………….. 79

فصل چهارم –  بررسی طبقه PC Interface………………………………………………………………………………………….82

4-1 – میکروکنترلر AVR ……………………………………………………………………………………………………………………. 82

4-1-1-مشخصات کلی ای سی ATMEGA16 ……………………………………………………………………………….. 83

4-1-1-2- فیوز بیت های ATMEGA16 ………………………………………………………………………………………….. 86

4-1-2-نحوه کار با کامپایلر CodeVisionAVR …………………………………………………………………………….. 87

4-1-3-برنامه میکرو ……………………………………………………………………………………………………………………………….. 89

4-1-3-1-برنامه میکرو با ADC داخلی ………………………………………………………………………………………………. 89

4-1-3-1-برنامه میکرو با ADC خارجی …………………………………………………………………………………………….. 95

4-2-مشخصات پورت USB…………………………………………………………………………………………………………………….97

4-2-1-پورت USB در کامپیوتر چیست؟ …………………………………………………………………………………………… 97

4-2-2-USB 2.0 چیست ؟ ……………………………………………………………………………………………………………… 101

4-3-مبدل USART به USB …………………………………………………………………………………………………………. 103

4-3-1-چیپ FT232BM ……………………………………………………………………………………………………………….. 103

4-3-2- نصب درایور چیپ FT232BM ……………………………………………………………………………………………107

نتیجه گیری نهایی و پیشنهادها …………………………………………………………………………………………………………… 110

فهرست منابع و مراجع ………………………………………………………………………………………………………………………….. 111

واژه نامه انگلیسی به فارسی…………………………………………………………………………………………………………………… 112

واژه نامه فارسی به انگلیسی…………………………………………………………………………………………………………………… 114

فهرست جداول

3-1– تعیین منبع ولتاژ مرجع ………………………………………………………………………………………………………………….70

3-2 – جدول تعیین فرکانس ADC………………………………………………………………………………………………………..71

3-3 – تعیین منبع تحریک کننده …………………………………………………………………………………………………………..72

4-1– فیوز بیت های ATMEGA 16 ………………………………………………………………………………………………..86

فهرست اشکال

شکل (1-1) –  بلوک دیاگرام بخش آماده سازی سیگنال… 2

شکل (1-2 ) –  موج الکتروکاردیوگرام …………………………………………………………………………………………………………………………………. 3

شکل (1-3 ) –   ارتباط امواج P,Q,R,S,T با اتفاقات قلب …………………………………………………………………………………………….. 3

شکل (1-4 ) –  مثلث  Einhoven  به دور قلب ……………………………………………………………………………………………………………. 5

شکل (1-5) –  اشتقاقهای تقویت شده یک قطبی ……………………………………………………………………………………………………………….. 7

شکل (1-6) –  نواحی 6 گانه  قدامی سینه …………………………………………………………………………………………………………………………… 8

شکل (1-7) –  پلاریته الکتروکاردیگرام نواحی قدامی سینه ….. …………………………………………………………………………………………… 9

شکل(2-1)- بلوک دیاگرام پروژه ………………………………………………………………………………………………………………………………………… 10

شکل(2-2)– بلوک دیاگرام طبقه دوم …………………………….. ………………………………………………………………………………………………… 11

شکل ( 1-2-1 ) –نمونه ها و مدل الکتریکی پوست والکترود…………………………………………………………………………………………….. 12

شکل (2-4) -تقویت کننده دیفرانسیلی………………………………………………………………………………………………………………………………. 14

شکل (2-5) –  تقویت کننده AD524 ………………………………………………………………………………………………………………………..   15

شکل (2-6) – تقویت ولتاژ حالت مشترک…………………………………………………………………………………………………………………………… 17

شکل (2-7)- طراحی تقویت کننده 3 سیمه همراه با فیدبک…………………………………………………………………………………………….. 18

شکل (2-8)-  مدارداخلی ساده شده AD620 IC………………………………………………………………………………………………………… 18

شکل (2-9)- نحوه اتصال اشتقاقهای قدامی………………………………………………………………………………………………………………………. 20

شکل(2-10)- طراحی تقویت کننده پنج سیمی با الکترود قدامی سینه……………………………………………………………………………. 21

شکل (2-11)- تاثیرات انواع نویزوتداخل بر روی سیگنال E.C.G…………………………………………………………………………………. 22

شکل(2-12) – فیلتر  BandPass …………………………………………………………………………………………………………………………………23

شکل(2-13) – طراحی فیلتر  BandPass…………………………………………………………………………………………………………………… 24

شکل(2-14)-  طراحی فیلتر BandStop…………………………………………………………………………………………………………………….. 27

شکل(2-15) _  طراحی   فیلتر Active Twin Tee ( ATT ) ……………………………………………………………………………… 28

شکل (2-16)–فیلتر بالا گذر………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 29

شکل (2-17)-  فیلتر پایین گذر………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 30

شکل (2-18)- فیلتر Notch……………………………………………………………………………………………………………………………………………..30

شکل(2-19) – پاسخ فرکانسی مدار notch فیلتر در PSPICE ………………………………………………………………………………..30

شکل (2-20)-  مدارکل مجموعه آماده سازی سیگنال(signal conditioning ) ………………………………………………..31

شکل (2-21)- پاسخ فرکانسی  طبقه آماده سازی سیگنال(signal conditioning ) …………………………………………31

شکل(2-22)- شکل موجهای دیده شده بر روی  Oscilloscope پس از اولین مرحله آشکارسازی…………………………… 32

شکل(2-23) – استفاده از خازن های سوئیچ شده به جای مقاومت …………………………………………………………………………………….33

شکل(2-24) – بلوک دیاگرام فیلتر   MF10 …………………………………………………………………………………………………………………..34

شکل(2-25)- مونتاژ فیلتر  …………………………………………………………………………………………………………………………………………………..34

شکل(  2-26) – استفاده از  , PLL یک تقسیم کننده فرکانس بر n  برای سوئیچ خازنها…………………………………………… 36

شکل(2-27) – مونتاژ نهایی فیلترPLL……………………………………………………………………………………………………………………………… 38

شکل (2-28) – نمودار صفر و قطب……………. …………………………………………………………………………………………………………………….. 39

شکل(2-29) – دیاگرام قطبی فیلتر…………………………………………………………………………………………………………………………………….. 40

شکل(3-1)- بلوک دیاگرام طبقه دوم (FPGA) ……………………………………………………………………………………………………………… 42

شکل (3-2) – بلوک دیاگرام یک FPGA به طور ساده…………………………………………………………………………………………………….. 44

شکل(3-3)  – نمای کلی FPGA XC2S100………. …………………………………………………………………………………………………. 47

شکل (3-4) – نحوه نامگذاری FPGA  در بسته بندیهای مختلف …………………………………………………………………………………..48

شکل (3-5) – توضیحات جدول مربوط به علائم نامگذاری………………………………………………………………………………………………… 48

شکل (3-6) – بانکهای ورودی خروجی درSPARTAN II .. ……………………………………………………………………………………….. 49

شکل (3-7)– بلوکهای ورودی خروجی در  SPARTAN II  .(IOB) ……………………………………………………………………….49

شکل (3-8) – Boundry Scan Logic  برای خانواده SPARTAN II………………………………………………………………. 50

شکل (3-9) – نمونه پنجره Device Properties ………………………………………………………………………………………………………51

شکل (3-10) – پنجره تعریف پورت ها ……………………………………………………………………………………………………………………………….52

شکل (3-11) – پنجره گزارش تولید پروژه ………………………………………………………………………………………………………………………….52

شکل (3-12) – پنجره Initialize timing …………………………………………………………………………………………………………………….54

شکل (3-13) – شکل موج حاصل از شبیه سازی ……………………………………………………………………………………………………………….55

شکل (3-14) – انتخاب ………………………………………………………………………………………………. 55

شکل (3-15) – شکل مربوط به پایین/بالا شمار ………………………………………………………………………………………………………………….56

شکل (3-16) – پنجره  Impact …………… ………………………………………………………………………………………………………………………..57

شکل (3-17) – پنجره Assign New Configuration Flie……………………………………………………………………………….. 57

شکل (3-18) –  فلوچارت پیکره بندی FPGA …………………………………………………………………………………………………………………58

شکل (3-19) –  فلوچارت برنامه ریزی FPGA  ……………………………………………………………………………………………………………….60

شکل (3-20) -روش تقریب متوالی ………………………………………………………………………………………………………………………………………67

شکل (3-21) – بلوک دیاگرام ADC در AVR ………………………………………………………………………………………………………………..69

شکل(3-22) – ثبات ADLAR ………………………………………………………………………………………………………………………………………..70

شکل (3-23) – ثبات کنترلی ADCSRA ………………………………………………………………………………………………………………………..71

شکل(3-24) –تعیین فرکانسADC …………………………………………………………………………………………………………………………………..72

شکل (3-25) – ثبات کنترلی SFIOR ………………………………………………………………………………………………………………………………72

شکل (3-26) – آرایش پایه های ای سی ADC0804 ……………………………………………………………………………………………………75

شکل (3-27) – شماتیک مدار عملی ADC0804…………………………………………………………………………………………………………..75

شکل(3-28) – بلوک دیاگرام ADC0804 ………………………………………………………………………………………………………………………76

شکل (3-29) – آرایش پایه های ای سی HI1175 ………………………………………………………………………………………………………….76

شکل(3-30) – بلوک دیاگرام ساختاری و دیاگرام زمانی HI1175 …………………………………………………………………………………..78

شکل (3-31) – شماتیک مدار عملی …………………………………………………………………………………………………………………………………..78

شکل (3-32) – نمای IC AM29F040B و نمایش خصوص ورودی و آدرس آن ……………………………………………………….80

شکل (3-33)- بلوک دیاگرام MEMORY AM29F040B ………………………………………………………………………………………80

شکل (3-34)- شماتیک کل طبقه FPGA  ……………………………………………………………………………………………………………………80

شکل (4-1) – بلوک دیاگرام طبقه PC Interface……………………………………………………………………………………………………………82

شکل (4-2) – آرایش پایه های ATMEGA 16 ……………………………………………………………………………………………………………..85

شکل (4-3) – صفحه اصلی برنامه ……………………………………………………………………………………………………………………………………….87

شکل (4-4) –پنجره Create New Flie …………………………………………………………………………………………………………………………87

شکل (4-5) –پنجره Confirm …………………………………………………………………………………………………………………………………………..88

شکل (4-6) –پنجره  CodeWizardAvr برگه Chip …………………………………………………………………………………………………..88

شکل (4-7) –پنجره  CodeWizardAvr برگه Port ……………………………………………………………………………………………………89

شکل(4-8) – تنظیمات برگه USART ……………………………………………………………………………………………………………………………90

شکل(4-9) – تنظیمات برگه ADC …………………………………………………………………………………………………………………………………..90

شکل(4-10) –  نمایی از پورت USB روی جعبه کامپیوتر و کابل های رابط پورت USB ……………………………………………98

شکل(4-11) ارتباطات به کمک پورت های USB و HUB Switch ………………………………………………………………………..100

شکل(4-12) – پایه های FT232BM ……………………………………………………………………………………………………………………………103

شکل(4-13) – شیوه های تامین کلاک ……………………………………………………………………………………………………………………………104

شکل(4-14) – شیوه های تامین تغذیه از USB …………………………………………………………………………………………………………….105

شکل(4-15) – LEDهای دریافت و ارسال ………………………………………………………………………………………………………………………105

شکل(4-16) – شماتیک کامل اتصالات ……………………………………………………………………………………………………………………………106

شکل(4-17) – مراحل نصب درایور چیپ FT232 ………………………………………………………………………………………………………..109

شکل(4-17) –  تشخیص شماره پورت COM ……………………………………………………………………………………………………………….110

مقدمه :

نمونه برداری فرکانس بالای سیگنال و ذخیره آن در برخی کاربردها که احتیاج به اطلاعات دقیق از سیگنال مربوطه در یک بازه زمانی است ، حائز اهمیت است . در کاربرد های پزشکی ارائه سیگنال دقیق که با نمونه برداری با فرکانس بالا حاصل می گردد ، بسیار مهم است چراکه یک تفاوت کوچک در سیگنال نمونه برداری با سیگنال واقعی می تواند موجب عدم تشخیص ویا تشخیص اشتباه یک مشکل جسمانی شود ( بخصوص در سیگنالهای مربوط به قلب (ECG) ). بنابر این در این پروژه نیز تلاش گردیده تا با استفاده از ادوات سرعت بالا ، نمونه برداری را تا حد ممکن با سرعتی بالا انجام دهیم .

برای نمونه برداری سریع از یک مبدل آنالوگ به دیجیتال با سرعت بالا و همچنین از تکنولوژی FPGA به منظور کنترل A/D و حافظه استفاده شده که قابلیت کار تا فرکانس 300 مگا هرتز را دارد .

همچنین به منظور ارتباط و انتقال اطلاعات به کامپیوتر از پورت USB  که قابلیت های خوبی دارد استفاده کرده ایم که این کار با کمک میکرو کنترلر AVR انجام شده است .

بطور کلی مدار را می توان به سه بخش آماده سازی سیگنال ، برد FPGA و واسط کامپیوتر تقسیم کرد :

مدار ابتدا سیگنال دریافتی از بدن را با یک تقویت کننده ابزار دقیق تقویت کرده ، سپس آنرا از چند فیتلر عبور می دهد تا نویزهای احتمالی از بین بروند . سپس سیگنال آنالوگ را با استفاده از یک مبدل آنالوگ به دیجیتال 8 بیتی که دارای سرعت مناسبی است ، به دیجیتال تبدیل می کنیم و آنرا همزمان در یک حافظه ذخیره می نماییم . برد FPGA وظیفه کنترل ADC و حافظه را بر عهده دارد . در مرحله بعد این اطلاعات بصورت پروتکل USB به کامپیوتر منتقل می شود .

در این پایان نامه هر بخش به تفصیل مورد بحث قرار گرفته و مسائل تئوری و عملی که در طول کار به آن برخورد شده  بررسی شده است که در ادامه به آن می پردازیم .

فصل اول

سیگنال های حیاتی (ECG ) و آشکار سازی آن

1-1 – سیگنال های حیاتی (ECG )چیست؟

در سالهای اخیر پیشرفتهای زیادی در زمینه مراقبتهای پزشکی صورت گرفته است که میتوان یکی از علل مهم آن را پیشرفت درعلوم مهندسی دانست. حدود یک قرن پیش دانشمندان به وجود پتانسیل فعال سلولهای زنده پی بردند . وبرای بدست آوردن وآشکار سازی آن از لوازم الکترونیکی استفاده کردند.

قلب انسان نیز مانند دیگر سلولهای بدن دارای این ویژگی طبیعی میباشد که درطول این پروژه به مطالعه وبررسی روشهای آشکارسازی این پتانسیل خواهیم پرداخت .

با توجه به حساس بودن این عضو از بدن رسیدگی ومراقبت ازآن ازاهم موضوعات می باشد . در نهایت اگر بخواهیم نمایی کلی از بخش آماده سازی سیگنال داشته باشیم ، بلوک دیاگرامی همچون شکل زیر خواهیم داشت:


مقطع : کارشناسی

بلا فاصاه بعد از خرید به ایمیلی که در مرحله بعد وارد می کنید ارسال می شود.