IV.2 Thiết bị của Hungary

Thiết Bị:	Mi150 Xuất xứ: Hungari
Thông số kỹ thuật	Máy đo pH/Nhiệt độ để bàn điện tử hiện số Model: Mi150 / Hãng sản xuất: MARTINI - Hungari - Khoảng đo pH: -2.00...+16.00. Độ chính xác: + 0.01 - Khoảng đo nhiệt độ: -20.0...+120.0oC. Độ chính xác: + 0.4oC - Hiệu chuẩn tự động 1 hoặc 2 điểm với bộ nhớ 7 giá trị dung dịch pH 1.68, 4.01, 6.86, 7.01, 9.18, 10.01, 12.5 - Kích thước: 230 x 160 x 95 mm. Trọng lượng: 1.3 kg - Điện AC Adapter 230V Cung cấp bao gồm: + Máy đo pH/nhiệt độ để bàn model Mi150 + Điện cực đo pH thân bằng thủy tinh model MA917B/1 và điện cực đo nhiệt độ bằng thép không gỉ model MA831R + Dung dịch chuẩn, giá đỡ điện cực, 12VDC Adapter
Ưu điểm	Phù hợp tiêu chuẩn quốc tế Đầu đo nhiệt độ ổn định bền bỉ Dải đo rộng Độ chính xác cao + 0.01 Đo được cả PH và Nhiệt độ
Nhược điểm:	Kích thước lớn Chỉ đo được tại 1 vị trí tại 1 thời điểm

IV.3 Nhược điểm của các thiết bị đo nhiệt độ hiện có

Ngoài các thiết bị trên, còn có 1 số thiết bị khác trong nước sản xuất nhưng chất lượng kém hơn. Hầu hết chúng đều được thiết kế với mục đích đo nhiệt độ tại 1 điểm nào đó tại 1 thời điểm cụ thể. Thông tin nhiệt độ lấy được chỉ nhằm mục đích lấy thông số nhiệt độ và phân tích theo phương pháp tây y. Chúng có 1 số hạn chế như sau:

· Không đo được đồng thời nhiệt độ tại các điểm đo của cơ thể

· Không xử lý phân tích các nhiệt độ này mà chỉ đo và hiển thị

· Dải đo khá lớn, không cần thiết khi đo nhiệt độ cơ thể bệnh nhân

· Độ chính xác phụ thuộc nhiều vào đầu đo, khả năng căn chỉnh thấp

· Kích thước lớn không phù hợp cho đo nhiệt độ bệnh nhân

15.2. LuËn gi¶i vÒ viÖc ®Æt ra môc tiªu vµ nh÷ng néi dung cÇn nghiªn cøu cña ®Ò tµi

(Trªn c¬ së ®¸nh gi¸ t×nh h×nh nghiªn cøu trong níc vµ ngoµi níc, ph©n tÝch nh÷ng c«ng tr×nh nghiªn cøu cã liªn quan, nh÷ng kÕt qu¶ míi nhÊt trong lÜnh vùc nghiªn cøu ®Ò tµi, ®¸nh gi¸ nh÷ng kh¸c biÖt vÒ tr×nh ®é KH&CN trong níc vµ thÕ giíi, nh÷ng vÊn ®Ò ®· ®îc gi¶i quyÕt, cÇn nªu râ nh÷ng vÊn ®Ò cßn tån t¹i, chØ ra nh÷ng h¹n chÕ cô thÓ, tõ ®ã nªu ®îc nh÷ng híng gi¶i quyÕt míi - luËn gi¶i vµ cô thÓ ho¸ môc tiªu ®Æt ra cña ®Ò tµi vµ nh÷ng néi dung cÇn thùc hiÖn trong ®Ò tµi ®Ó ®¹t ®îc môc tiªu):

Xây dựng mô hình chăm sóc sức khoẻ nhân dân, đào tạo và nghiên cứu phù hợp với điều kiện kinh tế - xã hội Việt nam, nhằm huy động xã hội thực hiện xã hội hoá y tế đặc biệt là đối với lĩnh vực chẩn đoán sử dụng lý thuyết kinh lạc và đo nhiệt độ tự động dùng thiết bị số.

Để làm được những điều đó thì việc có được những thiết bị, công cụ hỗ trợ cho thầy thuốc Đông y là việc cần thiết. Nên cần phải có một loại máy đo có độ chính xác cao, đo được đồng thời 24 điểm tương ứng với tạng phủ, có thể đo cho nhiều dạng người ( lớn, bé) khác nhau để làm cơ sở cho chẩn đoán ban đầu.

Mục tiêu cụ thể:

- Xây dựng được thiết bị chẩn đoán các loại bệnh thường gặp bằng hệ thống thiết bị hiện đại sử dụng công nghệ FPGA và Vi điều khiển phục vụ nhu cầu khám chữa bệnh của nhân dân.

- Xây dựng hệ thống thông tin trao đổi và lưu trữ các kết quả chẩn đoán, phục vụ cho các quá trình phân tích, nghiên cứu và đào tạo.

- Nâng cao hiệu quả đầu tư và sử dụng thiết bị, kết hợp tối đa các kiến thức đông y và công nghệ mới.

- Đưa ra mô hình hệ thống phù hợp cho sự phát triển trong thời gian tới về thiết bị chẩn đoán và nhân lực. Sẵn sàng đáp ứng nhu cầu mở rộng quy mô mở rộng của các trung tâm điều trị, chẩn đoán và phục hồi chức năng cũng như nhu cầu khám và điều trị bệnh của nhân dân.

- Tăng cường năng lực và hiệu quả chẩn đoán bệnh sử dụng Đông y và công nghệ thông tin, là tiền đề để xây dựng các thiết bị cao cấp hơn.

- Đào tạo và phát triển nguồn nhân lực đáp ứng nhu cầu sử dụng hệ thống thông tin Đông y kết hợp công nghệ số.

I. Sự cần thiết của việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy đo nhiệt độ 25 kênh có độ chính xác cao

- Thiết bị đo nhiệt độ nếu có 25 kênh thì sẽ có khả năng đo đồng thời 24 điểm đo tại các đầu ngón tay và ngón chân (một đầu dùng để đo nhiệt độ môi trường) từ đó cho phép đo đạc chính xác sự sai khác về nhiệt độ của 24 điểm đo nên sẽ cho phép phần mềm đưa ra được những kết quả chẩn đoán chính xác hơn.

- Đây chính là một phần nguyên lý của hệ phương pháp đo và chẩn bệnh bằng nhiệt độ kinh lạc. Để có thể đo và chẩn bệnh chính xác, đòi hỏi thiết bị đo nhiệt độ phải đo đồng thời nhiệt độ tại các điểm kinh lạc chính, từ đó hệ thống sẽ phân tích, xử lý và hiệu chuẩn với cơ sở dữ liệu nhằm đưa ra thông tin về tình trạng sức khoẻ bệnh nhân.

- Để xây dựng được hệ thống đo này chúng tôi đã áp dụng một số công nghệ điện tử tiên tiến hiện nay như công nghệ CPLD/FPGA và Microcontroller. Khi sử dụng thầy thuốc sẽ dùng đầu cảm biến nhiệt độ để đo nhiệt độ tại điểm đầu các đường kinh trên mười đầu ngón tay và ngón chân, các thông số về nhiệt độ sẽ được đưa lên máy tính để phần mềm chẩn bệnh phân tích.

- Sau một thời gian được đưa vào ứng dụng trong thực tế phương pháp chẩn bệnh dựa vào nhiệt độ điểm đầu các đường kinh đã mang lại những kết quả rất khả quan (đã được đánh giá qua 2 đề tài khoa học ứng dụng thiết bị và hàng trăm cơ sở sử dụng thiết bị 1 đầu đo ). Dưạ vào những kết quả đã đạt được cũng như xuất phát từ ý tưởng muốn xây dựng một hệ thống chẩn đoán có tính chính xác cao hơn nhóm nghiên cứu đã có ý tưởng chế tạo một thiết bị đo nhiệt độ mới có nhiều tính năng ưu việt hơn thiết bị đo cũ đó là máy đo nhiệt độ kinh lạc 25 kênh có độ chính xác cao ( hay còn gọi là Máy đo kinh lạc). Máy đo kinh lạc là một thiết bị có khả năng đo nhiệt độ bề mặt da đồng bộ 25 điểm, được nghiên cứu và chế tạo bởi kỹ sư Đinh Lai Thịnh và các cán bộ của Bộ môn Điện tử Tin học – Khoa Điện Tử Viễn Thông thuộc trường Đại học Bách Khoa. Máy được dùng kết hợp với một phần mềm chẩn bệnh đông y có tên là “Phần chẩn bệnh bằng phương pháp đo kinh lạc” để đưa ra các kết quả chẩn đoán về sức khỏe của người được khám

I.1 Lựa chọn đầu đo nhiệt độ

Để đáp ứng được tiêu chí kỹ thuật của máy đo, đầu cảm biến ( sensor) là một phần quan trọng quyết định đến chất lượng của máy đo. Các loại sensor mà nhóm nghiên cứu có thể dùng trong thiết kế là loại đặc chủng dùng trong kỹ thuật công nghệ cao để có độ nhạy và thời gian đáp ứng nhiệt độ nhanh.

. Ta có thể dùng cảm biến nhiệt độ là LM335 như sau làm ví dụ :

IC LM335 có 3 chân:
V+: 4=>20V, Vout : tùy vào cách ghép mà có thể đo nhiệt độ từ -55 đến 180 độ C, cứ +\- 1 độ thì Vout +\- 10mV và GND

Sau đây là sơ đồ mạch điện sử dụng cảm biến đo nhiệt độ LM335 và mạch điều khiển thực hiện thu thập giá trị nhiệt độ và gửi lên máy tính.

Trong mạch điều khiển có sử dụng IC vi điều khiển AT89C51 của hãng Atmel và IC biến đổi dạng tín hiệu là ADC0809 dùng để lấy được giá trị của điện áp tương đương với nhiệt độ.

Hình 1 Sơ đồ mạch cảm biến nhiệt độ dùng LM335

I.2 Lựa chọn và thiết kế phân tích mạch chuyển đổi A/D

Đây là phương hiện nay được dùng rất nhiều ví dụ trong vi điều khiển họ PIC của hãng Microchip, AVR của hãng Atmel và PSOC của Cypress đều đã có các khối chuyển đổi tương tự số ACD (Analog Convert to Digital).

Ví dụ, đối với vi điều khiển ATmega16 của hãng Atmel, là họ vi điều khiển AVR 8bit tốc độ cao, tốn ít năng lượng, có tích hợp sẵn 8 kênh ADC 10bit.

Cấu trúc vi điều khiển ATmega16:

Đặc điểm của bộ ADC trên Atmega16:

· Độ phân giải 10bit.

· Sai số đo không tuyến tính là 0.5 LSB.

· Độ chính xác tuyêt đối là ± 2LSB.

· Thời gian biến đổi là 13 – 260 uS.

· Có thể lên tới 76.9 kSPS (Lên tới 15kSPS ở độ phân giải tối đa.).

· 8 đầu vào kênh đơn.

· 7 kênh vi sai.

· 2 kênh vi sai với hệ số khuyếch đại là 10x và 200x.

· Lựa chọn điều chỉnh độ lệch trái cho kết quả ADC.

· Dải điện áp đầu vào cho ADC là từ 0 – Vcc.

· Có thể lựa chọn điện áp tham chiếu bên trong 2.56V .

· Chế độ biến đổi đơn hoặc biến đổi tự do.

· Có ngắt xảy ra khi hoàn thành biến đổi ADC.

Hoạt động:

ADC biến đổi một điện áp tương tự đầu vào thành giá trị số 10 bit thông qua phương pháp xấp xỉ liên tiếp. Giá trị thấp nhất là giá trị đất GND và giá trị cao nhất là điện áp ở chân AREF (tức chân điện áp tham chiếu) trừ đi 1 LSB

Kết quả biến đổi:

Sau khi một biến đổi hoàn thành , kết quả sẽ được chứa trong thanh ghi dữ liệu. Với biến đổi đơn kết quả là:

Trong đó: V_IN là điện áp đầu vào và V_REF là điện áp tham chiếu. 0x000 là giá trị đất và 0x3FF là giá trị điện áp tham chiếu trừ đi 1 LSB.

Nếu kênh khuếch đại vi sai được sử dụng thì kết quả là:

Trong đó: V_POS là điện áp đầu dương, V_NEG là điện áp đầu âm, GAIN là hệ số khuếch đại, và V_REF là điện áp tham chiếu. Kết quả có hai dạng: từ 0x200 (-512) đến 0x1FF(+511).

Dưới đây là mạch đo nhiệt độ hiển thị lên màn hình LCD sử dụng cảm biến nhiệt LM335, trong mạch sử dụng vi điều khiển Atmega16 của hãng Atmel, với bộ ADC tích hợp sẵn để chuyển giá trị điện áp tương đương với nhiệt độ hiện thời ra dạng số.

Hình 3. Sơ đồ mạch đo nhiệt độ dùng bộ ADC có sẵn trên vi điều khiển AVR

I.3 Thiết kế kết nối máy tính

Phần ghép nối máy tính chúng ta có thể dùng cổng nối tiếp theo chuẩn RS232 hoặc dùng IC FT245 để kết nối qua cổng USB.

Sơ đồ nguyên lý mạch giao tiếp máy tính qua cổng RS232 như sau:

TtThiết kế hệ thống đo nhiệt độ 25 kênh có độ chính xác cao, sơ đồ hệ thống:

Trong hệ thống có sử dụng phương pháp VCO, đây là phương pháp biến đổi giá trị điện áp ra tần số của một dao động điều hòa (Voltage convert to Ocsillator), qua việc đo và xử lý giá trị tần số, ta sẽ tính được giá trị điện áp, giá trị điện trở trên cảm biến nhiệt tương ứng với nhiệt độ cần đo. Để biến đổi tín hiệu điện áp ra tín hiệu dao động, ta sử dụng phương pháp dùng IC tạo dao động 555 như sau:

Ic tạo dao động XX555, XX là TA hoặc LA.

IC 555 có thể tạo ra xung vuông ở đầu ra OUTPUT, có chu kỳ ổn định.

Hinh 3. Mạch dao động tạo xung bằng IC 555
Vcc cung cấp cho IC có thể sử dụng từ 4,5V đến 15V , đường mạch mầu đỏ là dương nguồn, mạch mầu đen dưới cùng là âm nguồn.
Tụ 103 (10nF) từ chân 5 xuống mass là cố định và có thể bỏ qua ( không lắp cũng được )
Khi thay đổi các điện trở R1, R2 và giá trị tụ C1 sẽ thu được dao động có tần số và độ rộng xung theo ý muốn theo công thức:
T = 0.7 × (R₁ + 2R₂) × C₁ và f = 1.4 / ( (R₁ + 2R₂) × C₁ )

Trong đó:

T = Thời gian của một chu kỳ toàn phần tính bằng (s)

T_m: thời gian điện mức cao
T_S : thời gian điện mức thấp
T = T_m + T_S

T_m = 0,7 x ( R₁ + R₂ ) x C₁

T_s = 0,7 x R2 x C1

Chu kỳ toàn phần T bao gồm thời gian có điện mức cao Tm

và thời gian có điện mức thấp Ts

Từ các công thức trên ta có thể tạo ra một dao động xung vuông có độ rộng Tm và Ts bất kỳ. Sau khi đã tạo ra xung có Tm và Ts ta có T = Tm + Ts và f = 1/ T.

Giá trị của các điện trở và tụ điện sẽ ảnh hưởng đến tần số của xung ở đầu ra OUTPUT. Nếu cố định giá trị các tụ điện và điện trở R₂, ta thấy rằng khi điện trở R₁ tăng sẽ làm giảm tần số f của xung vuông. Áp dụng mạch này vào trong phương pháp VCO để biến đổi từ tín hiệu điện áp trên điện trở R₁ ra tín hiệu dao động dạng xung vuông.

Dưới đây là mạch đo nhiệt độ sử dụng điện trở nhiệt, áp dụng phương pháp VCO, trong mạch dùng vi điều khiển PIC 16F873/876 của hãng Microchip, là vi điều khiển có 3 bộ định thời Tmer0 (8 bit), Timer1 (16 bit) và Timer2 ( 8 bit), và IC tạo dao động 555

Điện áp trên hai đầu điện trở nhiệt được đưa vào 555, tín hiệu dao động lấy ở đầu ra được đưa đến vi điều khiển để xử lý.Tín hiệu dao động tạo ra từ 555 có dạng xung vuông, với tần số ổn định, khi đưa vào vi điều khiển, ta sẽ dùng bộ Timer để đếm số xung trong một đơn vị thời gian, từ đó tính được tần số của tín hiệu, sẽ suy ra giá trị điện áp, và giá trị điện trở của điện trở nhiệt. Đặc điểm của phương pháp này là đơn giản, đáp ứng nhanh sự thay đổi của nhiệt độ, có độ chính xác, độ phân giải cao do tần số của xung dao động ổn định, và tỉ lệ tuyến tính vào giá trị điện trở nhiệt, do không sử dụng các bộ ADC có sẵn, nên không phụ thuộc vào tần số lấy mẫu của bộ ADC.

Sơ đồ mạch đo nhiệt độ dùng phương pháp VCO

Chúng ta sẽ dùng phương pháp VCO để chuyển tín hiệu điện áp của đầu đo nhiệt độ ra tín hiệu dao động, và một bộ ghép kênh 25 đầu vào, để đưa tín hiệu của 25 đầu đo vào vi điều khiển để xử lý. Bộ ghép kênh này sẽ được thực hiện bằng một loại IC CPLD & FPGA của hãng Xilinx. Sau đây chúng ta sẽ nói qua về công nghệ CPLD & FPGA

CPLD Complex Programmable Logic Devices – là một thiết bị Logic có thể lập trình được, bao gồm ba khối chính: khối ma trận các cổng AND có thể thay đổi cách ghép nối bằng lập trình, khối các cổng OR nối cố định sẵn với khối cổng AND (không thay đổi được kết nối), thứ ba là khối flip – flops để ghi nhớ trạng thái, với đầu vào lấy từ đầu ra của khối OR.

Cấu trúc bên trong của CPLD & FPGA:

Như chúng ta đã biết, các hàm logic dãy từ đơn giản đến phức tạp đều có thể đưa về dạng cớ bản sử dụng hai cổng logic AND và OR, trên CPLD & FPGA tích hợp thêm phần tử D flip – flops, như thế sẽ có thể thực hiện được các hàm logic có nhớ. Vì thế CPLD & FPGA có thể thực hiện được mọi hàm logic. Ưu điểm của CPLD & FPGA là có thể lập trình tạo lên cấu trúc của một phần tử logic ( dùng công nghệ PROM: Lập trình 1 lần hoặc công EPROM, flash, EEPROM: lập trình nhiều lần), có tần số hoạt động rất cao, tiêu thụ điện áp nhỏ.

Ví dụ loại CPLD CoolRunner-II có đặc điểm:

ð 1.8V, 180 nm

ð 303 MHz

ð 32-512 macrocells

ð Ultra Low power

Vì thế phương pháp dùng CPLD & FPGA xây dựng bộ ghép kênh tín hiệu của 25 đầu đo là rất hiệu quả.

Bộ biến đổi tương tự số thực hiện công việc biến đổi các đại lượng tương tự như dòng điện, điện áp ...thành các giá trị số tương ứng. Chúng ta có các bộ biến đổi thông dụng như ADC0804, ADC0809

Hình 2 Mạch biến đổi tín hiệu và tính toán điều khiển

Cảm biến ta dùng để đo nhiệt độ sẽ là một loại điện trở nhiệt có dải thay đổi từ 3 kΩ cho đến 20 kΩ tương ứng với nhiệt độ từ 40 độ C trở về 0 độ C.

Và khối chuyển đổi VCO có sơ đồ như sau:

Trong đó J5 chính là đầu nối cảm biến. Chúng ta sẽ có 25 khối như thế này và sẽ được ghép nối với nhau bằng một IC CPLD & FPGA.

I.4 Thiết kế khối ghép nối bằng CPLD & FPGA

Khối này chúng ta sẽ dùng IC XC95108 của hãng Xilinx và cấu hình cho nó có chức năng như sơ đồ sau đây:

I.5 Thiết kế khối xử lý trung tâm và hiển thị

Khối này dùng IC vi điều khiển ATMEGA16 của hãng Atmel. Nó có chức năng nhận tín hiệu từ CPLD & FPGA và xử lý tính toán sau đó gửi lên máy tính.