Đồ Án: Thiết kế và thi công kit lập trình vi điều khiển ARM kết hợp cảm biến y sinh

Tài liệu chi tiết về thiết kế, thi công kit lập trình vi điều khiển ARM và cảm biến y sinh. Cung cấp sơ đồ nguyên lý, mã nguồn và các bài thực hành.

• Tác giả: Mạc Duy Tân
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Thanh Nghĩa
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Y Sinh
• Đề tài: Thiết Kế Và Thi Công Kit Lập Trình Vi Điều Khiển ARM Kết Hợp Cảm Biến Y Sinh
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới Thiệu Về Kit Lập Trình ARM và Cảm Biến Y Sinh

Kit lập trình ARM là công cụ học tập không thể thiếu trong lĩnh vực kỹ thuật y sinh hiện đại. Nó kết hợp vi điều khiển ARM với các cảm biến y sinh để đo lường và xử lý các thông số sinh học như nhịp tim, huyết áp, nồng độ oxy máu. Trong bối cảnh y tế số hóa, việc nắm vững công nghệ này giúp sinh viên phát triển kỹ năng lập trình, thiết kế mạch điện tử và ứng dụng thực tế trong chăm sóc sức khỏe. Đồ án tốt nghiệp tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả của mô hình này, tạo nền tảng vàng cho các công nghệ y sinh tiên tiến.

1.1. Khái Niệm Vi Điều Khiển ARM

Vi điều khiển ARM là bộ xử lý mạnh mẽ với kiến trúc hiện đại, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng y sinh. STM32CubeIDE là phần mềm lập trình chính thức hỗ trợ ngôn ngữ C, cho phép lập trình hiệu quả và tối ưu. Vi điều khiển này có khả năng xử lý dữ liệu nhanh, tiêu thụ điện năng thấp, phù hợp cho các thiết bị y tế cầm tay.

1.2. Các Cảm Biến Y Sinh Phổ Biến

Trong kit lập trình, các cảm biến y sinh bao gồm cảm biến nhịp tim, cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất. Chúng có độ chính xác cao và tích hợp dễ dàng với vi điều khiển ARM. Các cảm biến này được kết nối thông qua sơ đồ nguyên lý rõ ràng, cho phép học tập từng bước các nguyên lý hoạt động của thiết bị y sinh.

II. Quy Trình Thiết Kế Kit Lập Trình ARM

Quá trình thiết kế kit lập trình đòi hỏi sự kết hợp giữa lý thuyết và thực tiễn. Bước đầu tiên là tìm hiểu vi điều khiển và các cảm biến y sinh, sau đó vẽ sơ đồ nguyên lý chi tiết. Tiếp theo, sinh viên cần thiết kế mạch điện và vẽ PCB để chuẩn bị cho giai đoạn thi công. Các bước tiếp theo bao gồm hàn linh kiện, lập trình bằng ngôn ngữ C, và kiểm tra chức năng thông qua chạy thử nghiệm. Phương pháp này đảm bảo kit có độ tin cậy cao và hoạt động ổn định trong các ứng dụng y sinh thực tế.

2.1. Vẽ Sơ Đồ Nguyên Lý và Thiết Kế PCB

Sơ đồ nguyên lý là bước quan trọng nhất, nó kết nối tất cả cảm biến y sinh với vi điều khiển ARM. Dùng phần mềm thiết kế như CAD, vẽ các đường nối chi tiết. Sau đó, thiết kế PCB cần đảm bảo tối ưu layout để giảm nhiễu điện từ. Hàn linh kiện phải cẩn thận, chọn các linh kiện chất lượng cao.

2.2. Lập Trình Bằng Ngôn Ngữ C với STM32CubeIDE

Lập trình C trên STM32CubeIDE cho phép tách từng khối chức năng thành các module độc lập. Tạo lưu đồ chi tiết trước khi code, xác định logic xử lý dữ liệu từ cảm biến. Sử dụng các thư viện hỗ trợ để nạp code hiệu quả vào vi điều khiển.

III. Tích Hợp Cảm Biến Y Sinh Vào Hệ Thống

Tích hợp cảm biến y sinh vào kit lập trình ARM yêu cầu hiểu rõ nguyên tắc hoạt động của từng cảm biến. Mỗi cảm biến có giao thức truyền thông riêng biệt, có thể là I2C, SPI hoặc Analog. Lập trình phải xử lý đầu vào từ nhiều cảm biến đồng thời, và có khả năng tinh chỉnh độ chính xác dữ liệu. Các bài thực hành cần được thiết kế để học sinh có thể hiểu rõ từ khâu thu thập dữ liệu đến xử lý và hiển thị kết quả. Kiểm tra chức năng phải bao gồm cả chạy thử nghiệm dưới các điều kiện thực tế.

3.1. Kết Nối và Hiệu Chỉnh Cảm Biến

Mỗi cảm biến y sinh cần kết nối đúng với vi điều khiển ARM theo sơ đồ nguyên lý. Hiệu chỉnh cảm biến bằng cách so sánh dữ liệu đo được với thiết bị chuẩn. Điều chỉnh giá trị offset và gain trong code để đạt độ chính xác cao nhất.

3.2. Xử Lý Dữ Liệu và Hiển Thị Kết Quả

Lập trình phải có khối xử lý dữ liệu để lọc nhiễu và tính toán giá trị trung bình. Sử dụng giao diện hiển thị hoặc gửi dữ liệu qua cổng serial để quan sát. Các bài thực hành có thể bao gồm cảnh báo khi vượt ngưỡng hoặc ghi dữ liệu vào bộ nhớ.

IV. Ứng Dụng Thực Tế và Hướng Phát Triển

Kit lập trình ARM kết hợp cảm biến y sinh không chỉ là công cụ học tập mà còn có nhiều ứng dụng thực tế trong ngành y tế. Nó có thể phát triển thành các thiết bị y sinh như máy đo nhịp tim, máy theo dõi sức khỏe cầm tay, hoặc hệ thống theo dõi từ xa bệnh nhân. Với sự phát triển của công nghệ IoT và trí tuệ nhân tạo, các kit lập trình có thể được nâng cấp để xử lý dữ liệu phức tạp hơn. Sinh viên sau khi hoàn thành đồ án tốt nghiệp sẽ có nền tảng vững chắc để tiếp tục nghiên cứu và phát triển các giải pháp y sinh sáng tạo.

4.1. Các Ứng Dụng Y Sinh Hiện Nay

Kit lập trình đã được ứng dụng để phát triển các thiết bị y sinh cầm tay, hệ thống theo dõi sức khỏe trong nhà thông minh. Các cảm biến đã được tích hợp vào các vòng đeo tay y tế, máy đo chỉ số sức khỏe, và hệ thống kiểm tra chức năng tại bệnh viện. Những ứng dụng này chứng minh tính hiệu quả của vi điều khiển ARM trong y tế.

4.2. Định Hướng Phát Triển Tương Lai

Tương lai sẽ thấy sự tích hợp của AI và machine learning vào kit lập trình. Các cảm biến mới sẽ có độ nhạy cảm cao hơn, kích thước nhỏ hơn. Lập trình sẽ tối ưu hơn cho xử lý dữ liệu lớn và truyền thông wireless nhanh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nôi dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án. − Chương 2: Cơ sở lý thuyết Giới thiệu các cơ sở lý thuyết gồm lý thuyết về xử lý ảnh, các linh kiện và thiết bị sử dụng để thiết kế hệ thống và trình bày các chuẩn truyền, giao thức. − Chương 3: Tính toán, thiết kế và thi công Thiết kế sơ đồ khối của hệ thống, đưa ra sơ đồ nguyên lí của các khối trong hệ thống và thực hiện việc tính toán thiết kế. Trình bày quá trình thi công mạch điện, mô hình hệ thống hoàn chỉnh.

− Chương 4: Thiết kế các thực hành Chương này trình bày về cách sử dụng phần mềm, cách cấu hình các chân vi điều khiển, thiết kế lưu đồ, đưa ra giải thuật và viết chương trình cho các bài tập mẫu và đưa ra các bài tập thực hành. − Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá Trình bày kết quả nhận được, viết hướng dẫn sử dụng và nêu ra nhận xét, đánh giá. − Chương 6: Kết luận và hướng phát triển Trình bày kết luận và nêu ra hướng phát triển đề tài. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3 CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2. TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN ARM ARM là một loại vi điều khiển 32 bit và 64 bit kiểu RISC, ARM lúc đầu được đặt tên theo công ty Acorn (ban đầu ARM có nghĩa là Acorn RISC Machine, trong đó RISC là một cách thiết kế vi xử lý) sau này do có thêm nhiều công ty cùng phát triển và một số lý do khác, người ta thống nhất gọi ARM là Advance RISC Machine. ARM được sử dụng rộng rãi trong các thiết kế nhúng [8]. Ngày nay, hơn 75% CPU 32 bit là thuộc họ ARM, điều này khiến ARM trở thành cấu trúc 32 bít được sản xuất nhiều nhất thế giới.

Bộ xử lý CPU của ARM hiện diện trong 95% smartphone, 90% ổ đĩa cứng, 40% truyền hình kĩ thuật số và set top box, 15% trong vi điều khiển, 20% trong máy tính di động và có mặt trên rất nhiều lĩnh vực, từ TV cho đến các hệ thống tự động hóa và máy móc công nghiệp [9]. Lịch sử hình thành và phát triển của ARM Kiến trúc ARM được phát triển lần đầu tiên vào thập niên 1980 để dùng cho máy tính để bàn, đến hiện nay nó là kiến trúc được sử dụng phổ biến nhất thế giới, vượt qua cả kiến trúc x86 của Intel, tính theo số lượng chíp được sản xuất. Do có đặc điểm tiết kiệm năng lượng nên các bộ CPU ARM chiếm ưu thế trong các sản phẩm điện tử di động, mà với các sản phẩm này việc tiêu tán công xuất thấp là một mục tiêu thiết kế quan trọng hàng đầu. Việc thiết kế ARM được bắt đầu từ năm 1983 trong một dự án phát triển của công ty máy tính Acorn, ngày 26/4/1985 mẫu sản phẩm ARM đầu tiên sản xuất tại công ty kĩ thuật VLSI, SanJose, bang Califonia được chuyển tới trung tâm máy tính Acorn ở Cambridge, Anh Quốc.

Nửa thập niên sau đó, ARM được phát triển rất nhanh chóng để làm nhân máy tính để bàn của Acorn, nền tảng cho các máy tính hỗ trợ giáo dục ở Anh. Trong thập niên 1990, dưới sự phát triển của Acorn Limited, ARM đã thành một thương hiệu đứng đầu thế giới về các ứng dụng sản phẩm nhúng đòi hỏi tính năng cao, sử dụng năng lượng ít và giá thành thấp.1 mô tả hình dáng bên ngoài của vi điều khiển ARM. Chính nhờ sự nổi trội về thị phần đã thúc đẩy ARM liên tục được phát triển và cho ra nhiều phiên bản mới. Những thành công quan trọng trong việc phát triển ARM ở thập niên sau này: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT – Giới thiệu ý tưởng về định dạng các chỉ lệnh được nén lại (thumb) cho phép tiết kiệm năng lượng và giá thành ở những hệ thống nhỏ. – Giới thiệu họ điều khiển ARM9, ARM10 và “Strong ARM”. – Phát triển môi trường làm việc ảo của ARM trên PC. – Các ứng dụng cho hệ thống nhúng dựa trên nhân xử lý ARM ngày càng trở nên rộng rãi.1: Chip vi điều khiển ARM 2.

Cấu trúc cơ bản của ARM Cấu trúc ARM bao gồm các đặc tính của RISC nổi bật như: Cấu trúc nạp/lưu trữ, không cho phép truy xuất bộ nhớ không thẳng hàng, tập lệnh trực giao, file thanh ghi lớn gồm 16x32-bit, chiều dài mã máy cố định là 32 bit để dễ giải mã và thực hiện pipeline, để đạt được điều này phải chấp nhận giảm mật độ mã máy [3]. ❖ Cấu trúc ARM có một số tính chất như sau: − Hầu hết tất cả các lệnh đều cho phép thực thi có điều kiện, điều này làm giảm việc phải viết các tiêu đề rẽ nhánh cũng như bù cho việc không có một bộ dự đoán rẽ nhánh. − Trong các lệnh số học, để chỉ ra điều kiện thực hiện, người lập trình chỉ cần sửa mã điều kiện. − Có một thanh ghi dịch 32-bit, có thể sử dụng với chức năng tính toán với hầu hết các lệnh số học và việc tính toán địa chỉ.

− Có các kiểu định địa chỉ theo chỉ số rất mạnh. − Có hệ thống con thực hiện ngắt hai mức ưu tiên đơn giản nhưng rất nhanh, kèm theo cho phép chuyển từng nhóm thanh ghi. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT − Kích thước miếng bán dẫn nhỏ hơn, bộ xử lý đơn giản đòi hỏi ít transistor hơn, do đó kích thước cần dùng nhỏ lại dành vùng diện tích trống để tăng các chức năng như bộ nhớ cache, chức năng quản lý bộ nhớ,… − Thời gian phát triển một sản phẩm ngắn hơn (do kĩ thuật đơn giản) − Cấu hình mạnh hơn: Khi ta đặt ra các chỉ lệnh phức tạp tuy nó gần gũi với ngôn ngữ cấp cao, nhưng như thế vô tình cũng làm các chỉ lệnh khác phức tạp lên và để thực thi một chỉ lệnh như vậy cần tốn nhiều chu kì xung nhịp.

Trong khi đó nếu dùng RISC chỉ mất một chu kì xung nhịp cho mỗi lệnh, khi ta phân nhỏ vấn đề phức tạp thành các vấn đề đơn giản thì cách giải quyết sẽ tốt hơn. − Tốc độ tính toán cao nhờ vào việc giải mã lệnh đơn giản, nhờ có nhiều thanh ghi (ít thâm nhập bộ nhớ), và nhờ thực hiện kỹ thuật ống dẫn liên tục và có hiệu quả (các lệnh đều có thời gian thực hiện giống nhau và có cùng dạng). − Thời gian cần thiết để thiết kế bộ điều khiển là ít. Điều này góp phần làm giảm chi phí thiết kế.

− Bộ điều khiển trở nên đơn giản và gọn làm cho ít rủi ro mắc phải sai sót mà ta thường gặp trong bộ điều khiển. − Có một số ít lệnh (thông thường dưới 100 lệnh). − Có một số ít các kiểu định vị (thông thường hai kiểu: định vị tức thì và định vị gián tiếp thông qua một thanh ghi). − Có một số ít dạng lệnh (một hoặc hai).

− Các lệnh đều có cùng chiều dài. − Chỉ có các lệnh ghi hoặc đọc ô nhớ mới thâm nhập vào bộ nhớ. − Dùng bộ tạo tín hiệu điều khiển bằng mạch điện để tránh chu kỳ giải mã các vi lệnh làm cho thời gian thực hiện lệnh kéo dài. − Ngoài ra các bộ xử lý RISC đầu tiên thực hiện tất cả các lệnh trong một chu kỳ máy.

❖ Lõi vi điều khiển ARM gồm các thành phần sau: – Lõi xử lý ARM là một khối chức năng được kết nối bởi các bus dữ liệu, các mũi tên thể hiện cho dòng chảy của dữ liệu, các đường thể hiện cho bus dữ liệu, các ô biểu diễn trong hình là một khối hoạt động hoặc một vùng lưu trữ. Cấu hình này cho thấy các dòng dữ liệu và các thành phần tạo nên một bộ xử lý ARM. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT – Tập lệnh ARM nằm trong hai nguồn thanh ghi Rn và Rm, kết quả được trả về thanh ghi đích Rd.

Nguồn toán hạng được đọc từ thanh ghi đang sử dụng trên bus nội bộ A và B tương ứng. – Khối số học và logic (ALU: Arithmetic Logic) hay bộ nhân (MAC: Multiply – Accumulate Unit) lấy các giá trị từ thanh ghi Rn và Rm từ bus A, B và tính toán ra kết quả. – Mô hình thanh ghi theo kiến trúc Registry file giao tiếp với bộ nhớ thông qua các lệnh load – store và ALU để tính toán địa chỉ được lưu trong các thanh ghi. – Incrementer: bộ gia tăng cho thanh ghi địa chỉ.2: Cấu trúc lõi ARM Cortex M0 2.

Các dòng và các phiên bản của ARM Để đáp ứng yêu cầu khắt khe và đa dạng của các hệ thống nhúng, bộ xử lý ARM Cortex được chia thành 3 dòng, được biểu hiện bằng các ký tự sau tên Cortex như dòng: A (Application), R (Real - time), M (Microcontroller). BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ARM Cortex là một phiên bản khác với các phiên bản ARM thường hay được ký hiệu bởi ARMXX. ARM Cortex không có tốc độ hoạt động hay hệ thống ngoại vi nhất định, tùy thuộc vào nhà sản xuất phần cứng sẽ thiết kế hệ thống ngoại vi khác nhau, tuy nhiên tất cả đều dùng chung nhân ARM Cortex và việc lập trình và truy cập phần cứng phải tuân theo chuẩn CMSIS.

Từ năm 1994 đến năm 2015 các bộ lõi CortexA phát triển từ A0 đến A18, CortexR phát triển từ R0 đến R7, CortexM phát triển từ M0 đến M7 [10]. Các hãng sản xuất dòng chip ARM Không giống như các tập đoàn sản xuất vi xử lý khác như AMD, Intel, Motorola hay Hitachi, hãng ARM chỉ thiết kế và bán các bản thiết kế của họ và không sản xuất các vi mạch CPU hoàn chỉnh. Do vậy, có khoảng vài chục hãng sản xuất các bộ xử lý dựa trên thiết kế của ARM. Sau khi cấp phép cho hơn 175 đối tác ARM được hưởng lợi từ các công cụ của bên thứ ba.

Sử dụng một bộ xử lý tiêu chuẩn trong một thiết kế cho phép các đối tác ARM tạo ra các thiết bị với một cơ sở nhất quán cho phép họ tập trung vào việc tạo ra và phát tiển các thiết bị cao cấp hơn.3: Các hãng sản xuất bộ vi xử lý dựa trên thiết kế của ARM 2.