臺灣博碩士論文加值系統

本論文之主旨在於提出以系統晶片(SoC)嵌入式系統架構實現生理訊號監測系統。採用可程式微控制系統晶片(PSoC)為核心，進而設計出一簡單與一複雜之兩個系統，分別為心電圖擷取系統與脈搏訊號量測系統，並討論系統晶片嵌入技術應用於此兩系統的優缺點。
兩系統皆提供一組RS-232的通訊傳輸，可與快捷的個人電腦連結，並將所量測之生理訊號，在電腦端中進行即時之監測與儲存。為了驗證本研究之系統功能，分別針對所設計的功能模塊進行測試與驗證，並經實驗結果證明能夠符合系統的需求，採SoC嵌入式系統架構於生理訊號監測方法實為可行。藉以此方式，可以達到縮小體積、降低成本之目的。

The objective of this dissertation is to carry out a bio-medical monitoring system based on the embedded System-on-a-Chip(SoC) tech. We design two systems, which are the simple ECG signal record system and complex pulse signal measurement system. Both systems are developed by Programmable SoC Microcontraller(PSoC),and discuss the advantages and faults between them.
In this study, they can provide a standard industrial interface RS232 to real-time measure bio-signal and display in PC . In order to identity the performance of both systems, We test and verify separately for each function of the model for PSoC. The results showed that it meets our specification of systems. It is proved by the embedded SoC tech, the occupied area can be minimized, and the expense of the system can be reduced. Therefore, this way is convenient to use.

[目錄]
中文摘要 ………………………………………………………………I
英文摘要 …………………………………………………………….II
圖表目錄 …………………………………………………………….VI

第一章 緒論 ……………………………….…………………….1-1
1.1 導言 …………………………………………………….1-1
1.2 研究動機與目的 .……………………………………….1-2
1.2.1 研究動機 ……………………..……………….1-2
1.2.2 研究目的 ………………………………………….1-4
1.3 論文架構說明 …………………………………………..1-5

第二章 生理背景與研究方法 …………………………………2-1
2.1 生物醫學訊號 ………………………………………2-1
2.2心電生理簡介及發展 ……………………………2-2
2.2.1 心電生理 ………………………………….2-2
2.2.2 心電圖機之發展 …………………………2-3
2.3血壓生理簡介及發展 ……………………………2-3
2.3.1 血壓生理 ………………………………………2-3
2.3.2 血壓計之發展 ……………….……………2-4
2.3.3 量測方法分類 ……………………………2-5

第三章 可程式系統晶片(PSoC) …………………………3-1
3.1 PSoC晶片之型號分類與特色概述 ………………3-1
3.2 PSoC架構與功能說明 ……………………………3-2
3.2.1 PSoC系統之架構說明 ……………………3-2
3.2.2 I/O 輸出入埠單元 …..……………………3-4
3.3.3 類比陣列單元 ………………………………3-5
3.3.4 數位陣列單元 ………………………………3-8
3.3.5 微處理及其他單元 …………………………3-9
3.3系統晶片發展環 ……………………………………3-10
3.3.1 設計流程 ……………………………………3-10
3.3.2 發展環境簡介 …………………………………3-12

第四章 生理監測系統之設計 ……………….……………4-1
4.1 ECG 系統 …………………………………………4-1
4.1.1 ECG系統架構說明 ………………………..4-2
4.1.2 ECG系統之PSoC 規劃 ……………………4-3
4.1.3 ECG系統之PSoC電路設計 …………….4-4
4.2 BPM系統 ……………………………………………4-10
4.2.1 BPM系統架構與功能說明 ……………….4-10
4.2.2 BPM系統之PSoC規劃與設計 ……………4-11
4.2.3 BPM系統之PSoC電路設計 ………………4-13
4.3 系統比較與討論………………...…………………4-22
4.3.1 低通濾波器之設計比較 ………………….4-22
4.3.2 電壓隨耦器之討論 ……………………….4-23
4.3.3 A/D轉換器之討論 ……………………..4-24

第五章 結果與討論 ………………………………………5-1
5.1系統實體 …………………………………………5-1
5.1.1 ECG之實體 ………………….…….……5-1
5.1.2 BPM之實體 ………………..…….……5-2
5.2系統測試 …………………….………………….5-3
5.2.1 ECG系統測試 …………………………..5-3
5.2.2 BPM系統測試 …………….……………5-4
5.3視窗化監測介面測試 ………………………………5-6

第六章 結論與未來展望 …………………………………6-1
6.1結論 ………………………………………………….6-1
6.2未來展望 ……………………………………………6-2

參考文獻 …………………………………………………………..A-1
附錄 ………………………………………………………..B-1

[圖表目錄]
圖索引
圖2-1心臟各節率點的電氣活動.………………………..……….. 2-2
圖2-2共振法原理之示意圖……………………………….…….…2-6
圖3-1 CY8C26443型號之外部接腳……………………….……….3-3
圖3-2 CY8C26443型號之PSoC內部架構圖……………...…3-4
圖3-3 類比陣列方塊位置圖…………………………………….. 3-6
圖3-4 PSoC類比方塊輸出入接腳圖……………………………..3-7
圖3-5 各類型類比方塊之架構圖…………………………….…. 3-8
圖3-6 數位方塊結構分布圖…………………………………….. 3-9
圖3-7 PSoC系統晶片設計流程………………………………….3-11
圖3-8 模組選取環境……………………………………….…3-12
圖3-9 模組配置環境…………………………………………..3-13
圖3-10晶片外部接腳定義………………………………………..3-14
圖3-11 程式編輯與偵錯環境……………………………………3-14
圖3-12 模擬環境…………………………………………………3-15
圖4-1 ECG整體系統之架構圖……………………………………4-2
圖4-2 ECG之PSoC晶片內部架構…………………………….4-3
圖4-3 儀表放大器之模組設計………………………………4-6
圖4-4 儀表放大增益驗證……………………………………….4-6
圖4-5 四階切換電容低通濾波器之模組設計………………….4-7
圖4-6四階低通濾波器頻率響應圖………………………...4-8
圖4-7 60Hz陷波濾波器……………………………….…………4-9
圖4-8 PSoC陷波濾波器之設計….……………..………………4-9
圖4-9 陷波濾波器之頻率響應…………………..……………. 4-9
圖4-10 BPM整體系統之架構圖……………………………………4-11
圖4-11 BPM之PSoC晶片內部架構………………………………4-12
圖4-13可程式定電流源之模組設計…………..………………4-15
圖4-14多功能觸式按鍵電路圖…………………………………. 4-16
圖4-15高通濾波器示意圖………………………………………4-18
圖4-16低通濾波器示意圖………………………………………4-19
圖4-17 Sallen&Key電路之PSoC高通濾波………………..…….4-20
圖4-18高通濾波器頻率響應……………………………………4-20
圖4-19高通濾波器之增益………………………………………4-21
圖4-20 Sallen&Key電路之PSoC低通濾波器…………………..4-21
圖4-21 低通濾波器之頻率響應…………………………………4-22
圖5-1 ECG系統實體……………………………………………5-2
圖5-2 BPM系統實體………………………………………………5-3
圖5-3 未經60Hz濾波之ECG訊號……………………………5-4
圖5-4 經60Hz濾波之ECG訊號………………………………. 5-4
圖5-5 壓脈袋與可程式定電流源之測試….……………………5-5
圖5-6 PWM模組測試….……………………………………5-6
圖5-7 PWM於共振法測試….……………………………………5-7
圖5-8 心電圖之視窗介面………………………………………5-8
圖5-9 脈壓訊號之視窗介面………………………..………….5-8
圖5-10生理訊號儲存………………………………..………….5-9
表索引
表2_1 人體生理訊號參數與量測方法…………………………2-1
表3-1 PSoC 之型號及規格說明……………………..…………3-2
表3-2 CY8C26443 各接功能說明……………………………3-3
表4-1 ECG之PSoC類比資源表…………………………………4-4
表4-2 ECG之PSoC數位資源表………………………..………4-4
表4-3 BPM之PSoC類比資源……………………………..………4-13
表4-5電阻值之設計………………………………….……………4-17
表4-6 各類4階低通濾波器比較表……………………...4-23

參考文獻
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