استفاده از labview در ساخت ECG

نرم افزار labview يك زبان برنامه نويسي گرافيكي است كه بصورت گسترده اي براي كاربردهاي مختلفي در صنايع ،تحصيلات،آموزش و تحقيقات آزمايشگاهي به عنوان يك مدل استاندارد براي جمع آوري وپردازش داده ها و همچنين وسيله اي جهت كنترل و شبيه سازي ابزارهاي مجازي آمده است.
اين نرم افزار رايانه اي كه در حال حاضر از لحاظ كاربردي در بين دانشجويان و محققان گرايشهاي برق از جمله بيوالكتريك در حال گسترش مي باشد، بخاطر داشتن قابليتها و توانمنديهايي كه به كاربر مي دهد،ازجمله داشتن قابليت انعطاف جهت تجزيه و تحليل سيستمهاي اندازه گيري ، بسياري از مشكلات را از پيش روي كاربر برميدارد.
 

1-انواع روش های انتقال داده:
کامپیوترها داده ها را به دو طریق موازی وسریال ا نتقال می دهند.در انتقال های موازی داده، اغلب از 8خط داده ویا بیشتر استفاده می شود.در این حالت داده می تواند به وسیله ای که فقط چند كيلومتر دورتر است انتقال یابد.گر چه در این موارد حجم بسیاری از داده در زمان کوتاهی جابجا می شود ولی فاصله نمی تواند چندان طولانی باشد.
در انتقال به وسیله ای که چندین متر دورتر واقع شده است ، روش سریال بکار برده می شود.
در زیر علل سادگی کار در پورت موازي ذکر شده است:
1-عدم نیاز به رمز گشا و دکودر کارت های توسعه.
2-استفاده از انتقال اطلاعات به روش موازی و عدم نیاز به پروتکل های پیچیده.
3- در دسترس بودن این پورت برای همه کامپیوترها.
4- در دسترس بودن تمام پایه های این پورت.
5- عدم نیاز به تنظیمات اولیه پیچیده.
6- سریع تر بودن نسبت به پورت سری.
7- دسترسی سخت افزاری و نرم افزاری ساده به هر کدام از پینهای این پورت.
پورت موازی معمولا بر روی مادر بورد کامپیوتر ها موجود است ولی با تهیه ونصب یک کارت I/O تعداد انها را می توان افز ایش داد و به ترتیب LPT1,LPT2,… را به وجود اورد.
  

2-انتقال اطلاعات به صورت موازی:
روش ها و پروتکل های زیادی برای ارسال اطلاعات وجود دارد که یکی از ساده ترین و پر استفاده ترین انها روش موازی است.
شکل1-2 نحوه ی انتقال بیت ها را به صورت موازی نشان می دهد.

شکل 1-2

همانطور که در شکل 2-3 مشخص شده است برای ارسال اطلاعات هر بیت به یک سیم نیاز است. پس مقادیر تمام بیت های یک بایت باید هم زمان بر روی پورت قرار بگیرند و گیرنده نیز باید انها را همزمان دریافت کند. یکی از معایب بزرگ این نوع ارسال هزینه بسیار بالا و برد کم انتقال اطلاعات است. برای ارسال هر بایت حداقل 9سیم نیاز است.8 عدد برای هر بیت ،یک سیم برای زمین .همانطور که گفته شد سادگی ارسال موازی باعث استفاده از ان شده است،اما این روش مشکلاتی دارد که باعث ساخت پروتکلهای پیچیده ارتباطی دیگر شده است.
از ان جمله:
1- هزینه بسیار انتقال اطلاعات.
2- برد بسیار کم.
3- سرعت انتقال اطلاعات بسیار پایین تر از پروتکل هایی مانند USB است.
4- اگر در ارسال یکی از این پین ها مشکلی ایجاد شود پیدا کردن ان بسیار مشکل است در حقیقت در این روش خطایابی دشوار است.
5-امکان ازدست دادن ا طلاعات ویا احتمال دریافت اطلاعات تکراری در این روش بسیار زیاد است .
6- تعدا دی از شرکت های بزرگ کامپیوتری پروتکل های جدیدی برای این پورت ساخته اند اما هنوز کارایی ان بسیار کمتر از پورتی مانند USBاست.
3-اتصال سریال:
همانطور که بیان شد پورت موازی دارای معایبی است که برای بر طرف کردن ان باید به روش های جبران سازی بپردازیم اما در پورت سری تعداد بسیار زیادی از این معایب مانند هزینه ی انتقال وصحت اطلاعات وبرد انتقال بر طرف شده است.

در پورت سری از یک پروتکل جدید برای انتقال داده ها استفاده می شودکه این پروتکل سریال serial نام داردو به وسیله ان داده ها را می توان در حداقل یک سیم انتقال داد. این روش هم اکنون بسیا ر گسترش یافته تا انجا که بسته های اطلاعاتی اینترنتی از طریق سریال انتقال می یابند.
اتصال گر های پورت سری در پشت بدنه کامپیوتر قرار دارند ومعمولا در دو نوع 25 پین (شکل1-3) و9 پین (شکل1-3) دیده می شوند. در کامپیوتر های جدید نوع 25 پین این پورت کمتر یافت می شود واغلب د ارای دو اتصال گر نر 9 پایه هستند. پورت سریSerial Port با نام Communications Port نیز شناخته می شود،که به ان ها به اختصار COM نیز گفته می شود.پورت سری اول com1 وپورت دوم com2 وبه همین ترتیب تمام درگاه های سری نامگذاری می شوند.

3-1                                                            3-2

انتقال بصورت سریال:

در شکل 3-2 انتقال اطلاعات بصورت موازی نشان داده شده است .عیب بزرگ این نوع انتقال اطلاعات تعداد زیاد سیم ها و محدودیت برد ان است.توسط روش سریال می توان با حداکثر سه سیم اطلاعات را تا مسافت های طولانی انتقال داد.به عنوان مثال اگر قرار بود اطلاعات در اینترنت بوسیله ی انتقال موازی جابجا شوند ده ها سیم باید داده ها را منتقل می کرداما این جابجایی بوسیله ی خطوط تلفن وانتقال سری انجام می شود.بنابراین بدون نیاز به سیم کشی های زیاد می توان اطلاعات زیادی را ارسال و دریافت کرد.پس نتیجه می شود که تمام مودم ها اطلاعات را از طریق سریال جابجا می کنند.

همانطور که در شکل فوق مشخص شده انتقال سریال به سه روش قابل انجام است:
1-انتقال ساده (Simple)
در این نوع انتقال دستگاه جانبی یا تماما گیرنده(Receiver) است ویا فرستنده. مانند ماوس که فقط نقش فرستنده(Transmitter) اطلاعات را دارد و توانایی در یافت اطلاعات را ندارد.
2-انتقال نیمه دو طرفه(Half Duplex)
در این نوع انتقال دستگاه جانبی و کامپیوتر قادر به ارسال و دریافت اطلاعات هستند ولی هر دو را نمی توانند همزمان انجام دهند.
3- انتقال تمام دو طرفه (Full Duplex)
در این انتقال دستگاه جانبی و کامپیوتر به صورت همزمان قادر به دریافت و ارسال هستند.
بطور کلی در انتقال داده اگر بتوان داده را ارسال و دریافت کرد گوییم انتقال دو طرفه است .این بر خلاف انتقال ساده همچون چاپگرهاست که در ان کامپیوتر فقط داده ارسال می کند.ارسال می تواند نیمه و یا تمام دو طرفه باشد این بستگی به امکان انتقال همزمان داده در دو جهت دارد. اگر داده در هر زمان فقط در یک جهت ارسال شود به ان نیمه دو طرفه گویند.اگر امکان ارسال دو جهته همزمان داده وجود داشته باشد ان را تمام دو طرفه می نامند. البته تمام دو طرفه علاوه بر خط زمین نیاز به خط داده دارد که یکی برای ارسال و دیگری برای دریافت می باشد. بدین طریق ارسال و دریافت بطور همزمان صورت می گیرد.
نحوه ارتباط مدارات خارج از رايانه با برنامه labview را با توجه به موارد بالا و بخاطر كم كردن هزينه ها ،بصورت سريال انتخاب كرده ايم. فقط بايد توجه كرد كه انتقال سريال اطلاعات به رايانه داراي محدوديتهايي است كه مهمترين اين محدوديتها، فركانس كاري سيستمي است كه از طريق پورت سريال به تبادل اطلاعات با رايانه مي پردازد. كه در مورد ecg چون فركانس ضربان قلب درحد 1.3hz است،استفاده از اين ارتباط مشكلي را بوجود نمي آورد.مراحل كاري براي دريافت و تقويت وفيلترينگ سيگنال ecg و سپس نمايش آن را به سه قسمت تقسيم كرده ام كه در ادامه به توضيح آنها مي پردازم:

1- مدار دريافت و تقويت ecg :
سيگنال ecg در واقع شامل تفاضل دو سيگناك گرفته شده از دو قسمت بدن نسبت به يك مرجع معين مي باشد‌، كه اين معمولا اين مرجع معين روي مچ پاي راست،كه بوسيله AD705 هم كار تقويت وهم كار فيلتركردن انجام ميشود ودو سيگنال ديگر از دو طرف چپ و راست قلب دريافت مي شوند.براي دريافت سيگنالهاي قلبي به راحتي ميتوان از يك Ic ابزار دقيق مثل AD620 استفاده كرد ، تا پس از دريافت هر كدام از سيگنالها، تقويت شده،و سپس تفاضل اين دو سيگنال تقويت شده را در خروجي اينIc ببينيم.در ادامه نياز به يك تقويت كننده داريم،بطوري كه در حالت كلي سيگنال دريافتي از قلب ، حداقل 1000 برابر تقويت شود.
شماتيك آنچه كه گفته شد را در پايين ميتوانيد ببينيد:

2- مدار واسط بين رايانه و مدار دريافت كننده سيگنال قلب:
ارتباط سریال USART یکی از پروتکل هایی است که توسط انواع کامپیوترها نیز حمایت می شود و لذا برای بر قراری ارتباط بین میکروکنترولر و کامپیوتر غالبا از این روش استفاده می شود و به این دلیل مطالعه ی ان از اهمیت زیادی برخوردار است.
بعضی از انواع AVR تنها از ارتباط سریال UART حمایت می کنند،به این معنی که ارتباط سریال تنها به صورت آسنکرون قابل انجام میباشد و انواع پیشرفته تر میکروکنترلر های AVR می توانند به صورت سنکرون و آسنکرون ارتباط برقرار کنند.این دو نوع ارتبا ط سریال از نظر محل بیت ها در داخل رجیستر ها ، نحوه تولید نرخ ارسال، و دریافت اطلاعات و عملکرد بافر مربوط به ارسال اطلاعات کاملا مطابقت دارند و تنها عملکرد بافر مربوط به دریافت اطلاعات در ارتباط سریال USART بهبود یافته است.
پس از بدست آوردن سيگنال تقويت شده Ecg ، اولا بايد اين سيگنال آنالوگ تبديل به ديجيتال شود تا براي رايانه قابل فهم باشد و ثانيا به دليل اينكه مي خواهيم به صورت سريال اين اطلاعات را ارسال كنيم ، پس بايد اين اطلاعات بصورت سريال كدگذاري شوند بعد عمل ارسال صورت بگيرد.براي انجام اين دو كار به راحتي ميتوان از ميكروكنترلهاي AVR استفاده نمود.از آنجايي كه براي برقراري ارتباط سريال با رايانه ناچاريم تا از RS232(پورت سريال) استفاده كنيم،لازم است تا به نحوي بتوانيم سطوحTTL ايجاد شده توسط ميكرو و RS232 را به يكديگر تبديل كنيم.عموما براي تبديل اين سطوح ولتاژ به يكديگر از تراشه Max232 يا Max233 استفاده مي شود. استفاده از این قطعه بسیار ساده ودر عین حال ضروری است. نکته بسیار جالب این تراشه این است که با تغذیه 5 ولتی در خروجی های MAX232 ولتاژهای 10و10+ ولتی را تولید می کند .انجام این کار بوسیله ی چهار خازن 1تا22 میکروفاراد نیاز دارد که عموما از خازن 22 میکرو فارادی که به پایه های ان متصل می شوند صورت ميگيرد.این خازن ها ولتاژها را از داده های قبلی در خود ذخیره کرده وبا جمع انها داده ها را به RS232 تبدیل می کند.
در RS232منطق1 با 3 - تا25- ولت تعریف می شود، ضمن اینکه 3+ تا 25+ ولت هم، بیت 0 است.فاصله 3- تا 3+ تعریف نشده است. به این دلیل، برای اتصال هرRS232 به یک سیستم مبتنی بر میکروکنترولر، باید ازمبد ل های ولتاژی همچون MAX232برای تبد یل از سطح TTL به سطح RS232 و بر عکس استفاده کنیم. تراشه های MAX232 بنام راه اندازهای خط و گیرنده خط نام گذاری شده اند.
آنچه كه بايد در اينجا مورد توجه قرار بگيرد ، اين است كه چون ورودي سريال Labview فقط ميتواند استرينگ باشد،به همين دليل خروجي ميكرو را نيز بايد بصورت استرينگ در نظر گرفت.
 

3-فيلترينگ و نمايش سيگنال در labview :
Labview همانطور که عنوان شد نرم افزاری قوی در ایجاد ارتباط سریال می باشد که برنامه نویسی ان اسان بوده و به صورت بلوکی می باشد.در فضای خارج از کامپیوتر نیز می توانیم از میکرو کنترل های مختلفی مانند 8051،AVR،PLCو... استفاده نمائیم.
طرحی که در این بخش جهت استفاده از نتیجه حاصله از ایجاد ارتباط سریال بین میکروکنترل AVR وبرنامه نرم افزاری labview گرفته شده ،ثبت ECG می باشد.
در دو مرحله قبلي،سيگنالهاي آنالوگ قلبي را دريافت كرده و بدست آوردن تفاضل آنها و پس از تقويت و تبديل كردن به ديجيتال، اين سيگنال را بصورت سريال وارد رايانه كرديم.از جمله اعمال پردازشي كه بوسيله اين نرم افزار روي اين سيگنال بايد انجام دهيم، عمل فيلترينگ است.چون طيف فركانسي سيگنال قلب بين 0.05hz تا 100hz مي باشد به همين دليل بايد از يك فيلتر ميان گذر استفاده نمود.اما بدليل اينكه نويز برق شهر(50hz) نيز در اين بازه قرار ميگيرد،مجبوريم تا با يك فيلتر ميان نگذر اين سيگنال ناخواسته را حذف كنيم،كه اين كار را ميتوان با استفاده از برنامه labview و جاسازي بلوكهاي مورد نظر در اين برنامه انجام داد.
ازجمله قابليتهاي بسيار خوب labview داشتن برنامه هاي كاربردي و مفيد در كتابخانه خود مي باشد كه از جمله اين برنامه ها،برقراري ارتباط سريال بين labview و پورت سريال مي باشد كه مي توان با ايجاد تغييرات اندكي در خروجي اين برنامه، به هدف خود كه داشتن سيگنال Ecg است رسيد.براي اين كار لازم است كه ورودي رايانه را بوسيله يك مبدل كه در خود نرم افزار وجود دارد، از آرايه به استرينگ تبديل نموده و پس از عبور دادن از فيلترهاي مورد نظر و انجام عمل پردازش توسط يك نمودار آن را نمايش داد.