A graduation thesis about ECG Detector implemented on OpenMSP430 open-core

1. Triển khai hệ thống SoC năng lượng thấp
trên lõi mở openMSP430 cho các
ứng dụng ECG
SVTH : Nguyễn Văn Giang
GVHD: TS. Nguyễn Đức Minh
1 Hà Nội, 6 - 2016

2. Nội dung
1 • Đặt vấn đề
2 • Kiến trúc hệ thống
3 • Triển khai lõi mở OpenMSP430
4 • Triển khai bộ tăng tốc xử lý ECG
5 • Kết luận
6 • Tài liệu tham khảo
2

3. 1. Đặt vấn đề
3
• Giới thiệu về IoT
• Các sản phẩm chăm sóc sức khỏe thông minh [1]

4. 2. Kiến trúc hệ thống
4
• Kiến trúc hệ thống ECG SoC
• Hệ thống BSN – Body Sensor Network [3]

5. 3. Triển khai lõi mở OpenMSP430
5
• Một số nhân xử lý mã nguồn mở [4]
Core Atlas NEO430 RISC V OpenMSP430
Tần số hoạt động (Mhz) 99.11 125 109 50
Cổng logic(%) 13 4 2 6
Thanh ghi (%) 6 2 6 4
Bộ nhớ (%) 49 11 10 7
• Mục tiêu tổng hợp trên ASIC
Thông số Mục tiêu
Năng lượng < 1mW
Diện tích < 0.1 mm2
Tần số hoạt động > 50 Mhz

6. 3. Triển khai lõi mở OpenMSP430
6
• Tổng quan về lõi mở OpenMSP430 [4]
• Triển khai trên FPGA
• Xây dựng phần mềm và kiểm thử chương trình

7. 3. Triển khai lõi mở OpenMSP430
7
• Kết quả tổng hợp ASIC
Thông số Mục tiêu Kết quả
Năng lượng < 1mW 0.4955 mW
Diện tích < 0.1 mm2 0.083 mm2
Tần số hoạt động > 50 Mhz 100 Mhz

8. 4. Bộ tăng tốc xử lý ECG
8
• Giới thiệu về tín hiệu ECG
• Thu nhận tín hiệu ECG
• Phổ tín hiệu ECG

9. 4. Bộ tăng tốc xử lý ECG
9
• Một số thuật toán xử lý tín hiệu ECG [3]
Thuật toán Năm DER %
Combined Adaptive threshold 2004 0.44
Geometrical matching 2007 2.92
Dual slope 2011 0.55
Zero crossing 2014 1.71
• Đánh giá thuật toán
𝐷𝐸𝑅 % =
𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟
𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑄𝑅𝑆
. 100
𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 là tổng số nhịp tim phát hiện bị lỗi.
𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑄𝑅𝑆 là tổng số nhịp tim có trong mẫu.
• Mục tiêu tổng hợp trên ASIC
Thông số Mục tiêu
Năng lượng < 1.5 mW
Diện tích < 0.25 mm2
Tần số hoạt động > 20 Mhz
DER < 1.5 %

10. 4. Bộ tăng tốc xử lý ECG
10
• Sơ đồ khối hệ thống
• Thuật toán phát hiện đỉnh phức hợp QRS
• Kết quả tổng hợp ASIC
Thông số Mục tiêu Kết quả
Năng lượng < 1.5 mW 1.26 mW
Diện tích < 0.25 mm2 0.23 mm2
Tần số hoạt động > 20 Mhz 100 Mhz
DER < 1.5 % 1.07 %
• Mô phỏng trên ModelSim

11. 5. Kết luận
• Kết quả thu được
▫ Triển khai lõi mở openMSP430 trên FPGA và chạy
thử.
▫ Tổng hợp ASIC cho lõi, đưa ra năng lượng, diện
tích.
▫ Mô phỏng và triển khai trên Simulink thuật toán
phát hiện nhịp tim.
▫ Mô phỏng phần cứng trên ModelSim và tổng hợp
ASIC có đưa ra năng lượng, diện tích, tốc độ và độ
chính xác.
11
• Hướng phát triển
▫ Tổng hợp ASIC trên các công nghệ khác nhau để
chọn giải pháp tối ưu cho vấn đề tổng hợp.
▫ Cải tiến khối phát hiện nhịp tim.
▫ Kết nối 2 khối với các khối khác thành một hệ
thống hoàn chỉnh.

12. 6. Tài liệu tham khảo
• [1] Ann Arbor W. Lim. Batteryless sub-nw cortex-m0+ processor with dynamic leakage-suppression
logic. In Solid-State Circuits Conference-(ISSCC), 2015 IEEE International. IEEE, 2015.
• [2] S.C. Jocke, S.N. Wooters, A.D. Jurik, A.C. Weaver, T.N. Blalock, B.H. Calhoun. A 2.6-µW Sub-
threshold Mixed-signal ECG SoC.
• [3] Yanqing Zhang, Jason Silver, Yousef Shakhsheer, Manohar Nagaraju, Alicia Klinefelter, Jagdish
Pandey, James Boley, Eric Carlson, Aatmesh Shrivastava, Brian Otis, Benton Calhoun. A Batteryless
19µW MICS/ISM-Band Energy Harvesting Body Area Sensor Node SoC. In Journal of Low Power
Electronics and Applications, page 1–3, ISSN, 2011.
• [4] http://opencores.org/project,
• [5] David Castells-Rufas and Jordi Carrabina. Simple real-time {QRS} detector with the mamemi
filter. Biomedical Signal Processing and Control, 21:137 – 145, 2015.
12