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系統識別號 U0026-0102201515480600
論文名稱(中文) 應用於泌尿系統功能檢測之電化學感測生醫系統微控制器設計
論文名稱(英文) Microcontroller Design for Electrochemical Sensing Biomedical System Applied on Detection of Urinary Tract Infections
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 電機工程學系
系所名稱(英) Department of Electrical Engineering
學年度 103
學期 1
出版年 104
研究生(中文) 陳冠佑
研究生(英文) Kuan-Yu Chen
學號 N26010172
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 81頁
口試委員 指導教授-羅錦興
共同指導教授-賴信志
口試委員-蔡文凱
中文關鍵字 微控制器  移動平均濾波器  通用非同步收發傳輸  混合訊號設計 
英文關鍵字 Microcontroller(MCU)  Moving Average Filter(MAF)  Universal Asynchronous Receiver(UART)  Mixed-signal design 
學科別分類
中文摘要 現今科技日新月異,加上醫療技術大幅進步,人民對健康與醫療的要求也因此提升。泌尿道感染是人類第二常見的感染病症,在台灣每年影響上百萬人,嚴重者恐導致腎功能問題甚至須進行洗腎等重大手術,為改善上述問題,本論文實現一應用於泌尿系統感染檢測之生醫感測系統。
現今的系統微控制器發展快速且功能強大,皆朝向應用於生理訊號檢測與系統晶片(System-on-Chip)的實現。基於此,本論文設計一專用於生理訊號檢測之系統微控制器,其包含:(1)類比數位轉換控制模組;(2)數位信號處理模組;(3)UART資料傳輸模組;(4)核心控制單元。類比數位轉換模組用以控制SAR ADC的動作以確保資料擷取正確;數位處理模組採用改良後的遞迴式移動平均濾波器,可使高頻雜訊平坦化,其移動平均的點數可選擇4點、8點或16點;UART傳輸模組可將資料傳送至電腦端,傳輸鮑率可分為9600、19200、115200、921600四種;核心控制單元以有限狀態機完成輪循控制,系統整體取樣頻率最高可達40KHz。為了未來能夠實現手持式檢測裝置,本論文致力於以Nanosim Integration with VCS的方法進行前端SAR ADC與後端系統微控制器的混合訊號協同模擬,且利用Altera DE2-115開發板整合前端SAR ADC進行驗證,遂再進行Cell-based design flow。
微控制器以Design Compiler進行電路合成後Gate Count為5707,Total Dynamic Power為2.5348mW。與現有文獻比較,Gate count節省72.95%,功耗節省68.66%。有效節省面積與功耗以達到未來輕便、節能的需求。
英文摘要 With the rapid growth of technology and substantial advances in medical, people’s life has been improved, the demands of health and medical is upgrade. The urinary tract infections (UTI) is the second common infections in the world, influence million people in Taiwan every year. In severe cases, it may cause renal function problems and even need for Dialysis or other surgery. In order to improve these problems, this paper implement a biomedical sensing system which applied on detection of renal function and UTI.
Modern microcontroller is mature and with powerful function, also popular in biomedical sensing system and System-on-Chip (SoC) realization. Based on this, this paper design a microcontroller for biomedical sensing which include: (1)Analog-to-digital Converter (ADC) Control Module; (2)Digital Signal Process Module; (3)UART Transmission Module; (4)Central Control Unit. ADC control module is designed to control SAR ADC for ensuring the detected data. DSP module uses proposed recursive moving average filter for smoothing the high-frequency noise. The average points of moving average filter can choose as 4 points, 8 points or 16 points. UART transmit module can transmit detected data to computer. The baud rate of system can choose as 9600, 19200, 115200 or 921600. The central control unit of microcontroller is designed with finite state machine (FSM). The highest sampling rate of whole system can achieve 40KHz. In order to realize the handheld detection equipment, this paper devote to co-simulate the mixed-signal design on SAR ADC and microcontroller by Nanosim integration with VCS (NIV). We also use development board-- Altera DE2-115 to verify proposed biomedical sensing system, and then do the cell-based design flow.
The proposed microcontroller is synthesized by Design Compiler. The results of Gate Count is 5707 which 72.95% less than the existing reference, and Total Dynamic Power is 2.5348mW which 68.66% thriftier than the existing reference. Effectively saving the chip area and power makes the power saving and convenient be true.
論文目次 目錄
中文摘要 I
ABSTRACT III
誌謝 IX
目錄 XI
表目錄 XIII
圖目錄 XV
第一章 緒論 1
1.1. 研究目的與研究動機 1
1.2. 論文章節組織 3
第二章 研究背景與文獻回顧 5
2.1. 研究背景 5
2.2. 文獻探討 8
第三章 生醫感測系統 11
3.1. 電化學感測器 11
3.2. 前端讀取電路[4] 14
3.2.1. 儀表放大器電路(Instrument Amplifier) 14
3.2.2. 恆電位儀讀取電路(Potentiostat) 18
3.2.3. 阻抗式感測讀取電路(Impedance Sensor Readout Circuit) 20
3.3. 連續漸近暫存式類比數位轉換器(SAR ADC)[6][7] 21
3.4. 提出之系統微控制器設計 25
3.4.1. SAR ADC 控制模組介紹與硬體設計 26
3.4.2. 數位訊號處理模組介紹與硬體設計 29
3.4.2.1. 移動平均濾波器(Moving Average Filter)[9] 29
3.4.2.2. 數位訊號處理模組硬體設計 35
3.4.3. UART傳輸模組介紹與硬體設計 38
3.4.4. 中心控制單元介紹與硬體設計 43
第四章 混合訊號系統晶片設計 49
4.1. 混合訊號晶片設計流程 49
4.2. 混合訊號模擬方法與結果 54
4.2.1. 混合訊號協同模擬方法 54
4.2.2. 混合訊號生醫感測系統模擬與結果分析 56
第五章 系統整合驗證 65
5.1. Altera DE2-115 介紹 65
5.2. SOPC Builder & Nios II介紹與設置 67
5.3. 整合驗證環境設置 69
5.4. 整合驗證成果 72
第六章 分析比較與結果 75
第七章 總結與未來展望 79
參考文獻 80
參考文獻 [1]http://wwwu.tsgh.ndmctsgh.edu.tw/neph/chinese/teaching/urine_analysis/urine_analysis.htm
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