Mémoire de Master: Acquisition Du Signal ECG Par Le Microcontrôleur 18F4550 Et Sa Visualisation Sur Le PC Par Une Interface

‫وزارة التعـليــــم العالـــي والـبحـــث العلـمـــــــــي‬ MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE

‫جامعـــة فرحات عباس سطيــــف‬

UNIVERSITE FERHAT ABBAS -SETIF Faculté de Technologie

‫كليـة التـكنــولــوجيــــا‬

Département d’électrotechnique

‫اإللكتروتقنية‬: ‫قسم‬

Mémoire de Master No. Réf. : ………./……/2016

Présenté au Département d’électrotechnique Domaine : Sciences et Technologie Filière : Automatique Spécialité : Automatique Industriel Réalisé par :

Belhadj Abdessamed Thème

Acquisition du signal ECG par le Microcontrôleur 18F4550 et sa visualisation sur le PC par une interface graphique sous Matlab. Soutenu le 23/06/2016 devant la commission d’examen composée de : M. Abdelaziz. M

MCA

à l’Université de Sétif

Président

Mme. Mebarkia. A

MCA


Directeur du Mémoire

M. Bouktir.O

MCB


Examinateur

Dédicaces Tous les mots ne sauraient exprimer la gratitude, l’amour, le respect, la reconnaissance, c’est tous simplement que : Je dédie ce modeste travail à : A Ma tendre Mère Salima : Tu représente pour moi la source de tendresse et l’exemple de dévouement qui n’a pas cessé de m’encourager. Tu as fait plus qu’une mère puisse faire pour que ses enfants suivent le bon chemin dans leur vie et leurs études. A Mon très cher Père lakhder : Aucune dédicace ne saurait exprimer l’amour, l’estime, le dévouement et le respect que j’ai toujours pour vous. Rien au monde ne vaut les efforts fournis jour et nuit pour mon éducation et mon bien être. Ce travail et le fruit de tes sacrifices que tu as consentis pour mon éducation et ma formation le long de ces années. A ma chère belle sœur, mes chers beaux frères. A mes très chèrs amis. A tous les amis de ma promotion. A tous mes enseignants depuis mes premières années d’études. A tous ceux qui me sens chers et que j’ai omis de citer.

Remerciements On remercie dieu le tout puissant de nous avoir donné la santé et la volonté d’entamer et de terminer ce mémoire. Je tiens à remercier en premier lieu Dr Reffad.A épouse Mebarkia pour la qualité de son encadrement exceptionnel, pour sa patience, sa rigueur et sa disponibilité durant notre préparation de ce mémoire. Je tiens aussi à remercier Monsieur Dr Mebarkia. K pour nous avoir aidés dans ce projet. Je tien à remercier mes amis Liamini.M.C et Chougui.A pour leur aide. Je tiens aussi à remercier tous ceux qui ont contribué de loin ou de près à la réalisation de ce travail Je remercie également tous les membres du jury pour l’intérêt qu’ils ont porté à mon travail : Dr. Abdelaziz .M Dr. Bouktir .O

SOMMAIRE

Sommaire INTRODUCTION GENERALE .............................................................................. 3 Chapitre 01............................................................................................................................. 5 LE CŒUR ET L’ELECTROCARDIOGRAPHIE ...................................................... 5 1.1. Introduction ......................................................................................................................................................... 5 1.1.1. Le système cardiovasculaire ............................................................................................................................. 5 1.1.2. La circulation artérielle et veineuse .............................................................................................................. 5

1.2. Anatomie du cœur et fonctionnement. ...................................................................................................... 6 1.2.1. Cycle cardiaque ...................................................................................................................................................... 7

1.3. L’origine physiologique du signal électrique cardiaque ..................................................................... 8 1.4. L'électrocardiographie..................................................................................................................................... 8 1.4.1. Techniques d'enregistrement .......................................................................................................................... 9 1.4.2. Les systèmes de dérivations ...........................................................................................................................10 1.4.3. Conditions d’enregistrement ..........................................................................................................................12 1.4.4. Bruit et variabilité du signal ...........................................................................................................................13

1.5. Conclusion ..........................................................................................................................................................13

Chapitre 02.......................................................................................................................... 14 LE MICROCONTROLEUR PIC 18F4550 ........................................................14 2.1. Introduction ......................................................................................................................................................14 2.2. Le Microcontrôleur (PIC) ..............................................................................................................................14 2.2.1. Définition d’un PIC ..............................................................................................................................................14 2.2.2. Classification des PICs de Microchip ...........................................................................................................14 2.2.3. Identification d’un PIC .......................................................................................................................................15 2.2.4. Le choix d’un PIC .................................................................................................................................................15 2.2.5. Caractéristiques principales du PIC 18F4550 .........................................................................................16 2.2.6. Brochage du 18F4550 .......................................................................................................................................17 2.2.7. Architecture interne du PIC 18F4550.........................................................................................................17

2.3. Le Convertisseur analogique /numérique .............................................................................................19 2.3.1. Les registres de la conversion analogique/numérique .......................................................................20

2.4. L’interface de communication série synchrone et asynchrone (EUSART) ................................22 2.4.1. Les registres de l’EUSART ................................................................................................................................23

2.5. Conclusion ..........................................................................................................................................................26

SOMMAIRE

Chapitre 03.......................................................................................................................... 27 CONCEPTION ET OUTILS DE DEVELOPPEMENT ...........................................27 3.1. Introduction .......................................................................................................................................................27 3.2. Description des différentes cartes.............................................................................................................27 3.2.1. La carte de détection ..........................................................................................................................................27 3.2.2. La carte d’acquisition .........................................................................................................................................29

3.3. Les différents pins utilisés du microcontrôleur (µc)..........................................................................31 3.3.1. La broche d’alimentation .................................................................................................................................31 3.3.2. Le circuit d’horloge .............................................................................................................................................31 3.3.3. L’entrée analogique AN0 (RA0).....................................................................................................................32 3.3.4. Les lignes de transmission de l’EUSART ....................................................................................................32

3.4. Les outils de développement .......................................................................................................................32 3.4.1. Langage et compilateur MikroC ....................................................................................................................32 3.4.2. Logiciel de simulation PROTEUS ..................................................................................................................34 3.4.3. L’interface graphique sous MATLAB ...........................................................................................................35

3.5. La réalisation des cartes ................................................................................................................................37 3.5.1. La carte de détection ..........................................................................................................................................37 3.5.2. La carte d’acquisition .........................................................................................................................................38

3.6. Conclusion ..........................................................................................................................................................40

Chapitre 04.......................................................................................................................... 41 RESULTATS PRATIQUES ET SIMULATION .....................................................41 4.1. Introduction .......................................................................................................................................................41 4.2. Partie simulation ..............................................................................................................................................41 4.2.1. Communication avec le PC ..............................................................................................................................41 4.2.2. Affichage des valeurs transmises par le μc via le terminal virtuel .................................................42 4.2.3. Récupération des données transmises par l’interface graphique ...................................................43

4.3. Partie expérimentale ......................................................................................................................................44 4.3.1. Visualisation du signal cardiaque sur l’oscilloscope.............................................................................44 4.3.2. Affichage du signal cardiaque sur l’interface graphique .....................................................................45

4.4. Conclusion ..........................................................................................................................................................47

CONCLUSIONS GENERALES ET PERSPECTIVES ...........................................48

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Liste des figures Figure 1.1. La circulation sanguine. .................................................................................................................................... 6 Figure 1.2. Coupe longitudinale du cœur............................................................................................................................ 7 Figure 1.3. Allure d’un électrocardiogramme normal. ...................................................................................................... 8 Figure 1.4. Montage d’Einthoven pour l’enregistrement des dérivations bipolaires des membres.........................11 Figure 1.5. Dérivation unipolaire des membres...............................................................................................................11 Figure 1.6. Montage de Goldberger pour l’enregistrement des dérivations unipolaires des membres...................12 Figure 1.7. Dérivation précordiales de Wilson.................................................................................................................12 Figure 2.1. Brochage du PIC 18F4550. .............................................................................................................................17 Figure 2.2. Architecture interne du PIC 18F4550...........................................................................................................18 Figure 2.3. Schéma équivalent du convertisseur analogique/numérique 10 bits. ......................................................19 Figure 3.1. Type des électrodes utilisées. ..........................................................................................................................27 Figure 3.2. Schéma d'un amplificateur différentiel classique. ........................................................................................28 Figure 3.3. Montage de détection et composants de la carte de détection du signal ECG. .....................................29 Figure 3.4. Montage en suiveur de tension. .....................................................................................................................30 Figure 3.5. Filtre passe-bas. ................................................................................................................................................31 Figure 3.6. L’environnement IDE du compilateur MkroC PRO. ................................................................................33 Figure 3.7. Interface du logiciel ISIS. ................................................................................................................................34 Figure 3.8. Interface du logiciel ARES. ............................................................................................................................35 Figure 3.9. Fenêtre principale du GUIDE. ......................................................................................................................36 Figure 3.10. Property Inspector...........................................................................................................................................36 Figure 3.11. Schéma du circuit électrique de la carte de détection. ................................................................................37 Figure 3.12. Schéma du circuit imprimé de la carte de détection. ..................................................................................38 Figure 3.13. Schéma du circuit électrique de la carte d’acquisition. ...............................................................................38 Figure 3.14 Schéma du circuit imprimé de la carte d’acquisition. .................................................................................39 Figure 3.15 La carte d’acquisition réalisée sous ARES en visualisation 3D. ...............................................................40 Figure 4.1 Configuration du VSPE. ...................................................................................................................................41 Figure 4.2. Connexion virtuelle entre les ports COM1 et COM2 par VSPE. .............................................................42 Figure 4.3. Affichage des valeurs transmises sur le terminal virtuel..............................................................................42 Figure 4.4. Récupération du signal envoyé par le μc vers le PC au niveau de l’interface graphique. .......................43 Figure 4.5. Chargement et traitement du signal EMG. ...................................................................................................44 Figure 4.6. Visualisation du signal cardiaque sur l'oscilloscope numérique. ................................................................44 Figure 4.7. Carte de détection. ............................................................................................................................................45

SOMMAIRE

Figure 4.8. Circuit d’acquisition. ........................................................................................................................................45 Figure 4.9. Signal ECG bruité récupéré au niveau de l’interface graphique. ..............................................................46 Figure 4.10. Signal ECG filtré. ............................................................................................................................................46 Figure 4.11. Le signal ECG détecté en présence de la fréquence 50 Hz et après élimination de cette dernière ...47

SOMMAIRE

Liste des tableaux Tableau 2.1. Caractéristiques principales du pic 18F4550. ............................................................................................16 Tableau 2.2. Registre de contrôle ADCON0. .................................................................................................................20 Tableau 2.3. Registre de contrôle ADCON1. .................................................................................................................21 Tableau 2.4. Configuration des entrées du convertisseur au moyen des bits PCFG0 à PCFG3. ...........................21 Tableau 2.5. Registre de contrôle ADCON2. .................................................................................................................22 Tableau 2.6. TAD en fonction de la fréquence d’horloge. ..............................................................................................22 Tableau 2.7. Registre de contrôle TXSTA. ......................................................................................................................24 Tableau 2.8. Registre de contrôle RCSTA. ......................................................................................................................25 Tableau 2.9. Registre de contrôle BAUDCON. .............................................................................................................26 Tableau 2.10. Mode de calcul de la vitesse de transmission de type EUSART..........................................................26

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CHAPITRE 01

LE CŒUR ET L’ELECTROCARDIOGRAPHIE

Listes des Acronymes et Symboles Acronymes

ECG : EMG OD : OG : VL : VR : VF : aVL : aVR : aVF : DI : DII : DIII : µC : CAN: RS232 : AOP : MATLAB : GUI : FFT : RMS :

Electro Cardio Gramme. Electro Myo Gramme. Oreillette Droite. Oreillette Gauche. Voltage Left. Voltage Right. Voltage Foot. Augmented Voltage Left. Augmented Voltage Right. Augmented Voltage Foot. Derevation One. Derevation Two. Derevation Three. Microcontrôleur. Convertisseur Analogique-Numérique. Recommended Standard 232. Operational Amplifier Matrix Laboratory Graphical User Interface. Fast Fourier Transformer. Root Mean Square.

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INTRODUCTION GENERALE Le cœur est le muscle le plus puissant du corps humain. Malgré sa force il est vulnérable à l'échec et au dysfonctionnement. Plusieurs types de maladies peuvent le troubler, nous pouvons citer comme exemples : les arythmies (les extrasystoles, les fibrillations, les tachycardies, etc…). Les maladies cardiovasculaires constituent l'une des principales causes de mortalité dans le monde, un taux supérieur de 75 % de ces maladies est enregistré dans les pays en voie de développement où les normes vivantes de base, le médicament et le diagnostic ne sont pas fournis [10]. Pour ces raisons, il y a un besoin urgent pour le développement de nouvelles méthodes de prévention, de détection et de traitement de ces maladies. Parmi les examens les plus couramment effectués pour la détection des maladies cardiovasculaires, on distingue l’électrocardiogramme (ECG) qui est un signal de nature électro-physiologique dont le tracé matérialise l'activité électrique du cœur capté par des électrodes placées à la surface du corps. L’objectif de ce travail est de proposer un système permettant l’acquisition et la transmission du signal ECG vers le PC au niveau duquel s’effectuent quelques traitements du signal en question sous le logiciel Matlab via une interface graphique. Dans ce cadre, nous avons partagé notre travail comme suit : Après une introduction générale, nous avons abordé le premier chapitre, dans lequel nous avons présenté sommairement le fonctionnement du système cardiovasculaire permettant ainsi au lecteur de ce manuscrit de comprendre l’origine des signaux électriques enregistrés par l’électrocardiographie. On s’est intéressé dans le deuxième chapitre à la présentation et la description du microcontrôleur PIC18F4550 qui est un élément essentiel pour notre application. Le troisième chapitre est consacré à la réalisation des deux cartes. La première a pour but de détecter les impulsions cardiaques donc le signal électrocardiogramme (ECG) et la deuxième a pour rôle de numériser et de transmettre le signal ECG vers le PC. Le quatrième chapitre présente les différents résultats obtenus au cours de la réalisation pratique.

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Chapitre 01

LE CŒUR ET L’ELECTROCARDIOGRAPHIE 1.1. Introduction Le système cardiovasculaire est constitué du cœur et du système vasculaire, sa fonction principale est d'assurer un flux de sang adéquat continu et sous pression suffisante aux organes et aux tissus afin de satisfaire aux besoins énergétiques et au renouvellement cellulaire, quelles que soient les conditions ambiantes et l'activité de l'individu. Dans ce chapitre, l'introduction à la cardiologie est volontairement limitée aux notions utiles à la compréhension des chapitres suivants. 1.1.1. Le système cardiovasculaire Le système cardiovasculaire assure la circulation du sang dans l’organisme et permet ainsi son alimentation en oxygène et en nutriments. Il est composé du cœur, sorte de double pompe, qui assure la circulation dans deux réseaux complémentaires : celui des artères et celui des veines. [1] 1.1.2. La circulation artérielle et veineuse Le réseau artériel de la grande circulation est un circuit à haute pression ; il conduit le sang oxygéné à travers le corps dans des vaisseaux sanguins appelés, artères (Figure 1.1). Ce dernier niveau est constitué de multiples petites ramifications qui facilitent le transfert de l’oxygène du sang aux organes. Le sang devenu pauvre en oxygène, revient au cœur dans les veines, puis est envoyé par les artères pulmonaires dans la petite circulation où il est oxygéné dans les poumons. Le réseau veineux est le principal réservoir de sang : il contient environ 70% du volume total, qui est de 5 à 6 litres pour un adulte.

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Figure 1.1. La circulation sanguine. 1.2. Anatomie du cœur et fonctionnement. Si le cœur est souvent associé aux sentiments, la charité, le bien ou le mal par des expressions du style «il n’a pas de cœur » ou «il faut écouter votre cœur », scientifiquement, c’est un organe musculaire assurant le rôle de pompe du système sanguin. Son activité à la fois électrique et mécanique assure la pompe de 8000 litres de sang avec 100 000 battements quotidiens en moyenne. Il est formé essentiellement d'un muscle, le myocarde, lequel est entouré d'un "sac" séreux, le péricarde et tapissé à l'intérieur par une fine membrane, l'endocarde. Le cœur comprend quatre cavités : deux cavités droites, formées par l'oreillette et le ventricule droit et deux cavités gauches, formées par l'oreillette et le ventricule gauche (Figure 1.2). Les cavités droite et gauche sont totalement séparées par une cloison (septum).

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Figure 1.2. Coupe longitudinale du cœur. 1.2.1. Cycle cardiaque Chaque battement du cœur entraine une séquence d’événements mécaniques et électriques collectivement appelés cycle cardiaque. Celui-ci consiste en trois étapes majeures : la systole auriculaire, la systole ventriculaire et la diastole. Dans la systole auriculaire, les oreillettes se contractent et projettent le sang vers les ventricules. Une fois le sang expulsé des oreillettes, les valvules auriculo-ventriculaires entre les oreillettes et les ventricules se ferment. Ceci évite un reflux du sang vers les oreillettes. La systole ventriculaire implique la contraction des ventricules expulsant le sang vers le système circulatoire. Une fois le sang expulsé, les deux valvules, pulmonaires à droite et aortique à gauche se ferment. Enfin, la diastole est la relaxation de toutes les parties du cœur, permettant le remplissage passif des ventricules et l’arrivée de nouveau sang. Les phases de contraction harmonieuses des oreillettes et des ventricules sont commandées par la propagation d’une impulsion électrique. Lorsque la fréquence cardiaque change, la diastole est raccourcie ou rallongée tandis que la durée de la systole reste relativement stable. [4]

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1.3. L’origine physiologique du signal électrique cardiaque Les potentiels électriques prennent leur origine dans les fibres du muscle cardiaque. La génération et la propagation de l’excitation dans les différentes parties du cœur peuvent être étudiées non seulement par la mesure des potentiels électriques des cellules ou la mesure des potentiels électriques à la surface du cœur, mais aussi par l’enregistrement de l’activité cardiaque au niveau de la peau. En effet, avec le développement de différence de potentiel entre les zones excitées et non excitées du cœur, les forces électriques différentielles se propagent dans le corps entier. Des tracés reflétant les oscillations de ces potentiels peuvent donc être enregistrés en appliquant des électrodes à certains points du corps. En modèle simplifié, le cœur qui est la source des signaux est un générateur représenté par un dipôle électrique localisé dans le thorax. Par convention, une impulsion électrique qui se propage vers l’électrode est représentée sur l’enregistrement de l’électrocardiogramme par une déflexion qui se dirige vers le haut du tracé. Si, au contraire, l’activité électrique fuit l’électrode, une déflexion orientée vers le bas du tracé est observée. 1.4. L'électrocardiographie L'électrocardiographie est l'étude des variations de l'enregistrement de l'activité électrique des cellules cardiaques, dont dépend la contraction du cœur. Le signal graphique enregistrable est l'électrocardiogramme (ECG). Ce signal, se présente alors comme une suite de déflexions (ondes électrique) séparées par des intervalles, correspondant, chacune, à une phase de fonctionnement du cœur (Figure 1.3). [11]

Figure 1.3. Allure d’un électrocardiogramme normal.

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• Onde P : Elle est liée à la dépolarisation auriculaire. C'est une onde arrondie de petite amplitude (inférieure ou égale à 0,2 mV), sa durée est d'environ 120 ms. Les ondes P auriculaires précédent régulièrement les complexes ventriculaires (QRS). La dépolarisation auriculaire n'est pas visible sur l'ECG normal car elle est masquée par la dépolarisation ventriculaire. • Intervalle P-Q : C'est un court segment isoélectrique qui sépare l'onde P du complexe ventriculaire (QRS), il correspond à la conduction auriculo-ventriculaire. Sa durée est de l'ordre de 200 ms. • Complexe QRS : C'est l'onde la plus pertinente, elle correspond à l’activation et la dépolarisation ventriculaire. Cette onde est couramment appelée battement cardiaque, sa durée est de l'ordre de 80 ms. • Segment ST: Il correspond au début de la dépolarisation ventriculaire. Il est généralement isoélectrique et suit horizontalement la ligne de base. • Intervalle QT : Cet intervalle va du début du complexe QRS à la fin de l'onde T, il représente la durée de l'activation ventriculaire. Sa durée est inversement proportionnelle à la rapidité du rythme cardiaque soit, plus le rythme est rapide, plus QT est court. • Onde T : Elle est le témoin électrique de la repolarisation du muscle myocardique. Sa durée est imprécise du fait de sa fin progressive. Elle est généralement dirigée dans le même sens que le complexe QRS. Sa forme est asymétrique, avec un premier versant en pente faible, et un deuxième versant descendant en pente rapide. [12] 1.4.1. Techniques d'enregistrement Les modalités d'enregistrement sont variées. Elles se distinguent selon l'emplacement des électrodes sur la surface du corps. L'enregistrement de plusieurs tracés (projections du signal sur diverses lignes du corps) est appelé : système de dérivation ECG. Un enregistrement effectué au moyen d'électrodes cutanées placées sur les membres et le thorax chez un sujet allongé sur le dos, est le plus habituel. Il définit l'ECG de surface standard. Ce même enregistrement effectué chez un sujet qui pédale par exemple une bicyclette ergométrique ou marche sur un tapis roulant représente l'ECG d'effort.

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1.4.2. Les systèmes de dérivations On appelle dérivation, un circuit électrique déterminé par un couple d'électrodes reliées à un appareil de mesure. L'élément de base d'une électrode est une plaque d'argent revêtue d'une couche de chlorure d'argent (gel insoluble), ce qui la rend très conductrice. En plaçant plusieurs paires d’électrodes à différentes positions, on obtient des résultats différents. Il est donc important d’avoir un standard de positionnement des électrodes (dérivations) pour l’évaluation clinique du signal ECG. En pratique, Les différentes dérivations sont obtenues au moyen de 4 électrodes appliquées au bras droit, au bras gauche et à la jambe gauche, l'électrode de la jambe droite étant une électrode neutre destinée à éliminer les parasites électriques. Elles ont été déterminées par Einthoven en 1912 (Les dérivations périphériques bipolaires) et complétées par Goldberger en 1942 (Les dérivations périphériques unipolaires).

1.4.2.1. Les dérivations périphériques bipolaires Les dérivations bipolaires (DI, DII, DIII) ont été déterminées par Einthoven au début du vingtième siècle et restent encore utilisées aujourd’hui. Ces dérivations utilisent trois électrodes placées sur le sujet. Les électrodes sont placées sur les bras droit et gauche et sur la jambe gauche pour former un triangle (triangle d’Einthoven). Chaque côté du triangle formé par les trois électrodes représente une dérivation en utilisant une paire d’électrodes différente pour chacune des dérivations (Figure 1.4). Les trois dérivations sont : – DI (dérivation I) avec DI = VL –VR. – DII (dérivation II) avec DII = VF – VR. – DIII (dérivation III) avec DIII = VF – VL. Avec : VL le potentiel sur le bras gauche. VR le potentiel sur le bras droit. VF le potentiel sur la jambe gauche.

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Figure 1.4. Montage d’Einthoven pour l’enregistrement des dérivations bipolaires des membres.

1.4.2.2. Les dérivations périphériques unipolaires Ces dérivations sont indiquées par la Figure 1.6. Elles permettent d’obtenir des signaux de plus grandes amplitudes. Chaque signal enregistré représente la différence entre le potentiel d’une électrode et la moyenne des potentiels recueillis par les deux autres électrodes (Figure 1.5).

Figure 1.5. Dérivation unipolaire des membres.

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Figure 1.6. Montage de Goldberger pour l’enregistrement des dérivations unipolaires des membres.

1.4.2.3. Dérivations précordiales : Ce sont des dérivations unipolaires mises au point par N .F .Wilson en 1934. Les électrodes sont posées sur le thorax. Ces dérivations sont désignées par la lettre V suivie du numéro de leur emplacement. Le potentiel de l’électrode exploratrice est pris par rapport à la moyenne des potentiels VR, VL et VF. Les six points, définis par Wilson permettent d’obtenir les dérivations V1 à V6. (Figure 1.8). Les dérivations précordiales ont deux caractéristiques qui les distinguent fondamentalement des dérivations des membres : elles mesurent l’activité électrique cardiaque sur le plan horizontal et les électrodes sont posées à proximité du cœur. [5]

Figure 1.7. Dérivation précordiales de Wilson. 1.4.3. Conditions d’enregistrement Pour un enregistrement de bonne qualité, le respect de certaines conditions est nécessaire. Le patient doit être couché sur le dos, en résolution musculaire complète, dans une position confortable et

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protégée du froid afin d’éliminer au maximum les ondulations de la ligne de base et les parasites dûs aux tremblements musculaires ou au mauvais contact électrode-peau. 1.4.4. Bruit et variabilité du signal Le signal ECG peut être parasité par certaines sources de bruit [6], dont : - Le secteur : Selon le pays, la fréquence du secteur est de 50 ou 60 Hz. On peut éliminer cette perturbation grâce à un filtre qui enlève sélectivement ces fréquences (coupe-bande). - Le contact de l’électrode : La perte ou la modification du contact entre l’électrode et la peau peut conduire à des changements importants ou des saturations du signal, d’où l’utilisation d’un gel conducteur. - L’électromyogramme : L’activité électrique des autres muscles se superpose à celle du cœur. L’inverse est vrai lors de l’acquisition du signal EMG. - Le mouvement : Les mouvements du patient peuvent aussi mener à des dérives dans la ligne de base. 1.5. Conclusion L’électrocardiographie est une technique largement utilisée, elle remplit bien sa fonction et fourni de façon fiable un signal auquel nous pouvons appliquer des méthodes appropriées du traitement de signal. Ce chapitre a pour but de donner au lecteur les informations de base pour comprendre la génération du signal cardiaque ainsi que les méthodes de sa détection.

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LE MICROCONTROLEUR PIC18F4550

Chapitre 02

LE MICROCONTROLEUR PIC 18F4550 2.1. Introduction Les microcontrôleurs sont très utilisés dans le monde de l'industrie, notamment dans les systèmes embarqués. On pourra donc les retrouver dans le domaine médical, l'automobile, et l'électronique grand publique. Leur polyvalence et leur taille les rendent intéressants pour les modules de traitement de données numériques et analogiques. Ils sont certes peu puissants comparés à aux microprocesseurs, mais ils les compensent par leur prix mais surtout par leur taille. Un microcontrôleur peut être comparé à une carte mère d'un ordinateur. Dans ce chapitre nous présentons une description détaillée du microcontrôleur PIC de la famille Microchip). 2.2. Le Microcontrôleur (PIC) 2.2.1. Définition d’un PIC Un PIC (Programmable Interface Contrôler) est une unité de traitement de l’information de type microprocesseur à laquelle on a ajouté des périphériques internes permettant de faciliter l'interfaçage avec le monde extérieur sans nécessiter l’ajout de composants externes. Les PICs sont des composants dits RISC (Reduced Instructions Set Computer), ou encore composant à jeux d’instructions réduits. Les PICs se conforment à l'architecture Harvard : ils possèdent une mémoire de programme et une mémoire de données séparées. Les microcontrôleurs PICs se trouvent, dans plusieurs appareils tels que : les téléphones portables, machines à laver, télévisions, consones de jeux etc... [14] 2.2.2. Classification des PICs de Microchip Actuellement les modèles Microchip, sont classés en 3 grandes familles, comportant chacune plusieurs références. Ces familles sont : [13]  Base-line : les instructions sont codées sur 12 bits.

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 Mid-Range : les instructions sont codées sur 14 bits.  High-End : les instructions sont codées sur 16 bits. 2.2.3. Identification d’un PIC Un PIC est identifié par un numéro de la forme suivant : xx (L) XXyy–zz: [10] 

xx : famille du composant, actuellement « 12, 14, 16, 18, 24 et 32 ».



L : tolérance plus importante de la plage de tension.



XX : type de mémoire programme : o C : EPROM ou plus rarement une EEPROM. o CR : PROM. o F : Flash.



yy : constitue la référence du PIC.



zz : indiquant la fréquence d’horloge maximale que le PIC peut recevoir (Vitesse maximum du quartz).

Donc, un pic 18F4550 est un PIC High-End dont la mémoire programme est de type FLASH, d'identificateur 45 et il est capable d’accepter une fréquence d’horloge de 48 MHz. Notons que les PICs sont des composants statiques, c’est à dire que la fréquence d’horloge peut être abaissée jusqu'à l’arrêt complet sans perte de données et sans dysfonctionnement. 2.2.4. Le choix d’un PIC Le choix d’un PIC est directement lié à l’application envisagée : 

Il faut dans un premier temps déterminer le nombre d’entrées/sorties nécessaires pour l’application. Ce nombre d’entrées/sorties nous donne une idée sur la famille du PIC.



Il faut ensuite déterminer si l’application nécessite un convertisseur Analogique/ Numérique ce qui va nous orienter un peu plus vers le choix du PIC.



La rapidité d’exécution est un élément important, il faut consulter les DATABOOK pour vérifier la compatibilité entre la vitesse maximale du PIC choisi et la vitesse max nécessaire au montage.

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

La taille de la RAM interne et la présence ou nom d’une EEPROM pour mémoriser des données sont également importantes pour l’application souhaitée.



La longueur du programme de l’application détermine la taille de la mémoire programme du PIC recherché.

Au cours de ce projet, on a choisi d’utiliser le PIC 18F4550 pour deux raisons fondamentales. La première, il est disponible au niveau du magasin de notre institut et la deuxième, il répond à tous les critères de choix déjà cités. 2.2.5. Caractéristiques principales du PIC 18F4550 Les caractéristiques principales du 18F4550 sont résumées dans le tableau ci-dessous : [13] Tableau 2.1. Caractéristiques principales du pic 18F4550.

CARACTERISTIQUES

VALEUR/TYPE Flash

Type de mémoire de programme

32 (Ko) mots de 16 bits

Mémoire de programme EEPROM données (octets)

256

Vitesse du processeur (MIPS)

12 2048 Octets

RAM octets Périphériques de communication

1-UART, 1-A/E/USART, 1-MSSP(SPI/I2C)

numérique Capture/Compare/ Périphériques PWM 1

CCP, 1 ECCP

Timers 1

1 x 8-bit, 3 x 16-bit 13 canaux, 10-bit

CAN

2

Comparateurs USB (cannaux, vitesse, compliance) Température (C) Tension de fonctionnement (V) Nombre de broches

1,

Full Speed,

USB 2.0

- 40 à 85 2 à 5.5 40

p. 16

CHAPITRE 02


2.2.6. Brochage du 18F4550 La Figure 2.1 résume le brochage du PIC 18F4550. [13]

Figure 2.1. Brochage du PIC 18F4550.

2.2.7. Architecture interne du PIC 18F4550 La Figure 2.2, [5] illustre l'architecture interne du PIC 18F4550. En effet, cette figure montre que ce PIC est constitué des éléments suivants : quatre ports d’entrées/sorties, une unité arithmétique et logique (ALU), quatre compteurs (Timers) Timer0, Timer1, Timer2, Timer3, un compteur de programme (program counter), une mémoire RAM, 2048 octets, une mémoire EEPROM de 256 octets de données, un convertisseur analogique numérique 13 canaux 10 bits, des périphériques de communication numérique: EUSART, USB 2.0, MSSP (SPI/I2C), des modules de capture, de comparaison, et des périphériques PWM : ECCP, CCP. [13]

p. 17

CHAPITRE 02


Figure 2.2. Architecture interne du PIC 18F4550.

p. 18

CHAPITRE 02


2.3. Le Convertisseur analogique /numérique Le convertisseur analogique/digital est un modèle à approximations successives, précédé d’un échantillonneur bloqueur et d’un multiplexeur à plusieurs entrées. Selon la configuration choisie au moyen de bits appropriés de son registre de contrôle, il peut utiliser diverses sources de tension de référence. La tension de référence haute peut ainsi être la tension d’alimentation du PIC ou VDD, ou bien une tension externe appliquée sur l’entrée analogique AN3 , tandis que la tension de référence basse peut être la masse ou Vss, ou bien encore une tension externe appliquée sur l’entrée analogique AN2. Ce convertisseur présente en outre la particularité de pouvoir fonctionner même lorsque le microcontrôleur est en mode SLEEP. Son synoptique interne est présenté à la figure 2.3 et même si cela ne se voit pas vraiment sur cette figure, cinq registres sont nécessaires pour pouvoir l’utiliser : trois registres de contrôle appelés ADCON0, ADCON1 et ADCON2 et deux registres de résultats appelés ADRESH pour les poids forts et ADRESL pour les poids faibles. Les lignes d’entrée du convertisseur sont partagées avec les lignes de certains ports parallèles (Ports A, B et E) qui doivent être configurées en entrée lorsqu’elles sont utilisées pour la conversion. Dans le cas contraire, le convertisseur lirait le niveau logique présent sur ces pins. [2]

Figure 2.3. Schéma équivalent du convertisseur analogique/numérique 10 bits.

p. 19

CHAPITRE 02


Le convertisseur utilise une technique d’échantillonnage blocage qui équivaut à charger une capacité avec la tension à mesurer dans un temps appelé TAD. Ce dernier dépend de la vitesse de conversion désirée et de la fréquence d’horloge du PIC. Ceci étant précisé, nous pouvons étudier le contenu des registres de contrôle, ce qui nous facilitera ensuite la présentation de la procédure à suivre pour programmer ce convertisseur. 2.3.1. Les registres de la conversion analogique/numérique Le premier registre de contrôle appelé ADCON0 illustré par le tableau 2.2 comporte les bits suivants : [13] 

Bit 0 ou bit ADON pour ADON

Ce bit doit être mis à 1 pour valider le convertisseur. Dans le cas contraire, le convertisseur est arrêté et ne consomme aucune énergie. 

Bit 1 ou bit GO/DONE

Le fait de mettre ce bit à 1 démarre une conversion. Ensuite, tant que ce bit reste à 1 la conversion est en cours. Le passage de ce bit à 0, provoqué par la circuiterie du convertisseur, indique une fin de conversion et la possibilité de lire son résultat dans ADRESH et ADRESL. 

Bits 2 à 5 ou bits CHS0 à CHS3 pour Channel Select

Ces bits permettent de choisir l’entrée à convertir conformément aux indications de la figure 2.3.  Bits 6 et 7 non utilisés et lus comme étant des '0'. Tableau 2.2. Registre de contrôle ADCON0. E :Ecriture L :Lecture Etat à la mise sous tension

U

U

L/E

L/E

L/E

L/E

L/E

L/E

--

--

CHS3

CHS2

CHS1

CHS0

GO/DONE

ADON

0

0

0

0

0

0

0

0

Le deuxième registre de configuration appelé ADCON1 adopte quant à lui la configuration présentée par le tableau 2.3. [8]  Bits 0 à 3 ou bits PCFG0 à PCFG3 (Configuration des entrées des ports) Ces bits permettent de choisir la répartition entre les ports analogiques et digitaux sur le ou les ports parallèles partagés avec le convertisseur conformément aux indications du tableau 2.4.

p. 20

CHAPITRE 02


 Bits 4 à 5 ou bits VCFG0 à VCFG1 pour (Configuration des tensions de référence) Ces bits permettant de sélectionner les sources de tension de référence.  Bits 6 à 7 non utilisés et lus comme étant des '0'. Tableau 2.3. Registre de contrôle ADCON1. E :Ecriture L :Lecture Etat à la mise sous tension

U

U

--

--

0

0

L/E VCFG1 0

L/E

L/E

L/E

VCFG0

PCFG3

PCFG2

0

0

0

L/E PCFG1 0

L/E PCFG0 0

Tableau 2.4. Configuration des entrées du convertisseur au moyen des bits PCFG0 à PCFG3.

Le troisième registre de configuration, appelé ADCON2 est organisé comme indiqué dans le tableau 2.5 : [2]  Bits 0 à 2 ou bits ADCS0 à ADCS2 (Sélection de l'horloge) Ces bits permettant de définir la fréquence de l’horloge de conversion sachant que la conversion nécessite un temps égal à 11TAD. En outre pour assurer une conversion correcte, un temps TAD minimum de 1.6 μs doit être retenu. Le tableau montre quelles sont les diverses possibilités offertes par la programmation des ces bits [2].

p. 21

CHAPITRE 02


 Bits 3 à 5 ou bits ACQT0 à ACQT2 (Sélection du temps d'acquisition) Ces bits permettant de définir le temps d’acquisition.  Bit 7 ou bit ADFM (Sélection du format du résultat). S’il est à 1, ce bit positionne le résultat contenu dans ADRESH et ADRESL, avec une justification à droite c’est-à-dire que les 6 bits de poids forts de ADRESH sont lus comme étant égaux à 0. S’il est à 0, ce bit positionne le résultat avec une justification à gauche c’est-à-dire que les 6 bits de poids faibles de ADRESL, sont lus comme étant égaux à 0. Tableau 2.5. Registre de contrôle ADCON2. E :Ecriture L :Lecture Etat à la mise sous tension

L/E

U

L/E

ADFM

--

ACQT2

0

0

0

L/E ACQT1 0

L/E

L/E

L/E

ACQT0

ADCS2

ADCS1

0

0

0

L/E ADCS0 0

Tableau 2.6. TAD en fonction de la fréquence d’horloge.

Horloge A/D

Horloge PIC

Fréquence

ADCS2 :1 :0

PIC18f4550

2 Tocs

000

2.86 MHz

4 Tocs

100

5.71 MHz

8 Tocs

001

11.43 MHz

16 Tocs

101

22.86 MHz

32 Tocs

010

45.71 MHz

64 Tocs

110

48 MHz

2.4. L’interface de communication série synchrone et asynchrone (EUSART) Un EUSART (Enhanced Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter) est un émetteur récepteur universel de données synchrones et asynchrones. Il se trouve préfixé ici par la lettre E, abréviation du mot anglais enhanced qui signifie « amélioré » servant la possibilité de détecter automatiquement la vitesse de transmission d’une liaison série asynchrone. Du fait que l’EUSART équipe notre circuit du PIC 18F4550, elle peut fonctionner comme une interface série asynchrone classique en full duplex mais aussi comme une interface série synchrone, restreinte dans ce cas au seul mode half duplex ou semi-duplex.

p. 22

CHAPITRE 02


La vitesse de transmission de l’EUSART est totalement programmable grâce à un registre interne mais qui est identique en émission et en réception. La parité n’est pas supportée directement par l’EUSART en ce sens qu’il ni ne la calcule, ni ne la vérifie [2]. Par contre, il offre la possibilité de transmettre et de recevoir 9 bits de données ce qui permet de gérer cette parité par logiciel et d’utiliser le neuvième bit pour l’émettre et le recevoir. 2.4.1. Les registres de l’EUSART Examinons le rôle des divers bits d’état et de contrôle des registres internes de l’EUSART. Commençons par le registre d’état TXSTA (Tableau 2.7) dont chaque bit a la signification particulière que voici : [2]  Bit 0 ou bit TX9D (Transmit 9 Data) Ce bit est utilisé comme bit de parité si nécessaire.  Bit 1 ou bit TRMT (Transmit shift register empty) Lorsque ce bit est à 1, le registre d’émission TXREG est vide et peut donc recevoir une nouvelle donnée.  Bit 2 ou bit BRGH (Baud Rate Generator High) Ce bit sélectionne un des deux groupes de vitesses de transmissions permises par les registres SPBRG, Il n’est utilisé qu’en mode asynchrone.  Bit 3 ou bit SENDB (Send Break Character) Lorsque ce bit est mis à 1, un break est transmis après le caractère courant. Ce bit est remis à 0 automatiquement par l’interface.  Bit 4 ou bit SYNC (Synchronous mode) Ce bit doit être mis à 1 en mode synchrone et laissé à 0 en mode asynchrone.  Bit 5 ou bit TXEN (Transmit Enable) Ce bit doit être mis à 1 pour autoriser les émissions de données.  Bit 6 ou bit TX9 (Transmit 9) Ce bit sélectionne une transmission sur 9 bits s’il est mis à l et sur 8 bits dans le cas contraire.  Bit 7 ou bit CSRC (Clock Source Select) Ce bit est inutilisé en mode asynchrone

p. 23

CHAPITRE 02


Tableau 2.7. Registre de contrôle TXSTA. E :Ecriture L :Lecture Etat à la mise sous tension

L/E

L/E

L/E

L/E

L/E

L/E

CSRC

TX9

TXEN

SYNC

SENDB

BRGH

TRMT

0

1

0

0

0

0

0

L

L/E TX9D 0

Le deuxième registre principal contrôlant l’EUSART est le registre RCSTA (Tableau 2.8) dont chaque bit a la signification que voici : [2]  Bit 0 on bit RX9D (Receive 9 Data) Ce bit est utilisé comme bit de parité si nécessaire  Bit 1 ou bit OERR (Overflow Error) Ce bit passe à 1 en cas d’erreur de débordement, c’est-à-dire la lecture n'est pas assez rapide du registre de réception RCREG. Il est remis à 0 par mise à 0 du bit CREN.  Bit 2 ou bit FERR (Format Error) Ce bit passe à 1 en cas d’erreur de format. Il est remis à 0 par une lecture du registre RCREG et la réception de la donnée suivante si elle est valide. 

Bit 3 on bit ADDEN (Address Detect Enable)

Ce bit n’est utilisé qu’en mode asynchrone avec une transmission sur 9 bits.  Bit 4 on bit CREN (Continuous Receive Enable) En mode asynchrone ce bit doit être mis à 1 pour autoriser la réception. En mode synchrone, il autorise la réception continue s’il est mis à 1. Ce bit est prioritaire sur le bit SREN.  Bit 5 ou bit SREN (Single Receive Enable) Ce bit n’est pas utilisé en mode asynchrone.  Bit 6 ou bit RX9 (Receive 9 bits) S’il est mis à 1 ce bit sélectionne une réception sur 9 bits, et sur 8 bits dans le cas contraire.  Bit 7 ou bit SPEN (Serial Port Enable) Ce bit doit être mis à 1 pour valider les lignes RX/DT et TX/CK comme lignes du port série de l’EUSART.

p. 24

CHAPITRE 02


Tableau 2.8. Registre de contrôle RCSTA. E :Ecriture L :Lecture Etat à la mise

L/E SPEN 0

L/E

L/E

L/E

L/E

L

RX9

SREN

CREN

ADDEN

FERR

0

0

0

0

0

L OERR 0

L RX9D 0

sous tension

Un troisième registre, permet de définir diverses informations relatives à l’horloge d’émission ou de réception utilisée par l’EUSART. Chaque bit de ce registre a la signification que voici :  Bit 0 ou bit ABDEN (Auto Baud Detect Enable) Ce bit interdit la détection automatique de la vitesse de transmission en mode asynchrone lorsqu’il est mis à 0 et valide ce mode dans le cas contraire.  Bit 1 ou bit WUE (Wake Up Enable) La réception asynchrone fonctionne normalement lorsque ce bit est à 0 tandis que l’interface attend la détection d’un front descendant sur l’entrée RXD dans le cas contraire.  Bit2 non utilisé et lu comme étant égal à 0.  Bit3 ou bit BRGI6 (Baud Rate Generator16) Lorsque ce bit reste à 0, le registre de définition de la vitesse de transmission est codé sur 8 bits et s’appelle alors SPBRG. Lorsque ce bit est mis à 1, ce registre voit sa taille doublée par adjonction d’un deuxième registre 8 bits, appelé SPBRGH, contenant les poids forts du mot de 16 bits qu’il forme alors avec SPBRG pour définir cette vitesse [2].  Bit 4 ou bit TXCKP (Trasmit Clock Polarity select) En mode asynchrone ce bit permet de transmettre des données vraies lorsqu’il est à 0 ou inversées lorsqu’il est à 1 sur la sortie série TXD.  Bit 5 au bit RXDTP (Receive Data Polarity) En mode asynchrone ce bit permet de ne pas inverser les données reçues sur l’entrée RXD lorsqu’il est à 0 ou de les inverser lorsqu’il est à 1.  Bit 6 au bit RCIDL (Receive IDLE) Ce bit est inutilisé en mode synchrone.  Bit 7 ou bit ABDOVF (Auto Baud Detect Overflow)

p. 25

CHAPITRE 02


Lorsqu’il est à 1 ce bit indique que le timer du circuit de détermination automatique de la vitesse de transmission a débordé. Le dernier registre de contrôle de l’EUSART est le registre BRG qui permet de définir la vitesse de transmission il est utilisé dans les 2 modes synchrone et asynchrone selon le bit SYNC. Le contenu de ce registre permet en fait de calculer la vitesse de transmission qui sera utilisée lors des échanges. Ce registre peut être utilisé en mode 8 bits ou en mode 16 bits selon le choix désiré par la configuration de bit BRG16 du registre BAUDCON. [2] Si l’on appelle N le contenu de SPBRG (sur 8 bits ou sur 16 bits selon le cas), la vitesse de transmission obtenue dans les différents modes de fonctionnement est indiquée par les relations figurant dans le tableau 2.10. Tableau 2.9. Registre de contrôle BAUDCON. E :Ecriture L :Lecture

L/E

L

L/E

L/E

L/E

U

L/E

ABDOVF

RCIDL

RXDTP

TXCKP

BRG16

--

WUE

ABDEN

0

1

0

0

0

0

0

Etat à la mise sous tension

0

L/E

Tableau 2.10. Mode de calcul de la vitesse de transmission de type EUSART.

Bits de configuration

BRG/ Mode EUSART

Formule de calcule N

SYNC

BRG16

BRGH

0

0

0

8 bits/Asynchrone

FOSC /(64*Baudrate)

0

0

1

8 bits/Asynchrone

FOSC /(16*Baudrate)

0

1

0

16 bits/Asynchrone

0

1

1

16 bits/Asynchrone

1

0

X

8 bits/Synchrone

1

0

X

16 bits/Synchrone

FOSC /(4*Baudrate)

SYNC : 1=Mode synchrone, 0= Mode Asynchrone. BRGH: 0=Faible vitesse, 1=Grande vitesse. 2.5. Conclusion Dans ce chapitre, nous avons présenté les éléments que nous avons jugés importants pour la compréhension de notre travail. En effet, notre application est basée sur les principes de la conversion et de la transmission sérielle asynchrone. De ce fait, les détails présentés dans ce chapitre sont directement liés aux deux modules du microcontrôleur à savoir le module du convertisseur analogique numérique et le module de la transmission sérielle EUSART.

p. 26

CONCEPTION ET OUTILS DE DEVELOPPEMENT

Chapitre 03

CONCEPTION ET OUTILS DE DEVELOPPEMENT 3.1. Introduction Après avoir décrit le signal ECG et ses différentes déflexions et dérivations (chapitre 1), et avoir donné une description générale du microcontrôleur (chapitre 2), nous présenterons dans ce chapitre les cartes que nous avons conçus à savoir la carte de détection et la carte d’acquisition du signal ECG, ainsi que les différentes étapes qui nous ont permises de les développer. 3.2. Description des différentes cartes 3.2.1. La carte de détection Pour réaliser la détection du signal ECG, il faudrait d'abord le conditionner. Pour se faire, il faudrait passer par quatre étapes principales: [8] 1. La détection du signal. 2. La pré-amplification du signal. 3. Le filtrage du signal. 4. L'amplification principale

3.2.1.1. Détection du signal La détection du signal cardiaque se fait par l’intermédiaire de trois électrodes de mesure qui sont placées directement sur la peau selon la technique de dérivation bipolaire d’Einthoven [8]. Le type d'électrodes utilisées pour cette détection est donné à la figure 3.1

Figure 3.1. Type des électrodes utilisées.

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Ces électrodes sont caractérisées par : [8] Une aptitude à capter les basses amplitudes situées dans la gamme de 0,05mV à 10mV.  Une impédance d’entrée très élevée.  Un courant d’entrée très bas, inférieur à 1 mA.  Avant de placer les électrodes sur la peau, nous diffusons un électrolyte sur l’épiderme pour assurer une bonne conduction.

3.2.1.2. Pré-amplification du signal Un amplificateur de mesure ou amplificateur d’instrumentation (en anglais Instrumentation Amplifier, in-amp ou INA) est un dispositif électronique destiné au traitement de faibles signaux électriques. L'amplificateur de mesure est un élément essentiel dans la partie de conditionnement d'une chaîne d'acquisition : il permet le traitement de signaux issus de capteurs de mesure. Il est généralement réalisé à partir d'un ou de plusieurs amplificateurs opérationnels (AOP) à gain différentiel très important, de telle manière qu'il améliore leurs caractéristiques intrinsèques comme le bruit d'amplification, gain en boucle ouverte, taux de réjection en mode commun CMMR, et l'impédance d'entrée. Au cours de la réalisation de notre carte, nous avons utilisé l'amplificateur d'instrumentation 'AD620' [8].

3.2.1.3. Le filtrage du signal Le signal détecté et pré-amplifié est ensuite filtré par un filtre passe-haut qui atténue les fréquences inférieures à sa fréquence de coupure, et conserve uniquement les hautes fréquences. [8]

3.2.1.4. L'amplification principale L'amplification principale est réalisée à partir d'un amplificateur opérationnel 'TL071', utilisé en mode linéaire (contre réaction de la sortie sur son entrée négative) selon le schéma de la figure 3.2. [15]

Figure 3.2. Schéma d'un amplificateur différentiel classique.

p. 28


Le gain de ce montage est donné par la relation suivante: (3.1)

Telles que : Rvar = 220KΩ

R1= 1KΩ

Nous obtenons finalement le schéma global contenant tous les éléments du circuit électrique qui nous permettra par la suite de passer à la réalisation pratique de notre carte d'acquisition (Figure 3.3)

Figure 3.3. Montage de détection et composants de la carte de détection du signal ECG. 3.2.2. La carte de traitement La carte d’acquisition est conçue dans le but de transmettre le signal ECG à travers le module de transmission EUSART du microcontrôleur vers le PC au niveau du logiciel Matlab sous une interface graphique ‘GUI’. Cette interface permettra le suivi on-line du signal ECG détecté directement du sujet ainsi que son traitement comme l’extraction de quelques paramètres utiles. Cette carte est une carte électronique qui contient essentiellement :  Le microcontrôleur PIC 18F4550.  Un amplificateur opérationnel différentiel utilisé pour l’adaptation d’impédance,  Un amplificateur pour amplifier le signal détecté

p. 29




Un autre amplificateur opérationnel utilisé comme additionneur pour rendre le signal ECG dans la marge tolérable de 0 à 5V du convertisseur analogique /numérique. En effet, cet additionneur nous permet d’obtenir un signal avec seulement des valeurs positives.

3.2.2.1. Adaptation d’impédance Un adaptateur d’impédance appelé souvent tampon de tension (Buffer en anglais) est destiné à assurer l'adaptation d'impédance entre deux étages successifs d'un circuit grâce à son impédance d'entrée très importante et à sa faible impédance de sortie. C’est un amplificateur opérationnel monté en suiveur (Figure 3.4). Vs = Ve

(3.2)

Ze = ∞

(3.3)

Figure 3.4. Montage en suiveur de tension.

3.2.2.2. Amplificateur non-inverseur (suiveur) A la sortie de l’adaptateur d’impédance, on amplifie notre signal cardiaque via un amplificateur non-inverseur (TL071), dont le gain est donné par la formule suivante : (3.4)

Pour notre application nous avons choisi un gain allant jusqu'à 20, par conséquent les valeurs disponibles choisies sont les suivantes : Rvar = 200KΩ et

R=10KΩ

3.2.2.3. Amplificateur additionneur non-inverseur Après l’amplification de notre signal cardiaque, on adapte la marge minimale de la tension avec celle du convertisseur A/N en utilisant un amplificateur additionneur non-inverseur (TL071), dont la sortie est donnée par la formule suivante :

p. 30


(3.5)

3.2.2.4. Circuit RC (filtre passe-bas ) On sait que la bande passante du signal ECG est d’environ 200 Hz pour cela, on a mis un filtre passe-bas pour garder cette zone de fréquence et éliminer les autres fréquences non désirées. Ce filtre possède une fréquence de coupure égale à 190 Hz calculée par la formule suivante : (3.6)

Avec : R=56KΩ

et

C=15nF

Figure 3.5. Filtre passe-bas. 3.3. Les différents pins utilisés du microcontrôleur (µc) 3.3.1. La broche d’alimentation Le pic 18F4550 a 4 broches d’alimentation, deux broches d’alimentation pour le 0V et les deux autres pour le 5V. 3.3.2. Le circuit d’horloge Pour piloter le circuit de contrôle et le séquencement du microcontrôleur 18f4550, il est nécessaire d’utiliser un signal d’horloge. Dans notre cas nous avons choisi un quartz de 20 MHz avec une horloge interne à verrouillage de phase (PLL) qui nous permet de multiplier la fréquence de l’horloge externe par un facteur adéquat et obtenir ainsi une fréquence qui peut être de l’ordre de 48MHz.

p. 31


3.3.3. L’entrée analogique AN0 (RA0) Cette entrée a été choisie pour être l’entrée de notre signal ECG parvenant de la sortie de l’additionneur. 3.3.4. Les lignes de transmission de l’EUSART La transmission se fait grâce aux deux pins Rx/Tx (Receiver/Rransmitter) du microcontrôleur relié au connecteur DB9. 3.4. Les outils de développement Nous avons utilisé trois logiciels pour réaliser ce travail. Dans cette partie nous présenterons le logiciel de programmation (Makro), le logiciel de simulation (Proteus) et l’interface graphique GUI développée sous le logiciel MATLB. 3.4.1. Langage et compilateur MikroC Le langage MikroC pour PIC a trouvé une large application pour le développement des systèmes embarqués à base des microcontrôleurs. Il assure une combinaison de l'environnement de programmation avancée IDE (Integrated Development Environment), d’un vaste ensemble de bibliothèques pour le matériel, de la documentation complète et d’un grand nombre d’exemples. [7]

p. 32


Figure 3.6. L’environnement IDE du compilateur MkroC PRO.

3.4.1.1. Avantages du langage Mikroc Pour de la programmation de base, le Mikroc est intéressant. Il permet rapidement, sans gros effort, de développer des programmes fonctionnels. Il permet aussi de s'affranchir des connaissances complexes sur l'architecture des PIC. Il a l'avantage de gérer facilement les boucles, les choix, ainsi que l'affichage.

3.4.1.2. Inconvénients du langage Mikroc Le Mikroc n'est pas le langage naturel du microcontrôleur. Il permet de programmer plus intuitivement. Le logiciel de programmation Mikroc transforme alors les lignes en C en lignes assembleurs directement compréhensibles par le microcontrôleur. Pour programmer efficacement, il est souvent nécessaire d'aller voir l’architecture interne du microcontrôleur ainsi que le code assembleur ; il est donc conseillé d'avoir des bases solides en assembleur pour développer des programmes conséquents [16].

p. 33


3.4.2. Logiciel de simulation PROTEUS Proteus est

une

suite logicielle permettant

la conception

assistée

par

ordinateur

(CAO)

électronique éditée par la société Labcenter Electronics , il est capable de simuler le comportement d'un microcontrôleur (PIC, Atmel, ARM, HC11...) et son interaction avec les composants qui l'entourent[17]. Proteus est composé de trois modules principaux :  L’éditeur de schéma ISIS (Intelligent Schematic Input System).  Le simulateur LISA (Labcenter Integrated Simulation Architecture).  L’outil de conception du circuit imprimé ARES (Advanced Routing and Editing Software). ISIS produit d’une part, une liste d’équipotentiels qui peut être utilisée par le simulateur LISA et l’outil de conception de circuit imprimé ARES, d’autre part, une liste de matériel et des rapports de contrôle des règles électriques. LISA est un ensemble de modules de simulation lié à ISIS. Le noyau de simulation PROSPICE est basé sur la version 3F5 du moteur SPICE publié par l’université de Berkeley. ARES est un module de conception de circuit imprimé. Il permet le placement des composants en mode automatique, manuel ou semi-automatique et le routage des liaisons sur plusieurs couches en mode automatique manuel ou semi-automatique [9].

Figure 3.7. Interface du logiciel ISIS.

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Figure 3.8. Interface du logiciel ARES.

3.4.3. L’interface graphique sous MATLAB Depuis la version 5.0 (1997), MATLAB possède un outil dédié à la création des interfaces graphiques appelé GUIDE (pour Graphical User Interface Development Environment). Le GUIDE est un constructeur d'interface graphique qui regroupe tous les outils dont le programmeur à besoin pour créer une interface graphique de façon intuitive (Figure 3.9). Il s'ouvre, soit en cliquant sur new ensuite sur Graphical User Interface, soit en tapant guide dans le Command Window de MATLAB. Le placement des objets est réalisé par sélection dans une boite à outils. Leur mise en place et leur dimensionnement se font à l'aide de la souris [3].

p. 35


Figure 3.9. Fenêtre principale du GUIDE. Un double-clique sur un objet permet de faire apparaître le Property Inspector (Figure 3.10) où les propriétés des objets sont facilement éditables. Leurs modifications et la visualisation de ces modifications sont immédiates.

Figure 3.10. Property Inspector. Une fois l'interface graphique terminée, son enregistrement donne deux fichiers portant le même nom mais avec deux extensions différentes. fig et .m. Le fichier. fig contient la définition des objets graphiques (positions et propriétés). Ce fichier peut être ouvert ultérieurement avec le GUIDE pour modifier les objets graphiques. Le fichier .m contient les lignes de code qui assurent le fonctionnement de l'interface graphique (actions des objets). Ce fichier peut être édité dans l’éditeur de MATLAB pour y ajouter des actions à la main. C'est ce fichier qui doit être lancé pour utiliser l'interface graphique.

p. 36


3.5. La réalisation des cartes Au cours de ce travail, nous avons conçu deux cartes. La première avait pour but la détection du signal ECG et la deuxième le traitement de ce signal. 3.5.1. La carte de détection Avant de réaliser pratiquement cette carte, nous avons simulé son circuit électrique sous le logiciel 'ISIS PROTEUS' qui est nous a fourni le schéma donné à la (Figure 3.11).

Figure 3.11. Schéma du circuit électrique de la carte de détection. Après le placement des composants dans le logiciel ARES, ce dernier permet l’obtention du schéma du circuit imprimé.

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Figure 3.12. Schéma du circuit imprimé de la carte de détection. 3.5.2. La carte d’acquisition Cette carte est conçue pour transmettre le signal ECG vers le PC au niveau de matlab. Le circuit électrique a été simulé avec le logiciel 'ISIS PROTEUS' montré à la (Figure 3.13).

Figure 3.13. Schéma du circuit électrique de la carte d’acquisition.

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Après avoir placé nos composants selon la disposition souhaitée dans ARES, on a obtenu le schéma du circuit imprimé à l’aide de l’outil de traçage des pistes automatique. La figure 3.14 illustre le schéma du circuit imprimé final.

Figure 3.14 Schéma du circuit imprimé de la carte d’acquisition. L’outil (visionneur 3D) d’ARES permet de visualiser la carte conçue telle qu’elle sera en réalité. L’aspect de notre carte d’acquisition en visualisation 3D est donné dans la Figure 3.15.

p. 39


Figure 3.15 La carte d’acquisition conçue sous ARES en visualisation 3D. 3.6. Conclusion Dans ce chapitre nous avons décrit tous les éléments qui ont constitué les deux cartes que nous avons développées ainsi que les différentes étapes suivies pour leur réalisation pratique.

p. 40

RESULTATS PRATIQUES ET SIMULATION

Chapitre 04

RESULTATS PRATIQUES ET SIMULATION 4.1. Introduction Ce chapitre présente les différents résultats obtenus aussi bien durant la phase de simulation que la phase de la réalisation pratique. On citera notamment les divers problèmes rencontrés lors de l’enregistrement du signal ECG ainsi que les solutions adaptées pour les surmonter. 4.2. Partie simulation Dans cette partie on va présenter les différentes étapes qu'on à suivies pour transmettre un signal analogique similaire à celui de l'ECG à travers le microcontrôleur (μc) vers le logiciel Matlab par la transmission sérielle RS-232. 4.2.1. Communication avec le PC Pour réaliser une communication sérielle entre le PC (port série COM2) et le microcontrôleur (port série COM1) nous avons utilisé un software qui permet de connecter virtuellement les COM1 et COM2 même si ces derniers n’existent pas au niveau du PC. Le software utilisé est le VSPE (Virtual Serial Ports Emulators). Les figures 4.1 et 4.2 montrent la configuration du VSPE.

Figure 4.1 Configuration du VSPE.

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Figure 4.2. Connexion virtuelle entre les ports COM1 et COM2 par VSPE.

4.2.2. Affichage des valeurs transmises par le μc via le terminal virtuel Après la compilation du programme sous le Mikroc, on charge le ficher Hex généré dans la mémoire du PIC 18F4550 dans le logiciel de simulation ISIS. Le programme convertit le signal analogique à l’entrée du microcontrôleur conformément au théorème de Nyquist-Shannon. La transmission dépend de deux facteurs importants. Le premier est la fréquence d’échantillonnage du signal à convertir qui précise le temps séparant deux échantillons convertis et le deuxième est le Baudrate du μc 18F4550 qui impose le temps de transmission séparant deux valeurs reçues. La figure 4.3 montre les octets transmis sur le terminal virtuel, ces valeurs représentent les niveaux de quantification du signal converti et affichés en décimal.

Figure 4.3. Affichage des valeurs transmises sur le terminal virtuel.

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4.2.3. Récupération des données transmises par l’interface graphique Le signal d’entrée utilisé à l’entrée du microcontrôleur est un signal électromyographie réel (signal EMG). Après l’opération de transmission, ce signal est récupéré sous Matlab et la représentation graphique des octets transmis le constituant est illustrée au niveau de l’interface graphique comme le montre la Figure 4.4.

Figure 4.4. Récupération du signal envoyé par le μc vers le PC au niveau de l’interface graphique.

Une fois l’opération de l’enregistrement du signal terminé, on arrête la récupération par le bouton Stop. Si on veut faire le traitement, on click sur le bouton Processing, une autre fenêtre s’ouvre et des résultats apparaissent selon un choix sélectionné comme l’illustre la Figure 4.5.

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Figure 4.5. Chargement et traitement du signal EMG.

4.3. Partie expérimentale 4.3.1. Visualisation du signal cardiaque sur l’oscilloscope Le signal cardiaque détecté par l’intermédiaire des électrodes placées sur le thorax du sujet selon la technique d’Einthoven a été visualisé sur l'oscilloscope numérique (Figure 4.6).

Figure 4.6. Visualisation du signal cardiaque sur l'oscilloscope numérique.

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4.3.2. Affichage du signal cardiaque sur l’interface graphique Après la détection du signal ECG par la carte de détection (Figure 4.7), ce dernier est envoyé à la plaque d'essai (Figure 4.8). Notons qu’avant l’arrivée du signal au μc, le signal doit passer par un étage d’adaptation d’impédance. Le signal ECG numérisé est transmis au PC par la liaison RS 232, La figure 4.9 montre le résultat de l’enregistrement du signal ECG affiché sur l’interface graphique développée.

Figure 4.7. Carte de détection.

Figure 4.8. Circuit d’acquisition.

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Figure 4.9. Signal ECG bruité récupéré au niveau de l’interface graphique.

On constate que le signal ECG est contaminé par un bruit. Ce bruit est à l’origine de plusieurs sources. Il est provoqué par l’activité musculaire extracardiaque, par des hautes fréquences indésirables, par les interférences dues aux appareils électriques et par des bruits provoqués par les mouvements du corps liés à la respiration (Artefacts). Pour minimiser l’effet de ce bruit, le signal ECG est filtré par un filtre passe-bas placé au niveau de l’entrée analogique du microcontrôleur. La figure 4.10 montre l’effet du filtrage effectué sur le signal détecté.

Figure 4.10. Signal ECG filtré.

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Malgré l’ajout du filtre, nous remarquons que le signal est toujours contaminé par un bruit du à la présence de la fréquence indésirable 50Hz. Nous avons jugé qu’il est préférable d’éliminer ce bruit par programmation en utilisant le filtre de butterworth coupe bande fourni par Matlab. La figure 4.11 montre le signal ECG détecté en présence de la fréquence 50 Hz et après l’élimination de cette dernière.

Figure 4.11. Le signal ECG détecté en présence de la fréquence 50 Hz et après élimination de cette

dernière 4.4. Conclusion Dans ce chapitre nous avons montré que l’objectif qu’on s’est fixé a été atteint. En effet, nous avons réussi à détecter le signal ECG et nous avons réussi sa transmission sérielle à travers la liaison RS 232 vers le PC ainsi que sa visualisation on-line grâce à l’interface graphique que nous avons développée sous Matlab.

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CONCLUSIONS GENERALES ET PERSPECTIVES Dans ce projet de fin d’étude, nous avons exploité nos connaissances acquises en traitement du signal et en microcontrôleurs pour construire deux cartes. L’une avait comme but la détection du signal ECG. La méthode de détection utilisée est la méthode de dérivation bipolaire d’Einthoven. La deuxième carte avait comme objectif la transmission et le traitement numérique du signal ECG détecté par la première carte. Le logiciel prévu pour piloter cette carte d’acquisition est l’interface graphique développée sous Matlab. Cette interface graphique fournie à son utilisateur la possibilité de sauvegarder le signal ECG détecté on-line ce qui lui permet de faire appel aux outils de traitements numériques ou statistiques par les logiciels appropriés pour procéder au traitement de ce signal. Les résultats obtenus peuvent être sauvegardés sous forme de fichiers en extensions .m, .excel, ou .dat. En outre, cette expérience nous a donné la chance d’acquérir certaines connaissances dans le domaine biomédical, et d’approfondir d’autres dans les domaines de l’électronique et de la microinformatique. Les perspectives seraient d’étendre la carte de détection à plusieurs points de mesures en augmentant le nombre d’électrodes pour avoir les 12 dérivations standards du signal ECG. Ces deux cartes seraient un outil important pour les chercheurs intéressés par les différents signaux biomédicaux tels que : l’électroencéphalogramme (EEG) et l’électromyogramme (EMG) et par l’implémentation de nouveaux algorithmes pour le filtrage et la compression de ces signaux.

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REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

Références Bibliographiques 

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Christian Tavernier, Microcontrôleurs PIC 18 Description et mise en œuvre. 2e édition Dunod, 2012

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J. Briot, Introduction à la Programmation des Interfaces Graphiques, Tutorials-guiintro, Editions Clubes Professionnels de l’Informatique, 2007.

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Mémoires / Theses

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Dima Abi Abdallah “ Nouvelle approche pour l'amélioration de la synchronisation en IRM cardiaque, modélisation de l’effet magnétohydrodynamique”, Thèse de doctorat, université de Technologie de Compiègne Discipline : Bio-Ingénierie Biomécanique Biomatériaux

[5]

François Portet “Pilotage d’algorithmes pour la reconnaissance en ligne d’arythmies cardiaques”, Thèse de doctorat, université de Rennes, Mention Informatique, 2005.

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Bertrand Lebichot “Traitement automatique du signal ECG pour l’aide au diagnostic de pathologies cardiaques ”, mémoire de fin d’étude, université catholique de Louvain Ecole polytechnique de Louvain

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Victor Tourtchine, “Programmation En Mikroc. Application Pour Les Microcontrôleurs De La Famille PIC’’, Département physique, Faculté des Sciences université M’Hamed Bogara, Boumerdes

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Abderraouf Goutal, “Conception et réalisation d’une carte d’acquisition du signal ECG à base du microcontrôleur 16F877’’, Département d'électrotechnique, Faculté de Technologie, Université Ferhat-Abbès de Sétif.

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Formation Proteus : Cours ISIS Lycée général, scientifique et technologique Louis Armand- Paris.

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http://herve.hollard.perso.sfr.fr/prog_pic_c.htm

[17]

https://fr.wikipedia.org/wiki/Proteus_(électronique).

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:‫ملـخـص‬

‫ و ذلك بالتقاط النبضات الكهربائية الصغيرة الناتجة عن انقباض و انبساط‬،‫يسجل التخطيط الكهربائي النشاط الكهربائي للقلب‬ ‫ يعتبر تخطيط اإلشارة الكهربائية للقلب من الوسائل المهمة لتحديد حالة الصحية‬،‫البطين واألذين من خالل نشاط عضلة القلب‬ ‫ أو بما يسمى بالرسم البياني لتخطيط القلب الكهربائي‬.‫للشخص المعاين وذلك بالنظر إلى مختلف المنحنيات المكونة لهذا الكشف‬ ‫ تعتبر معاينة الرسم البياني لتخطيط القلب الكهربائي و استخراج المعلومات‬،‫الظاهر على شاشة جهاز كشف التخطيط الكهربائي‬ ‫ األولى صممت لهدف التقاط‬، ‫ قمنا في هذه المذكرة بتصميم دارتين الكترونيتين‬،‫المهمة منه خطوة جريئة لتشخيص المرض‬ ‫اإلشارة الكهربائية للشخص المعاين بينما تقوم الدارة االلكترونية الثانية بتحويل هذه األخيرة إلى إشارة كهربائية رقمية وإرسالها إلى‬ .‫جهاز الحاسوب أين يتم استقبال ومعاينة هذه اإلشارة المرسلة على مستوى واجهة المستخدم المطورة باستعمال برنامح ماتالب‬ .‫ واجهة المستخدم ماتالب‬،‫ إرسال اإلشارات التناظرية‬،18F4550 ‫الميكروكنترولر‬، ‫ التخطيط الكهربائي للقلب‬:‫كلمـات مفتاحيـــة‬

Résumé : L’électrocardiographie explore l’activité électrique du cœur par enregistrement des variations des ondes électriques de l’activité de polarisation et de dépolarisation ventriculaire et auriculaires du cœur. L’activité cardiaque constitue l’un des plus importants paramètres déterminant l’état d’un sujet. Elle se traduit par l’apparition de plusieurs ondes sur le tracé de l’électrocardiographe : c’est le signal cardiaque, l’électrocardiogramme ECG. L'analyse du signal ECG et l'identification de ses paramètres constituent une étape primordiale pour le diagnostic. Dans ce mémoire de master, nous avons conçu deux cartes électroniques. L’une avait comme but la détection du signal ECG et la deuxième avait comme objectif la transmission du signal ECG vers le PC au niveau duquel s’effectuent quelques traitements du signal en question sous le logiciel Matlab via une interface graphique. Mots Clés : Electrocardiogramme,

PIC 18F4550, Transmission des signaux analogiques, Matlab GUI.

Abstract: The electrocardiography explores the heart's electrical activity by recording the changes in electric fields due to the ventricular depolarization and auricular polarization. The cardiac activity is one of the most significant parameter in determining the state of the heart. It results in the appearance of several waves on the layout of the electrocardiograph: the signal is called electrocardiogram ECG. The analysis of ECG signal and the identification of its parameters are essential

for

the

diagnostic.

In

this

project,

we have

developed

and

implemented

two electronic circuits, the first is used to detect the ECG signal and the second is for transmitting the ECG signal to PC based program where some operation have been performed on the signal in order to extract the useful features. Tis program was developed using Matlab(TM) software and enhanced with a GUI to facilitate the interaction to the user (doctor). Key Words :

Electrocardiogram, PIC18F4550, Transmitting analog signals, Matlab GUI.

Mémoire de Master: Acquisition Du Signal ECG Par Le Microcontrôleur 18F4550 Et Sa Visualisation Sur Le PC Par Une Interface

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