張國華，袁中凡

（1.山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點實驗室，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001；2.四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065）

0 引 言

心血管疾?。╟ardiovascular disease，CVD）是嚴(yán)重威脅人類健康的疾病之一[1]，心血管疾病的早期診斷和預(yù)防已成為人類面臨的巨大挑戰(zhàn)。心電信號的遠(yuǎn)程采集傳輸系統(tǒng)已有較成熟的應(yīng)用[2]。與心電信號相比，心音信號蘊(yùn)含著大量關(guān)于心臟功能狀態(tài)以及大血管機(jī)械運(yùn)動狀況等重要診斷信息，心血管疾病引起的病理改變會較早地在心音信號上體現(xiàn)出來[3]。心音診斷是心血管疾病無創(chuàng)檢測的重要方法，具有心電診斷不可取代的優(yōu)勢[4-5]。

傳統(tǒng)的心音采集儀器的研究仍停留在現(xiàn)場采集和本地存儲等功能的實現(xiàn)上，隨著近年來通信技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了基于GPRS技術(shù)的心音遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)的設(shè)計[6]，這種系統(tǒng)基于移動蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，其使用環(huán)境需有良好的GPRS網(wǎng)絡(luò)信號。本文結(jié)合嵌入式技術(shù)和Internet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開發(fā)了遠(yuǎn)程心音采集識別系統(tǒng)，分布式的遠(yuǎn)程采集方便對大量人群進(jìn)行長期監(jiān)測，有線網(wǎng)絡(luò)保證了信號傳輸?shù)姆€(wěn)定可靠，服務(wù)器識別軟件可為心血管疾病的早期診斷和愈后觀察提供診斷信息。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

圖1 遠(yuǎn)程心音采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

遠(yuǎn)程心音采集識別系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，可分為遠(yuǎn)程心音采集終端和服務(wù)器2部分。遠(yuǎn)程心音采集終端由心音傳感器將振動信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，放大調(diào)理電路把微弱電信號進(jìn)行放大、整形后送入ADC[7]，通過鍵盤控制對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和存儲，并可通過USB接口或網(wǎng)絡(luò)傳輸至服務(wù)器；服務(wù)器可以對心音信號進(jìn)行接收、存儲和識別，為醫(yī)生對心血管疾病的診斷提供依據(jù)，并可將診斷結(jié)果和建議通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至心音采集終端。

2 遠(yuǎn)程心音采集終端硬件設(shè)計

2.1 心音傳感器

本設(shè)計選用了合肥華科電子技術(shù)研究所的HKY-06B型心音傳感器。該傳感器是PVDF壓電膜心音傳感器，采用PCB插件方式封閉，由微音傳感元件采集心臟搏動和其他體表動脈搏動信號，經(jīng)過高度集成化信號放大調(diào)理電路處理后，可直接送入A/D轉(zhuǎn)換器，滿足了遠(yuǎn)程心音采集的要求。

2.2 微處理器

選用基于支持實時仿真和嵌入式跟蹤的16/32位ARM7TDMI-S內(nèi)核的微控制器LPC2214。LPC2214對代碼規(guī)模有嚴(yán)格的控制，可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過30%，而性能的損失卻很小。與LPC2210相比，LPC2214內(nèi)帶256 KB的Flash，無需為系統(tǒng)程序外擴(kuò)存儲器，使得電路設(shè)計更簡潔可靠。

2.3 液晶顯示模塊

選用肇慶金鵬電子集團(tuán)有限公司的點陣式圖形液晶顯示模塊OCM240128-7，它由 240（列）×128（行）點陣組成。

OCM240128-7與LPC2214的接口電路如圖2所示。采用8位總線方式連接，地址和數(shù)據(jù)均通過DB0～DB7接口。由于OCM240128-7的工作電壓是5 V，而LPC2214的I/O電壓是3.3V，所以在總線上串接了470Ω的保護(hù)電阻。OCM240128-7的C/D與A1連接，使用A1控制模塊處理數(shù)據(jù)/命令，這樣可使用16位總線方式操作OCM240128-7。模塊的片選信號由LPC2214的A22和外部存儲器Bank3片選CS3進(jìn)行“或”操作后得到，A22和nCS3同時為0時選中模塊，其數(shù)據(jù)操作地址為0x83000000，命令操作地址為0x83000002。

圖2 OCM240128-7接口電路

2.4 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

TCP/IP協(xié)議和以太網(wǎng)協(xié)議是目前使用最廣泛的通信協(xié)議?；诘讓拥囊蕴W(wǎng)協(xié)議的實現(xiàn)由以太網(wǎng)控制器來完成，比較常用的10Mb/s嵌入式以太網(wǎng)控制芯片有 RTL8019AS、CS8900 等，100 Mb/s的有LAN91C111 等[8]。

RTL8019AS是REALTEK公司的專用以太網(wǎng)控制芯片，能簡單地實現(xiàn)即插即用并兼容NE2000、掉電等特性。它具有曼徹斯特編碼、沖突檢測和重發(fā)的功能，支持PNP自動檢測，內(nèi)嵌16 KB的SRAM，具有全雙工的通信接口，可以通過交換機(jī)在雙絞線上同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，使傳輸帶寬從10 Mb/s增加到20 Mb/s，是用來進(jìn)行以太網(wǎng)通信的理想芯片[9]。

圖3 RTL8019AS接口電路

LPC2214是總線開放的，所以電路采用16位總線方式對RTL8019AS進(jìn)行訪問，即數(shù)據(jù)總線D0～D15與 RTL8019AS的 SD0～SD16連接，RTL8019AS的接口電路如圖3所示。由于RTL8019AS工作電壓為5V，而LPC2214的I/O電壓為3.3V，所以總線上串接470Ω的保護(hù)電阻。

RTL8019AS芯片的基地址是0x300，其I/O地址為 0x00300～0x0031F，所以電路上 SA6、SA7、SA10～SA19均接地，SA9接電源。SA8與地址總線的A22相連，SA5與LPC2214外部存儲器Bank3片選CS3相連，當(dāng)SA8為1且SA5為0時，選通RTL8019AS芯片，即操作地址為0x83400000～0x8340001F[8]。

3 遠(yuǎn)程心音采集系統(tǒng)軟件設(shè)計

遠(yuǎn)程心音采集系統(tǒng)軟件包括心音采集終端軟件和服務(wù)器軟件2部分。

3.1 心音采集終端軟件設(shè)計

心音采集終端軟件基于μC/OS-II多任務(wù)嵌入式實時操作系統(tǒng)開發(fā)，使用匯編語言和C語言混合編程，軟件框圖如圖4所示。編寫了數(shù)據(jù)采集、USB通信、網(wǎng)絡(luò)通信、菜單顯示以及按鍵響應(yīng)等驅(qū)動及任務(wù)，實現(xiàn)了心音采集、存儲和傳輸?shù)裙δ堋?/p>

3.2 服務(wù)器軟件設(shè)計

圖4 心音采集終端軟件框圖

圖5 服務(wù)器軟件框圖

服務(wù)器軟件基于Visual studio 2005開發(fā)，軟件框圖如圖5所示，根據(jù)功能可劃分為數(shù)據(jù)通信模塊、心音診斷模塊和數(shù)據(jù)管理模塊3個模塊。數(shù)據(jù)通信模塊采用USB主機(jī)端和網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)器端程序設(shè)計，心音診斷模塊調(diào)用MATLAB引擎實現(xiàn)心音信號的特征提取算法，數(shù)據(jù)管理模塊基于SQL Server實現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全性和患者檔案管理等功能。

4 結(jié)束語

心音采集終端基于LPC2214移植了μC/OS-II實時操作系統(tǒng)，實現(xiàn)采集、存儲和傳輸?shù)裙δ?；服?wù)器軟件具有數(shù)據(jù)傳輸、心音診斷和數(shù)據(jù)管理等功能。遠(yuǎn)程心音采集系統(tǒng)終端已通過聯(lián)機(jī)測試，心音測量靈敏度為4mV/Pa，測量頻率范圍為1～1500Hz，心音數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，滿足心音信號遠(yuǎn)程采集傳輸?shù)囊??？蓪Υ罅咳巳哼M(jìn)行長期監(jiān)測，為醫(yī)生對心血管疾病的早期診斷和愈后觀察提供重要的診斷依據(jù)，對研究心血管疾病的誘因和防控心血管疾病的蔓延都具有積極作用。

[1]白志茹，楊艷，曾曉榮.蛋白質(zhì)組學(xué)在心血管疾病中的研究進(jìn)展[J].心血管病學(xué)進(jìn)展，2008，29（3）：501-504.

[2]葉一初.基于ARM的心電信號采集與遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2009.

[3]趙治棟，趙知勁，張嵩，等.心音自動分段算法研究[J].航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2004，17（6）：452-456.

[4]王海濱，胡玉良，王燕，等.心音特征波形法的研究及臨床驗證[J].西華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，29（2）：141-144.

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[8]周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[9]Realtek Semi-conductor CO.，LTD.Specification RTL801 9AS[EB/OL].http://www.realtek.com