劉黎明

(商丘師范學(xué)院 物理與電氣信息學(xué)院，河南 商丘476000)

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基于ARM架構(gòu)的智能心音檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉黎明

(商丘師范學(xué)院 物理與電氣信息學(xué)院，河南 商丘476000)

心音監(jiān)測(cè)對(duì)心臟疾病的早期診斷和預(yù)防有著重要的作用.針對(duì)老年人常年奔波于家庭和醫(yī)院之間看病行動(dòng)不便的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種用于檢測(cè)心音功能的便攜式心音信號(hào)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在家中就可以方便地對(duì)患者的心音進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和查看，該系統(tǒng)基于HKY06-C心音傳感器將采集到的心音信號(hào)通過(guò)藍(lán)牙設(shè)備傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)顯示，實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明該系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求.

心音信號(hào)；嵌入式；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；HKY06-C傳感器

0 引 言

當(dāng)前，隨著我國(guó)逐漸步入老齡化社會(huì)，心血管疾病正逐漸成為威脅人類健康的殺手之一，而心音信號(hào)作為人體中重要的生理信號(hào)之一，包含有心率、心臟舒張期與心臟收縮期的實(shí)現(xiàn)比、第一心音和第二心音的幅值比等生理信息特征[1]，從心音信號(hào)中獲取的診斷信息對(duì)心血管疾病的診斷和預(yù)防有著重要的參考價(jià)值.

現(xiàn)階段，心血管患者多是定期去醫(yī)院進(jìn)行復(fù)診的治療方式，這種方式將給老人或其他行動(dòng)不便的患者帶來(lái)生活和經(jīng)濟(jì)上的負(fù)擔(dān)[2]，因此，設(shè)計(jì)一種基于ARM的便攜式智能心音檢測(cè)系統(tǒng)，以數(shù)據(jù)和易于理解的圖形化的方式提供給患者，避免了往返醫(yī)院進(jìn)行例行檢查的奔波，方便患者實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)心臟健康狀態(tài).

1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

基于ARM的智能心音檢測(cè)系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成，分別是心音信號(hào)采集系統(tǒng)、ARM嵌入式微處理器模塊和用于傳輸?shù)乃{(lán)牙模塊.系統(tǒng)通過(guò)ARM微處理器實(shí)現(xiàn)將采集到的心音信號(hào)通過(guò)藍(lán)牙模塊傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)上，進(jìn)行實(shí)時(shí)查看和存儲(chǔ).ARM微處理器協(xié)調(diào)系統(tǒng)各模塊的工作并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，是整個(gè)系統(tǒng)的核心，心音信號(hào)數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性直接關(guān)系到后續(xù)診斷的準(zhǔn)確性，是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，心音信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

圖1 心音檢測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

心音傳感器采集到心音信號(hào)后，通過(guò)USB接口傳輸?shù)紸RM微處理器中，然后ARM處理器模塊對(duì)接收的數(shù)字心音信號(hào)進(jìn)行打包處理，通過(guò)RS232串口傳輸給藍(lán)牙模塊，最后藍(lán)牙模塊以異步數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞綄⑿囊魯?shù)據(jù)傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)端，智能手機(jī)接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示.

1.1 心音傳感器模塊

心音信號(hào)的頻率一般在20-700 Hz，是一種噪聲強(qiáng)、頻率復(fù)雜、隨機(jī)性強(qiáng)的微弱生物信號(hào)[3-5]，需通過(guò)信號(hào)處理電路對(duì)其進(jìn)行處理，將心音信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號(hào)，其信號(hào)采集的精度直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的精度和準(zhǔn)確性，本系統(tǒng)選用了合肥華科電子技術(shù)研究所研發(fā)的HKY-06C型心音傳感器.HKY-06C型心音傳感器采用新型高分子聚合材料微音傳感元件采集心臟搏動(dòng)和其它體表動(dòng)脈搏動(dòng)信號(hào)，再經(jīng)過(guò)高度集成化信號(hào)處理電路處理、A/D 轉(zhuǎn)換、USB通信電路等，輸出數(shù)字音頻信號(hào)，適用于各類基于計(jì)算機(jī)的心音診斷或心音圖譜分析系統(tǒng).具有波形數(shù)據(jù)輸出、標(biāo)準(zhǔn)USB接口、集成度高，可靠性好、抗干擾性能力強(qiáng)等特點(diǎn)[6-8].由于HKY-06C心音傳感器本身含有信號(hào)處理電路處理、A/D轉(zhuǎn)換、USB通信電路，因此心音采集硬件系統(tǒng)不需要進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理設(shè)計(jì)以及A/D轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì).將HKY-06C心音傳感器安裝在ARM平臺(tái)上，然后通過(guò)應(yīng)用程序設(shè)置虛擬COM口，就可以將傳感器采集到的數(shù)字心音信號(hào)傳輸?shù)紸RM處理器中.

1.2 ARM處理器模塊

ARM處理器模塊是整個(gè)心音采集系統(tǒng)的核心模塊，負(fù)責(zé)控制協(xié)調(diào)各模塊、數(shù)據(jù)傳送和系統(tǒng)的運(yùn)行工作，它的好壞直接影響整個(gè)采集系統(tǒng)的性能，因此對(duì)微處理器的選型相當(dāng)重要.為確保本系統(tǒng)對(duì)采樣速率、精度、數(shù)據(jù)傳輸及控制的要求，從低功耗、低成本和處理速度等技術(shù)指標(biāo)考慮,本文采用Samsung S3C2440A芯片作為嵌入式微處理器.

S3C2440A采用了ARM920T內(nèi)核、0.18 um CMOS工藝的16/32位RISC嵌入式處理器，主頻400 MHz,最高533 MHz，其低功耗簡(jiǎn)單全靜態(tài)的設(shè)計(jì)，適合于對(duì)成本和功耗敏感的應(yīng)用.ARM920T實(shí)現(xiàn)了MMU、AMBA、BUS和Harward高速緩沖體系結(jié)構(gòu)，并提供了一套完整的通用系統(tǒng)外設(shè)，減少了系統(tǒng)成本[9-12].

1.3 藍(lán)牙模塊

為便于攜帶和查看，本設(shè)計(jì)采用無(wú)線藍(lán)牙模塊將采集到的心音信號(hào)數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)客戶端，方便患者隨時(shí)查看，因?yàn)榇蠖鄶?shù)智能手機(jī)都有藍(lán)牙功能，因此，只需在嵌入式ARM微處理器模塊上添加一個(gè)藍(lán)牙模塊，即可完成心音采集端與智能手機(jī)端的數(shù)據(jù)傳輸.

藍(lán)牙模塊采用CSR公司的BlueCore02-Externel芯片，該芯片采用1.8 V電壓，內(nèi)部RAM容量為32 K，并可擴(kuò)展外部閃存至8M，其內(nèi)部集成的射頻模塊和基帶控制器含有前行糾錯(cuò)、CRC校驗(yàn)等提高了無(wú)線傳輸?shù)男剩⑶宜{(lán)牙協(xié)議運(yùn)行于內(nèi)部MCU上，不需要處理器處理，該芯片提供有多種接口，如UART、USB、PCM、PIO和SPL總線接口，開(kāi)發(fā)調(diào)試簡(jiǎn)單，使用更為方便.

1.4 藍(lán)牙芯片和S3C2440處理器接口設(shè)計(jì)

嵌入式微處理器通過(guò)RS232串口與藍(lán)牙芯片進(jìn)行相連，該串口與藍(lán)牙芯片的異步串行數(shù)據(jù)端口連接就可以通信，異步串行數(shù)據(jù)端口由UART_TX，UART_RX，UART_RTS，UART_CTS組成.同時(shí)，嵌入式微處理器S3C2440A和藍(lán)牙芯片BlueCore02所使用的電壓不同，需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，通過(guò)MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后才能實(shí)現(xiàn)異步串行通信.嵌入式微處理S3C2440A和藍(lán)牙芯片BlueCore02的接口電路如圖2所示.

圖2 藍(lán)牙模塊與S3C2440處理器接口電路

圖3 心音信號(hào)采集流程圖

進(jìn)行異步串口通信時(shí)，藍(lán)牙芯片UART口的最大傳輸速率可達(dá)1.5 Mbit/s，設(shè)置藍(lán)牙模塊的相關(guān)參數(shù)，其中波特率設(shè)置為11520 bps，8位數(shù)據(jù)位，無(wú)奇偶校驗(yàn)，停止位為1，一般藍(lán)牙傳輸數(shù)據(jù)的距離為10 m，特殊情況下，可通過(guò)增加功率放大模塊增大傳輸距離.

2 智能心音檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

心音采集系統(tǒng)軟件運(yùn)行于S3C2440A處理器中，主要包括心音信號(hào)采集、數(shù)據(jù)打包處理及藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸程序.將HKY-06C心音傳感器的USB端口連接到S3C2440A處理器，利用中斷設(shè)置一系列的初始化操作如采樣速率設(shè)置等，調(diào)用啟動(dòng)指令開(kāi)始將心音信號(hào)不斷地寫入分配的緩沖區(qū)中，傳輸結(jié)束發(fā)送停止采集指令，本次信號(hào)采集結(jié)束，為方便后續(xù)藍(lán)牙模塊數(shù)據(jù)的傳輸，按藍(lán)牙傳輸協(xié)議的格式，對(duì)采集到的心音信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝成完整的數(shù)據(jù)幀，添加同步頭、CRC校驗(yàn)等，開(kāi)啟藍(lán)牙模塊，等待智能手機(jī)端進(jìn)行藍(lán)牙匹配，建立連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.心音采集系統(tǒng)端軟件主要流程圖如圖3所示.

智能手機(jī)端心音檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)主要是將接收到的心音信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)、預(yù)處理，并以圖形和數(shù)據(jù)等方式顯示出來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)患者心音的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).其流程圖如圖4所示.

圖4 智能手機(jī)端心音檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)流圖

圖5 智能手機(jī)端心音檢測(cè)

3 測(cè)試實(shí)驗(yàn)

基于ARM的智能心音檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)心音信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將調(diào)試好的軟件下載到智能手機(jī)上進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示各模塊運(yùn)行正常，手機(jī)端能很好地顯示心音波形圖，如圖5所示.

4 結(jié) 論

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，便攜性在醫(yī)療檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用中逐漸成為研究的熱點(diǎn).本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于ARM的智能心音檢測(cè)系統(tǒng)，具有操作簡(jiǎn)單、易攜帶等優(yōu)點(diǎn)，下一步將對(duì)心音信號(hào)的特征提取算法進(jìn)行優(yōu)化，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性.

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[責(zé)任編輯：徐明忠]

Design and implementation of heart sound monitoring system based on ARM

LIU Liming

(School of Physics and Electrical Information, Shangqiu Normal Unifersity, Shangqiu 476000, China)

Heart sound monitoring plays an important role in the detection and prevention of heart diseases.In order to solve the mobility problems of the elderly medical care, a heart sound monitoring system is designed based on HKY06-C, the heart sound signals are transmitted by Bluetooth to a smartphone for storage and real-time display.Experimental tests show that the system meets the design requirements.

heart sound signals; embedded;monitoring system; HKY06-C sensor

2016-04-20；

2016-05-20

劉黎明(1982—)，男，河南商丘人，商丘師范學(xué)院教師，主要從事嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,復(fù)雜系統(tǒng)仿真的研究.

TP319

A

1672-3600(2017)09-0021-03