基于ARM和Linux的肺音采集器的研究

【作 者】陸 強，李文鋒，張西學(xué)，李俊民, 劉龍清

泰山醫(yī)學(xué)院信息工程學(xué)院，山東，泰安，271016

肺音是呼吸系統(tǒng)在換氣過程中產(chǎn)生的聲音的總稱，蘊含著呼吸系統(tǒng)的病理學(xué)、生理學(xué)信息。自發(fā)明聽診器后，肺音聽診一直是呼吸系統(tǒng)疾病診斷的基本方法。

如何實時有效地采集肺音，并進行顯示與存儲，是這種診斷方法實現(xiàn)的前提。針對這個問題，在分析當(dāng)前國內(nèi)外先進的肺音信號采集技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了基于ARM和Linux的肺音采集器。

1 肺音采集器硬件部分

肺音采集器整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。肺音采集模塊的硬件以ARM的S3C2440芯片為核心，以駐極體話筒為聲音信號傳感器，音頻芯片采用UDA1341TS。由于S3C2440和UDA1341TS都提供了IIS音頻解碼接口，在設(shè)計時將兩者的IIS信號引腳直接連接。

1.1 系統(tǒng)控制模塊

S3C2440微處理器是三星公司為手持設(shè)備而設(shè)計的一款處理器。它采用了發(fā)展的ARM920T內(nèi)核，0.13μm的CMOS標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲單元。主要功能模塊有電源管理模塊、片上時鐘發(fā)生器、RTC、IIS數(shù)字音頻總線接口、4通道DMA、擴展內(nèi)存控制器、3通道UART、USB模塊、定時器模塊和24路外部中斷源。

1.2 音頻接口模塊

模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片為Philip公司推出的UDA1341TS。它采用了先進的Sigma－delta過采樣技術(shù)，工作電壓范圍為2.4～3.6V。由于其功耗特別低，非常適合于MP3、MD播放器等低功耗場合的應(yīng)用。UDAl341TS芯片除了提供模數(shù)轉(zhuǎn)換功能外，還具有L3接口、IIS（Inter-IC Sound bus）接口和麥克風(fēng)揚聲器接口。

在音頻信號采集系統(tǒng)中，L3接口分別連到S3C2440的3個通用數(shù)據(jù)輸出引腳上。S3C2440通過向這個通用端口發(fā)送數(shù)據(jù)來對UDA1341TS進行初始化。圖2所示為S3C2440與UDA1341TS連接圖，圖中CDCLK、I2SSCLK、I2SLRCK、I2SSDI、I2SSDO、L3MODE、LSCLOCK和L3DATA引腳連接到S3C2440。

1.3 Flash接口電路

Flash存儲器是一種可在系統(tǒng)進行電擦寫，掉電后信息不丟失的存儲器。Flash存儲器作為一種非易失性存儲器，是用于裝載系統(tǒng)的Bootloader程序、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序的核心。

本系統(tǒng)NANDFlash芯片K9F1216，是SAMSUNG公司生產(chǎn)的采用NAND技術(shù)的大容量、高可靠的Flash存儲器。該器件采用三星公司的CMOS浮置門技術(shù)和與非存儲結(jié)構(gòu)，工作電壓2.7-3.6V，存儲容量為32MX16位。圖3所示為S3C2440與Flash連接圖。

圖2 S3C2440與UDA1341TS連接圖Fig 2. Connection Between S3C2440 and UDA1341TS

圖3 S3C2440與Flash連接圖Fig 3. Connection Between S3C2440 and Flash

2 肺音采集器軟件部分

系統(tǒng)的軟件設(shè)計首先需要搭建軟件平臺，即Bootloader、Linux內(nèi)核、文件系統(tǒng)配置；然后進行驅(qū)動程序的設(shè)計與加載；最后根據(jù)具體需要設(shè)計應(yīng)用軟件，完成所要求的功能。

2.1 交叉編譯環(huán)境

交叉編譯是在一個平臺上生成另一個平臺上的可執(zhí)行代碼。交叉編譯環(huán)境是一個由編譯器、鏈接器等組成的綜合開發(fā)環(huán)境。Linux環(huán)境下使用GNU工具完成編譯、鏈接等過程，包括針對目標(biāo)系統(tǒng)的編譯器gcc、針對目標(biāo)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)c庫glibc、針對目標(biāo)系統(tǒng)的二進制工具binutils和針對目標(biāo)系統(tǒng)的Linux內(nèi)核頭文件等。

在本系統(tǒng)中使用的是cross-3.3.2交叉編譯器工具鏈。在Linux下解壓后即生成編譯所需的工具，然后在環(huán)境變量PATH中添加路徑。

2.2 BootLoader的加載

BootLoader是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運行之前的一段程序，相當(dāng)于PC上的BIOS。通過BootLoader，可以完成對硬件的初始化，包括初始化CPU、堆棧和存儲器等；把內(nèi)核從NANDFlash復(fù)制到SDRAM，然后啟動；下載映像文件并寫入Flash等。

本系統(tǒng)的BootLoader采用U-Boot，首先要下載源碼包u-boot-1.1.6，在Linux下解壓后即得到全部U-Boot源程序。U-Boot源碼通過GCC和Makefile組織編譯。Makefile從功能上分成兩部分，一部分用來編譯生成uboot.bin文件，另一部分用來執(zhí)行每種board相關(guān)的配置。編譯流程為執(zhí)行make smdk2440_config傳入ARCH，CPU，BOARD，SOC參數(shù)，mkconfig根據(jù)參數(shù)將include頭文件夾相應(yīng)的頭文件夾連接好，生成config.h。然后執(zhí)行make分別調(diào)用各個子目錄的Makefile生成所有的obj文件和obj庫文件。最后連接所有目標(biāo)文件，生成鏡像文件。

2.3 Linux內(nèi)核的移植

Linux內(nèi)核是Linux操作系統(tǒng)的核心，也是整個Linux功能體現(xiàn)。它是用C語言編寫，符合POSIX標(biāo)準(zhǔn)。本系統(tǒng)采用的內(nèi)核為linux-2.6.30.4。其移植的具體步驟如下：

(1) 首先修改根目錄下的Make fi le文件。在根目錄下的Makefile文件中，首先要指定所移植的硬件平臺以及所使用的交叉編譯器。

(2) 使用“make menuconfig”菜單方式，來配置內(nèi)核。配置時盡量剪裁內(nèi)核，需要注意CPU的型號、串口的設(shè)置和肺音系統(tǒng)各個模塊的設(shè)置。

(3) 配置好后保存退出，執(zhí)行指令：make zImage。交叉編譯得到內(nèi)核映像名為zImage的文件，然后將其下載到目標(biāo)板上運行。

2.4 文件系統(tǒng)的移植

文件系統(tǒng)指文件存在的物理空間。在Linux系統(tǒng)中，每個分區(qū)都是一個文件系統(tǒng)，都有自己的目錄層次結(jié)構(gòu)。主要內(nèi)容包括應(yīng)用程序，對應(yīng)目錄為/bin，/sbin，/usr/bin，/usr/sbin；設(shè)備文件，對應(yīng)目錄為/dev；腳本和配置文件，對應(yīng)目錄為/etc；庫文件，對應(yīng)目錄為/lib，/usr/lib，/usr/share。常見文件有cramfs，romfs，jffs和yaffs。本系統(tǒng)采用yaffs文件系統(tǒng)。其具體步驟為：

(1) 下載busybox，通過make menucon fi g修改并配置busybox；

(2) 執(zhí)行指令make install；

(3) 新建目錄root_2.6.30.4，把busybox下的bin、sbin、usr和linuxrc拷入新建目錄下，建立dev、etc、home、lib、opt和proc等文件目錄，并配置內(nèi)容；

(4) 制作映像文件，燒寫到主板中運行。

2.5 驅(qū)動程序設(shè)計

這里重點介紹一下UDA1341驅(qū)動程序。在Linux系統(tǒng)中，有兩類音頻設(shè)備驅(qū)動框架；即OSS和ALSA。前者包括dsp和mixer字符設(shè)備接口，在用戶空間的編程中，完全使用文件操作；后者以card和組件為主線，在用戶的編程空間中使用alsalib。本系統(tǒng)選用OSS框架。

在本系統(tǒng)中，驅(qū)動程序的主要任務(wù)是控制音頻數(shù)據(jù)在硬件中流動，并為音頻應(yīng)用程序提供標(biāo)準(zhǔn)接口，系統(tǒng)包括設(shè)備的注冊和卸載模塊、聲音的錄制和播放和mixer混音器設(shè)備接口模塊。

2.5.1 設(shè)備的注冊和卸載模塊

本模塊包括對與L3接口相連的I/O口和與IIS接口相連的GPIO口的設(shè)置，對UDA1341的初始化，對DMA通道的選擇和初始化，并且通過register_sound_dsp()和register_sound_mixer()函數(shù)注冊音頻設(shè)備和混音器設(shè)備。

2.5.2 聲音的錄制和播放模塊

聲音的錄制和播放主要通過dsp設(shè)備接口函數(shù)實現(xiàn)，向該設(shè)備寫數(shù)據(jù)，就是播放聲音，向該設(shè)備讀數(shù)據(jù)，就是錄制聲音。對設(shè)備的打開、讀寫和控制函數(shù)在 fi le_operations結(jié)構(gòu)中進行了定義，結(jié)構(gòu)體如下：

對設(shè)備的打開、讀寫、控制和關(guān)閉函數(shù)分別對應(yīng)open()、read()、write()、ioctl()和release()函數(shù)。2.5.3 混音器設(shè)備接口模塊

mixer混音器的功能是將多個信號組合或者疊加在一起?；煲羝鞯牟僮鞑环献x寫模式，因為大部分操作是通過ioctl()系統(tǒng)調(diào)用，來實現(xiàn)諸音量的調(diào)節(jié)、高低音的控制、FM合成器的控制和放音音量的控制。函數(shù)原形為static int sound_mixer_ioctl

2.6 應(yīng)用程序設(shè)計

本系統(tǒng)應(yīng)用程序主要實現(xiàn)肺音信號的采集、存儲和播放功能。程序流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖Fig 4. Flow chart of Program

3 實驗

利用所構(gòu)建的系統(tǒng)，進行了肺音的采集實驗。采集時，要求環(huán)境安靜，正常人采用坐姿勢，將駐極體一端放在采集人身上，采集呼吸音信號。所采集到的肺音波形如圖5所示。

利用該信號，可以得到肺音特征。通過算法，還可以很容易地得到肺音信號的時域和頻域參數(shù)。

圖5 肺音信號波形Fig 5. Waveform of Lung Sound

4 結(jié)束語

本研究利用ARM和Linux技術(shù)，成功實現(xiàn)了對肺音信號的采集，并可以將信號進行直觀地顯示。為醫(yī)生提供了一種有效的診斷工具。

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