基于USB的實(shí)時(shí)心音信號(hào)采集系統(tǒng)*

張義敏,曾慶寧,熊 偉

(桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004)

心音信號(hào)是人體重要的生理信號(hào)之一。由于心音的產(chǎn)生機(jī)理，它能夠很好地反映心臟活動(dòng)、血液流動(dòng)和心臟的健康狀況。音信檢測(cè)與分析能夠準(zhǔn)確判斷心音信號(hào)，提早發(fā)現(xiàn)心血管疾病，是了解心臟和血管狀態(tài)的一種不可缺少的手段。但是心音信號(hào)中含有心血管病變的許多信息，單純依靠心臟聽(tīng)診很難判斷心血管是否健康。目前廣泛應(yīng)用的心電圖檢查是心臟變時(shí)性和變傳導(dǎo)性的最佳檢測(cè)方法，但不能檢測(cè)心臟的變力性先天心臟瓣膜受損。心電傳導(dǎo)組織病變引起的心臟機(jī)械活動(dòng)障礙不會(huì)首先反映在心電信號(hào)(ECG)上，但卻能首先在心音上反映出來(lái)，因此，心音具有心電信號(hào)不可替代的診斷信息[1]。韋哲等人設(shè)計(jì)了基于聲卡的心音信號(hào)采集與處理系統(tǒng)[2]，實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)采集到的信號(hào)信噪比較低不利于后期的處理。王曉燕等人設(shè)計(jì)了基于串口的采集系統(tǒng)[3]，但串口的傳輸速度慢，同時(shí)由于現(xiàn)在一般的計(jì)算機(jī)都不存在串口，不利于推廣。本文設(shè)計(jì)了基于USB的實(shí)時(shí)信號(hào)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

該系統(tǒng)主要由心音信號(hào)采集電路、A/D轉(zhuǎn)換、USB通信和上位機(jī)顯示部分組成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)可以高效、實(shí)時(shí)地顯示采集到的心音信號(hào)，并且可以達(dá)到視聽(tīng)合一的目的，得到的信號(hào)信噪比高，利于后續(xù)的研究。

1 心音信號(hào)采集電路

利用自制的心音傳感器采集到的信號(hào)為毫伏級(jí)信號(hào)，經(jīng)過(guò)前置放大電路進(jìn)行初步放大，對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行低通濾波，然后經(jīng)過(guò)中間級(jí)放大，通過(guò)耳機(jī)輸出，因?yàn)榇藭r(shí)的信號(hào)僅有幾百毫伏，為了便于后期處理，需經(jīng)過(guò)后級(jí)可調(diào)放大,得到伏級(jí)信號(hào)可經(jīng)過(guò)A/D等后期處理。

1.1 前置放大電路設(shè)計(jì)

由于心音信號(hào)十分微弱，而前置放大電路又是微弱信號(hào)檢測(cè)的第一級(jí)，擔(dān)負(fù)著將微弱信號(hào)放大的任務(wù)，應(yīng)該盡量減少測(cè)量過(guò)程中引入的觀測(cè)噪聲。而前置放大器則是引入噪聲的主要部件之一，所以要求前置放大器應(yīng)該具有很好的低噪聲性能[4]。又因?yàn)樘幚淼氖锹曇粜盘?hào)，所以選取了具有超低失真低噪聲的OPA2134運(yùn)算放大器，同時(shí)還具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低漂移等特點(diǎn)。前置放大電路如圖2所示。

圖2 前置放大電路

J2為傳感器輸入接口，作為前置放大，為了抑制噪聲，放大倍數(shù)不應(yīng)該太大，此電路的放大倍數(shù)為1+R2/R1。電容C1的作用是平滑濾波，降低高頻增益。

1.2 低通濾波器的設(shè)計(jì)

從前級(jí)放大電路得到的信號(hào)十分微弱，并且摻雜著聽(tīng)診頭與衣服或者皮膚摩擦的噪音以及一些高頻的機(jī)械噪聲，所以需要通過(guò)低通濾波器來(lái)濾除高頻成分。

低通濾波器電路如圖3所示。設(shè)計(jì)中采用二階壓控型低通有源濾波器，相比一階濾波器，可以使輸出電壓在高頻段以更快的速率下降，以改善濾波效果。為了使電路穩(wěn)定工作，濾波器的增益應(yīng)該小于3[5]。

圖3 低通濾波器電路

1.3 中間級(jí)放大電路設(shè)計(jì)

圖4為中間級(jí)放大電路，由于需要驅(qū)動(dòng)耳機(jī)輸出，采用了適合應(yīng)用在高品質(zhì)和專業(yè)音響設(shè)備、儀器、控制電路及電話通道中的放大器NE5532AP。考慮聽(tīng)覺(jué)的舒適度，這一級(jí)的放大倍數(shù)也不能過(guò)大。為了得到更好的效果最好采用雙電源供電,R8可以調(diào)節(jié)耳機(jī)音量。

圖4 中間級(jí)放大電路

1.4 后級(jí)放大電路設(shè)計(jì)

由于從中間級(jí)得到的信號(hào)只有幾百毫伏，不便于后期的處理,所以在這里又加了一級(jí)放大，可以得～-5 V到+5 V之間的信號(hào)，便于A/D采樣。

2 A/D轉(zhuǎn)換

本系統(tǒng)采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控芯片。該單片機(jī)自帶8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器,速度可達(dá)250 kHz(25萬(wàn)次/s)。STC12C5A60S2系列單片機(jī)ADC由多路選擇開(kāi)關(guān)、比較器、逐次比較寄存器、10 bit DAC、轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器(ADC_RES和ADC_RESL)以及ADC_CONTR構(gòu)成。

STC12C5A60S2系列單片機(jī)的ADC是逐次比較型ADC。逐次比較型ADC由一個(gè)比較器和D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，通過(guò)逐次比較邏輯,從最高位(MSB)開(kāi)始，順序地對(duì)每一輸入電壓與內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換器輸出進(jìn)行比較。經(jīng)過(guò)多次比較，使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量逐次逼近輸入模擬量對(duì)應(yīng)值。逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器具有速度高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。

3 USB通信

本文采用南京沁恒公司的USB芯片CH372,該芯片可以實(shí)現(xiàn)1 MB/s的傳輸速度，全速USB設(shè)備接口，兼容USB V2.0,即插即用,外圍元器件只需要晶體和電容。提供一對(duì)主端點(diǎn)和一對(duì)輔助端點(diǎn)，支持控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸,具有簡(jiǎn)便的內(nèi)置固件模式和靈活的外部固件模式。內(nèi)置固件模式屏蔽了相關(guān)的USB協(xié)議，自動(dòng)完成標(biāo)準(zhǔn)的USB枚舉配置過(guò)程，完全不需要本地端控制器作任何處理，簡(jiǎn)化了單片機(jī)的固件編程。本文中采用STC12C5A60S2來(lái)控制CH372實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)的USB通信。

4 上位機(jī)軟件的編寫(xiě)

上位機(jī)利用VS2010平臺(tái)開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)的界面要比Microsoft Visual C++6.0美觀。主要采用MFC的位圖雙緩沖機(jī)制對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形繪制[6]，得到的圖形是連續(xù)的，而不是一屏一屏地刷新。雙緩沖的原理可以形象地理解為∶把電腦屏幕看作一塊黑板。首先在內(nèi)存環(huán)境中建立一個(gè)“虛擬”的黑板，然后在這塊黑板上繪制復(fù)雜的圖形。圖形全部繪制完畢時(shí)，再一次性地把內(nèi)存中繪制好的圖形“拷貝”到另一塊黑板(屏幕)上。采取這種方法可以提高繪圖速度,極大地改善繪圖效果。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

該系統(tǒng)已經(jīng)成功采集了多例心音樣本，采集時(shí)需保持現(xiàn)場(chǎng)安靜，輕壓傳感器。圖5所示為一例正常心音，從該圖可清晰地分辨出心音的各種成分,其中的有效成分得到了很好的保留。

圖5 心音采集系統(tǒng)顯示界面

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠很好地顯示采集到的心音波形，利于醫(yī)生對(duì)心音進(jìn)行分析。該系統(tǒng)采用廉價(jià)的STC12C5A60S2(市場(chǎng)價(jià)6元)作為單片機(jī)，利用其自帶的AD大大降低了設(shè)備的成本。同時(shí)可以進(jìn)一步完善該設(shè)備，使之成為大眾可用的便攜式醫(yī)療器械。

[1]陳天華.基于現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)的心音與心電信號(hào)分析方法[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[2]韋哲，李戰(zhàn)明，程自峰.基于聲卡的心音信號(hào)采集與處理系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備，2008，23(10)：7-10.

[3]王曉燕,曾慶寧,粟秀尹.基于FPGA的心音信號(hào)采集[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2012，31(11)∶28-30.

[4]劉俊,張斌珍.微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2005.

[5]高吉祥.模擬電子技術(shù)[M].北京∶電子工業(yè)出版社，2008.

[6]孫鑫.VC++深入詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.