基于ARM架構(gòu)的智能心音檢測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

劉黎明

(商丘師范學院 物理與電氣信息學院，河南 商丘476000)

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基于ARM架構(gòu)的智能心音檢測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

劉黎明

(商丘師范學院 物理與電氣信息學院，河南 商丘476000)

心音監(jiān)測對心臟疾病的早期診斷和預防有著重要的作用.針對老年人常年奔波于家庭和醫(yī)院之間看病行動不便的問題，設(shè)計一種用于檢測心音功能的便攜式心音信號采集系統(tǒng)，實現(xiàn)在家中就可以方便地對患者的心音進行實時監(jiān)測和查看，該系統(tǒng)基于HKY06-C心音傳感器將采集到的心音信號通過藍牙設(shè)備傳輸?shù)街悄苁謾C進行存儲和實時顯示，實驗測試表明該系統(tǒng)達到設(shè)計要求.

心音信號；嵌入式；監(jiān)測系統(tǒng)；HKY06-C傳感器

0 引 言

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

現(xiàn)階段，心血管患者多是定期去醫(yī)院進行復診的治療方式，這種方式將給老人或其他行動不便的患者帶來生活和經(jīng)濟上的負擔[2]，因此，設(shè)計一種基于ARM的便攜式智能心音檢測系統(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)院進行例行檢查的奔波，方便患者實時地監(jiān)測心臟健康狀態(tài).

1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計

基于ARM的智能心音檢測系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成，分別是心音信號采集系統(tǒng)、ARM嵌入式微處理器模塊和用于傳輸?shù)乃{牙模塊.系統(tǒng)通過ARM微處理器實現(xiàn)將采集到的心音信號通過藍牙模塊傳輸?shù)街悄苁謾C上，進行實時查看和存儲.ARM微處理器協(xié)調(diào)系統(tǒng)各模塊的工作并進行數(shù)據(jù)傳送，是整個系統(tǒng)的核心，心音信號數(shù)據(jù)采集的實時性、準確性直接關(guān)系到后續(xù)診斷的準確性，是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，心音信號檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

圖1 心音檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

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

1.1 心音傳感器模塊

心音信號的頻率一般在20-700 Hz，是一種噪聲強、頻率復雜、隨機性強的微弱生物信號[3-5]，需通過信號處理電路對其進行處理，將心音信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號，其信號采集的精度直接影響到整個系統(tǒng)的精度和準確性，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和其它體表動脈搏動信號，再經(jīng)過高度集成化信號處理電路處理、A/D 轉(zhuǎn)換、USB通信電路等，輸出數(shù)字音頻信號，適用于各類基于計算機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、標準USB接口、集成度高，可靠性好、抗干擾性能力強等特點[6-8].由于HKY-06C心音傳感器本身含有信號處理電路處理、A/D轉(zhuǎn)換、USB通信電路，因此心音采集硬件系統(tǒng)不需要進行信號預處理設(shè)計以及A/D轉(zhuǎn)換設(shè)計.將HKY-06C心音傳感器安裝在ARM平臺上，然后通過應用程序設(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處理器模塊是整個心音采集系統(tǒng)的核心模塊，負責控制協(xié)調(diào)各模塊、數(shù)據(jù)傳送和系統(tǒng)的運行工作，它的好壞直接影響整個采集系統(tǒng)的性能，因此對微處理器的選型相當重要.為確保本系統(tǒng)對采樣速率、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，其低功耗簡單全靜態(tài)的設(shè)計，適合于對成本和功耗敏感的應用.ARM920T實現(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 藍牙模塊

為便于攜帶和查看，本設(shè)計采用無線藍牙模塊將采集到的心音信號數(shù)據(jù)發(fā)送到手機客戶端，方便患者隨時查看，因為大多數(shù)智能手機都有藍牙功能，因此，只需在嵌入式ARM微處理器模塊上添加一個藍牙模塊，即可完成心音采集端與智能手機端的數(shù)據(jù)傳輸.

藍牙模塊采用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、CRC校驗等提高了無線傳輸?shù)男剩⑶宜{牙協(xié)議運行于內(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，開發(fā)調(diào)試簡單，使用更為方便.

1.4 藍牙芯片和S3C2440處理器接口設(shè)計

嵌入式微處理器通過RS232串口與藍牙芯片進行相連，該串口與藍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，嵌入式微處理器S3C2440A和藍牙芯片BlueCore02所使用的電壓不同，需要進行電平轉(zhuǎn)換，通過MAX232進行電平轉(zhuǎn)換后才能實現(xiàn)異步串行通信.嵌入式微處理S3C2440A和藍牙芯片BlueCore02的接口電路如圖2所示.

圖2 藍牙模塊與S3C2440處理器接口電路

圖3 心音信號采集流程圖

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

2 智能心音檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計

心音采集系統(tǒng)軟件運行于S3C2440A處理器中，主要包括心音信號采集、數(shù)據(jù)打包處理及藍牙數(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)用啟動指令開始將心音信號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，本次信號采集結(jié)束，為方便后續(xù)藍牙模塊數(shù)據(jù)的傳輸，按藍牙傳輸協(xié)議的格式，對采集到的心音信號數(shù)據(jù)進行封裝成完整的數(shù)據(jù)幀，添加同步頭、CRC校驗等，開啟藍牙模塊，等待智能手機端進行藍牙匹配，建立連接進行數(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.

智能手機端心音檢測軟件設(shè)計主要是將接收到的心音信號進行存儲、預處理，并以圖形和數(shù)據(jù)等方式顯示出來，實現(xiàn)對患者心音的實時監(jiān)測.其流程圖如圖4所示.

圖4 智能手機端心音檢測軟件設(shè)計流圖

圖5 智能手機端心音檢測

3 測試實驗

基于ARM的智能心音檢測系統(tǒng)對心音信號進行實時監(jiān)測，將調(diào)試好的軟件下載到智能手機上進行測試，測試結(jié)果顯示各模塊運行正常，手機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)療檢測技術(shù)的應用中逐漸成為研究的熱點.本文設(shè)計并實現(xiàn)了基于ARM的智能心音檢測系統(tǒng)，具有操作簡單、易攜帶等優(yōu)點，下一步將對心音信號的特征提取算法進行優(yōu)化，提高檢測的準確性.

[1]李傳鵬，郭興明，張文英，等.基于智能手機的心音監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J].計算機工程與應用,2014，50(13)：37-41.

[2]駱懿，趙治棟．一種便攜式心音信號記錄儀研究[J].杭州電子科技大學學報，2011,31(4)：94-97．

[3]郭興明，吳文竹，唐俊銓，等.便攜式心臟儲備參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].中國生物醫(yī)學工程學報,2010，29(6)：863-868.

[4]王海濱，劉武昌，劉錦群，等.心音采集分析系統(tǒng)設(shè)計[J].西華大學學報(自然科學版)，2012,31(4)：81-86．

[5]Wen Jianling, Hua Wenbo.General introduction in heart sound analysis and overview of development in medical application[J].Foreign Medical Sciences, 2009, 15(3): 138-142.

[6]周強．基于物聯(lián)網(wǎng)的智能心音檢測與分析系統(tǒng)的研究[D].蘭州理工大學大學，2013．

[7]韋哲，周強，辛邁.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能心音檢測與分析系統(tǒng)[J].中國醫(yī)學裝備,2013，10(3)：7-9.

[8]宋凱.嵌入式遠程醫(yī)療會診系統(tǒng)的設(shè)計[J].計算機測量與控制，2010,18(12)：2859-2861．

[9]張愛華，王景輝.基于藍牙傳輸?shù)拿}搏信號檢測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].蘭州理工大學學報，2009,35(4)：78-83．

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[11]黃振江．基于Android的智能心音看診系統(tǒng)的研究[D].南京郵電大學，2011．

[12]韋哲，李戰(zhàn)明，程自峰，等．基于LabVIEW8.2的心音信號檢測與分析系統(tǒng)的研究[J]．醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2008，29(07)：7-9．

[責任編輯：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，商丘師范學院教師，主要從事嵌入式系統(tǒng)應用,復雜系統(tǒng)仿真的研究.

TP319

A

1672-3600(2017)09-0021-03