STM32心音的采集傳輸系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

吳超 王威廉 黃洪波 陳昕昕 張艷蓉

（六盤水師范學院，貴州 六盤水 553004）

當今社會經(jīng)濟高速發(fā)展，國家科學技術(shù)和醫(yī)療水平技術(shù)也在飛速發(fā)展，大部分疾病已經(jīng)得到很好的控制和治療，但是對偏遠地區(qū)兒童的先心病，仍然不能得到很好的治療。2016年度中國心血管病報告中明顯指出我國心臟方面的疾病仍然很難得到控制，也得不到很好的治療，同時心血管疾病已經(jīng)嚴重威脅人們健康并且構(gòu)成人們突發(fā)死亡的主要原因，嚴重地影響了人們的工作生活。心血管疾病發(fā)病的因素主要由幾個原因?qū)е拢旱谝唬S著生活條件的提高，人們在飲食上喜歡高脂肪、高熱量的食物，而不健康的飲食習慣也導致體重肥胖和高血壓。第二，缺乏適當?shù)倪\動，從而導致消化功能較差使脂肪堆積，引發(fā)很多心血管疾病。第三，人們工作壓力過大以及生活方式的不規(guī)律也影響著人們心臟的健康。目前越來越多的科研人員對心音展開研究，利用信號采集設備采集心音信號并數(shù)字化保存，構(gòu)建心音數(shù)據(jù)庫，提取異常心音病理特征，進一步研究出一種對心音分析和診斷具有重大意義的分析算法，最后設計出一種便攜式先天性心臟病診斷器。本文主要研究便攜式心音采集系統(tǒng)，基于STM32平臺并采用嵌入式開發(fā)，相比以往的采集系統(tǒng)，心音A/D轉(zhuǎn)換采用STM32內(nèi)部18位AD7989，分辨率上具有更高的精度并能保留次聲波頻段。通過采集前端電路濾波去噪后利用UDP協(xié)議完成心音信號的傳輸和儲存，最后在上位機上實現(xiàn)信號的可視化。

一、系統(tǒng)總體設計

心音采集系統(tǒng)的最終目的是能在臨床環(huán)境下采集心音，因此系統(tǒng)需具備以下幾點特性：

（一）實用性

心音信號采集系統(tǒng)必須要切合實際，能應對復雜的采集環(huán)境，同時能方便攜帶，又能夠?qū)嵱貌僮鳌?/p>

（二）可靠性

心音指人體心臟跳動時產(chǎn)生的一種十分輕微的生理信號[1]。故采集的過程中難免會混入噪聲，這些噪聲會對后續(xù)的研究分析產(chǎn)生不利的影響。因此系統(tǒng)在運行過程中需保持其穩(wěn)定性，盡量避免其他不穩(wěn)定的因素影響心音數(shù)據(jù)的采集過程，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

（三）可擴展性

采集系統(tǒng)的最終目的是通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)不同兩地遠程輔助聽診，因此選用的平臺需要有穩(wěn)定的網(wǎng)絡連接功能和豐富的軟件擴展接口，能在多種操作系統(tǒng)中運行，方便跨平臺的遷移。

根據(jù)采集系統(tǒng)需求，本文設計了一款能在篩查工作中使用的便攜式心音信號采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)將心音信號采集、實時顯示，儲存和輔助分析集中于一體。心音信號采集系統(tǒng)的功能需求，確立了基于STM32為開發(fā)平臺，C#作為編程軟件與虛擬儀器measurement studio插件進行開發(fā)，加上前端電路的系統(tǒng)整體設計框架[2]。

二、心音的采集電路設計

采集系統(tǒng)主要是以嵌入式芯片STM32F103系列微控制器為控制核心，設計外圍電路以實現(xiàn)整個采集系統(tǒng)，外圍電路包括電源供電電路、心音模擬電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和以太網(wǎng)傳輸電路。STM32微控制器主要是控制A/D轉(zhuǎn)換速率將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)通過以用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議實時傳輸?shù)诫娔X，實現(xiàn)信號可視化。

（一）心音放大濾波電路

心音信號的質(zhì)量與傳感器有著密切的聯(lián)系，而心音傳感器目前采用的是ThinkLabs公司的THE ONE傳感器。心音主要頻率成分分布在1～800Hz，所以在電路設計時采用先對信號進行濾波。

心音傳感器的作用是將心音信號記錄下并轉(zhuǎn)換為電信號，通過3.5mm接口接入采集電路，電路中Cin與Rpcg1構(gòu)成一個高通濾器。THE ONE傳感器的輸出電壓為200mV，使用雙運算放大器芯片mcp6002對電信號進行同向放大[3]，同時求得該放大電路的增益為2，通過電壓跟隨器后將信號傳入AD轉(zhuǎn)換芯片的輸入端。這款芯片主要作用是將心音信號放大和單端轉(zhuǎn)差分輸出驅(qū)動AD7989。

（二）A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換電路主要是將模擬信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為可以分析處理的數(shù)字信號[4]。采集系統(tǒng)的采樣頻率為5000Hz，這要求AD芯片有較高的精度。本系統(tǒng)使用ADI公司產(chǎn)品AD7989-1芯片，AD7989-1的分辨率為18位，是逐次逼近型數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片（ADC），采用VDD供電，具有低功耗、低噪聲的優(yōu)點，另外該芯片有非常好的低頻特性，能比較好地保留心音信號的低頻段。

采樣芯片AD7989-1是10引腳芯片，引腳數(shù)量雖然不多，但它能兼容目前大多數(shù)主控平臺的SPI、DSP等接口。

系統(tǒng)選用STM32系列的STM32F103C8T6作為主控芯片提供給AD7989-1時鐘信號[5]，該芯片是基于ARM公司的Cortex-M3為內(nèi)核的開發(fā)的芯片，有著功耗低，外設接口豐富，擴展性強等優(yōu)點，使用該芯片能滿足采集前端電路的需求，也能夠為以后擴展系統(tǒng)應用打下基礎。

實現(xiàn)由STM32主控下的心音采集、網(wǎng)絡傳輸，并由上位機（PC）實時顯示所采集的心音信號，已經(jīng)存儲。該系統(tǒng)抗噪聲、穩(wěn)定性強和采樣精度高，可以有效地采集人體心音信號，并對信號進行實時的顯示。

（三）心音信號采集傳輸模塊

心音信號經(jīng)STM32控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號為二進制的數(shù)字，這時需要將信號傳輸?shù)讲杉到y(tǒng)的上位機部分，才能實現(xiàn)實時顯示和儲存[6]。由于本系統(tǒng)采樣頻率為5000Hz，采樣率和數(shù)據(jù)量較大，使用普通串口協(xié)議無法滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)臈l件，故選擇以太網(wǎng)能解決傳輸數(shù)據(jù)量過大的問題。但STM32里沒有網(wǎng)絡傳輸模塊，不能直接使用網(wǎng)絡傳輸。本文在電路中加入了W5500網(wǎng)絡芯片來傳輸信號數(shù)據(jù)至上位機[7]。網(wǎng)絡協(xié)議采用UDP協(xié)議作為網(wǎng)絡傳輸協(xié)議，這樣能避免多次建立連接，減少了傳輸?shù)膹碗s度。以太網(wǎng)模塊主要包括W5500和型號為HR911105A的RJ-45接口[8]。當STM32發(fā)出網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)的指令時，W5500會接收到指令后并開啟網(wǎng)絡傳輸功能。

整個采集系統(tǒng)是通過前端電路和上位機兩部分組成，上述實現(xiàn)了系統(tǒng)的前端電路部分，心音還需要通過網(wǎng)絡傳輸送至上位機進行顯示和分析，方便于研究人員和醫(yī)生能夠?qū)崟r監(jiān)控到病人的心音情況。

三、上位機系統(tǒng)

采集系統(tǒng)的上位機與采集板采用UDP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，上位機程序?qū)Σ杉宀杉臄?shù)據(jù)接收并進行相關(guān)的處理并控制采集板的數(shù)據(jù)采集工作[9]。上位機程序使用C#與虛擬儀器measurement studio插件進行開發(fā)；采集板發(fā)送數(shù)據(jù)采用廣播形式發(fā)送，上位機程序具有針對性，因此固定使用端口號4040及IP地址段用以接收下位機廣播的數(shù)據(jù)包。上位機主要是采集板的控制及數(shù)據(jù)處理，上位機通過定義UDP服務器用以發(fā)送指令并接收數(shù)據(jù)，對心音信號進行實時顯示、存儲[10]。系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)經(jīng)上位機發(fā)送指令，進行數(shù)據(jù)采集，通過上傳至上位機，上位機顯示波形圖如下圖1所示。

圖1 系統(tǒng)測試圖

四、總結(jié)

本文基于Cortex-M3為內(nèi)核STM32F103C8T6的心音采集系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括心音的模擬濾波放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、以太網(wǎng)傳輸電路和上位機數(shù)據(jù)處理端部分設計。該系統(tǒng)抗噪聲、穩(wěn)定性強和采樣精度高，可以有效地采集人體心音信號，實現(xiàn)由STM32主控下的心音采集、網(wǎng)絡傳輸，并由上位機（PC）實時顯示所采集的心音信號并存儲。對臨床采集的心音進行分析研究，對醫(yī)生的聽診工作提供幫助，同時實現(xiàn)機器輔助聽診并提供了新的思路，方便于先心病的診斷。