基于ARM架构的智能心音检测系统的设计与实现

刘黎明

(商丘师范学院 物理与电气信息学院，河南 商丘476000)



基于ARM架构的智能心音检测系统的设计与实现

刘黎明

(商丘师范学院 物理与电气信息学院，河南 商丘476000)

心音监测对心脏疾病的早期诊断和预防有着重要的作用.针对老年人常年奔波于家庭和医院之间看病行动不便的问题，设计一种用于检测心音功能的便携式心音信号采集系统，实现在家中就可以方便地对患者的心音进行实时监测和查看，该系统基于HKY06-C心音传感器将采集到的心音信号通过蓝牙设备传输到智能手机进行存储和实时显示，实验测试表明该系统达到设计要求.

心音信号；嵌入式；监测系统；HKY06-C传感器

0 引 言

当前，随着我国逐渐步入老龄化社会，心血管疾病正逐渐成为威胁人类健康的杀手之一，而心音信号作为人体中重要的生理信号之一，包含有心率、心脏舒张期与心脏收缩期的实现比、第一心音和第二心音的幅值比等生理信息特征[1]，从心音信号中获取的诊断信息对心血管疾病的诊断和预防有着重要的参考价值.

现阶段，心血管患者多是定期去医院进行复诊的治疗方式，这种方式将给老人或其他行动不便的患者带来生活和经济上的负担[2]，因此，设计一种基于ARM的便携式智能心音检测系统，以数据和易于理解的图形化的方式提供给患者，避免了往返医院进行例行检查的奔波，方便患者实时地监测心脏健康状态.

1 系统硬件总体设计

基于ARM的智能心音检测系统主要由三部分构成，分别是心音信号采集系统、ARM嵌入式微处理器模块和用于传输的蓝牙模块.系统通过ARM微处理器实现将采集到的心音信号通过蓝牙模块传输到智能手机上，进行实时查看和存储.ARM微处理器协调系统各模块的工作并进行数据传送，是整个系统的核心，心音信号数据采集的实时性、准确性直接关系到后续诊断的准确性，是整个系统的关键所在，心音信号检测系统总体结构图如图1所示.

图1 心音检测系统总体结构图

心音传感器采集到心音信号后，通过USB接口传输到ARM微处理器中，然后ARM处理器模块对接收的数字心音信号进行打包处理，通过RS232串口传输给蓝牙模块，最后蓝牙模块以异步数据传输的方式将心音数据传输到智能手机端，智能手机接收数据并进行存储和显示.

1.1 心音传感器模块

心音信号的频率一般在20-700 Hz，是一种噪声强、频率复杂、随机性强的微弱生物信号[3-5]，需通过信号处理电路对其进行处理，将心音信号转换为数字电信号，其信号采集的精度直接影响到整个系统的精度和准确性，本系统选用了合肥华科电子技术研究所研发的HKY-06C型心音传感器.HKY-06C型心音传感器采用新型高分子聚合材料微音传感元件采集心脏搏动和其它体表动脉搏动信号，再经过高度集成化信号处理电路处理、A/D 转换、USB通信电路等，输出数字音频信号，适用于各类基于计算机的心音诊断或心音图谱分析系统.具有波形数据输出、标准USB接口、集成度高，可靠性好、抗干扰性能力强等特点[6-8].由于HKY-06C心音传感器本身含有信号处理电路处理、A/D转换、USB通信电路，因此心音采集硬件系统不需要进行信号预处理设计以及A/D转换设计.将HKY-06C心音传感器安装在ARM平台上，然后通过应用程序设置虚拟COM口，就可以将传感器采集到的数字心音信号传输到ARM处理器中.

1.2 ARM处理器模块

ARM处理器模块是整个心音采集系统的核心模块，负责控制协调各模块、数据传送和系统的运行工作，它的好坏直接影响整个采集系统的性能，因此对微处理器的选型相当重要.为确保本系统对采样速率、精度、数据传输及控制的要求，从低功耗、低成本和处理速度等技术指标考虑,本文采用Samsung S3C2440A芯片作为嵌入式微处理器.

S3C2440A采用了ARM920T内核、0.18 um CMOS工艺的16/32位RISC嵌入式处理器，主频400 MHz,最高533 MHz，其低功耗简单全静态的设计，适合于对成本和功耗敏感的应用.ARM920T实现了MMU、AMBA、BUS和Harward高速缓冲体系结构，并提供了一套完整的通用系统外设，减少了系统成本[9-12].

1.3 蓝牙模块

为便于携带和查看，本设计采用无线蓝牙模块将采集到的心音信号数据发送到手机客户端，方便患者随时查看，因为大多数智能手机都有蓝牙功能，因此，只需在嵌入式ARM微处理器模块上添加一个蓝牙模块，即可完成心音采集端与智能手机端的数据传输.

蓝牙模块采用CSR公司的BlueCore02-Externel芯片，该芯片采用1.8 V电压，内部RAM容量为32 K，并可扩展外部闪存至8M，其内部集成的射频模块和基带控制器含有前行纠错、CRC校验等提高了无线传输的效率，并且蓝牙协议运行于内部MCU上，不需要处理器处理，该芯片提供有多种接口，如UART、USB、PCM、PIO和SPL总线接口，开发调试简单，使用更为方便.

1.4 蓝牙芯片和S3C2440处理器接口设计

嵌入式微处理器通过RS232串口与蓝牙芯片进行相连，该串口与蓝牙芯片的异步串行数据端口连接就可以通信，异步串行数据端口由UART_TX，UART_RX，UART_RTS，UART_CTS组成.同时，嵌入式微处理器S3C2440A和蓝牙芯片BlueCore02所使用的电压不同，需要进行电平转换，通过MAX232进行电平转换后才能实现异步串行通信.嵌入式微处理S3C2440A和蓝牙芯片BlueCore02的接口电路如图2所示.

图2 蓝牙模块与S3C2440处理器接口电路

图3 心音信号采集流程图

进行异步串口通信时，蓝牙芯片UART口的最大传输速率可达1.5 Mbit/s，设置蓝牙模块的相关参数，其中波特率设置为11520 bps，8位数据位，无奇偶校验，停止位为1，一般蓝牙传输数据的距离为10 m，特殊情况下，可通过增加功率放大模块增大传输距离.

2 智能心音检测系统软件设计

心音采集系统软件运行于S3C2440A处理器中，主要包括心音信号采集、数据打包处理及蓝牙数据传输程序.将HKY-06C心音传感器的USB端口连接到S3C2440A处理器，利用中断设置一系列的初始化操作如采样速率设置等，调用启动指令开始将心音信号不断地写入分配的缓冲区中，传输结束发送停止采集指令，本次信号采集结束，为方便后续蓝牙模块数据的传输，按蓝牙传输协议的格式，对采集到的心音信号数据进行封装成完整的数据帧，添加同步头、CRC校验等，开启蓝牙模块，等待智能手机端进行蓝牙匹配，建立连接进行数据传输.心音采集系统端软件主要流程图如图3所示.

智能手机端心音检测软件设计主要是将接收到的心音信号进行存储、预处理，并以图形和数据等方式显示出来，实现对患者心音的实时监测.其流程图如图4所示.

图4 智能手机端心音检测软件设计流图

图5 智能手机端心音检测

3 测试实验

基于ARM的智能心音检测系统对心音信号进行实时监测，将调试好的软件下载到智能手机上进行测试，测试结果显示各模块运行正常，手机端能很好地显示心音波形图，如图5所示.

4 结 论

随着物联网技术的发展，便携性在医疗检测技术的应用中逐渐成为研究的热点.本文设计并实现了基于ARM的智能心音检测系统，具有操作简单、易携带等优点，下一步将对心音信号的特征提取算法进行优化，提高检测的准确性.

[1]李传鹏，郭兴明，张文英，等.基于智能手机的心音监测系统的研究与设计[J].计算机工程与应用,2014，50(13)：37-41.

[2]骆懿，赵治栋．一种便携式心音信号记录仪研究[J].杭州电子科技大学学报，2011,31(4)：94-97．

[3]郭兴明，吴文竹，唐俊铨，等.便携式心脏储备参数监测系统的设计与实现[J].中国生物医学工程学报,2010，29(6)：863-868.

[4]王海滨，刘武昌，刘锦群，等.心音采集分析系统设计[J].西华大学学报(自然科学版)，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]周强．基于物联网的智能心音检测与分析系统的研究[D].兰州理工大学大学，2013．

[7]韦哲，周强，辛迈.基于物联网的智能心音检测与分析系统[J].中国医学装备,2013，10(3)：7-9.

[8]宋凯.嵌入式远程医疗会诊系统的设计[J].计算机测量与控制，2010,18(12)：2859-2861．

[9]张爱华，王景辉.基于蓝牙传输的脉搏信号检测系统的设计与实现[J].兰州理工大学学报，2009,35(4)：78-83．

[10]陈天华,韩力群，郑彧，等.基于HKY06C传感器的心音信号检测与实现[J].传感器与仪器仪表,2009,25(06):167-169.

[11]黄振江．基于Android的智能心音看诊系统的研究[D].南京邮电大学，2011．

[12]韦哲，李战明，程自峰，等．基于LabVIEW8.2的心音信号检测与分析系统的研究[J]．医疗卫生装备，2008，29(07)：7-9．

[责任编辑：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

刘黎明(1982—)，男，河南商丘人，商丘师范学院教师，主要从事嵌入式系统应用,复杂系统仿真的研究.

TP319

A

1672-3600(2017)09-0021-03