STM32心音的采集传输系统的设计与实现

当今社会经济高速发展, 国家科学技术和医疗水平技术也在飞速发展, 大部分疾病已经得到很好的控制和治疗, 但是对偏远地区儿童的先心病, 仍然不能得到很好的治疗。2016年度中国心血管病报告中明显指出我国心脏方面的疾病仍然很难得到控制, 也得不到很好的治疗, 同时心血管疾病已经严重威胁人们健康并且构成人们突发死亡的主要原因, 严重地影响了人们的工作生活。心血管疾病发病的因素主要由几个原因导致:第一, 随着生活条件的提高, 人们在饮食上喜欢高脂肪、高热量的食物, 而不健康的饮食习惯也导致体重肥胖和高血压。第二, 缺乏适当的运动, 从而导致消化功能较差使脂肪堆积, 引发很多心血管疾病。第三, 人们工作压力过大以及生活方式的不规律也影响着人们心脏的健康。目前越来越多的科研人员对心音展开研究, 利用信号采集设备采集心音信号并数字化保存, 构建心音数据库, 提取异常心音病理特征, 进一步研究出一种对心音分析和诊断具有重大意义的分析算法, 最后设计出一种便携式先天性心脏病诊断器。本文主要研究便携式心音采集系统, 基于STM32平台并采用嵌入式开发, 相比以往的采集系统, 心音A/D转换采用STM32内部18位AD7989, 分辨率上具有更高的精度并能保留次声波频段。通过采集前端电路滤波去噪后利用UDP协议完成心音信号的传输和储存, 最后在上位机上实现信号的可视化。

一、系统总体设计

心音采集系统的最终目的是能在临床环境下采集心音, 因此系统需具备以下几点特性:

(一) 实用性

心音信号采集系统必须要切合实际, 能应对复杂的采集环境, 同时能方便携带, 又能够实用操作。

(二) 可靠性

心音指人体心脏跳动时产生的一种十分轻微的生理信号[1]。故采集的过程中难免会混入噪声, 这些噪声会对后续的研究分析产生不利的影响。因此系统在运行过程中需保持其稳定性, 尽量避免其他不稳定的因素影响心音数据的采集过程, 增加系统的稳定性和可靠性。

(三) 可扩展性

采集系统的最终目的是通过互联网实现不同两地远程辅助听诊, 因此选用的平台需要有稳定的网络连接功能和丰富的软件扩展接口, 能在多种操作系统中运行, 方便跨平台的迁移。

根据采集系统需求, 本文设计了一款能在筛查工作中使用的便携式心音信号采集系统, 该系统将心音信号采集、实时显示, 储存和辅助分析集中于一体。心音信号采集系统的功能需求, 确立了基于STM32为开发平台, C#作为编程软件与虚拟仪器measurement studio插件进行开发, 加上前端电路的系统整体设计框架[2]。

二、心音的采集电路设计

采集系统主要是以嵌入式芯片STM32F103系列微控制器为控制核心, 设计外围电路以实现整个采集系统, 外围电路包括电源供电电路、心音模拟电路、A/D转换电路和以太网传输电路。STM32微控制器主要是控制A/D转换速率将转换的数据通过以用户数据报协议实时传输到电脑, 实现信号可视化。

(一) 心音放大滤波电路

心音信号的质量与传感器有着密切的联系, 而心音传感器目前采用的是ThinkLabs公司的THE ONE传感器。心音主要频率成分分布在1～800Hz, 所以在电路设计时采用先对信号进行滤波。

心音传感器的作用是将心音信号记录下并转换为电信号, 通过3.5mm接口接入采集电路, 电路中Cin与Rpcg1构成一个高通滤器。THE ONE传感器的输出电压为200mV, 使用双运算放大器芯片mcp6002对电信号进行同向放大[3], 同时求得该放大电路的增益为2, 通过电压跟随器后将信号传入AD转换芯片的输入端。这款芯片主要作用是将心音信号放大和单端转差分输出驱动AD7989。

(二) A/D转换电路

A/D转换电路主要是将模拟信号经过模数转换器转化为可以分析处理的数字信号[4]。采集系统的采样频率为5000Hz, 这要求AD芯片有较高的精度。本系统使用ADI公司产品AD7989-1芯片, AD7989-1的分辨率为18位, 是逐次逼近型数模转换芯片 (ADC) , 采用VDD供电, 具有低功耗、低噪声的优点, 另外该芯片有非常好的低频特性, 能比较好地保留心音信号的低频段。

采样芯片AD7989-1是10引脚芯片, 引脚数量虽然不多, 但它能兼容目前大多数主控平台的SPI、DSP等接口。

系统选用STM32系列的STM32F103C8T6作为主控芯片提供给AD7989-1时钟信号[5], 该芯片是基于ARM公司的Cortex-M3为内核的开发的芯片, 有着功耗低, 外设接口丰富, 扩展性强等优点, 使用该芯片能满足采集前端电路的需求, 也能够为以后扩展系统应用打下基础。

实现由STM32主控下的心音采集、网络传输, 并由上位机 (PC) 实时显示所采集的心音信号, 已经存储。该系统抗噪声、稳定性强和采样精度高, 可以有效地采集人体心音信号, 并对信号进行实时的显示。

(三) 心音信号采集传输模块

心音信号经STM32控制模数转换器转换后的数字信号为二进制的数字, 这时需要将信号传输到采集系统的上位机部分, 才能实现实时显示和储存[6]。由于本系统采样频率为5000Hz, 采样率和数据量较大, 使用普通串口协议无法满足数据传输的条件, 故选择以太网能解决传输数据量过大的问题。但STM32里没有网络传输模块, 不能直接使用网络传输。本文在电路中加入了W5500网络芯片来传输信号数据至上位机[7]。网络协议采用UDP协议作为网络传输协议, 这样能避免多次建立连接, 减少了传输的复杂度。以太网模块主要包括W5500和型号为HR911105A的RJ-45接口[8]。当STM32发出网络传输数据的指令时, W5500会接收到指令后并开启网络传输功能。

整个采集系统是通过前端电路和上位机两部分组成, 上述实现了系统的前端电路部分, 心音还需要通过网络传输送至上位机进行显示和分析, 方便于研究人员和医生能够实时监控到病人的心音情况。

三、上位机系统

采集系统的上位机与采集板采用UDP协议进行数据传输, 上位机程序对采集板采集的数据接收并进行相关的处理并控制采集板的数据采集工作[9]。上位机程序使用C#与虚拟仪器measurement studio插件进行开发;采集板发送数据采用广播形式发送, 上位机程序具有针对性, 因此固定使用端口号4040及IP地址段用以接收下位机广播的数据包。上位机主要是采集板的控制及数据处理, 上位机通过定义UDP服务器用以发送指令并接收数据, 对心音信号进行实时显示、存储[10]。系统上电后, 系统经上位机发送指令, 进行数据采集, 通过上传至上位机, 上位机显示波形图如下图1所示。

四、总结

本文基于Cortex-M3为内核STM32F103C8T6的心音采集系统。系统主要包括心音的模拟滤波放大电路、模数转换电路、以太网传输电路和上位机数据处理端部分设计。该系统抗噪声、稳定性强和采样精度高, 可以有效地采集人体心音信号, 实现由STM32主控下的心音采集、网络传输, 并由上位机 (PC) 实时显示所采集的心音信号并存储。对临床采集的心音进行分析研究, 对医生的听诊工作提供帮助, 同时实现机器辅助听诊并提供了新的思路, 方便于先心病的诊断。

摘要：应用STM32、心音传感器、以太网, 设计一个可以采集、传输心音的系统。要对心音信号进行实时分析, 首先需得使用心音采集设备对心音信号进行采集并传输到计算机、智能移动终端等, 才能对其进行分析处理。目前许多的国内外研究机构及高校都在对心音信号进行研究, 高性能的心音采集系统, 是实时分析心音的前提。

关键词：STM32,心音,传输,移动终端,采集系统

参考文献

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[3] HerrewegeAV, VerbauwhedeI.SoftwareOnly, ExtremelyCompact, Keccak-basedSecurePRNGon ARM Cortex-M[M]. IEEE, 2014.

[4] 李景虎.高速低功耗A/D转换器及相关技术研究[D].哈尔滨工业大学, 2009.

[5] 马中武.LabVIEW在心音信号研究中的应用[J].广东科技, 2013 (18) :174-174.

[6] 郝迎吉, 赵经诗.基于STM32的嵌入式煤层压力监测系统设计[J].计算机测量与控制, 2015, 23 (9) :2954-2956.

[7] 严建海, 楚建安, 倪晓宇.壁纸机烘房温度数据采集的以太网接口设计[J].电子测量技术, 2015 (7) :124-127.

[8] 杨红波, 朱磊, 张博等.STM32的W5500以太网通信模块快速实现方法[J].单片机与嵌入式系统应用, 2018 (8) :11-16.

[9] 柯艳, 李杰, 孔祥雷等.基于USB2.0的多路数据采集系统上位机软件设计[J].测试技术学报, 2010, 24 (4) :351-356.

[10] 黄彬, 曾庆宁, 龙超等.一种Android平台的便携心音心电实时采集系统[J].现代电子技术, 2016, v.39;No.457 (2) :85-88.