（电路与系统专业论文）心肺听诊模拟系统研制[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 医学模拟教学具有训练真实性以及病员无害性等特点，已经开始逐渐取代传 统临床见习的教学模式，并成为现代医学教学的主导方式之一。心肺听诊训练是 医学模拟教学的一个基本环节之一，对于提高医学生临床技能水平具有重要的意 义。目前国内的心肺听诊教学主要采用多媒体视听教学的方式。但由于缺乏真实 性和互动性等特点，这种方式未能从根本上满足现代医学模拟教学情境化教学和 个体化教学的需要。 心肺听诊模拟系统的研制借鉴了目前国际上流行的生理驱动医学模型的设 计方法。本系统具有独立的软硬件结构，能够逼真模拟临床环境并重现病人的各 种心肺病理特征。用户可以在一个如同真实的临床环境下实现对病人的听诊触诊 操作。系统研究范围涵盖了医学、电子、材料等领域，融合了射频识另l j ( r a d i o f r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，r f i d ) 技术、无线射频通信技术、电磁兼容( e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ，e m c ) 设计、印制电路板微带天线设计、u s b 开发、低 功耗设计、电源管理以及音频播放等技术，形成一套由模拟病人( s i m u l a t i o n p a t i e n t ，s p ) 、模拟电子听诊器、遥控器、p c 机接收器以及上位机同步教学演示 软件等构成的综合性医学模拟教学平台。在当前医学模拟教学产品主要依赖国外 进口的背景下，本系统的成功研制对于建立拥有我国自主知识产权的医学模拟实 验中心具有积极的推动作用。 本文首先介绍心肺听诊模拟系统的整体结构以及功能单元组成，再分别从硬 件设计和软件设计方面深入探讨心肺听诊模拟系统的设计过程。系统的硬件电路 设计将是本文阐述的重点对象之一，其中包括系统电路设计、p c bl a y o u t 、e m c 设计以及天线设计等。软件设计方面，本文将对系统的程序设计流程以及所采用 的外设驱动程序设计进行详细描述。在上位机软件开发过程中，本文介绍一种在 v i s u a lc + + 2 0 0 5 环境下采用m f c 结合g d i + 进行软件图形界面开发的方法。 关键词医学模拟教学；射频识别；电磁兼容；g d i + 北京t 业人t 学顾i 学f 一论文 a b s t r a c t t h em e d i c a ls i m u l a t i o nt e a c h i n gi sp o p u l a rf o ri t sc h a r a c t e r so fs i m u l a t i o n f e a t u r ea n dh a r m l e s st ot h ep a t i e n t s i th a st a k e nt h ep l a c eo ft h et r a d i t i o n a lm o d eo f m e d i c a lt e a c h i n gw h i c hi sb a s e do nt h ec l i n i c a lp r a c t i c eg r a d u a l l ya n dh a sb e c o m et h e l e a d i n gs t y l ei nt h em o d e mm e d i c a lt e a c h i n ga r e a t h ea u s c u l t a t i o nt r a i n i n gi sab a s i c p a r to ft h em e d i c a ls i m u l a t i o nt e a c h i n g i no u rc o u n t r y , m u l t i - m e d i at e a c h i n gi s a d o p t e da sau s u a lw a yo ft h ea u s c u l t a t i o nt r a i n i n g h o w e v e r , b e c a u s eo fl a c k i n go f t h er e a l i t ya n dm u t u a l i t y , m u l t i m e d i at e a c h i n gc a nn o tm a t c ht h en e e do fm o d e m m e d i c a lt e a c h i n gw h i c hr e q u i r e st h ee n v i r o n m e n t a lt e a c h i n ga n dt h e i n d i v i d u a l t e a c h i n g aw o r l d w i l dp o l u l a rd e s i g nm e t h o do fp h y s i o l o g y d r i v e ns i m u l a t o ri si n t r o d u c e d t od e v e l o pt h ea u s c u l t a t i o ns i m u l a t i o ns y s t e m t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r es t r u c t u r eo f t h ea u s c u l t a t i o ns i m u l a t i o ns y s t e mi si n d e p e n d e n t i tc a ns i m u l a t ed o z e n so fd i s e a s e a n dt h eu s e rw i l la u s c u l t a t ea n dp a l p a t et h es i m u l a t i o np a t i e n tj u s tl i k ei nat r u e c l i n i c a le n v i r o n m e n t t h es t u d yo ft h i ss y s t e mi si n v o l v e do ft h ea r e ao fm e d i c i n e ， e l e c t r o n i c sa n dm a t e r i a l s o m et e c h n i q u e sa r ea d o p t e di nt h es y s t e m ，s u c ha sr f i d ， r fc o m m u n i c a t i o n ，e m cd e s i g n ，p r i n t e da n t e n n ad e s i g n ，u s bd e v e l o p ，l o w p o w e r c o n s u m p t i o nd e s i g n ，p o w e rm a n a g e m e n t ，a u d i op l a y , e t c w o r k i n g w i t ht h e s y n c h r o n i z e dd e m os o f t w a r er u n si nt h ec o m p u t e r , am e d i c a ls i m u l a t i o ns y s t e m f o r m e db yt h es i m u l a t i o np a t i e n t ，e l e c t r o n i cs i m u l a t i o na u s c u l t a t o r , r e m o t ec o n t r o l l e r a n dr e c e i v e ro fp c ，w i l lp r o v i d ea ni n t e g r a t e dp l a t f o r mf o rt h em e d i c o s u n d e rt h e b a c k g r o u n dt h a tt h em a j o r i t yp r o d u c t so fm e d i c a ls i m u l m i o na r ei m p o r t e df r o mt h e f o r e i g nc o u n t r i e s ，t h e s u c c e s s f u ld e v e l o po ft h ea u s c u l t a t i o ns y s t e mw i l lh a v ea p o s i t i v ei n f l u e n c eo fb u i l d i n gam e d i c a ls i m u l a t i o nc e n t e rw h i c hh a sas e l fk n o w l e d g e p r o p e r t yr i g h tf o ro u rc o u n t r y t h ef r a m e w o r ko fa u s c u l t a t i o ns i m u l m i o ns y s t e ma n di t si n t e r n a lf u n c t i o nu n i t s a r ei n i t i a l a t e l yi n t r o d u c e do nt h i sp a p e r t h ed e s i g np r o c e s so ft h es y s t e mi sd e e p l y d i s c u s s e df r o mt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ea s p e c ts e p a r a t e l y t h eh a r d w a r ec i r c u i t d e s i g n ，i n c l u d i n gt h ec i r c u i td e s i g n ，p c bl a y o u t ，e m cd e s i g n , p r i n t e da n t e n n ad e s i g n , w i l lb et h ef o c u s t h es y s t e mp r o g r a md e s i g na n dp e r i p h e r a ld r i v e rp r o g r a md e s i g ni s d e s c r i b e dp a r t i c u l a r l y ag r a p h i cd e v e l o pm e t h o d sw i t hm f ca n dg d i + i sa d o p t e dt o d e v e l o pt h ep cs o l f w a r eo n v i s u a lc + + 2 0 0 5 i n t e g r a t e dd e v e l o pe n v i r o n m e n t k e y w o r d sm e d i c a ls i m u l a t i o nt e a c h i n g ；r f i d ；e m c ；g d i + i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 躲摊胁幽：= ! 二 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：辑导师签名：立l 日期： 第1 章绪论 i 1 医学模拟教学简介 第1 章绪论 医学教育是非常重视实践操作的，没有临床实践就不能培养出合格的医生， 传统的教学模式在适应现代教学要求的过程中遇到了难以克服的困难，临床实践 教学的质量受到了较大的影响，制约着医学临床教学事业的发展。更符合入文关 怀的医学模拟教学的应用是大势所趋，正在成为临床医学实践教学的主导方式， 也越来越受到临床医学教育的青睐。 医学模拟教学是指运用医学教学模型、多媒体仿真病人、标准化病人等模拟 教学方式对医学生进行医学基本技能训练心1 。最早的医学模拟教学源于解剖学， 经过长时问的发展，从传统的基础解剖模型和局部功能训练模型( p mt a s k t r a i n e r ) ，逐渐发展到现在的计算机辅助训练模型( c o m p u t e rb a s e dt r a i n e r ) 、虚拟显 示和触觉感知模型( v i r t u a lr e a l i t ya n dh e p a t i cs y s t e m ) 以及生理驱动模拟系统 ( p h y s i o l o g y - d r i v e ns i m u l a t o r ) 等。现代医学模拟教学改变了传统的教学模式，提 供了一个安全的教学环境，培养敏捷、正确的临床思维，从而减少在临床实践中 发生的医疗事故和纠纷口，。 我国的祖传医学很早就应用过人体模型，如针灸模型等，至今仍发挥重要的 作用h m l 。然而，同欧美国家相比，我国医学模拟教学的发展要滞后许多，这种 现象一直到2 0 0 3 年后才有所改观，但其许多应用和研究仍处于初级阶段。 1 2 本课题研究的目的和意义 国外医学模拟教学的研究经历了较长的历史，尤其是近2 0 年来，在材料科 学、电子技术以及模拟技术的带动下，医学模拟教学产品的功能性和仿真性方面 都有了极大的提升。其中最为典型的例子就是上世纪9 0 年代中期，美国医学教 育科技公司( m e t i ) 经过长期的研究和实验，将航天航空模拟技术成功的嫁接到医 学教育领域中，利用生理驱动技术研发出综合智能模拟人系统h p s & e c s 。相比 之下，无论是医学模拟教学理论的研究层次，还是医学模拟教学模型与电子技术 的融合程度，我国都远远落后于国外水平。国内医学模拟教学产品的开发多集中 于一些低端领域，主要是偏重于基础解剖模型产品的生产，这也给我们提供了一 个巨大的技术提升空间。 心肺听诊训练是医学模拟教学的一个基本环节，对于提高医学生的临床技能 水平具有重要的意义。目前国内市场上的大多数的心肺模拟系统主要集中在多媒 体的模拟教学上，通过p c 机来播放录制的各种心肺听诊音以及教师的讲解来达 北京t 业人学t ! ：硕l 学化论_ ! = ! = 到教学的目的。而这种纯软件实现的教学方式因其缺乏真实性、互动性，未能从 根本上满足当代医学模拟教学情境化教学和个体化教学的需要。 目前国内市场上还没有出现一款具有独立硬件系统，结构简单，可以灵活控 制多种心肺听诊病理特征的同类产品，而该系统的研制填补了国内这方面研究的 空白。该系统研制的目标是尽可能地贴近临床的真实环境，符合医学基本原理， 并作为理论教学和临床实践的有效辅助手段，改变传统教学和考核方式，全面提 高医学生的临床诊断能力和各项临床操作能力。在当前医学模拟教学产品主要依 赖国外进口的背景下，本系统的成功研制对于建立拥有我国自主知识产权的医学 模拟实验中心具有积极的推动作用。 1 3 课题研究内容 由于医学模拟教学情境化教学的需要，项目的开发过程中同时需要医学伦理 同电子技术的密切结合。一方面，产品的最终效果首先得满足基本的医学伦理， 能够生动地体现各种病例的心肿听诊的临床的效果。同时，在系统的外观以及操 作过程方面，也必须贴近现实，让用户有种身临其境的感觉。当然，从电子产品 设计的角度来讲，系统的各项电气指标以及性能参数等，也必须充分满足用户的 要求。从技术角度出发，本课题的研究内容包括系统硬件电路的设计、驱动程序 的编写、上位机软件的开发以及产品化结构设计等，涵盖的技术范围包括r f i d 识别技术、无线射频技术、电源管理和低功耗设计、u s b 开发、音频播放、e m c 设计、天线设计以及m f c 和g d i + 图形界面开发等。 ( 1 ) r f i d 识别技术r f i d 是一种非接触式自动识别技术，它通过射频信号自 动识别目标对象并获得相关数据。识别工作无需人工干预，可工作于各种恶劣环 境。r f i d 系统一般由电子标签( t a g ) 、阅读器( r e a d e r ) 和天线( a n t e n n a ) 这= 部分 构成。其基本工作原理是阅读器通过天线形成一个电磁场，当电子标签进入电磁 场后凭借感应电流的能量与阅读器进行通信。在本系统中，正是利用r f i d 技术 的穿透性来识别模型人身上的电子标签，并获得相应的位置信息。 ( 2 ) 无线射频技术i s m 频段即工业、科学和医疗频段，世界各国均保留了一 些i s m 频段，其中2 4 g h z 为各国所共用的i s m 频段，广泛应用于无线局域网、 蓝牙、z i g b e e 等领域。本系统中，各子系统之间的无线通信正是采用2 4 g h z 作 为通信频段，可靠性高，传输性能稳定。 ( 3 ) 电源管理和低功耗技术在便携式产品的设计中，为避免频繁更换电池， 延长产品的一次使用时间，低功耗设计一直是重中之重。低功耗设计分为硬件设 计和软件设计两个方面。硬件方面要尽可能采用低功耗元器件，并尽可能提高电 池的转化效率，即采用转化效率高的电源电压转换芯片，如d c d c 等；软件方 面是采用软件关闭或者休眠的方式，减少额外的损耗，从而达到减少系统平均功 2 第1 帚绪论 耗的目的。 ( 4 ) u s b 开发u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 0 1 通用串行总线，有u s b l 1 和 u s b 2 0 两种规范。u s b l 1 的最高传输速率为1 2 m b p s ，而u s b 2 。0 可达4 8 0 m b p s 。 u s b 设备由于其支持热插拔、携带方便、标准统一、支持多个设备连接等优点， 已经被广泛应用。u s b 开发包括两部分：固件开发和上位机驱动程序开发。在 本系统中，采用的是u s b l 1 的规范，上位机驱动程序由厂家提供，设计过程中 主要侧重于固件开发。 ( 5 ) 音频播放这部分主要用于心肺听诊音的播放。由于本系统中，音频资 源较多，数据量大，因而有必要采用音频压缩的方式进行存储。音频压缩采用的 是波形编码的方式，使用音频模块自带的语音函数库进行解码和播放，播放的心 肺听诊音效果良好。 ( 6 ) e m c 设计e m c 设计即电磁兼容设计。由于本系统中包含一些高频器件 ( 如r f i d 、无线射频芯片) 以及一些高速信号( 如u s b ) ，所以有必要讨论下p c b 设计过程中的电磁兼容问题，通过优化布局和走线，添加隔离、滤波和匹配元件， 可有效抑制电磁干扰，使得系统工作更加稳定。 ( 7 ) 天线设计本系统中的天线设计包括两部分：r f i d 天线设计和2 4 g h z 无线射频天线设计。天线设计的目的就是获得最高的天线增益和天线效率。具体 来说，r f i d 天线设计的目的是为了尽可能提高阅读器和电子标签的读写距离。 无线射频天线的设计目的是为了使得传输距离尽可能远。r f i d 天线采用的是环 形天线的设计方法，而无线射频天线采用的是四分之一波长微带天线的设计方 法。 ( 8 ) m f c 和g d i + 图形界面开发上位机软件采用的是m f c 和g d i + 进行图 形界面开发。m f c ( m i c r o s o t tf o u n d a t i o nc l a s s e s ) 即微软基础类库，实际上是由微 软提供的，用于在c + + 环境下编写应用程序的一个框架和引擎。g d i ( g r a p h i c s d e v i c ei n t e r f a c e ) 即图形设备接口，而g d i + 是g d i 的增强版。g d i 是基于函数的， 开发起来比较复杂；而g d i + 是基于类的，利用g d i + 可以很方便进行图形界面 及特效开发，如半透明显示、平滑锯齿、渐变等。由于在m f c 中无法直接使用 g d i + ，所以g d i + 在m f c 下的移植过程在下文中也将涉及。 1 4 课题研究的任务 本课题研究的任务是设计出一套具有完整软硬件结构的综合性医学模拟教 学平台，可用于心肺听诊的模拟教学、考核以及培训工作。心肺听诊是一个复杂 的过程，对于不同的病理特征，在人体不同的体位所听到的心脏和肺部的听诊音 是不尽相同的。传统的心脏瓣脉听诊区( a u s c u l t a t o r yw a i v ea r e a ) 可分为二尖瓣区 ( m i t r a lw a i v ea r e a ) 、肺动脉瓣区( p u l m o n a r yw a i v ea r e a ) 、主动脉瓣区( a o r t i cw a i v e 北京t 、i k 人学t 学硕i 学化论文 a r e a ) 、主动脉瓣第二听诊区( t h es e c o n da o r t i cw a i v ea r e a ) 和三尖瓣区( t r i c u s p i d w a i v ea r e a ) 阳1 。本课题的前期工作在于运用医学知识以及根据医学专家的意见， 对模拟病人身上的听诊区进行划分，并对应于不同的听诊音，以表格的形式记录 下来。再者，为满足医学模拟教学情境化教学的需要，该产品外观结构设计上也 要尽量做到逼真。模拟病人的设计要模拟真实人体生理结构，这部分由专门的厂 家完成。模拟病人身上触诊的位置要遵循医学规则，尽可能覆盖常用到的心肺听 诊区。模拟电子听诊器的结构和外观同样要做到与真实听诊器一致。 本课题所研制的心肺听诊模拟系统是由模拟病人、模拟电子听诊器、遥控器、 p c 机接收器以及上位机同步教学演示软件构成的综合性模拟教学训练平台。模 拟电子听诊器可以模拟1 2 种心脏和1 6 种肺部听诊病理特征；遥控器用于选择各 种, b h d j 疾病；p c 机接收器主要用于接收模拟听诊器发送的数据，并将这些数据 通过u s b 发送至p c 机；上位机同步教学演示软件的功能是接收p c 机接收器发 送过来的数据并进行处理，显示当前疾病、疾病特征简介、当前听诊器探头所处 的位置以及听诊音波形等，以配合教师的现场演示和讲解工作。每个系统模块功 能的实现以及工作状态下各个模块之间的相互配合是本课题研究的主要任务。在 系统设计过程中，同时还要考虑到系统兼容性的问题，心肺听诊模拟系统既可以 作为一个单独的系统投入使用，同时还可以作为全功能急救模拟人系统的一个子 系统，专门实现心肺听诊的功能。所谓全功能模拟急救人则是一种集, c a j , 复苏 ( c p r ) i ) i 练、除颤训练、血压测量、静脉注射以及心肺听诊为体的功能更加齐 全的医学模拟教学系统，也是现代医学模拟中心的核心组成部分。 1 5 论文结构 本论文共分为五章，其组织结构如下所示： 第1 章为绪论，介绍了医学模拟教学基础、本课题的研究目的和意义、研究 内容以及研究任务，其中重点讨论了本课题所涉及的技术领域。 第2 章为系统的功能描述，将介绍本系统的整体结构，并对系统各个组成部 分的功能结构，包括模拟病人、模拟电子听诊器、遥控器、p c 机接收器以及上 位机同步教学演示软件，分别进行详细的描述。 第3 章为系统电路设计，将具体介绍模拟电子听诊器、遥控器以及p c 机连 接器所选用芯片的性能参数，并对分别对子系统内部各个模块的电路结构进行详 细的分析。 第4 章为硬件系统的电磁兼容与实施，将介绍e m c 基础知识以及p c b l a y o u t 过程中的重点设计，如p c b 整体布局、电源模块设计、模拟数字分离以 及u s b 差分线等。r f i d 天线以及2 4 g 射频天线的设计过程也将作为单独一节 进行详细描述。 4 币l 币绵 论 第5 章为系统的软件设计，将介绍系统的软件设计流程，并对本系统中所用 到的驱动程序设计进行详细描述，如r f i d 读写芯片驱动程序、无线射频芯片驱 动程序、音频播放、图形点阵液晶驱动程序以及u s b 固件程序等。同时也介绍 了如何利用m f c 和g d i + 进行p c 机端软件开发的流程。 在最后的结论中，将展示本课题的最终成果并列出系统设计过程中的创新 点，对系统功能的拓展以及产品的更新换代作出展望。产品的最终实物图详见附 录1 。 2 1 系统结构概述 第2 章系统功能描述 从结构方面上看，本系统可以分为模拟病人( s i m u l a t i o np 砒l 肌l ，s p ) 、模拟电 子听诊器、遥拧器、p c 机接收器及上位机同步演示软什这几部分。系统框图如 图2 - 1 所不。 幽2 i 系统结构框图 h g u m2 - i t h es h c h ”e d i a 口a m o f t h es y s t e r a 模拟电子听诊器是整个系统的核心部分，是一个集成听诊音播放、r f i d 读 写器、24 g h z 无线收发器于体的采用锂电池供电的便携式小系统。模拟电子 听谚器的探头内装有r f i d 读写器的天线板，可以对非接触式i c 卡进行读写操 作。其内部装有一个小喇叭，可以将听诊音通过听诊器的橡胶管腔体传至耳机。 模拟电子听诊器基本上沿用了医用听诊器的外观，所区别的是中间加了个装电路 板的小盒子。模拟病人身上的听诊区位置装有r f i d 电子标签，并通过一层仿真 人皮将其覆盖隐减。这样，模拟电子听跨器就u r 以通过装在探头的内部的r f i d 天线对模拟病人身t 的屯子标签进行寻卡操作， 获得相应的位置信息，再根据 _ 筇2 帚系统功能描述 不同的病理特征发出与之相对应的听诊音。整个过程基本上模拟了真实的听诊触 诊过程，达到了良好的教学和训练效果。 遥控器的功能是设定不同的病理特征，包括心脏听诊音和肺部听诊音。当用 户选择好心肺的听诊音之后，遥控器通过无线收发芯片将数据根据自定义的协议 发送至模拟电子听诊器。听诊器接收到数据以后则开始修改当前的心脏和肺部疾 病。 p c 机接收器主要是接受模拟电子听诊器所发送过来的数据，包括当前的心 肺的疾病和当前听诊器探头的位置，并将这些数据通过u s b 发送至p c 机。p c 机上运行的同步演示教学软件则将这些数据实时动态地显示出来，例如听诊器探 头的位置，疾病的特征简介，听诊音波形等，以配合教师的现场演示和讲解工作。 系统的操作过程如下所示：教师通过遥控器来选择心脏和肺部的疾病类型， 学生则通过模拟电子听诊器对模拟病人进行听诊触诊。教师可以来回切换不同的 疾病类型，让学生对这些疾病的听诊音进行比较，从而达到了教学和训练的目的。 教师也可以通过这种方式对学生的听诊技能进行考核。当然，教师也可以配合同 步教学演示软件，同时对多个学生进行更加细致的现场讲解和演示。 2 2 模拟病人的结构 模拟病人是由专门的生产医学模型的厂家来设计完成的。模拟病人身上的共 有2 7 个电子标签，分布在模型人的正面和背面，基本上覆盖了人体的心肺听诊 区域口儿剐。这些电子标签采用的是m i f a r e $ 5 0 圆形卡，这种i c 卡具有体积小， 厚度比较薄，覆盖上一层仿真人皮以后肉眼基本无法察觉。这些电子标签的位置 点分布如图2 2 所示。 听 听 _- 图2 - 2 模拟病人的听诊位置分布 f i g u r e2 - 2t h ea u s c u l t a t i o np o s i t i o n so nt h es p 图2 2 中，黑色的点表示的是肺部的听诊位置，灰色的点表示的是心脏的听 7 北京t 业，j 辱：i 彳：f 嗍l 等外f 论艾 诊位置。心脏的听诊位置主要分布在前胸和心脏位置，而肺部的听诊区包括喉部、 背部和侧肋等部位3 。由于m i f a r e $ 5 0 卡的读写过程中具有防冲撞的功能， 所以无需考虑这些位置点过近造成卡片读写相互干扰的问题。 2 3 模拟电子听诊器的功能单元 模拟电子听诊器的主要功能是实现模拟病人身上的听诊位置点的识别、听诊 音的播放以及同遥控器和p c 机接收器的通信等功能，其系统框图如图2 3 所示。 图2 - 3 模拟电子听诊器的系统框图 f i g u r e2 3t h es 自n l c t l l 代d i a g r a mo ft h ee l e c t r o n i cs i m u l a t i o na u s c u l t a t o r 图2 3 中，电源管理模块包括充电电路和电压转换电路这两部分。由于模拟 电子听诊器属于便携式产品，采用的是锂电池供电的方式，所以锂电池的充电、 保护以及电压转换的效率则是我们设计过程中所要考虑的关键问题。无线通信模 块主要完成模拟电子听诊器与遥控器以及p c 机接收器的通信功能。射频r f i d 识别单元包括r f i d 读卡器和天线两部分，主要功能是读取模拟病人身上的电子 标签的数据。音频模块包括音频的存储和音频播放这两部分。由于疾病的种类较 多，音频数据量较大，需要对原始音频进行音频压缩，并且外扩f l a s h 存储器 来存储音频数据。音频播放则由主芯片自带的d a c 模块以及音频放大电路完成。 当播放音频时，系统通过一个小喇叭将听诊音经过听诊器的橡胶管传入耳机，这 样用户如果将探头搁在听诊区的位置上就可以听到特定的听诊音。 第2 帝系统j 能描述 2 4 遥控器的功能单元 遥控器是为方便用户操作而设计的，完成心脏和肺部各种疾病选择和切换以 及无线数据传输等功能，主要由点阵液晶显示模块、无线通信模块、键盘以及电 源模块构成，系统框图见图2 - 4 。 图2 _ 4 遥控器的系统框图 f i g u r e2 - 4t h es t r u c t u r ed i a g r a mo ft h ec o n t r o l l e r 图2 - 4 中，l c d 模块采用的是1 1 2 x 6 4 的点阵液晶显示屏，用于显示用户的 操作菜单。无线通信模块主要用于同模拟电子听诊器进行通信。由于遥控器的功 耗较小，电源模块采用两节a a 电池供电的方式。键盘采用的是贴膜键盘，这种 键盘加工方便，厂家可根据用户需求灵活设计外观和尺寸。 2 5p c 机接收器的功能单元 p c 机接收器主要完成模拟电子听诊器所发过来的数据的接收，以及同上位 机的u s b 通信等功能。系统由控制器、无线通信模块和u s b 模块这三部分构成， 其结构框图见图2 5 。 9 北京t 业人学t 学硕l f 一论_ ! ：【= 图2 5p c 机接收器的系统框图 f i g u r e2 - 5t h es t r u c t u r ed i a g r a mo ft h ep cr e c e i v e r 图2 5 中，由于系统的功耗较小，系统电源可由u s b 提供。p c 机的u s b 接口提供了5 v s 0 0 m a 的电源接口，可通过一个l d o 将5 v 电压转换成3 3 v 电压来对系统进行供电。这样系统就无需附加的外部电源，从而使得p c 机接收 器的外观更a n d , 巧，使用起来也更为方便。无线通信模块主要用于接收模拟电子 听诊器所发过来的数据，包括疾病的类型和听诊器的探头的位置信息等。u s b 模块同时完成同上位机的通信的功能，将无线模块接收到的数据通过u s b 发送 至上位机。 2 6 上位机同步教学演示软件 上位机同步演示教学软件是为配合教师的讲解工作而开发的。该软件实时地 接收p c 机接收器发送过来的数据并进行相应的处理，可显示当前听诊器探头的 听诊位置、病理特征介绍、音频波形等。教师可以像演示p p t 一样使用该软件， 从而达到边演示边讲解的教学目的。该软件的必须配合p c 机接收器才能正常工 作。 上位机同步演示教学软件的开发平台是v i s u a lc + + 2 0 0 5 ，采用m f c 和g d i + 作为图形界面开发工具，达到了良好的视觉效果。上位机同步教学演示软件具体 的设计过程在5 3 节中将会进行详细的介绍。 l o 第2 节系统j j j 能描j 耋 鼍量曼曼曼i i 一 i m ；一一 一一i ；i 曼! 曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼皇曼笪曼曼曼曼曼舅曼曼曼 2 7 本章小结 本章首先对心肺听诊模拟系统的整体结构框架进行描述，介绍了系统的结构 组成以及工作原理。再按照功能划分分别对各个子系统展开分析，详细描述了子 系统的功能组成以及工作机制，并给出了各个子系统的系统框图。本章的内容实 际上是系统的一个总体概述，在下面的章节中，系统各个功能的实现方法将进行 更加深入细致的探讨。 北京t 、i kj j 学t 学硕i 学f 论殳 第3 章系统电路设计 3 1 模拟电子听诊器电路设计 模拟电子听诊器是整个系统的核心部分，系统的其它几个模块几乎都是围绕 其设计的。模拟电子听诊器的主要功能是通过安装有印制天线板的探头来对模拟 病人进行触诊，当天线检测到模拟病人身上安装的电子标签时，则将电子标签内 的位置信息等读出，并根据用户所设定的病理发出相应的听诊音。这样用户就可 以如同在真实的临床环境下使用听诊器对患者进行听诊触诊。 模拟电子听诊器按功能划分，可以分为以下四个功能模块：单片机最小系统、 r f i d 射频识别单元、无线通信模块、音频模块以及电源管理模块。下面将对上 述功能模块的设计进行详细的介绍。 3 1 1 单片机最小系统 单片机最小系统是系统的控制核心部分，主控制器芯片的选择关系到整个系 统功能的实现与否。在本系统中，要同时实现语音播放、无线收发、r f i d 识别 等功能，所以就要求该芯片具有较高的运算速度，较大的r a m 和f l a s h 空间， 具有可扩展功能的g p i o ，数模转换( d a c ) 功能，低功耗休眠等，同时由于开发 周期的限制，也要求该芯片具有丰富的开发资源，齐全的调试工具和稳定的调试 环境等。基于上述考虑，本系统采用1 6 位1 t n s p t m 微控制器s p c e 0 6 1 a 作为主 控制器。 3 1 1 1 芯片性能简介 s p c e 0 6 1 a 的主要性能指标如下所示： 工作电压( c p u ) v d d 为2 4 - , 3 6 v ，( i o ) v d d h 为2 4 5 5 v ； c p u 时钟：0 3 2 m h z , - - 4 9 15 2 m h z ； 内置2 k 字s r a m ，3 2 k f l a s h ； 可编程音频处理； 系统处于备用状态下( 时钟处于停止状态) ，耗电仅为2 u a 3 6 v ； 2 个1 6 位可编程定时器计数器( 可自动预置初始计数值) ； 2 个1 0 位d a c ( 数模转换1 输出通道； 3 2 位通用可编程输入输出端口； 1 4 个中断源可来自定时器a b ，时基，2 个外部时钟源输入； 备触键唤醒的功能； 3 2 7 6 8 h z 实时时钟； 1 2 第3 蒂系统f u 路设汁 7 通道1 0 位电压模数转换器( a d c ) 和单通道声音模数转换器； 声音模数转换输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制( a g c ) 功能； 具备串行设备接口； 具有低电压复位( l v r ) 功能和低电压监测( l 、，d ) 功能； 内置在线仿真电路i c e ( i n c i r c u i te m u l a t o r ) 接口。 从上面的芯片性能指标可以看出，4 9 1 5 2 m h z 的c p u 时钟、2 k 字的s r a m 、 可编程音频处理、d a c 通道、低功耗休眠唤醒、低电压检测以及i c e 接口基本 满足我们的设计要求。 3 1 1 2 最小系统原理图 单片机小系统的原理图如图3 1 所示。 a 图3 1 单片机最小系统原理图 f i g u r e3 lt h ec i r c u i to ft h em c u 图3 1 中，s p c e 0 6 1 a 的晶振为3 2 7 6 8 k h z ，电源有三组：锁相环p l l 电源 北京t 业人学t ￥：硕卜字：f t 论文 v d d p ，i o 电源v d d i o 以及模拟电源a v d d 。每个电源引脚的地方都需要加上 一个o 1 u f 的去耦电容，模拟电源另外再加上一个4 7 u f 的钽电容来滤除低频噪 声。v c o i n 为p l l 的r c 滤波器连接引脚。i c e 、i c e c l k 、i c e s d a 为调试端 口。跟麦克风相关的引脚，如m i c n 、m i c p 、m i c o u t 、v m i c 等均悬空。p f u s e 、 p v i n 为程序保密引脚，当p f u s e 接5 v ，p v i n 接地并维持1 秒钟以上即可将 内部保险丝熔化，此后就无法读取和向f l a s h 加载数据。 3 1 2r f i d 射频识别单元 射频r f i d 识别单元包括r f i d 读卡器和天线两部分，主要功能是读取模拟 病人身上的电子标签的数据，从而确定模拟电子听诊器当前探头的位置。选用的 r f i d 芯片为恩智浦( n x p ) 公司的非接触式射频卡读写芯片m fr c 5 2 2 。 3 1 2 1 芯片性能简介 m fr c 5 2 2 是应用于1 3 5 6 m h z 非接触式通信的一款高集成度i c 读写芯片。 m fr c 5 2 2 内部的发射单元可以在不需要外部有源电路的情况下直接对i s o i c e 1 4 4 3 m i f a i 也 i c 卡进行读写操作。接收部分提供一个稳定而有效的解调和解 码电路，用于i s o i c e1 4 4 3 a 协议兼容的应答信号。数字部分处理i s 0 1 4 4 4 3 a 帧和错误检测( 奇偶校验和c r c 校验) 。此外，它还支持快速c r y p t 0 1 加密算 法，用于验证m i f a r e 系列产品。m f r c 5 2 2 支持m i f a r e 圆更高速的非接触式 通信，双向数据传输速率高达4 2 4 k b i t s 。m fr c 5 2 2 具有如下特性： 工作电压为2 5 v 3 3 v ； 支持i s o i c e14 4 3 m i 汰e 协议层； 典型读写操作距离可达5 0 m m ； 可以支持三种接口：s p i ，i i c 和u a r t 。其中s p i 接口速度可达1 0 m b p s ， i i c 接口在快速模式下可达4 0 0 k b p s ，高速模式下可达3 4 0 0 k b p s ，u a r t 接口传输速率可达12 2 8 8 k b p s ； 6 4 字节的接收和发送f i f o 缓冲区； 灵活的中断模式； 低电压硬件复位； 具备c r c 和奇偶校验功能，c r c 协处理器的1 6 位长c r c 计算多项式 固定为x 1 6 + x 1 2 + x 5 1 ，符合i s o 1 e c l 4 4 4 3 和c c t i t t 协议； 具备硬件掉电、软件掉电和发送器掉电3 种节电模式，其中发送器掉电 可以关闭内部天线驱动器，即关闭r f 场； 内置温度传感器，以便在芯片温度过高时自动停止r f 发射； 可编程定时器； 内部振荡器，连接2 7 1 2 m h z 的晶体； 1 4 第3 节系统i u 路设计 量曼曼蔓舅曼曼皇舅i | 一, 一i i 一 一i i i i i i 皇曼曼鼍 内部自检功能。 3 1 2 2 原理图设计 m fr c 5 2 2 的接口有s p i 、i i c 和u a r t 三种模式可供选择，用户可以通过 配置m fr c 5 2 2 的s d a 、e a 、1 2 c 这三个引脚来选择其中的任何一种模式。三 种模式的配置关系如表3 - i 所示。 表3 - im fr c 5 2 2 三种模式的连接配置 t a b l e3 - 1c o n n e c t i o ns c h e m ef o rd e t e c t i n g3d i f f e r e n tt y p e sf o rm fr c 5 2 2 鬈器罐黧鬓纛二 u a r t 模式s p i 模式 “ i i i 模式 ，：灞虢# # 黜! ，_* 缸t ”慨4 # 0 黝舰b 馥黜协# 锯t 臻f z 诅“m“。o 蹋自张女h 、抽7 i 童晓女他。o 。嚣娩班托强 s d a ( p i n2 4 ) r xn s ss d a i i c ( p i n1 ) o0l e a ( p i n3 2 ) 01 e a d 7 ( p i n3 1 1 t xm i s os c l d 6 ( p i n3 0 ) m 【xm o s i d 5 ( p i n2 9 )d t r q s c k 在本设计中，我们选择s p i 模式作为m fr c 5 2 2 与单片机的接口。参考表 3 1 的引脚设置，将i i c 引脚接一个下拉电阻，e a 引脚接一个上拉电阻，m f r c 5 2 2 的电路见图3 2 。 1 3 7 , h i ：口， d 篙奄io 哂晾0