基于DSP的咳嗽监测系统设计

燕山大学本科毕业设计（论文）课题名称：基于DSP的咳嗽监测系统的设计学院（系）：里仁学院电气工程系年级专业：09级生物医学工程学生姓名：马晓玉指导教师：景军完成日期：2013年6月课题要求1、学习了解咳嗽监测生理参数测试相关知识2、学习了解咳嗽监测系统设计方法3、掌握咳嗽监测设计方法原理4、完成系统信号采集硬件设计4、完成信息通信部分的硬件模块设计和部分系统软件流程5、按要求撰写论文咳嗽监测系统分类本文的主要结构安排和研究目的

本文主要以咳嗽音的临床应用为背景，根据医生的要求针对咳嗽病房医生的实际需求，设计开发一个能24小时自动录制并存储咳嗽音的装置，并能使数据被电脑端的GUI界面识别分析，从而对病人病情作出及早的诊断。本文的主要工作是，根据医院医生需求和电脑端的软件分析需要，搭建硬件电路，完成整个装置的底层软件驱动程序，包括咳嗽音数据的采集，传输，编码和存储等硬件结构图系统的工作原理如下：上电后，主控芯片从FLASH程序存储模块中引导加载程序代码，并开始对系统进行初始化。根据医生的要求，麦克风头通过医用胶带固定在病人的喉部，将病人的咳嗽声信号采出，经过信号采集模块的转化，设置采样率为16KHz，单个采样点16位，单声道的数字信号，传输到主控芯片。主控芯片再将信号写进咳嗽数据存储模块中，并PCM编码成WAVE数据文件。按键和LCD显示提供给用户进行当前的时间设置，以及更改单段的咳嗽录音时间长度，还可以方便用户读取数据存储模块中咳嗽文件数量和已用以及未用的容量信息。电源负责对系统各个模块供电。通过查阅《DSP系统应用设计》了解到目前TI公司的DSP型号主要有：TMSC5000，TMS320C6000和TMS320C2000系列。其中，C5000系列为16位定点DSP，具有高性能，低功耗，体积小，价格低等显著优点，被广泛应用在IP电话机，数字式助听器，便携式声音|数据|视频产品等系统中。综合考虑，本设计系统所选用的DSP型号为TMS320C5000系列。在主控模块设计过程中涉及到具体型号的确定，基于后续的部分预处理算法移植、片内外设接口的丰富程度、芯片功耗以及供货情况等原因考虑，系统的主控芯片采用了TI公司的定点DSP芯片TMS320VC5509A，它属于TIC55xDSP系列的其中一种。C55x是在C54x的基础上发展起来的，而后者已经是低功耗的DSP。通过强化设计工艺和结构，C55x的功耗已经提高到了一个新的水平，而在降低功耗的基础上，性能方面也有较大的提升。C55xDSP与C54xDSP相比，核功耗降低到1/6，性能提高了5倍，代码量减少了30%[30]，更适用于便携式多媒体处理器以及手持式个人医疗设备等。图3-1是5509A在本系统的应用结构图：5509A在本系统中的应用结构图数据采集模块的主要任务是记录病人的咳嗽声音信息，并根据PC端软件分析的要求以16kHz的采样率、单声道、16位的方式转化为数字信号，以供主控芯片处理。它主要采用TI公司的立体声音频编解码芯片TLV320AIc23B(简称AIC23B)以及一个松下的麦克风拾音头。AIC23B内部具有可编程增益调节，带有完整的数字滤波器，AD模数转换的输出信噪比可达90dB，省电模式下功耗小于15μW[34]。DSP与AIC23B和5110LCD的连接示意图如图所示，右侧部分是5509A与AIC23B的连接示意图。信号采集模块

TMS320VC3205509A与SD卡硬件连接示意图

按键连接为了使用户操作更为方便，系统提供了5个功能按键，如图3-6所示：UP：菜单上翻键/-键；DOWN：菜单下翻键/+键；ENTER：回车/确定键；10sec：10秒钟环境噪声快捷键；30min：30分钟咳嗽录音快捷键/录音键。这5个功能按键分别接INT2、INT3、INT4、INT1和INT0引脚向DSP传输产生下降沿触发中断信号。在实际的设计过程中，为了方便病人和医生的使用，INT1和INT0作为独立的快捷按键可在装置通电后，直接按下即可实现录音过程。而INT2、INT3和INT4三个按键则是配合液晶的菜单操作而设置的，方便用户对菜单功能选项进行设置。PCB设计上，按键采用了侧按，并作了凹槽设计，防止病人随身携带时误触碰到。按键连接液晶显示

为了减少液晶显示功耗和5509A引脚占用，系统采用了NOKIA5110的LCD串行液晶。由于在上电后，DSP的McBSP0口从FLASH中引导完程序后，McBSP0口闲置，因此，可以将McBSP0口的部分引脚复用，配合GPIO2和GPIO3引脚，来对LCD进行接控制，如图所示。电池选择

对于系统来说，为了方便病人随身携带和可重复充电使用，因此所用的供电源必须为可充电电池，目前用于电子设备上的可充电电池主要有三种：镍镉电池（Ni-Cod）、镍氢电池（Ni-H）、锂电池（Li-Ion）。相比于镍镉电池以及镍氢电池，锂电池有很多优点。它最早应用于心脏起搏器中，由于锂电池的自放电率极低，放电电压较为平缓。使得起搏器植入人体长期使用成为可能。锂电池不存在记忆效应；相同的电容量下，体积非常小；使用电压为3.6V或3.7V，是镍镉电池、镍氢电池的3倍[41]；可使用的温度范围也比镍氢电池广泛。一般在常温下，镍镉电池的自放电率为每月13%～15%，镍氢电池为每月25%～35%，而锂电池只有每月5%～8%。由于锂电池的众多优势还使其应用前景非常看好：无污染环保，循环寿命长，高负载能力以及优良的安全性。由此可见，对于本系统而言，选择锂电池是较为合适的选择。

系统软件的实现本章主要介绍整个系统设计底层软件开发过程，采用C语言编程，混合部分汇编语句，利用TIDSP专用的CCS3.1集成开发环境进行软件设计，包括以下几个部分：软件结构总述、系统初始化、Bootloader

引导加载、中断处理、数据文件的创建以及FLASH程序的烧写。下面就其中部分环节进行详细阐述。软件结构总述系统主流程图系统的核心芯片是DSP，所有外围芯片上电后都在它的管理之下，而其他的芯片也需要有各自的初始化过程。DSP上电后，从FLASH中加载应用程序，开始DSP初始化，对自身的外设接口以及各个寄存器进行初始化设置，并且进入IDLE省电状态；接着对SD卡、LCD以及CODEC进行初始化；然后，程序将五个按键中断与相应的中断处理函数相关联并开启对应中断；最后是启动LCD欢迎界面，分三行同时显示“WELCOMETO”、“广州呼研所”、“”字样，并等待按键中断。由于在欢迎界面下，只对INT0、INT1、INT4三个按键中断起作用，分别是30分钟的咳嗽录音快捷键、10秒钟环境噪声快捷键和ENTER确认键。因此当某个按键被按下产生中断时，即进入相应的中断函数进行中断处理。DSP初始化在DSP正常工作过程中，工作频率越低，电流消耗自然也越小，但是由于本身程序运行时调用CSL库也需要一定的时间，太低的工作频率会导致咳嗽信号在传输进SD卡的时候丢失过多的采样点而造成录音不完整。经过多次的试验，在CLKIN输入晶振频率为12MHz的情况下，设置时钟发生器为36MHz，能满足实际需求。

咳嗽音信号特征提取的算法实现

咳嗽音信号特征参数提取在整个装置额设计过程中至关重要。在特征参数提取之前要对信号进行预处理，预处理主要包括预加重、端点检测和分帧加窗等。语音信号中常用的特征矢量有两种：一是时域特征矢量，二是变换域特征矢量。时域特征矢量常用的有幅度和短时能量。时域特征矢量计算简单，但是不能压缩数据的维数，而且不能表示信号的频谱和幅度谱。变换域特性矢量虽然计算比较复杂，但是能充分表示信号的幅度谱和频谱。能更全面反映信号特征。变换域特性矢量已得到广泛应用，较常用的特征参数有线性预测倒谱系数（LPCC）和美尔倒谱系数（MFCC）。本文主要采用线性预测倒谱系数（LPCC）进行咳嗽音信号的提取。本文采用的LPCC系数是由全极点模型LPC参数递推得到的，递推公式为：

式中G2是线性预测模型的增益，c0是直流分量。研究表明，LPCC参数在语音识别的应用中获得了良好的效果，主要是因为LPCC参数易于实现，计算量小，复杂度低，稳定行高。但是由于LPCC以全极点模型为前提条件，所以也存在一些缺点，如抗灶能力弱。通过算法实现对咳嗽频率、周期、持续时间、发作时间的分析以实现咳嗽监测系统的监测功能。结果分析

在前面各章节中已经对咳嗽监测装置的整体结构设计、硬件各个模块以及部分软件流程进行了详细介绍。

在医院的公共咳嗽病房实际环境下，对其中一位慢性咳嗽的病人进行3h的咳嗽录音实验(单个WAVE文件为30min)，咳嗽声截图如图所示，可以看出，检测效果很好，能满足医院实际分析需求。

医院病房录制的咳嗽声截图结论及探讨

病人咳嗽声数据的实时采集与记录为医生对病人病情作出诊断提供了宝贵的临床资料和有效的评估依据。本文提出一种基于DSP芯片的咳嗽实时监测系统，并已基本实现，实验测试结果表明系统有效稳定。咳嗽监测装置具有很高的医用价值，对医生和咳嗽病人来说，都能在一定程度上对病情的诊断和分析起着一定的辅助作用，减少人为因素的干扰以及繁重乏味的重复性工作。由于本人的水平和时间有限，本文的研究内容以及研究深度仍有待进一步的扩展。因此，基于现有的工作基础，对未来的工作做了如下展望：1.由于DSP还没有以最高工作频率运行，因此对于核电压来说，还可以从1.5V往下降低，以此来进一步降低装置功耗，延长运行时间。2.装置使用的是SD卡，对于数据的传输，增加USB接口将更方便于数据传输。而且，还可以利用USB接口对装置直接进行充电，更方便病人和医生使用。3.在装置的菜单选项中，增加一个不限定单段录音时间长度的选项，可更加方便电脑端数据分析。4.目前该装置大部分运行测试时间都只在实验室环境中进行，周围环境噪声较医院病房小，因此，应该通过多进行咳嗽病房的实际测试实验，改进装置的抗干扰能力。致谢

弹指一挥间，大学四年已经接近了尾声。当自己怀着忐忑不安的心情完成这篇毕业论文的时候，我已从一个刚进入大学校园的懵懂女孩蜕变为一个成熟青年，回想自己的十几年的求学生涯，虽然只是一个本科毕业，但也实属不容易。首先，我要感谢那些在我求学时对我无私帮助的老师和同学们，我的生活因你们而精彩和充实。当然，我还要要感谢我的爸爸妈妈，他们都是农民，没有他们的勤勤恳恳和细心安排，我是无论如何也完成不了我的大学生活。这里严谨的学风、优美的校园环境使我大学四年过