蓝牙电子听诊器设计

1、华东师范大学 硕士学位论文 蓝牙电子听诊器设计 姓名：汤洋 申请学位级别：硕士 专业：计算机应用技术 指导教师：曹桂涛 201105 乍尔师范大学硕士学位论文 摘要 摘要 心音听诊是评估心血管疾病，特别是心瓣膜病、先天性心脏病和心率失常的 方法之一。本文针对心音听诊易受医生听觉以及主观性的影响，现有听诊器灵敏 度低，不能无线传输数据以及不结合心音图诊断等不足，设计了一种基于嵌入式 处理器与蓝牙传输的电子听诊器。 该听诊器由便携式设备端和P C 端组成。便携式设备端包括信号预处理模块 和基于A R M 处理器及基于L i n u x 操作系统内核和Q t o p i a 用户界面环境的主控模 块

2、。在便携式设备端，心音信号由传感器将采集和预处理模块的调理后，一路经 过功率放大后可由自带喇叭实时播放心音；另一路由主控模块采样数字化从而实 现各种功能，如心音波形显示、播放存储、蓝牙传输等。P C 端则作为便携式设 备功能上的扩展和延伸，可通过蓝牙设备实时或延时接收来自便携式设备端的心 音数据进行播放以及心音图显示。此外P C 端软件可以对接收的心音数据进行存 储重放和分析，实现计算机辅助诊断。 关键词：心音，蓝牙，听诊器，嵌入式系统 华东师范大学硕士学位论文A b s t r a c t A b s t r a c t H e a r ts o u n ds t e t h o s c o

3、 p eI So n eo ft h ee f f e c t i v ew a y st oa s s e s st h ec a r d i o v a s c u l a r d i s e a s e s ，e s p e c i a l l yh e a r tv a l v ed i s e a s e ，c o n g e n i t a lh e a r td i s e a s ea n dh e a r td i s o r d e r s I n t h i s p a p e r , a l le l e c t r o n i cs t e t h o s c o p

4、 e ，w h i c hi sb a s e do ne m b e d d e dp r o c e s s o r sa n d B l u e t o o t ht r a n s m i s s i o n ，i sd e s i g n e dt of u l f i l lt h es h o r t a g e sf r o mt h ea u s c u l t a t i o n ，s u c h a st h eh e a r i n ga sw e l la st h es u b j e c t i v i t yo ft h ed o c t o r s ，l o

5、ws e n s i t i v i t yo fe x i s t i n g s t e t h o s c o p e ，s h o r t d i s t a n c et r a n s p o r to ft h es i g n a la n ds i d e d n e s sw h e nu s i n gl e s s p h o n o c a r d i o g r a md i a g n o s i s T h i ss t e t h o s c o p ec o n s i s t so ft h ep o r t a b l et e r m i n a la

6、 n dt h eP Ct e r m i n a l T h e p o r t a b l et e r m i n a li n c l u d e st h es i g n a lp r e - p r o c e s s i n gm o d u l ea n dt h em a s t e rm o d u l e w h i c hi sb a s e do nA R M p r o c e s s o r , L i n u xk e r n e la n dQ t o p i aG U Ie n v i r o n m e n t I n t h ep o r t a b

7、l ed e v i c es i d e ，t h eh e a r ts o u n ds i g n a li sc o l l e c t e db yt h es e n s o r sa n d p r o c e s s e db yp r e p r o c e s s i n gm o d u l e T h ep o w e ra m p l i f i e rC a np l a y b a c kh e a r ts o u n di n r e a lt i m eb ys p e a k e r s ；i nt h ea n o t h e rr o u t e ，

8、t h em a s t e rm o d u l es a m p l e st h es i g n a la n d a c h i e v e ss o m ef u n c t i o n s ，s u c ha s t h eP h o n o c a r d i o g r a m d i s p l a y i n g ，h e a r ts o u n d p l a y b a c k i n ga n dr e c o r d i n g ，B l u e t o o t ht r a n s m i t t i n ga n dS Oo n T h eP C t e r

9、 m i n a l ，a st h e f u n c t i o n a le x t e n s i o no fp o r t a b l et e r m i n a l ，C a nr e c e i v et h ed a t ab yB l u e t o o t hr e a l t i m e o rd e l a y e df o rp l a y b a c k i n ga n dp h o n o c a r d i o g r a md i s p l a y i n g I na d d i t i o n ，P C s i d e s o f t w a r

10、ec a l ls a v et h er e c e i v e dd a t aa n d r e p l a yf o rf u r t h e ra n a l y s i s a n d c o m p u t e r - a i d e dd i a g n o s i s K e y w o r d s ：H e a r tS o u n d ，B l u e t o o t h ，S t e t h o s c o p e s ，E m b e d e dS y s t e m 汤洋硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 朱明华研究员华东师范大学软件学院主席 刘献忠副

11、教授华东师范大学软件学院 琚小明副教授华东师范大学软件学院 华东师范大学硕士学位论文 图同录 图目录 图1 1 正常心音图4 图3 1 蓝牙电子听诊器示意图1 6 图3 2 系统总体框架图1 7 图3 3 便携式设备端硬件接口图18 图3 4 嵌入式设备端软件功能图2 0 图3 5P C 端软件功能图2 0 图4 1 传感器输出电路接口2 l 图4 2 初级放大电路图2 2 图4 3 低通滤波电路图2 3 图4 4 二级放大电路图2 4 图4 5 功率放大电路图2 5 图4 6 电源模块电路图2 6 图4 7 嵌入式处理器外围硬件组成图2 7 图4 8U D A l3 4 1 的内部结构图2

12、8 图4 9U D A l3 4 1 外围电路图2 9 图4 10U S B 接口电路图2 9 图5 1 便携式设备端软件用例图3 0 图5 2 便携式设备端软件类图：3 1 图5 3 便携式设备端数据处理函数序列图3 2 图5 4 便携式设备端界面树形层次图3 3 图5 5 便携式设备端界面设计图3 4 图5 6P C 端软件用例图3 4 图5 7P C 端软件类图3 5 图5 8P C 端数据处理函数序列图3 7 图5 9P C 端界面设计图3 8 图5 1 0 便携式设备U b o o t 启动流程图【3 0 】4 0 图5 1 1 信号与插槽示意图4 2 图5 1 2Q t o p i

13、 a 启动后目录搜索过程【3 2 1 4 5 图5 1 3 便携式设备端心音采样初始化序列图4 9 图5 1 4 心音数据示例5 0 图5 15 三种绘图方法示意图5 2 图5 1 6 心音图滚动绘制实现流程5 4 图5 17 蓝牙协议栈5 5 图5 1 6B l u e z 在L i n u x 内核模块的实现图 ”】5 8 图5 1 7 蓝牙传输序列6 1 I V 华东师范大学硕士学位论文图f 1 录 5 2 0 流式缓冲循环队列示意图6 5 5 2 1 使用D i r e c t s o u n d 的A P I 播放声音的步骤6 6 5 2 2D i r e c t S o u n d

14、 初始化的流程与主要函数6 7 5 2 3D i r e c t S o u n d 流式缓冲播放流程图7 1 5 2 4W A V 文件格式7 2 5 2 5B M P 截图流程图7 8 6 1 便携式设备端( 原型) 外观图8 0 6 2 便携式设备端程序初始化界面8 1 6 3 便携式设备端心音实时播放效果图8 1 6 4P C 端程序初始化界面8 2 6 5P C 端程序实时心音播放效果图8 3 6 6P C 端程序心音录制界面图8 4 6 7P C 端程序心音截图效果图8 4 6 8S 1 、S 2 检测与心率检测情况8 5 V 图图图图图图图图图图图图图图 华东师范大学硕十学位论文

15、 表目录 表目录 表2 1 常见的嵌入式微处理器1 1 表5 1 常见的嵌入式处理器4 2 表5 2 d e s k t o p 文件主要变量描述4 3 表5 3 p r o 文件主要变量描述4 4 表5 4 $ 3 C 2 4 4 0 的各通道D M A 请求源【1 7 4 6 表5 5 蓝牙协议栈在各种开发环境下的支持情况【3 5 】一5 6 表5 6f m tc h u n k 格式说明7 3 表5 7d a t ac h u n k 格式说明7 3 V I ：f ；东师范大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景和意义 心脏是人体最重要的器官之一，它像一个泵，推动血液

16、循环，从而向全身的 器官组织供应氧和各种营养物质，并带走代谢的终产物，维持细胞的正常代谢。 心脏病在人类疾病谱中名列第一，是威胁人类健康的“头号杀手”。世界范围内 每年有1 7 0 0 万人死于心脏病。在我国，每2 0 秒钟就有一人死于心血管疾病。因 此，对于心脏疾病的及早发现和诊断对于人类健康有着重要的意义。 心音听诊是医生评估心脏功能状态的最基本的方法之一，是心脏及大血管机 械运动状况的反映。心音听诊也是评估心血管疾病，特别是心瓣膜病、先天性心 脏病和心率失常的重要手段。虽然目前已经有多种心脏功能的测试方法，如心电 图( E C G ) 测量、超声检测等，但是心音听诊作为一种安全、费用低而

17、且有用的 诊断方法，并且有它自身特殊的意义。当心血管疾病尚未发展到足以产生其它症 状( 如E C G 异常) 之前，心音中出现的杂音和畸变就是唯一的诊断信息【l 】。心音图 ( P C G ) 的分析也使得心音分析更直观、量化。在心脏活动过程中，通过电子仪 器将振动转变成线条图形记录下来，就是体表心音图，简称心音图。心音图检查 将心脏听诊形象化，在心血管疾病诊断方面具有特殊的价值 2 】。它可以弥补心脏 听诊的不足，有助于辨别超过人耳听觉敏感度所能分辨的心音和杂音。 此外，心音分析有助于对心脏能量以及做功效率的分析。目前，心脏能量的 测量主要基于生物化学方法和核医学技术【3 】，包括3 1 P

18、 核磁共振谱。磷酸肌酸一A T P 比值也是心脏能量状态的一个重要指标，但它只能反映心肌能量状态的一个方 面，即高能磷酸化合物的化学能转化成机械能的可能性，而不能提供关于实际机 械功的信息，因此不能用于评估心脏能量【4 】。心音起源于心脏的机械振动，故能 直接反映心脏机械活动的有关情况，所以心音能量分析有希望来评估心脏的能量 状态【5 】。关于心音和心肌收缩能力关系目前也有了一定的理论研究基础【6 】。 但是目前心音分析的利用和发展受到了种种因素的阻碍：如心音产生的机制 尚在争论之中，临床中很少单凭听诊做诊断；传统听诊缺乏定量的分析技术或结 华东师范大学硕士学位论文 第l 章绪论 合心音图诊断

19、，医生常用的定性描述多数是很难定量或测量的，如“乐样杂音”、 “隆隆样杂音”等；听诊易受医生主观性的影响，而且大量有诊断意义的低频心 音成分，医生不能清楚地分辨，往往只有有经验的心脏病专家方能通过听诊对心 脏的功能状态作正确的评价和诊断。 综上所述，心音听诊以及心音图的量化分析将对心脏疾病的及早诊治乃至挽 回人的生命具有非常重要的价值，研发一种数字化心音听诊器也将对心脏诊疗有 着长远意义。 1 2 数字听诊器的研究现状及发展趋势 目前临床上主要采用的是机械听诊器。机械听诊器它由听头、胶管、金属架、 耳塞组成，其心音是通过听头的膜片振动，由连接的胶管将心音传到耳塞上。它 的缺点主要有：1 ，准确

20、性较差，难以捕捉到人体的微弱的心音信号。2 ，易受医 生主观判断和测量环境的影响。3 ，由于构造的限制，传统听诊器只能供一人使 用。需要医生在病人身旁进行诊断且无法远距离传输，4 ，耳廓长时间受到耳塞 压力，容易产生疲劳，长时间的佩戴会对医生造成不适。5 ，表现形式单一，给 教学、会诊带来不便【4 6 1 。 现有的电子听诊器在传统听诊器的基础上有了一定的进步，可以通过听诊头 将心音信号放大处理，其中“简便清晰电子听诊器”( 专利号0 1 2 6 0 1 8 8 8 ) 、“多 功能电子听诊器”( 专利号0 2 1 4 4 2 7 6 2 ) 和“医用电子听诊器”( 专利号 2 0 0 5 2

21、 0 0 6 9 5 3 6 5 ) 都具有一定的信号预处理功能，对加强信号的精度和准确度有 一定改善，但是无法对获取的信号进行传输，存储或分析。“远程电子听诊器 ( 专 利号0 3 2 4 1 3 3 7 8 ) 和“无线电子听诊器”( 专利号2 0 0 4 1 0 0 1 2 6 4 7 2 ) 在一定程度 上改进了听诊器信号的传输功能。“无线电子听诊器”( 专利号2 0 0 7 2 0 1 1 9 4 1 6 0 ) 具有录音和放音功能。但是，这些电子听诊器都缺乏对获取信号的数字化、显示 心音图或者计算机辅助诊断。 随着嵌入式处理器技术的发展以及无线传输技术的普及。目前的听诊器正朝 着便

22、携化、数字化、智能化的方向发展。听诊器将变得更灵敏，成本更低，佩戴 更方便，可实现无线传输，并且可以从视觉感官上对心音波形进行显示及存储分 2 华东师范大学硕士学位论文 第1 章绪论 析。嵌入式处理器成本的降低，也使得开发出一款基于可视化的、带无线传输的 数字听诊器成为了可能。 1 2 1 心音概述 心脏舒张时内压降低，腔静脉血液回流入心：心脏收缩时内压升高，将血液 泵到动脉。心脏每收缩和舒张一次构成一个心动周期。一个心动周期中首先是两 心房收缩，其中右心房的收缩略先于左心房。心房开始舒张后两心室收缩，而左 心室的收缩略先于右心室。在心室舒张的后期心房又开始收缩 7 1 。心动周期中， 心肌收

23、缩、瓣膜启闭、血液加速度和减速度对心血管壁的加压和减压作用，以及 形成的涡流等因素引起的机械振动，通过周围组织传递到胸壁，形成心音【引。 心音按其出现的先后顺序可分为第一心音( S 1 ) 、第二心音( S 2 ) 、第三心音 ( S 3 ) 、第四心音( S 4 ) 【引。 1 第一心音( S 1 ) ：第一心音的产生标志着心室收缩的开始。第一心音主要 由心室收缩开始时，二尖瓣、三尖瓣、骤然关闭的振动所产生。此外， 心室肌收缩、心房收缩的终末部分、半月瓣开放以及血流冲入大血管等 所产生的振动，均参与第一心音形成。它在心前区各部分均可听到，而 以心尖部最强且清晰，它的音调较第二心音低，频率是5

24、 5 8 5 H z ，持续 时间约0 1 S ，较第二心音长。 2 第二心音( S 2 ) ：第一心音的产生标志着心室舒张的开始。主要是由于心 室舒张开始时肺动脉瓣和主动脉瓣关闭的振动所产生。此外，心室肌的 驰张，大血管内血流以及二尖瓣、三尖瓣、开放等产生的振动，亦参与 第二心音的形成。它在心前区各部位均能听到，但以心底部最强且清晰， 音调较第一心音为高，较清脆，频率是6 2 H z ，所占时间较短，约0 0 8 s 。 3 第三心音( S 3 ) ：第三心音与心室的充盈有关。在部分正常人中，有时在 第二心音开始后O 1 2 0 1 8 s ，听到一个短而若的声音，成为第三心音。此 音是在心

25、室舒张早期，血液自心房急速流入心室，使心室壁产生振动所 致，多见于正常青少年。当有异常大量的舒张期血液流入正常。心室或正 常的血液流入异常的心室时，也可闻及第三心音。 华东师范大学硕士学位论文 第l 章绪论 4 第四心音( S 4 ) ：第四心音出现在第一心音开始前0 1 s ，它是由于心房肌 在克服心室舒张末压用力收缩的振动所产生。正常情况下，此音很弱， 听诊时一般听不到，如能听见常为病理性。 多数情况下，用听诊器能听到第一、第二心音，即可听到交替出现的两个不 同性质的声音。儿童和青少年时期，可听到舒张早期第三心音。第四心音一般不 易听到【4 6 】。图1 1 为正常人的心音图。 1 2 2

26、 嵌入式系统概述 图1 1 正常心音图 嵌入式系统是计算机的一种应用形式，通常指嵌入在宿主设备中的微处理机 系统。它所强调的是：隐藏计算机的常见形式，辅助寄宿主设备，使宿主设备的 功能智能化。据此，通常把嵌入式系统定义为一种以应用为中心，以计算机为基 础，软硬件可以剪裁，适用于系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格 要求的专用计算机系统【l 们。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件，嵌 入式操作系统及应用软件等组成。 嵌入式系统有如下共同点【l l 】：( 1 ) 功能专一：专门为某特定应用系统而 设计；( 2 ) 结构紧凑：嵌入式系统结构必须特别的紧凑，从而达到小体积，高 性能，

27、低成本，低功耗；( 3 ) 智能灵活及实时性：即要对不同的情况作出不同 的反应，同时必须实时地给出计算的结果并进行实时控制。 4 华东师范大学硕士学位论文第l 章绪论 嵌入式系统目前在工业控制、通信、国防、汽车、家电、医疗等各种领域有 着很大应用，本文便是嵌入式系统在医疗领域的一个应用。 1 嵌入式处理器概述 作为嵌入式系统的核心部件，各种类型的嵌入式处理器可以分成嵌入式微处 理器( E M P U ，E m b e d d e dM i c r o p r o c e s s o rU n i t ) 、嵌入式微控制器( M C U ， M i c r o c o n t r o l l e

28、 rU n i t ) 、嵌入式D S P 处理器( E D S P ，E m b e d d e dD i g i t a l S i g n a l P r o c e s s o r ) 、嵌入式片上系统( S y s t e I l lO nC h i p ) 等 1 2 1 。 本文所涉及的是嵌入式微控制器，它是将整个计算机系统集成到一块芯片 中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成 R O M E P R O M 、R A M 、总线、总线逻辑、定时计数器、W a t c h D o g 、I O 、串行口、 脉宽调制输出、A D 、D A 、F l a s

29、h 、E E P R O M 等各种必要功能和外设。【1 3 】 2 嵌入式操作系统概述 嵌入式操作系统是指应用于嵌入式环境( 如智能化设备等) 的操作系统，它是 嵌入式系统的核心【14 1 。在嵌入式环境下，处理器一般没有多少可用的内存，更没 有可用的外存，而操作系统就装在这有限的存储器中( 一般在R O M 或者R A M 中) ， 这种操作系统人们称之为嵌入式操作系统。嵌入式操作系统不同于一般意义的计 算机操作系统一般由一个很小的内核及一些可以根据需要进行定制的系统模块 组成，它有占用空间小、执行效率高、方便进行个性化定制和软件要求固化存储 等特点。 嵌入式操作系统并不是简单嵌入的操作系

30、统。它与通常意义上的操作系统有 一定的区别。嵌入式操作系统负责嵌入式系统的全部软、硬件资源的分配、调度 工作、控制协调并发活动，它必须体现所在系统的特征，能够通过装卸某些模块 末达到系统所要求的功能。嵌入式操作系统具有自引导功能、实时性、可装载性、 固化代码等特性。 1 2 3 蓝牙技术 蓝牙( B l u e t o o t h ) 技术是一种短距离无线通信技术，该技术能够有效地简化 掌上电脑、笔记本电脑和移动电话等终端设备之间的通信，也能够成功地简化以 华东师范大学硕士学位论文第1 章绪论 上这些设备与I n t e r n e t 之间的通信，从而使这些现代通信设备与因特网之间的数 据传

31、输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。蓝牙技术使得现代一些轻易携 带的移动通信设备和电脑设备不必借助电缆就能联网，并且能够实现无线上 I n t e m e t 。其应用范围还可以拓展到各种家电产品、消费电子产品和汽车等信息家 电，组成一个巨大的无线通信网络【l5 1 。 “蓝牙”的形成背景是这样的：1 9 9 8 年5 月，爱立信、诺基亚、东芝、I B M 和英特尔公司等五家著名厂商，在联合开展短程无线通信技术的标准化活动时提 出了蓝牙技术，其宗旨是提供一种短距离、低成本的无线传输应用技术。这五家 厂商还成立了蓝牙特别兴趣组，以使蓝牙技术能够成为未来的无线通信标准。 1 9 9 9 年，微

32、软、摩托罗拉、三康、朗讯与蓝牙特别小组的五家公司共同发起成立 了蓝牙技术推广组织，从而在全球范围内掀起了一股“蓝牙”热潮【l5 1 。 1 3 论文主要工作及章节安排 本文设计了一种基于嵌入式处理器和蓝牙的新型电子可视听诊器，由便携式 设备和P C 机组成。听诊器能够实时描绘心音波形，从而可以捕获一些难以听到 的病理信息进行定量分析；能够在便携式设备端e dn a 实时播放心音辅助听诊，无 需佩戴听筒；此外，设备可以根据不同病人心音信号的强弱调节信号放大倍数， 克服了传统听诊器表现单一、普适性差的缺点，提高了诊断的可靠性。系统采用 蓝牙无线传输又摆脱了距离的限制，并且可以将听诊数据进行存储和重

33、现，为信 息共享和专家集体会诊提供方便。本文所述设备适用于医院听诊、医学院教学工 作、临床监护等多种场合。 本文章节及主要内容安排如下： 第一章：绪论，主要说明项目背景及意义，心音听诊器的研究现状及发展趋 势，对心音、蓝牙和嵌入式系统进行了概述。 第二章：蓝牙听诊器的需求分析，根据医生实际需要的反馈，分析了蓝牙电 子听诊器整个系统所具有的性能以及软硬件环境的要求，包括嵌入式处理器和嵌 入式操作系统选型的依据，明确了听诊器的硬件接口，确定了软件功能，形成了 6 华东师范大学硕士学位论文第1 章绪论 明确的需求说明书。 第三章：蓝牙电子听诊器系统分析与设计，首先根据系统设计步骤和方法， 设计了系统

34、的总体框架，进行了硬件接口和软件功能的概要设计，确定人机交互 界面及运行流程。 第四章：蓝牙电子听诊器的硬件实现，包括预处理电路的设计，嵌入式处理 器外围电路的设计以及蓝牙设备的接口设计。 第五章：蓝牙电子听诊器系统的软件实现，包括嵌入式端软件以及P C 端软 件的实现。具体包括嵌入式平台搭建、蓝牙传输、音频采样、以及交互界面、程 序流程等实现。 第六章：蓝牙电子听诊器的测试，分硬件稳定性测试和软件功能测试两部分。 第七章：结论与展望，对全文工作进行总结，提出本文所完成的主要工作及 对未来工作的展望。 华东师范大学硕士学位论文第2 章蓝牙电子听诊器的需求分析 第2 章蓝牙电子听诊器的需求分析

35、2 1 总体需求分析 设计的主要内容包括以下几方面： 1 选择一种高灵敏度、高精度、高稳定性、频响宽、响应平直、动态范围 大的专用心音传感器。 2 研制一种高增益、宽频响、低失真、抗干扰的心音信号专用预处理调理 电路。 3 选择合适的微控制器、液晶屏或者P C 接口界面，并进行数据采集、数据 处理和波形显示的软件编程。 4 选择适当的蓝牙模块和数据通信方式，完成心音数据的远程传输。 5 进行P C 端的程序开发，实现音频实时回放、波形显示、数据存储等功能。 6 最终研制成一种准确性高、能实现心音回放、能显示波形、无线传输、 简单易用、成本低、体积小可随身携带的心音听诊装置。 2 2 用户功能需

36、求分析 蓝牙电子心音听诊器包括便携式设备端和P C 端。 医生使用便携式设备端主要用来对病人的门诊检查、病房巡查等。因此，便 携式设备端需要具有一定的便携性以及实现简单的听诊和心音数据体现的功能， 主要包括：音频采样、信号调理、心音图( P C G ) 实时显示、音频实时播放、蓝 牙传输( 发送) 、音频数据存储、音频数据回放等。 P C 端主要是获取心音数据以及更细致的显示分析、共享会诊甚至长期比较。 因此，其主要功能需包括蓝牙传输( 接受) 、心音图( P C G ) 实时显示、音频实时 播放、音频数据存储、音频数据回放、计算机辅助诊断等。 2 2 1 音频采集 为了使得听诊信息更直观和量

37、化，需要将采集到的音频数据显示在屏幕上， 即心音图( P C G ) 的显示。当音频设备对心音进行采样的同时，音频波形也实时 4 ；东师范大学硕+ j j 学位论文第2 章蕊牙电了听诊器的需求分析 地在液晶屏上动态滚动显示，起到示波的功能。根据用户提出的需求，需要带有 暂停静帧查看的功能。此外，照顾到不同用户的使用习惯，也将设计静态翻屏显 示音频波形。波形的显示同时在便携式设备端和P C 端实现。 2 2 2 波形显示 为了使得听诊信息更直观和量化，需要将采集到的音频数据显示在屏幕上， 即心音图( P C G ) 的显示。当音频设备对心音进行采样的同时，音频波形也实时 地在液晶屏上动态滚动显示

38、，起到示波的功能。根据用户提出的需求，需要带有 暂停静帧查看的功能。此外，照顾到不同用户的使用习惯，也将设计静态翻屏显 示音频波形。波形的显示同时在便携式设备端和P C 端实现。 2 2 3 实时播放 根据医院一线医生提出来的实际情况，由于长期佩戴机械听诊器或者耳麦巡 诊，可能造成一定程度的疲劳，为了缓解这种状况，更好地服务于医生和患者， 需要设计在便携式设备端实时地功率放大心音，用喇叭播放出来。此外，P C 接 收端也可以接上音箱，实时播放蓝牙传送过来的音频数据，实现和传统机械听诊 器一样甚至更好的效果。 2 2 4 蓝牙传输 无论是P C 液晶显示屏的分辨率，还是P C 处理器的对数据的运

39、算速度，都要 比便携式设备更胜一筹。由于便携式设备端的嵌入式设备性能及存储的限制，需 要将一部分听诊数据及时地传到P C 端，进行进一步的分析。但是相比之下，嵌 入式设备也有其自身优势，就是便携。医生需要携带轻便的设备穿梭于各个病房 之间，便携式设备只需要完成数据的采集，以及一些简单的采样显示工作。如果 需要更精确的分析，就需要将数据传输到P C 上进一步分析。 本系统在便携式设备采样的同时将数据过发往P C 端，P C 端可以进行实时的 心音播放和波形显示。这种情况用于使用场所有P C 机接收蓝牙数据的情况，便 于医生实时会诊和教学。 9 华东师范大学硕士学位论文第2 章蓝牙电予听诊器的需求

40、分析 2 2 5 数据存储和回放 心音数据存储可以将心脏活动过程中产生的瞬间即逝的声音变为可以长期 保存、可供详细分析的图形或音频数据，有利于长期随访心音和心脏杂音的改变， 和对比手术前后、用药前后的疗效【2 】。此外，既要求保存音频数据能重放心音， 又能导出相应的图片格式，以直接观看心音图。在便携式设备端和P C 端同时具 备音频存储和回放功能。 2 2 6 辅助诊断 根据医学诊疗的实际需求，P C 终端软件具有测量心率和辅助诊断功能，预 期对如心动过速过缓、心律不齐等常见疾病给出医学提示。 2 3 系统软硬件平台需求分析 2 3 1 传感器与预处理电路需求 心音传感器属于传声器类传感器，传

41、统传声器的技术指标主要包括：灵敏度、 信噪比、频率范围、阻抗等等。心音信号的频率范围主要集中在2 0 - - - 6 0 0 H z 1 6 】， 因此传感器就需要在这段频率范围的响应敏感。 心音信号属于低频的微弱自然信号。为了对心音信号进行各种处理、记录和 显示，必须把信号放大到所要求的强度。此外，在心音诊断中的各种噪声会对心 音信号的质量产生较大影响，因此滤波电路必不可少。预处理电路的作用是把心 音传感器的输出信号做系列的放大处理，以满足后续A D 采样的需求，提高信 号信噪比。预处理电路由初级放大电路，滤波电路和二级放大电路三部分组成。 2 3 2 嵌入式处理器的选型 心音信号经过预处理

42、电路后，输入主控模块进行采样以及各种功能的实现。 以下内容将分析主控模块硬件核心嵌入式处理器的选型。 嵌入式处理器由计算机的C P U 演变而来。在嵌入式应用中，保留了嵌入式应 用必要的功能硬件，以节约电源和资源实现嵌入式的产品要求，提高产品在工作 温度、抗电磁干扰、可靠性等方便的高要求。在一个系统中使用什么样的嵌入式 微处理器内核主要取决于应用的领域、用户的需求、成本问题、开发的难易程度 1 0 华东师范大学硕士学位论文第2 奄蓝牙电了听诊器的需求分析 等因素。嵌入式处理器的多样复杂，目前主要的嵌入式微处理器产品如下： A R M ( A d v a n c e dR I S CM a c

43、h i n e s ) ：A R M 公司是全球领先的R I S C ( R e d u c e d I n s t r u c t i o nS e tC o m p u t e r ) 微处理器知识产权设计供应商，自己不设计A R M 核的 芯片。小体积、低功耗、低成本、高性能的特点让A R M 处理器占用了消费类电 子产品的巨大市场和中、高端工业控制产品市场。其中删9 系列处理器采用五 级整数流水线，带M M U ( 内存管理单元) ，支持L i n u x 、W i n d o w s 、P a l m 、S y m b i a n 等多种操作系统，非常适合应用实时嵌入式应用。 P o

44、 w e r P C ( P e r f o r m a n c eO p t i m i z e dW i t hE n h a n c eR I S C ) ：该处理器有广泛的实现 范围，包括从诸如P o w e r 4 那样的高端服务器C P U 到嵌入式C P U 市场。P o w e r P C 处理器有非常强的嵌入式表现，它具有优异的性能、较低的能量损耗以及较低的 散热量。可伸缩性好，方便灵活是P o w e r P C 架构处理器上A R M 、M I P S 的最大差 别。 M I P S ( M i l l i o nI n s t r u c t i o n sP e rS

45、 e c o n d ) ：M I P S 技术公司是一家设计制造厂商。 涉足到高性能、高档次的嵌入式3 2 位和6 4 位处理器，在R I S C 处理器中占有非 常重要的地位。 表2 1 列出了几种常见的嵌入式微处理器的特性的比较4 3 1 。 表2 1 常见的嵌入式微处理器 微处理器类型价格市场推广力度主要性能及应用 A I 洲 低大功耗低，主要用于中低端市场。 主频高，性能强，主要用于高、中端 M I P S 由 中 市场。 广泛用于网络通信等专用设备，单位 P o w e r P C问低 附加值高，应用于高端市场。 挑选合适的处理器是一项很复杂的工作，不仅要进行必要的系统功能分析，

46、使得处理器的功能和性能上能够满足实际的需求，更需要考虑产品的成本。经过 以上几类处理器的比较，A R M 处理器在性能和功能上都能满足本文的听诊器的 华东师范大学硕士学位论文第2 章蓝牙电子听诊器的需求分析 功能和性能要求，成本相对低廉功耗低。此外，A R M 处理器的通用性较好，便 于程序的移植和开发，因此这里选用A R M 处理器作为本听诊器便携式设备端的 主控模块处理器。 在本系统中，主控模块所要完成的任务主要有：对心音信号的定时A D 采样 和量化；对采样信号做相应的处理；将处理过的信号发送给显示模块进行显示以 及蓝牙和串口传输等。因此，在功能上，处理器必须对I I S 音频总线、U

47、S B 、液 晶显示模块、串口模块等支持。嵌入式处理器的性能指标主要包括：芯片的功耗、 系统时钟的频率、A D 采样的精度和速度等。综合考虑本系统决定采用三星公司 推出的基于A R M 9 内核的高性能3 2 位R I S C 处理器S 3 C 2 4 4 0 A 1 。7 1 。该型号处理器 是目前最流行通用的处理器之一，应用成熟且成本低廉，国内多款嵌入式开发板 都是基于该型号处理器进行设计。 2 3 3 嵌入式操作系统的选型 随着微处理器的产生，价格低廉、结构小巧的C P U 和外设连接提供了稳定可 靠的硬件架构，那么限制嵌入式系统发展的瓶颈就取决于嵌入式操作系统。 1 操作系统的硬件支持

48、 确定了嵌入式微处理器，就要选择支持这款处理器的操作系统。当进行嵌入 式软件开发时，首先要考虑的I 口- J 题就是可移植性【1 8 。具有良好的可移植的软件 可以在不同平台、不同系统上运行，跟操作系统无关。但是访问代码临界区时的 中断问题，微处理器堆栈的生长方式等，这些都与具体应用的微处理器有关。 2 开发工具的支持程度 开发工具的利弊对项目的进度有着非常明显的影响。选择操作系统时候要充 分考虑与之相关的开发工具。在线仿真器( I C E ) 、编译器，汇编器、连接器、调 试器以及模拟器等都不同程度影响着操作系统。特别是在线仿真器是否能与实时 操作系统( R T O S ) 协同工作，这在调

49、试那些最隐蔽的小错误时是很有用的。 3 能否满足应用需求 对操作系统性能的要求：一个实时操作系统的实时性能关注指标主要包括系 统响应时间、上下文切换时间、中断延迟时间、中断响应时间、任务切换时间、 1 2 华东师范大学硕上学位论文 第2 章蓝牙电子听诊器的需求分析 调度器延迟时间、周期性抖动等。当供应商给出一个内核要求的最小存储空间时， 很重要的一点是要了解这个内核中包括了什么。最小的内核经常是仅仅支持很少 的特性，而典型的配置可能产生大得多的内核。 经过多年发展，目前世界上已经拥有一批成熟的实时嵌入式操作系统 1 剐，大 体上可以分为两种：商用型和免费型。 商用型实时嵌入式操作系统主要有：V

50、 x W o r k s 具有高性能的系统内核和友好 的用户开发环境，突出的特点是可靠性，实时性和可裁减性；W i n d o w sC E 是微 软为了适应消费型电子产品而推出的新型操作系统；P a l mO S 是3 C O M 旗下的 P a l mC o m p u t i n g 掌上电脑产品P a l m 的操作系统；S y m b i a n 是由诺基亚公司开发的 一种3 2 位占先式多任务操作系统，具有低功耗、占用资源少等特点。此外，用 于移动设备的谷歌A n d r o i d 、苹果的i O S 随着移动电话的销售不断提高其市场份 额，不得不说这是两款优秀的嵌入式操作系统平

51、台。值得一提的是，A n d r o i d 系 统是基于L i n u x 内核的。 免费型实时操作系统主要有：u C O S 是源码公开的实时嵌入式操作系统，是 一个简洁、易用的基于优先级的嵌入式抢占式多任务实时内核；嵌入式L i n u x 是 一种源码开放、自由开发的嵌入式平台，它可以移植到多个有不同结构的C P U 和硬件平台上，具有很好的稳定性、各种性能的升级能力，而且开发更容易。 目前，商用型的实时操作系其高昂的价格使许多设计低端产品的小公司望而 却步，源代码封闭性也大大限制了开发者的积极性。另外，当前国家对自主操作 系统的大力支持，也为源码开放的L i n u x 的推广提供的

52、广阔的发展前景【1 9 】。 嵌入式L i n u x 以其开放的源代码，精简高效的内核、易定制和易裁减的特征 以及硬件支持广泛等优势，而深受嵌入式开发者的青睐，在消费类电子产品和工 业控制、智能仪表等领域中有着广泛的应用。相信随着技术的进步和需求的推动， 基于L i n u x 的嵌入式系统在今后会得到更好的发展。Q t 是T r o l h e c h 公司推出的一 个跨平台的C + + 图形用户界面应用程序开发框架。Q t 是完全面向对象的，很容易 扩展，并且允许真正的组件编程。Q t o p i aC o r e 是适用于嵌入式L i n u x 所支持的单 一应用设备的主导性应用框架

53、，能够稳定、可靠地运行于嵌入式L i n u x 下，并且 华东师范大学硕士学位论文第2 章蓝牙电子听诊器的需求分析 可以快速构建一个可视化嵌入式软件系统。【2 0 】 综上所述，本文选择L i n u x 作为操作系统内核，Q t o p i a 作为系统图形用户界 面的组合应用到本便携式终端。 2 3 4 蓝牙技术需求分析 蓝牙是一种支持设备短距离通信( 一般在1 0 M 内) 的无线电技术，能在包括 移动电话、P D A 、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信 息交换。利用蓝牙技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够 成功地简化设备与I n t e m e

54、 t 之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效，为无 线通信拓宽道路。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点 及点对多点通信，工作在全球通用的2 4 G H zI S M ( 即工业、科学、医学) 频段。 蓝牙1 1 、1 2 版本为7 4 8 8 1 0 k b s 的传输率，单工；蓝牙2 0 传输率约在 1 8 M s 2 1 M s ，可以有( 双工) 的工作方式；蓝牙3 0 的数据传输率提高到了大 约2 4 M b p s ，是蓝牙2 0 的八倍，可以轻松用于录像机至高清电视、P C 至P M P 、 U M P C 至打印机之间的资料传输。采用时分双工传输方案实现全双

55、工传输。 心音的主要频率集中在2 0 6 0 0 H z t l 6 】，按照奈奎斯特定理( N y q u i s t S T h e o r e m ) ，其采样频率至少需要1 2 0 0 H z 。如果按照8 0 0 0 H z 的音频采样频率，每 个采样数据为1 6 位，即使是双声道采样，那么一秒钟产生的数据量为：8 0 0 0 H z * 1 6 位车2 个声道= 2 5 6 0 0 0 b p s ，约为0 2 5 M b p s ，因此，无论是蓝牙1 1 还是更新的版 本，都可以满足其传输要求。 2 3 5P C 端的基本要求 P C 端主要功能是为了实时显示心音图、实时播放音频

56、以及计算机辅助诊断。 这里推荐1 GH z 以上主频的C P U ，1 G 以上内存，1 4 4 0 9 0 0 的显示分辨率。此外 操作系统必须为W i n d o w sX P W i n d o w sV i s t a W i n d o w s7 。 2 4 本章小结 本章从用户的实际出发，首先对电子听诊器的总体需求进行分析。接着从各 种主要功能入手，对系统的设计提出了进一步的要求。系统功能包括音频采集、 1 4 华东师范大学硕士学位论文 第2 章蓝牙电予听诊器的需求分析 波形显示、实时播放、蓝牙传输、数据存储和回放、计算机辅助诊断等。本章的 另一个重点是对系统搭建的需求分析，包括信

57、号采集和预处理、主控模块的搭建 准备等。其中，主控模块包括嵌入式处理器选型、嵌入式操作系统的选型以及外 围电路搭建需求等。 华东师范大学硕士学位论文第3 章蓝牙电子听诊器的总体设计 第3 章蓝牙电子听诊器的总体设计 3 1 系统总体框架设计 根据系统的需求分析，本文设计的蓝牙电子听诊器主要包括便携式设备端和 P C 端两部分，其示意图如图3 1 所示。 传感器 模块 侈 蓝牙传输 病人便携式设备端 用户1 图3 1 蓝牙电子听诊器示意图 如图3 1 所示，便携式设备端主要包括信号预处理以及嵌入式主控模块。信 号预处理部分由放大滤波电路组成，目的是为了将传感器采集到的心音信号去 噪，幅值调理至主

58、控模块可以接受的幅度和质量。此外，在预处理模块之后有功 放并外接喇叭，以实时播放。主控模块控制心音的数字化采集、显示、存储，以 及和P C 端的蓝牙数据通信。主控模块使用$ 3 C 2 4 4 0 嵌入式处理器，并构建与之 匹配的外围电路，使用的操作系统为基于L i n u x 内核的Q t o p i a 图形化界面平台。 P C 端是对便携式设备端功能的扩展和延伸。P C 端使用基于W i n d o w s X P W i n d o w sV i s t a w i n d o w s7 操作系统的软件，用于对心音数据的进一步分析以 及和便携式设备端的蓝牙数据通信。 图3 2 为本设计

59、的总体框架副4 2 ，4 5 1 。 1 6 畲8 华东师范大学硕。卜学位论文笫3 章蓝才：电了听诊器的总体设计 图3 2 系统总体框架图 如图3 2 所示，蓝牙电子听诊器由便携式终端和P C 机组成。便携式终端包 括：传感器、初级放大、低通滤波，二级放大、主控模块、功放模块、液晶屏和 蓝牙发送模块以及电源模块；P C 机包括：蓝牙接收模块、P C 端控制、数据存储 模块、辅助诊断和心音图显示。 传感器将人体心音的非电量信号转换为电信号输入到信号预处理电路，经初 级放大、低通滤波、二级放大三步预处理后分两路输出，一路由功放模块进行实 时心音播放，另一路由主控模块将心音信号A D 转换后由液晶屏进行实时心音图 显示，并通过串口或蓝牙发送模块将心音信号传输到P C 机，串口或蓝牙接收模 块将接收的心音信号经P C 端主控软件处理，在P C 机的屏幕上实时显示心音图， 存储模块可根据需要存储接收到的心音数据，由诊断算法进行分析供医生诊断或 计算机辅助诊断。 华东师范大学硕士学位论文第3 章蓝牙电子听诊器的总体设计 3 2 硬件接口设计 便携式设备端是电子听诊器的核心部件，包括了心音信号的传感器拾取，信 号硬件预处理，音频播放，音频模数转换，蓝牙数据发送等功能需求。根据以上 需求，嵌入式设备端的硬件主要包括两大块：