作者 张石 李昂 袁粤林 于秀 东北大学 核算机科学与工程学院(辽宁 沈阳 110819)
张石(1963-)，男，博士，教授，研讨方向：生物医学电子学、医学影像处理。
摘要：规划了一种数字化的依据DSP的听诊器，该听诊器选用TI公司低功耗DSP处理芯片TMS320C5515作为中心处理芯片，体系集电源部分、外部存储部分、显现部分、前端音频收集处理部分、蓝牙传输部分于一身。与传统听诊器比较，本规划能够对心肺音信号进行了实时FIR滤波处理、心率核算，且经过蓝牙将声响信号传给用户，有更高的医学确诊价值。
0 导言
听诊器作为医生常用的医疗东西，是确诊心血管体系疾病、呼吸体系疾病的重要手法之一。但在事故等事故现场的特别环境、临床确诊以及医学教育中迫切需求一种体积小、本钱低、具有杰出抗搅扰才能，并能完结多人一起听诊的数字听诊器。因而，在现在的医疗环境下，数字听诊器具有很大的商场、经济以及运用价值。
文献[1]提出了一种运用DSP芯片规划数字听诊器的参阅规划计划，文献[2]提出了运用希尔伯特黄改换对声响信号进行包络提取，并运用BP神经网络进行形式识别的办法。文献[3-7]提出了各种依据不同渠道的数字听诊器，为本文的完结奠定了根底。
1 体系全体计划
整个体系的计划框图如图1所示，当模仿前端(AFE)收集到声响信号后，该声响信号经过模仿的扩大、滤波、AD转化后经过I2S总线传给DSP芯片。
DSP芯片在高速外部存储的帮忙下处理很多的声响数据，并最终将所需信息显现在LCD上。
在这个过程中DSP芯片首要进行的作业有数字滤波、心率检测及波形显现等，DSP芯片的运用使得廉价、高性能的数字听诊器的完结成为可能。
2 硬件计划
本计划模仿前端选用低漂移、高共模按捺比的OPA335对麦克风输出的毫伏规模内的信号进行恰当的扩大、滤波，并包含可变增益部分以进步信噪比。
DSP芯片选用TI公司低功耗处理芯片TMS320C5515，内部含有4个DMA通道和4个I2S总线，且关于FFT有硬件加速，功耗低、处理才能强，十分合适用在此处。
选用TI公司可编程操控输入输出的TLV320AIC3254作为编解码芯片。CPU经过I2S总线与音频编解码器交流数据信号，经过I2C总线发送操控信号对编解码器进行装备。
本体系所选用的SDRAM容量为256 Mb，型号为MT48LC16M16A2，运用DSP芯片内部DMA的ping-pong机制合作外部高速RAM能够完结鄙人一帧数据到来之前完结数据的处理，然后确保体系的实时性。考虑到程序存储问题，本体系挑选外扩FLASH，型号为PC28F128P30B85。
声响最终经过蓝牙模块传输至蓝牙耳机，完结无线听诊。蓝牙模块选用SHION-M60蓝牙模块，该模块内部集成CSR8670蓝牙芯片，是业界保真度最高的芯片之一，该模块可直接将解码之后的模仿声响信号传输给蓝牙耳机。
本体系选用外部5 V DC输入，电源芯片选用TPS70302，该芯片可将5 V左右输入转化为3.3 V和1.8 V，供应DSP及外设，此外，DSP芯片的LDOI引脚供3.3 V电压，然后使DSP芯片本身输出1.3 V给内核供电。全体框图如图2所示。
3 软件计划
程序全体的思路：首要经过DSP对前端编解码芯片TLV320A%&&&&&%3254装备来发动收集，然后DSP对收集的信号进行相应的处理，再经过I2S传输给编解码器，经过蓝牙耳机将心音实时播映出来，然后完结无线听诊以及多人一起听诊。在数据传输方面选用DMA，使DSP芯片首要作业会集在数字信号的处理上。而且用户可经过按键进行听诊形式挑选，包含心音、肺音等(经过改动FIR滤波器参数)，音量调理，是否保存等操作。软件体系的架构如图3所示。
为了完结心音实时的显现，需求对输入缓存与输出缓存进行一些处理，在输入端选用Ping-Pong Buffer形式，将数据的收集以及处理分开来，避免数据处理期间声响信号的丢掉。在输出端将输出缓存分为四个小的缓存，将数据进出缓存区彼此错开，处理了数据之间的抵触问题。图4为程序全体的流程图。
4 DSP滤波
前文现已说到DSP芯片的首要作业是进行数字滤波以及心率核算。因为传统的听诊头有膜型听诊头和钟型听诊头两种，钟型听诊头关于低频的声响较灵敏，而膜型听诊头会滤除一部分低频的声响对高频的声响较灵敏，在此咱们经过数字滤波来完结。为了完结更高的运转功率，咱们调用TMS320C5515 DSP库中的FIR函数，这样咱们只需求核算出满意咱们要求的FIR滤波器系数和阶数传递给FIR函数即可。
钟形式的频率规模20~220 Hz，膜形式的规模为50~600 Hz。运用MATLAB中FDATOOL来进行滤波器的规划，然后对滤波器的系数量化后导出即可。在规划过程中，首要需求确保在通带内为线性相位避免相位失真，然后阶数要合适在DSP的核算速度答应的状况下确保满意的阻带衰减。所以这儿运用窗函数规划办法，窗函数为哈明窗，阶数为161阶。当频率规模为20~220 Hz时，缩放x轴后滤波器幅频与相频呼应如图5所示。
当频率规模为50~600 Hz时，缩放x轴后滤波器幅频与相频呼应如图6所示。
图7是一段采样心音信号等距离抽取后得到的图形，能够看出这段信誉被搅扰是比较严重的，尤其是第二心音，依据频谱能够发现高频的噪声成分是比较多的。对以上信号运用所规划的FIR滤波器进行滤波得到图9。
滤波后信号从频域图中能够看出高频信号得到了很好的按捺，根本能够满意规划需求。
5 心率算法
关于心率的核算，本计划选用的是自习惯心率求取。传统的心率求取办法首要有两种，一种是频域的办法，即求出频域尖峰距离Δf，Δf说明晰信号的周期性，以此来求取心率，可是经过对收集的信号进行频域剖析时发现，噪声搅扰对心率的求取影响很大，核算的心率动摇大、精确率低。在此选用第二种时域的办法，在已知的时刻距离Δt内核算心音信号的峰值数量n，则心率为
，完结简略且不失精确性。因为不同的状况下人的心跳信号的强度会不一样，所以要想求取精确的心率关于峰值阀值TH的选取很重要。因为心音强度的改变，固定的阀值在强度过高或过低时不能满意精确性的要求，所以这儿挑选自习惯阀值。在每次求取心率之前，对收集的一段信号先进行剖析，求出信号的峰值 MAX(i)，然后将这个峰值的0.7倍作为心率核算的阀值即TH(i)=0.7MAX(i)，每次在新阀值的根底上进行核算，当采样值从x[n]
6 定论
本文从硬件规划部分、软件编写部分以及全体完结对数字听诊体系进行了详细的论述。本体系是一套完好的依据DSP的数字听诊器，集心音的收集、处理以及蓝牙传输与一体，完结了心音的现代听诊。心音信息愈加完好的再现、心音实时的回放以及经过蓝牙传输是本体系的特色。有了蓝牙听诊，本体系能够运用在医学的教育傍边，医生与学生一起听诊，实时辅导，让教育愈加高效与便利。
当然本体系还有需求提高的当地。未来数字听诊器一定会替代传统听诊器，咱们需求它发挥愈加重要的效果，这就需求愈加小的体积和十分强的抗搅扰才能，且功耗和本钱也需求合理操控。此外，跟着年代的开展，人工智能也将是大势所趋，故本体系也需求进一步完善，下一步计划依据希尔伯特黄改换取出的包络进行BP神经网络形式识别，然后完结习惯于年代开展的智能听诊。
参阅文献：
[1]TMS320C5515:心电图(ECG)MDK开发计划[J].国际电子%&&&&&%,2011,(02):11-14.
[2]胡泊.智能电子听诊器规划与完结[D].天津大学,2010.
[3]张家康.Android手机电子听诊器体系的研讨[D].沈阳工业大学,2016.
[4]陈晴.依据MSP430的电子听诊器
的规划[J].现代经济信息,2015(15):369+371.
[5]骆懿,吴颖.便携式蓝牙电子听诊器的研讨[J].杭州电子科技大学学报,2010,30(04):142-145.
[6]张虎军.便携式超低功耗心电听诊仪的研发[D].榜首军医大学,2004.
[7]樊容.依据嵌入式渠道的智能电子听诊器的研发[D].天津大学,2014.
本文来源于《电子产品国际》2018年第7期第41页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
