心音信號是人體重要的生理信號之一。由于心音的產(chǎn)生機理，它能夠很好地反映心臟活動、血液流動和心臟的健康狀況。音信檢測與分析能夠準(zhǔn)確判斷心音信號，提早發(fā)現(xiàn)心血管疾病，是了解心臟和血管狀態(tài)的一種不可缺少的手段。但是心音信號中含有心血管病變的許多信息，單純依靠心臟聽診很難判斷心血管是否健康。目前廣泛應(yīng)用的心電圖檢查是心臟變時性和變傳導(dǎo)性的最佳檢測方法，但不能檢測心臟的變力性先天心臟瓣膜受損。心電傳導(dǎo)組織病變引起的心臟機械活動障礙不會首先反映在心電信號(ECG)上，但卻能首先在心音上反映出來，因此，心音具有心電信號不可替代的診斷信息[1]。韋哲等人設(shè)計了基于聲卡的心音信號采集與處理系統(tǒng)[2]，實驗表明該系統(tǒng)采集到的信號信噪比較低不利于后期的處理。王曉燕等人設(shè)計了基于串口的采集系統(tǒng)[3]，但串口的傳輸速度慢，同時由于現(xiàn)在一般的計算機都不存在串口，不利于推廣。本文設(shè)計了基于USB的實時信號采集系統(tǒng)。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

    該系統(tǒng)主要由心音信號采集電路、A/D轉(zhuǎn)換、USB通信和上位機顯示部分組成。實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)可以高效、實時地顯示采集到的心音信號，并且可以達(dá)到視聽合一的目的，得到的信號信噪比高，利于后續(xù)的研究。
1 心音信號采集電路
    利用自制的心音傳感器采集到的信號為毫伏級信號，經(jīng)過前置放大電路進(jìn)行初步放大，對放大后的信號進(jìn)行低通濾波，然后經(jīng)過中間級放大，通過耳機輸出，因為此時的信號僅有幾百毫伏，為了便于后期處理，需經(jīng)過后級可調(diào)放大,得到伏級信號可經(jīng)過A/D等后期處理。
1.1 前置放大電路設(shè)計
    由于心音信號十分微弱，而前置放大電路又是微弱信號檢測的第一級，擔(dān)負(fù)著將微弱信號放大的任務(wù)，應(yīng)該盡量減少測量過程中引入的觀測噪聲。而前置放大器則是引入噪聲的主要部件之一，所以要求前置放大器應(yīng)該具有很好的低噪聲性能[4]。又因為處理的是聲音信號，所以選取了具有超低失真低噪聲的OPA2134運算放大器，同時還具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低漂移等特點。前置放大電路如圖2所示。

1.4 后級放大電路設(shè)計
    由于從中間級得到的信號只有幾百毫伏，不便于后期的處理,所以在這里又加了一級放大，可以得~-5 V到+5 V之間的信號，便于A/D采樣。
2 A/D轉(zhuǎn)換
   本系統(tǒng)采用STC12C5A60S2單片機作為主控芯片。該單片機自帶8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器,速度可達(dá)250 kHz(25萬次/s)。STC12C5A60S2系列單片機ADC由多路選擇開關(guān)、比較器、逐次比較寄存器、10 bit DAC、轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器(ADC_RES和ADC_RESL)以及ADC_CONTR構(gòu)成。
   STC12C5A60S2系列單片機的ADC是逐次比較型ADC。逐次比較型ADC由一個比較器和D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，通過逐次比較邏輯,從最高位(MSB)開始，順序地對每一輸入電壓與內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換器輸出進(jìn)行比較。經(jīng)過多次比較，使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量逐次逼近輸入模擬量對應(yīng)值。逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器具有速度高、功耗低等優(yōu)點。
3 USB通信
    本文采用南京沁恒公司的USB芯片CH372,該芯片可以實現(xiàn)1 MB/s的傳輸速度，全速USB 設(shè)備接口，兼容USB V2.0,即插即用,外圍元器件只需要晶體和電容。提供一對主端點和一對輔助端點，支持控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸,具有簡便的內(nèi)置固件模式和靈活的外部固件模式。內(nèi)置固件模式屏蔽了相關(guān)的USB 協(xié)議，自動完成標(biāo)準(zhǔn)的USB 枚舉配置過程，完全不需要本地端控制器作任何處理，簡化了單片機的固件編程。本文中采用STC12C5A60S2來控制CH372實現(xiàn)下位機與上位機的USB通信。
4 上位機軟件的編寫
    上位機利用VS2010平臺開發(fā)， 開發(fā)的界面要比Microsoft Visual C++ 6.0美觀。主要采用MFC的位圖雙緩沖機制對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形繪制[6]，得到的圖形是連續(xù)的，而不是一屏一屏地刷新。雙緩沖的原理可以形象地理解為:把電腦屏幕看作一塊黑板。首先在內(nèi)存環(huán)境中建立一個 “虛擬”的黑板，然后在這塊黑板上繪制復(fù)雜的圖形。圖形全部繪制完畢時，再一次性地把內(nèi)存中繪制好的圖形“拷貝”到另一塊黑板(屏幕)上。采取這種方法可以提高繪圖速度,極大地改善繪圖效果。
5 實驗結(jié)果
      該系統(tǒng)已經(jīng)成功采集了多例心音樣本，采集時需保持現(xiàn)場安靜，輕壓傳感器。圖5所示為一例正常心音，從該圖可清晰地分辨出心音的各種成分,其中的有效成分得到了很好的保留。

     實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠很好地顯示采集到的心音波形，利于醫(yī)生對心音進(jìn)行分析。該系統(tǒng)采用廉價的STC12C5A60S2(市場價6元)作為單片機，利用其自帶的AD大大降低了設(shè)備的成本。同時可以進(jìn)一步完善該設(shè)備，使之成為大眾可用的便攜式醫(yī)療器械。
參考文獻(xiàn)
[1] 陳天華. 基于現(xiàn)代信號處理技術(shù)的心音與心電信號分析方法[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2012.
[2] 韋哲，李戰(zhàn)明，程自峰.基于聲卡的心音信號采集與處理系統(tǒng)的實驗研究[J].中國醫(yī)療設(shè)備，2008，23(10)：7-10.
[3] 王曉燕,曾慶寧,粟秀尹.基于FPGA的心音信號采集[J].微型機與應(yīng)用，2012，31(11):28-30.
[4] 劉俊, 張斌珍. 微弱信號檢測技術(shù)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社,2005.
[5] 高吉祥.模擬電子技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2008.
[6] 孫鑫. VC++深入詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.