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。目前廣泛應用的心電圖檢查是心臟變時性和變傳導性的最佳檢測方法，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)過前置放大電路進行初步放大，對放大后的信號進行低通濾波，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，擔負著將微弱信號放大的任務(wù)，應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，自動完成標準的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
[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.