一種基于AT89S52的可視電子聽(tīng)診器的研制

摘? 要： 一種以AT89S52單片機(jī)為核心，利用駐極體式聲音傳感器實(shí)現(xiàn)的心音數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用圖形液晶模塊實(shí)現(xiàn)顯示的新型可視電子聽(tīng)診器。介紹了電子聽(tīng)診器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，給出了硬件電路原理和軟件流程。該系統(tǒng)在進(jìn)行常規(guī)心臟聽(tīng)診的同時(shí)可通過(guò)液晶顯示屏直觀(guān)地顯示心率和心音波形。

　　心音是能反映心臟正常或者病理的音響，它是由于心臟搏動(dòng)過(guò)程中各瓣膜的開(kāi)閉以及心肌和血液運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的震動(dòng)形成的。心音聽(tīng)診是診斷心臟疾病的重要依據(jù)。傳統(tǒng)的方法是采用聽(tīng)診器聽(tīng)診心音，診斷的依據(jù)主要是醫(yī)師的經(jīng)驗(yàn)。這種方法比較簡(jiǎn)單，但由于人耳對(duì)聲音的感知是聲強(qiáng)與頻率的綜合效應(yīng)，因而有些病理特性難以捕捉，且準(zhǔn)確性較差。設(shè)計(jì)一種新的電子聽(tīng)診器對(duì)聽(tīng)診音進(jìn)行定量、準(zhǔn)確的分析很有必要。目前，國(guó)內(nèi)電子聽(tīng)診器產(chǎn)品的價(jià)格和功能與國(guó)外相比還存在較大差距，多數(shù)只是將心音采集后放大，雖然在一定程度上改良了聽(tīng)診器，但是還不能很好地反映心音波形。本文研制的可視聽(tīng)診器實(shí)現(xiàn)了這一功能。它集聽(tīng)診和心電信號(hào)監(jiān)測(cè)功能于一體，可以實(shí)時(shí)記錄并顯示心率及心音圖，使診斷更準(zhǔn)確，且便于醫(yī)學(xué)教學(xué)。同時(shí)具有可存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)顯示、簡(jiǎn)單易用、成本低、體積小等優(yōu)點(diǎn)。本文對(duì)該可視聽(tīng)診器的結(jié)構(gòu)及工作原理作了較詳細(xì)的介紹。

1? 硬件設(shè)計(jì)

????? 可視聽(tīng)診器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該可視聽(tīng)診器由采集處理和波形顯示二部分組成，具體由聲音傳感器、信號(hào)調(diào)理采樣電路和鍵盤(pán)顯示電路組成。

????? 由于聽(tīng)診器接收到的是微弱的寬帶頻率信號(hào)，因此由聲音傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后，需要經(jīng)過(guò)濾波檢波放大電路對(duì)心電波形進(jìn)行調(diào)理，然后經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換送給單片機(jī)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)，并根據(jù)用戶(hù)設(shè)置在液晶顯示屏上實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，以便用戶(hù)仔細(xì)觀(guān)察心音波形。另外，波形數(shù)據(jù)可以通過(guò)串行通信方式傳給上位機(jī)（PC機(jī)），再利用上位機(jī)強(qiáng)大的處理功能和模擬示波器軟件來(lái)顯示心電波形。

1.1 拾音頭

????? 由于心音頻率較低（20～600Hz），在人耳可聽(tīng)頻域范圍的低頻段，因此選用傳聲器(話(huà)筒——將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的換能器）作為聲音傳感器。聲音傳感器（話(huà)筒）有很多種類(lèi)，如駐極體式、動(dòng)圈式和電容式等。本系統(tǒng)對(duì)傳感器的選取原則是：靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)，除了要提取微弱的心音信號(hào)外，還要求它不受人聲、工頻等信號(hào)的干擾。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)比較，設(shè)計(jì)中選用駐極體式話(huà)筒。拾音器MIC的制作選用老式聽(tīng)診器的振膜頭部分。在振膜耳把套上20cm長(zhǎng)的橡皮管，另一頭擠壓入一只微型駐極體話(huà)筒，話(huà)筒的2根導(dǎo)線(xiàn)用屏蔽電纜接到電路中的MIC處，駐極體話(huà)筒處用熱縮套管加固，以防止操作時(shí)產(chǎn)生不必要的噪聲干擾。

1.2 信號(hào)調(diào)理電路

????? 信號(hào)調(diào)理電路如圖2所示，主要由三部分組成：(1)信號(hào)輸入級(jí)(第1級(jí))。拾音頭輸出音頻信號(hào)經(jīng)耦合電容C1輸入信號(hào)處理電路，為保證拾音頭正常工作須提供較大的負(fù)載電阻，為此設(shè)計(jì)中采用了由NPN三極管構(gòu)成的射極跟隨器作為輸入級(jí)。(2)濾波放大(第2級(jí))。經(jīng)測(cè)量，心音頻率較低，因此在信號(hào)放大的同時(shí)可將頻率在600Hz以上的信號(hào)全部濾除，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。設(shè)計(jì)中采用一階低通濾波電路。(3)檢波放大(第3級(jí))。由于聲波圖形類(lèi)似于調(diào)幅波形，故需用檢波電路把迅速變化的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變成變化較慢的直流電壓信號(hào)。檢波電路可分為峰值檢波、平均值檢波和均方根值檢波。本電路中采用了峰值檢波，它能給出一定時(shí)間間隔內(nèi)的最大值。另外為便于采集并有效地利用A/D的轉(zhuǎn)換范圍，信號(hào)要放大到相應(yīng)的電平范圍之內(nèi)，故設(shè)計(jì)中使用了比例放大電路。

1.3 信號(hào)采樣

????? 心音頻率f在20Hz～600Hz之間，根據(jù)香農(nóng)（Shannon）采樣定理，只要采樣的頻率高于或等于原來(lái)頻率的2倍，就可以完整地重現(xiàn)原波形，因此選擇的A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率應(yīng)在1 200Hz以上，故設(shè)計(jì)中選用了串行A/D轉(zhuǎn)換器TLC0831。

????? 信號(hào)采樣電路的工作原理：把調(diào)理電路的模擬輸出信號(hào)用A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字量后，再由單片機(jī)送到液晶顯示屏顯示。

1.4 鍵盤(pán)顯示

????? 本系統(tǒng)選用了精電蓬遠(yuǎn)的QH12864T點(diǎn)陣式液晶顯示(LCD)模塊。該模塊由控制器T6963C、列驅(qū)動(dòng)器T6A39、行驅(qū)動(dòng)器T6A40及與外部設(shè)備的接口等部分組成，它既能顯示字符（中文和西文字符），又能顯示圖形，還能夠?qū)⒆址c圖形混合顯示。

????? LCD與單片機(jī)的接口方法分為直接訪(fǎng)問(wèn)方式和間接控制方式。直接訪(fǎng)問(wèn)方式是把液晶模塊作為存儲(chǔ)器接在CPU的數(shù)據(jù)線(xiàn)、地址線(xiàn)和控制線(xiàn)上，同時(shí)把它的數(shù)據(jù)總線(xiàn)接在89S52的P0口上，片選以及寄存器選擇信號(hào)線(xiàn)由P2口提供，讀寫(xiě)操作由單片機(jī)的讀寫(xiě)操作信號(hào)控制。這種方式是以訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)器的方式來(lái)訪(fǎng)問(wèn)液晶顯示模塊。間接控制方式不使用單片機(jī)的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，而是利用它的I/O口來(lái)實(shí)現(xiàn)與顯示模塊的通信，即將液晶顯示模塊的數(shù)據(jù)線(xiàn)與單片機(jī)的P0口連接作為數(shù)據(jù)總線(xiàn)，另外3根時(shí)序控制信號(hào)線(xiàn)通常利用89S52的P3口中未被使用的I/O口來(lái)控制。這種訪(fǎng)問(wèn)方式不占用CPU的存儲(chǔ)器空間，它的接口電路與時(shí)序無(wú)關(guān)，其時(shí)序完全靠軟件編程實(shí)現(xiàn)。間接控制方式的速度較直接訪(fǎng)問(wèn)方式快，所以本設(shè)計(jì)中采用的是間接控制方式，具體連接如圖3所示。

????? 另外系統(tǒng)設(shè)置了6個(gè)按鍵，用于圖形的拉伸、縮放、存儲(chǔ)、回放及菜單式操作。

2? 調(diào)理電路的調(diào)試

????? 一個(gè)正常人的心音圖如圖4所示，其中s1是第1心音，s2是第2心音；Systole代表心臟收縮期，Diastole代表心臟舒張期。

????? 經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路后的心音變成如圖5所示的波形。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

????? 系統(tǒng)選用的LCD是在圖形工作方式下，通過(guò)建立坐標(biāo)系，利用位操作實(shí)現(xiàn)對(duì)心音波形的逼真顯示。下面詳細(xì)介紹液晶顯示屏繪圖編程的算法和波形連續(xù)顯示。

3.1 繪圖編程的算法

????? 系統(tǒng)選用的是128×64點(diǎn)陣式圖形液晶顯示模塊。要繪制心音波形只要根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換來(lái)的數(shù)據(jù)在液晶顯示器的對(duì)應(yīng)位置上繪點(diǎn)顯示。首先在液晶平面上建立如圖6所示的顯示坐標(biāo)系。

? 圖中畫(huà)出了液晶顯示器在圖形工作方式下液晶平面的每一處所對(duì)應(yīng)的顯示緩沖區(qū)地址情況，數(shù)據(jù)為十六進(jìn)制，并建立以左下角為坐標(biāo)原點(diǎn)的坐標(biāo)系。這樣坐標(biāo)(X，Y)的值都為正值，簡(jiǎn)化了算法。其中X表示1～128個(gè)點(diǎn)，Y表示各個(gè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的幅值。由于A/D采樣的數(shù)值為0~255，而LCD的行取值為0～63，所以把幅值縮小一定的倍數(shù)，即Y=D/B，D為A/D采集的數(shù)字量，B為該數(shù)縮小的倍數(shù)。由圖可以看出幅值Y加1，顯示緩沖區(qū)地址K就減少10H，從而得到緩沖區(qū)地址的表達(dá)式：K=X/8-10H*Y＋0BF0H。而緩沖區(qū)地址字節(jié)中對(duì)應(yīng)X除以8的余數(shù)的位就正好是要繪點(diǎn)的位置。只要利用位操作命令對(duì)它置位就可實(shí)現(xiàn)繪點(diǎn)。

3.2 波形顯示

????? 把采集的數(shù)據(jù)存放在RAM中，RAM共存了8KB波形數(shù)據(jù)。而液晶顯示器1次只能顯示128個(gè)點(diǎn)，因此可以通過(guò)改變?cè)赗AM中讀數(shù)間隔來(lái)控制波形的橫向顯示，即每顯示完1個(gè)數(shù)據(jù)，RAM地址加N，通過(guò)改變N的大小來(lái)拉開(kāi)或回縮信號(hào)波形，以便于觀(guān)察。

????? 如果相鄰2個(gè)點(diǎn)的幅值稍有不同，2個(gè)點(diǎn)的距離就會(huì)分開(kāi)，造成顯示不連續(xù)，影響視覺(jué)效果。因而怎樣使波形顯示連續(xù)，是顯示信號(hào)波形中一個(gè)很重要的問(wèn)題。本系統(tǒng)中對(duì)這一問(wèn)題的解決方法：在LCD上每顯示完1個(gè)點(diǎn)后，判斷它與前1個(gè)點(diǎn)的幅值差距，即Y值值差，若大于8，就要在2點(diǎn)之間插入若干點(diǎn)(X值不變，只變Y值)，使2點(diǎn)連續(xù)起來(lái)，然后再進(jìn)行下1個(gè)點(diǎn)的顯示。利用這種方法，可很好地實(shí)現(xiàn)心音波形的顯示。波形顯示程序流程圖如圖7所示。

4? 結(jié)束語(yǔ)

????? 本文介紹的可視聽(tīng)診器能實(shí)時(shí)顯示心率和心音波形，并能進(jìn)行波形拉伸、變換和回放，形象直觀(guān)、操作方便，適合向臨床教學(xué)和醫(yī)療領(lǐng)域推廣應(yīng)用。