基于LabVIEW的心音信号检测系统设计

心音信号是人体最重要的生理信号之一，含有关于心脏各个部分如心房、心室、大血管、心血管及各个瓣膜功能状态的大量病理信息，是心脏及大血管机械运动状况的反映，具有非线性、非平稳的特点[1-2]。心音来自于人体内部，不容易被复制或模仿，同时还具有独特性，个体的不同，心音信号的表现形式也不相同。对其进行检测分析，可以达到对身份进行识别和验证的目的[3]。此外，通过听取心音，也可以获得用以判断心脏疾病的相关信息[4]。

本文设计、实现一套心音信号采集与分析系统，并研究利用心音进行被测试者的身份识别。因为传统的密码、口令等验证方法存在容易被忘记或破解的缺陷，而利用人体生物特征进行身份识别具有独特的优势，如指纹、虹膜、手形和面部特征等识别技术已经较为成熟，相关产品已经进入市场。但是利用人体生理信号，如心音、脉搏等，进行身份识别的研究才刚刚兴起，有着很大的研究价值和发展空间。随着计算机技术的迅速发展，基于单片机、DSP等核心控制器采集心音信号，利用PC机进行定量分析，已成为心音检测系统的研究趋势[5-6]。因此，本系统利用STC12C5A单片机采集HKY-06B型 PVDF薄膜式心音传感器输出的心音信号，并通过RS232总线发送到上位机，实现了检测终端与上位机之间的数据通信，同时在上位机采用虚拟仪器软件LabVIEW设计开发了一套集数据管理、采集和分析于一体的虚拟心音检测系统。

1 系统设计

系统的硬件结构框图如图1所示，包括以下几个部分：(1)心音传感器模块。能将心脏搏动信号转化为低阻抗音频信号;(2)信号预处理模块。负责对微弱的心音信号进行前置放大、低通滤波、高通滤波和功率放大;(3)单片机模块。负责将预处理后的心音信号进行A/D采样以及通过键盘执行数据存储、液晶显示等功能;(4)串口通信模块。负责与上位机进行数据通信;(5)电源模块。为系统提供+5 V和+12 V电源。

2 硬件设计

2.1 心音传感器

HKY-06B型心音传感器采用新型高分子聚合材料微音传感元件采集心脏搏动和其他体表动脉搏动信号，再经过高度集成化信号处理电路处理，输出低阻抗音频信号。其具有集成度高、可靠性高、灵敏度高、过载能力强、体积小和使用寿命长等特点。其典型的供电电压为5 V，频率响应在1 Hz～1 500 Hz，灵敏度为4 mV/Pa。

2.2 信号预处理

在利用单片机对传感器输出的音频信号进行A/D转换之前，需要对信号进行预处理，主要包括前置放大、低通滤波、高通滤波和功率放大4个电路。

前置放大电路如图2所示，采用NPN型硅晶体三极管3DG6，其偏置电路采用R15、R5和R8组成的分压电路，并在发射极接有电阻R17，以稳定放大器的静态工作点。当在放大器的输入端加入输入信号时，放大器的输出端便可得到一个与输入信号相位相反、幅值放大的信号。

采用运算放大器OP07 设计一个由源低通滤波电路和有源高通滤波电路组合而成的带通滤波电路。图3 所示是截止频率f=5 kHz 时的四阶巴特沃斯低通滤波器。该滤波电路转移函数为：