高精度电子心音听诊分析仪设计
摘 要心音听诊是对心脏类疾病患者检测的一种常用方式。传统的心音听诊器只能实现瞬时听诊，无法保存患者心音信号。本论文首先对人体心音产生机制以及主要特性展开调查研究,设计开发拾音模块与信号处理模块；根据使用需求，设计信号存储模块，使得医生可以将患者心音信号永久保存，以供后续的分析诊断，大大提高心音听诊的准确度。本设计基于STM32F103VET6微处理器和VS1003音频解码芯片的高精度电子心音听诊分析仪。
目录
1 绪论 1
1.1 本论文的研究目的和意义 1
1.1.1本论文的研究目的 1
1.1.2 心音产生的机制分析 2
1.2 心音听诊器国内外研究现状 3
1.3 本论文研究的主要内容 7
1.4 本章小结 7
2 电子听诊器的总体设计 8
2.1 系统技术指标和设计要求 8
2.1.1 信号技术指标 8
2.1.3?系统设计要求 8
2.2 系统功能和外围接口 9
2.3 系统总体构架 9
2.4 本章小结 10
3 电子听诊器硬件电路设计 10
3.1 电子听诊探头 11
3.1.1 声音传感器的选择 11
3.1.2 驻极体话筒的原理 12
3.1.3 驻极体传感器极性的判别与检测 14
3.1.4 拾音头的制作 15
3.2 初级放大电路 15
3.2.1 初级放大电路设计 15
3.2.2 OPA335结构 16
3.2.2.1 OPA335芯片参数 16
3.2.2.2 零漂移集成运算放大器分析 16
3.2.3 高精度心音听诊器初级放大电路 18
3.3 滤波电路 18
3.3.1 VS1003芯片 19
3.3.2 VS1003的性能特点 19
3.2.3 VS1003的结构分析 20
3.2.4 VS1003的电路原理 20
3.4 功
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率放大电路 21
3.4.1 LM386集成功率放大器 21
3.4.2 LM386的引脚分析 22
3.4.3 LM386的主要性能指标 23
3.4.4 LM386的典型应用电路 23
3.4.5 高精度心音听诊器功率放大电路 24
3.5 SD卡模块 24
3.5.1 SD卡模块说明 24
3.5.2 SD卡电路原理 25
3.6 主控电路 25
3.6.1 STM32F103VET6单片机说明 25
3.6.2 STM32最小系统介绍 26
3.6.2.1 STM32最小系统引脚使用说明 28
3.7 本章小结 29
4 高精度电子听诊分析仪系统软件设计 29
4.1 软件总体框架 30
4.2 软件模块化设计 30
4.2.1 SD卡模块驱动程序设计 30
4.2.2 VS1003模块驱动程序设计 31
4.2.3 FAT文件系统模块程序设计 32
4.3 系统整合 35
4.4 本章小结 37
5 高精度电子心音听诊分析仪的调试 38
5.1 系统调试 38
5.1.1 系统安装 38
5.1.2 信号处理电路调试 38
5.1.3 功率放大电路调试 38
5.2 系统综合测试 38
结束语 39
参考文献 40
致谢 42
1 绪论
1.1 本论文的研究目的和意义
1.1.1本论文的研究目的
心脏是人体血液系统的核心，负责将身体内的血液运送到身体各个部位，同时，心脏的跳动频率更可以直接反映人体的健康状况。心脏内各部分结构的运动产生的声响便是心音信号，这个信号能够直接反映心脏的运行状态；同时，这些信息是临床医学分析心功能最重要的资料。当心脏类疾病尚未恶化发展到足以产生临床病理反应以前，心音信号中诊听出来的杂音和畸变就是医生进行诊断的重要的信息。更需要提出来的是，心音诊断在临床使用中具有众多心电图所不具备的优点。其主要优点是：
第一，在心血管疾病发病初期，尚未出现病理反应时，通过对心音的听诊可及时发现心脏内声响异常；
第二，心音诊断能帮助医生得到一些心电图所无法检测的信号；
第三，心音诊断具有无创性、重复性好等特点。
目前，在对心血管疾病进行诊断时，虽然越发普遍的使用尖端医疗仪器，但使用心音听诊器进行心音听诊仍然是最常用的检查手段。在很多时候，仅凭借心音听诊无法得出最终的诊断结果，但是在心音听诊的过程中往往能够提前侦测到异常，可以为最后诊断提供宝贵资料。第十九个世纪前没有听诊器，如果医生需要对病人的心音进行听诊，只能采取“直接听诊“的手段，直到L E N N E C（1781 1826）在1816年发明第一块听诊器，医生才能够对患者进行“间接听诊”。现在通用的听诊仪器存在众多不足：
（1）准确性差，使用传统的听诊器，医生易受外部声音的干扰，也很容易受到身体其他器官声音的干扰，而对微弱却非常重要的心音音频信号不能准确地诊断。
（2）局限性，我们在使用传统的听诊器检查患者时，每次医生将不得不重复听诊病人，只能根据听诊到的心音信号，凭借自己的经验来进行诊断，而不能对心音信号进行后续严谨的分析。
从另一个角度来看，人耳对声音的敏感度取决于声音的频率和强度的综合影响，所以一些特殊的病理特征难以被捕捉。因此，临床上迫切需要一种高精度、高准确度、易操作、成本低、体积小、并且可同时听诊心音和呼吸音的新型心音听诊器。这样临床医生便可以通过灵敏设备将患者的心音或呼吸音信号采集，进行后续的研究分析，以便做出更准确的判断，同时更可以促进心脑血管疾病和呼吸系统疾病的研究和治疗。我国在电子听诊器发展上还尚未正式起步，目前主要还是依赖国外的进口设备，因此自行开发研制功能强大、性能优异、价格低廉的高精度心音电子听诊分析仪的意义重大。
1.1.2 心音产生的机制分析
对心脏声音产生的机制进行研究分析，能够更好的了解心音的特征，为接下来的设计提供理论支持。就目前看，在对心脏内音产生机制和传导机制的多方面探索中，很多的团队和个人采取不同的研究手段获得了相当多宝贵资料。下面描述了生产的心脏声音机制。
在早期，人们认为声音是由瓣膜关闭产生的，这种理解只是片面的发现。正常心音分为一阶，二阶，三阶和四阶，常人的三阶和四阶很弱，仅能听到的一阶和二阶。心动周期是指心室在一个周期内活动的时间，是从心房收缩运动期开始，随后由心室收缩运动。在一个周期内，心肌收缩运动，瓣膜运动，血液流动对心血管壁的影响以及其他因素造成的机械性振动，转移到胸壁，因此产生的声音是心音。心内噪声、呼吸声、表面噪声和心脏系统的传输过程中的噪声通常也伴随着心音的形成而产生。
目录
1 绪论 1
1.1 本论文的研究目的和意义 1
1.1.1本论文的研究目的 1
1.1.2 心音产生的机制分析 2
1.2 心音听诊器国内外研究现状 3
1.3 本论文研究的主要内容 7
1.4 本章小结 7
2 电子听诊器的总体设计 8
2.1 系统技术指标和设计要求 8
2.1.1 信号技术指标 8
2.1.3?系统设计要求 8
2.2 系统功能和外围接口 9
2.3 系统总体构架 9
2.4 本章小结 10
3 电子听诊器硬件电路设计 10
3.1 电子听诊探头 11
3.1.1 声音传感器的选择 11
3.1.2 驻极体话筒的原理 12
3.1.3 驻极体传感器极性的判别与检测 14
3.1.4 拾音头的制作 15
3.2 初级放大电路 15
3.2.1 初级放大电路设计 15
3.2.2 OPA335结构 16
3.2.2.1 OPA335芯片参数 16
3.2.2.2 零漂移集成运算放大器分析 16
3.2.3 高精度心音听诊器初级放大电路 18
3.3 滤波电路 18
3.3.1 VS1003芯片 19
3.3.2 VS1003的性能特点 19
3.2.3 VS1003的结构分析 20
3.2.4 VS1003的电路原理 20
3.4 功
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率放大电路 21
3.4.1 LM386集成功率放大器 21
3.4.2 LM386的引脚分析 22
3.4.3 LM386的主要性能指标 23
3.4.4 LM386的典型应用电路 23
3.4.5 高精度心音听诊器功率放大电路 24
3.5 SD卡模块 24
3.5.1 SD卡模块说明 24
3.5.2 SD卡电路原理 25
3.6 主控电路 25
3.6.1 STM32F103VET6单片机说明 25
3.6.2 STM32最小系统介绍 26
3.6.2.1 STM32最小系统引脚使用说明 28
3.7 本章小结 29
4 高精度电子听诊分析仪系统软件设计 29
4.1 软件总体框架 30
4.2 软件模块化设计 30
4.2.1 SD卡模块驱动程序设计 30
4.2.2 VS1003模块驱动程序设计 31
4.2.3 FAT文件系统模块程序设计 32
4.3 系统整合 35
4.4 本章小结 37
5 高精度电子心音听诊分析仪的调试 38
5.1 系统调试 38
5.1.1 系统安装 38
5.1.2 信号处理电路调试 38
5.1.3 功率放大电路调试 38
5.2 系统综合测试 38
结束语 39
参考文献 40
致谢 42
1 绪论
1.1 本论文的研究目的和意义
1.1.1本论文的研究目的
心脏是人体血液系统的核心，负责将身体内的血液运送到身体各个部位，同时，心脏的跳动频率更可以直接反映人体的健康状况。心脏内各部分结构的运动产生的声响便是心音信号，这个信号能够直接反映心脏的运行状态；同时，这些信息是临床医学分析心功能最重要的资料。当心脏类疾病尚未恶化发展到足以产生临床病理反应以前，心音信号中诊听出来的杂音和畸变就是医生进行诊断的重要的信息。更需要提出来的是，心音诊断在临床使用中具有众多心电图所不具备的优点。其主要优点是：
第一，在心血管疾病发病初期，尚未出现病理反应时，通过对心音的听诊可及时发现心脏内声响异常；
第二，心音诊断能帮助医生得到一些心电图所无法检测的信号；
第三，心音诊断具有无创性、重复性好等特点。
目前，在对心血管疾病进行诊断时，虽然越发普遍的使用尖端医疗仪器，但使用心音听诊器进行心音听诊仍然是最常用的检查手段。在很多时候，仅凭借心音听诊无法得出最终的诊断结果，但是在心音听诊的过程中往往能够提前侦测到异常，可以为最后诊断提供宝贵资料。第十九个世纪前没有听诊器，如果医生需要对病人的心音进行听诊，只能采取“直接听诊“的手段，直到L E N N E C（1781 1826）在1816年发明第一块听诊器，医生才能够对患者进行“间接听诊”。现在通用的听诊仪器存在众多不足：
（1）准确性差，使用传统的听诊器，医生易受外部声音的干扰，也很容易受到身体其他器官声音的干扰，而对微弱却非常重要的心音音频信号不能准确地诊断。
（2）局限性，我们在使用传统的听诊器检查患者时，每次医生将不得不重复听诊病人，只能根据听诊到的心音信号，凭借自己的经验来进行诊断，而不能对心音信号进行后续严谨的分析。
从另一个角度来看，人耳对声音的敏感度取决于声音的频率和强度的综合影响，所以一些特殊的病理特征难以被捕捉。因此，临床上迫切需要一种高精度、高准确度、易操作、成本低、体积小、并且可同时听诊心音和呼吸音的新型心音听诊器。这样临床医生便可以通过灵敏设备将患者的心音或呼吸音信号采集，进行后续的研究分析，以便做出更准确的判断，同时更可以促进心脑血管疾病和呼吸系统疾病的研究和治疗。我国在电子听诊器发展上还尚未正式起步，目前主要还是依赖国外的进口设备，因此自行开发研制功能强大、性能优异、价格低廉的高精度心音电子听诊分析仪的意义重大。
1.1.2 心音产生的机制分析
对心脏声音产生的机制进行研究分析，能够更好的了解心音的特征，为接下来的设计提供理论支持。就目前看，在对心脏内音产生机制和传导机制的多方面探索中，很多的团队和个人采取不同的研究手段获得了相当多宝贵资料。下面描述了生产的心脏声音机制。
在早期，人们认为声音是由瓣膜关闭产生的，这种理解只是片面的发现。正常心音分为一阶，二阶，三阶和四阶，常人的三阶和四阶很弱，仅能听到的一阶和二阶。心动周期是指心室在一个周期内活动的时间，是从心房收缩运动期开始，随后由心室收缩运动。在一个周期内，心肌收缩运动，瓣膜运动，血液流动对心血管壁的影响以及其他因素造成的机械性振动，转移到胸壁，因此产生的声音是心音。心内噪声、呼吸声、表面噪声和心脏系统的传输过程中的噪声通常也伴随着心音的形成而产生。
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