心音信號(hào)是人體最重要的生理信號(hào)之一，含有關(guān)于心臟各個(gè)部分如心房、心室、大血管、心血管及各個(gè)瓣膜功能狀態(tài)的大量病理信息，是心臟及大血管機(jī)械運(yùn)動(dòng)狀況的反映，具有非線性、非平穩(wěn)的特點(diǎn)[1-2]。心音來自于人體內(nèi)部，不容易被復(fù)制或模仿，同時(shí)還具有獨(dú)特性，個(gè)體的不同，心音信號(hào)的表現(xiàn)形式也不相同。對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)分析，可以達(dá)到對(duì)身份進(jìn)行識(shí)別和驗(yàn)證的目的[3]。此外，通過聽取心音，也可以獲得用以判斷心臟疾病的相關(guān)信息[4]。

本文設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)一套心音信號(hào)采集與分析系統(tǒng)，并研究利用心音進(jìn)行被測(cè)試者的身份識(shí)別。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的密碼、口令等驗(yàn)證方法存在容易被忘記或破解的缺陷，而利用人體生物特征進(jìn)行身份識(shí)別具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如指紋、虹膜、手形和面部特征等識(shí)別技術(shù)已經(jīng)較為成熟，相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)。但是利用人體生理信號(hào)，如心音、脈搏等，進(jìn)行身份識(shí)別的研究才剛剛興起，有著很大的研究價(jià)值和發(fā)展空間。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，基于單片機(jī)、DSP等核心控制器采集心音信號(hào)，利用PC機(jī)進(jìn)行定量分析，已成為心音檢測(cè)系統(tǒng)的研究趨勢(shì)[5-6]。因此，本系統(tǒng)利用STC12C5A單片機(jī)采集HKY-06B型 PVDF薄膜式心音傳感器輸出的心音信號(hào)，并通過RS232總線發(fā)送到上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)終端與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，同時(shí)在上位機(jī)采用虛擬儀器軟件LabVIEW設(shè)計(jì)開發(fā)了一套集數(shù)據(jù)管理、采集和分析于一體的虛擬心音檢測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，包括以下幾個(gè)部分：(1)心音傳感器模塊。能將心臟搏動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為低阻抗音頻信號(hào);(2)信號(hào)預(yù)處理模塊。負(fù)責(zé)對(duì)微弱的心音信號(hào)進(jìn)行前置放大、低通濾波、高通濾波和功率放大;(3)單片機(jī)模塊。負(fù)責(zé)將預(yù)處理后的心音信號(hào)進(jìn)行A/D采樣以及通過鍵盤執(zhí)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、液晶顯示等功能;(4)串口通信模塊。負(fù)責(zé)與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信;(5)電源模塊。為系統(tǒng)提供+5 V和+12 V電源。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 心音傳感器

HKY-06B型心音傳感器采用新型高分子聚合材料微音傳感元件采集心臟搏動(dòng)和其他體表動(dòng)脈搏動(dòng)信號(hào)，再經(jīng)過高度集成化信號(hào)處理電路處理，輸出低阻抗音頻信號(hào)。其具有集成度高、可靠性高、靈敏度高、過載能力強(qiáng)、體積小和使用壽命長等特點(diǎn)。其典型的供電電壓為5 V，頻率響應(yīng)在1 Hz～1 500 Hz，靈敏度為4 mV/Pa。

2.2 信號(hào)預(yù)處理

在利用單片機(jī)對(duì)傳感器輸出的音頻信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之前，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，主要包括前置放大、低通濾波、高通濾波和功率放大4個(gè)電路。

前置放大電路如圖2所示，采用NPN型硅晶體三極管3DG6，其偏置電路采用R15、R5和R8組成的分壓電路，并在發(fā)射極接有電阻R17，以穩(wěn)定放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)。當(dāng)在放大器的輸入端加入輸入信號(hào)時(shí)，放大器的輸出端便可得到一個(gè)與輸入信號(hào)相位相反、幅值放大的信號(hào)。

采用運(yùn)算放大器OP07 設(shè)計(jì)一個(gè)由源低通濾波電路和有源高通濾波電路組合而成的帶通濾波電路。圖3 所示是截止頻率f=5 kHz 時(shí)的四階巴特沃斯低通濾波器。該濾波電路轉(zhuǎn)移函數(shù)為：