微型低功耗大容量心電記錄儀的研制

1.1 低功耗大容量Flash存儲器K9K2G08
　　微型心電記錄儀的數(shù)據(jù)存儲器采用三星公司的NAND結構的Flash數(shù)據(jù)存儲器件K9K2G08。該存儲芯片是目前容量較大的Flash芯片之一，單片容量達256M＋8M字節(jié)。存儲器按頁進行讀寫，按塊擦除，通過分時復用I/O口完成命令/地址/數(shù)據(jù)的讀寫和擦除。K9K2G08存儲芯片由2048個塊(block)組成，每個塊有64頁，每頁有2K+64字節(jié)，另有2K+64字節(jié)的緩沖RAM。如表1所示，對每一頁的尋址需要通過I/O口送出五個地址，第三至第五行地址(A11～A27)指明尋址到某一頁，第一、第二列地址指明尋址到頁的指定區(qū)中某一字節(jié)。

　　該存儲器允許用戶對任意頁或字進行編程和寫緩沖操作，隨機讀數(shù)的時間為25μs, 連續(xù)讀數(shù)的時間為50ns。芯片的塊擦除時間為2ms，編程時間為300μs，擦除/編程循環(huán)高達10萬次，數(shù)據(jù)保存時間可達10年。芯片使用2.7V～3.6V的電源電壓，讀寫工作時電流為10mA，在待機方式下電流僅為50μA，功耗非常小。它的存儲容量為256M字節(jié)，是一種低功耗、高密度、非易失的動態(tài)數(shù)據(jù)存儲介質，非常適合作為動態(tài)心電記錄儀的數(shù)據(jù)存儲器，平均功耗小于2mA3.3V。
　　按每分鐘采樣200次心電信號計算，24小時需存儲的數(shù)據(jù)容量大約為34M，256M容量的存儲器存儲時間可超過180小時，按一定規(guī)律去掉連續(xù)重復的數(shù)據(jù)后存儲時間甚至可超過500小時,可以滿足要求。同時在軟件設計上采用循環(huán)記錄的形式，當256M記錄完畢時，擦除一個塊，再寫入新的心電數(shù)據(jù)。所以該儀器記錄的總是最近幾天的心電數(shù)據(jù)。
　　當PC機通過USB接口讀記錄儀時，對于256M數(shù)據(jù)，大約需要30分鐘。為此將Flash數(shù)據(jù)存儲器焊接在單獨的印制板上并加抗靜電封裝，與單片機之間采用可插拔接口連接。這樣醫(yī)生可以將記錄心電數(shù)據(jù)的存儲器板拔下插到USB接口電路上，如圖2所示，由PC機讀取數(shù)據(jù)進行心電波形的處理、顯示、分析。而且可以在極短的時間內更換存儲器板，而不耽誤病人使用。存儲器板上設置接入標識、容量標識等硬件標志，單片機能識別出是否插上存儲器板及其容量。存儲器有64M、128M、256M字節(jié)等多種容量供用戶選擇。

1.2 低功耗單片機MSP430F149
　　MSP430F149^[5]是TI公司推出的一款低電源電壓范圍(1.8V～3.6V)的低功耗16位單片機。該芯片內含60KByte的Flash EPROM以及2KByte的RAM。有一個性能齊全的基礎時鐘模塊，包括一個數(shù)控振蕩器(DCO)和兩個晶體振蕩器。另外還包括硬件看門狗、三個捕獲/比較寄存器的16位定時器Timer_A3、七個捕獲/比較寄存器的16位定時器Timer_B7、8通道12位A/D轉換器ADC12和兩個串行通信接口等。
　　特別值得一提的是其低功耗應用。采用外接低速晶振32768Hz產(chǎn)生準確的定時信號和設置異步握手通信波特率，而A/D轉換及運行使用內部數(shù)控振蕩器產(chǎn)生的速度較快的400kHz時鐘信號，其功耗小于3mA3.3V。另加一個8MHz高速晶振，平時關閉不工作，當USB接口電路接上時，由USB接口電路提供電源，這時單片機根據(jù)握手信號指令啟動高速晶振，按指令要求設置合適的波特率進行高速數(shù)據(jù)傳輸，無疑又是一種降低功耗的辦法。因此選擇MSP430F149作為CPU芯片是基于低功耗設計的最佳方案。
2 微型動態(tài)心電記錄儀的結構
　　由圖1可以看出，記錄儀的設計分為模擬心電信號的檢測、放大與濾波、數(shù)字心電信號的存儲與處理等部分。即通過導聯(lián)輸入心電信號，經(jīng)放大與濾波、A/D轉換后得到數(shù)字化的心電信號，送入單片機系統(tǒng)，由軟件完成處理以及存儲，最后通過UART接口或存儲器板送出檢測的波形數(shù)據(jù)到微機中，供醫(yī)生分析診斷使用。下面分別加以介紹。
2.1 模擬心電信號的檢測放大與濾波
　　心電信號由三片高精度低功耗運放MAX4240構成的高共模輸入的儀表放大器放大后，經(jīng)低通濾波器濾除高頻干擾，再經(jīng)50Hz陷波器進一步抑制電源干擾后，輸入到MSP430F149中進行A/D轉換，從而得到數(shù)字化的心電信號。
2.2 數(shù)字心電信號的存儲與處理
　　本文設計的心電記錄儀的最大特點是存儲容量大，存儲器由一片256M閃速存儲芯片K9K2G08構成。為了高保真地記錄心電數(shù)據(jù)，醫(yī)生一般不希望進行數(shù)據(jù)壓縮，故不采用任何數(shù)據(jù)壓縮方法，直接記錄原始12位二進制心電數(shù)據(jù)。K9K2G08通過分時復用I/O口完成命令/地址/數(shù)據(jù)的讀寫和擦除。因此通過可插拔接口直接與單片機MSP430F149相連進行控制。
2.3 其它硬件及接口
　　電源模塊采用高效率、低功耗升壓式DC/DC變換器MAX1674, 輸出3.3V電壓供系統(tǒng)使用。其靜態(tài)電流僅為16μA，效率高達90%以上，輸入電壓低到0.7V還能工作。
　　為了準確分析信息，加入時間參數(shù)，采用I²C接口的PCF8583時鐘芯片，并加后備電源，將當前完成的Flash頁寫入地址保存在PCF8583的備用RAM中，每次開機或斷電都會按日期、時間順序進行Flash的數(shù)據(jù)存儲。
　　LCD使用段顯式串行SPI接口，工作電流僅為25μA，主要顯示記錄頁數(shù)、電池的容量、日期和時間等。如果需要實時查看心電圖，則需要改用較大的點陣式液晶屏，但是耗電量增加到幾倍至幾十倍,無法達到較長的連續(xù)工作時間。故不采用實時查看心電圖的方式。
　　心電記錄儀使用兩節(jié)五號2AH鎳氫電池時,平均耗電小于20mA，充足電后可連續(xù)工作100小時，在15秒時間內更換電池，記錄儀工作不受任何影響。當電池的能量僅能工作30分鐘時有聲音提示。
3 附加的USB接口電路
　　如圖2所示，USB接口電路提供兩種功能，一是提供PC機的USB接口與記錄儀的高速串行通信接口，可讀取Flash數(shù)據(jù)或對記錄儀進行初始化設置。二是提供PC機的USB接口作為直接讀取Flash數(shù)據(jù)存儲器板接口，更換存儲器板能進一步為短暫心電異常病人提供更好的家庭服務。USB接口電路主要由CYGNAL公司的USB轉UART的單芯片橋接器CP2101、MSP430F149單片機和電源芯片SE117-3.3V等組成。單片機的一個UART口與CP2101相聯(lián)，另一個UART口與記錄儀相聯(lián)，其最高通信速率可達900kbps。
4 軟件設計
　　心電記錄儀軟件的主要任務是心電數(shù)據(jù)采集、對閃速存儲器的存儲控制、電池電壓及時間顯示和電極脫落或故障時報警以及與微機的數(shù)據(jù)串行通信等。
　　軟件以5sps采樣速率控制A/D采樣，對采集來的ECG信號進行峰值檢測和運算，以頁為單位動態(tài)調整A/D轉換的參考電壓以得到最佳A/D轉換動態(tài)范圍，并將12位A/D轉換數(shù)字增加四位二進制數(shù)字編碼成為兩字節(jié)，按一定規(guī)則去掉連續(xù)重復的數(shù)據(jù)以增加存儲空間，以頁為單位加入時間標記和動態(tài)調整系數(shù)等參數(shù)。將這些數(shù)據(jù)全部存儲于閃速存儲器中，通過串口或存儲器板輸入到微機中。使用專門設計的程序，在微機中將按一定規(guī)則去掉的連續(xù)重復的數(shù)據(jù)恢復，再根據(jù)醫(yī)生的需要通過各種算法提取各種參數(shù)，并顯示圖形和參數(shù)，供醫(yī)生通過微機進行心電波形的處理、顯示、分析和診斷。
　　本文介紹的微型心電記錄儀，硬件全部采用低功耗器件設計，并且對心電數(shù)據(jù)未采用任何壓縮算法，ECG信號的保真度高、記錄時間長。該記錄儀體積小、功耗低、病人攜帶方便，是一種經(jīng)濟實用的小型心電記錄儀。