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(chǔ)器K9K2G08
　　微型心電記錄儀的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用三星公司的NAND結(jié)構(gòu)的Flash數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器件K9K2G08。該存儲(chǔ)芯片是目前容量較大的Flash芯片之一，單片容量達(dá)256M＋8M字節(jié)。存儲(chǔ)器按頁(yè)進(jìn)行讀寫(xiě)，按塊擦除，通過(guò)分時(shí)復(fù)用I/O口完成命令/地址/數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)和擦除。K9K2G08存儲(chǔ)芯片由2048個(gè)塊(block)組成，每個(gè)塊有64頁(yè)，每頁(yè)有2K+64字節(jié)，另有2K+64字節(jié)的緩沖RAM。如表1所示，對(duì)每一頁(yè)的尋址需要通過(guò)I/O口送出五個(gè)地址，第三至第五行地址(A11～A27)指明尋址到某一頁(yè)，第一、第二列地址指明尋址到頁(yè)的指定區(qū)中某一字節(jié)。

　　該存儲(chǔ)器允許用戶對(duì)任意頁(yè)或字進(jìn)行編程和寫(xiě)緩沖操作，隨機(jī)讀數(shù)的時(shí)間為25μs, 連續(xù)讀數(shù)的時(shí)間為50ns。芯片的塊擦除時(shí)間為2ms，編程時(shí)間為300μs，擦除/編程循環(huán)高達(dá)10萬(wàn)次，數(shù)據(jù)保存時(shí)間可達(dá)10年。芯片使用2.7V～3.6V的電源電壓，讀寫(xiě)工作時(shí)電流為10mA，在待機(jī)方式下電流僅為50μA，功耗非常小。它的存儲(chǔ)容量為256M字節(jié)，是一種低功耗、高密度、非易失的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)，非常適合作為動(dòng)態(tài)心電記錄儀的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，平均功耗小于2mA3.3V。
　　按每分鐘采樣200次心電信號(hào)計(jì)算，24小時(shí)需存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)容量大約為34M，256M容量的存儲(chǔ)器存儲(chǔ)時(shí)間可超過(guò)180小時(shí)，按一定規(guī)律去掉連續(xù)重復(fù)的數(shù)據(jù)后存儲(chǔ)時(shí)間甚至可超過(guò)500小時(shí),可以滿足要求。同時(shí)在軟件設(shè)計(jì)上采用循環(huán)記錄的形式，當(dāng)256M記錄完畢時(shí)，擦除一個(gè)塊，再寫(xiě)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(dāng)PC機(jī)通過(guò)USB接口讀記錄儀時(shí)，對(duì)于256M數(shù)據(jù)，大約需要30分鐘。為此將Flash數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器焊接在單獨(dú)的印制板上并加抗靜電封裝，與單片機(jī)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(chǔ)器板拔下插到USB接口電路上，如圖2所示，由PC機(jī)讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行心電波形的處理、顯示、分析。而且可以在極短的時(shí)間內(nèi)更換存儲(chǔ)器板，而不耽誤病人使用。存儲(chǔ)器板上設(shè)置接入標(biāo)識(shí)、容量標(biāo)識(shí)等硬件標(biāo)志，單片機(jī)能識(shí)別出是否插上存儲(chǔ)器板及其容量。存儲(chǔ)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(jī)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(jī)。該芯片內(nèi)含60KByte的Flash EPROM以及2KByte的RAM。有一個(gè)性能齊全的基礎(chǔ)時(shí)鐘模塊，包括一個(gè)數(shù)控振蕩器(DCO)和兩個(gè)晶體振蕩器。另外還包括硬件看門(mén)狗、三個(gè)捕獲/比較寄存器的16位定時(shí)器Timer_A3、七個(gè)捕獲/比較寄存器的16位定時(shí)器Timer_B7、8通道12位A/D轉(zhuǎn)換器ADC12和兩個(gè)串行通信接口等。
　　特別值得一提的是其低功耗應(yīng)用。采用外接低速晶振32768Hz產(chǎn)生準(zhǔn)確的定時(shí)信號(hào)和設(shè)置異步握手通信波特率，而A/D轉(zhuǎn)換及運(yùn)行使用內(nèi)部數(shù)控振蕩器產(chǎn)生的速度較快的400kHz時(shí)鐘信號(hào)，其功耗小于3mA3.3V。另加一個(gè)8MHz高速晶振，平時(shí)關(guān)閉不工作，當(dāng)USB接口電路接上時(shí)，由USB接口電路提供電源，這時(shí)單片機(jī)根據(jù)握手信號(hào)指令啟動(dòng)高速晶振，按指令要求設(shè)置合適的波特率進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸，無(wú)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(shè)計(jì)的最佳方案。
2 微型動(dòng)態(tài)心電記錄儀的結(jié)構(gòu)
　　由圖1可以看出，記錄儀的設(shè)計(jì)分為模擬心電信號(hào)的檢測(cè)、放大與濾波、數(shù)字心電信號(hào)的存儲(chǔ)與處理等部分。即通過(guò)導(dǎo)聯(lián)輸入心電信號(hào)，經(jīng)放大與濾波、A/D轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字化的心電信號(hào)，送入單片機(jī)系統(tǒng)，由軟件完成處理以及存儲(chǔ)，最后通過(guò)UART接口或存儲(chǔ)器板送出檢測(cè)的波形數(shù)據(jù)到微機(jī)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(hào)的檢測(cè)放大與濾波
　　心電信號(hào)由三片高精度低功耗運(yùn)放MAX4240構(gòu)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(jìn)一步抑制電源干擾后，輸入到MSP430F149中進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，從而得到數(shù)字化的心電信號(hào)。
2.2 數(shù)字心電信號(hào)的存儲(chǔ)與處理
　　本文設(shè)計(jì)的心電記錄儀的最大特點(diǎn)是存儲(chǔ)容量大，存儲(chǔ)器由一片256M閃速存儲(chǔ)芯片K9K2G08構(gòu)成。為了高保真地記錄心電數(shù)據(jù)，醫(yī)生一般不希望進(jìn)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(jìn)制心電數(shù)據(jù)。K9K2G08通過(guò)分時(shí)復(fù)用I/O口完成命令/地址/數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)和擦除。因此通過(guò)可插拔接口直接與單片機(jī)MSP430F149相連進(jìn)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(dá)90%以上，輸入電壓低到0.7V還能工作。
　　為了準(zhǔn)確分析信息，加入時(shí)間參數(shù)，采用I²C接口的PCF8583時(shí)鐘芯片，并加后備電源，將當(dāng)前完成的Flash頁(yè)寫(xiě)入地址保存在PCF8583的備用RAM中，每次開(kāi)機(jī)或斷電都會(huì)按日期、時(shí)間順序進(jìn)行Flash的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。
　　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(yè)數(shù)、電池的容量、日期和時(shí)間等。如果需要實(shí)時(shí)查看心電圖，則需要改用較大的點(diǎn)陣式液晶屏，但是耗電量增加到幾倍至幾十倍,無(wú)法達(dá)到較長(zhǎng)的連續(xù)工作時(shí)間。故不采用實(shí)時(shí)查看心電圖的方式。
　　心電記錄儀使用兩節(jié)五號(hào)2AH鎳氫電池時(shí),平均耗電小于20mA，充足電后可連續(xù)工作100小時(shí)，在15秒時(shí)間內(nèi)更換電池，記錄儀工作不受任何影響。當(dāng)電池的能量?jī)H能工作30分鐘時(shí)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(jī)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?qū)τ涗泝x進(jìn)行初始化設(shè)置。二是提供PC機(jī)的USB接口作為直接讀取Flash數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器板接口，更換存儲(chǔ)器板能進(jìn)一步為短暫心電異常病人提供更好的家庭服務(wù)。USB接口電路主要由CYGNAL公司的USB轉(zhuǎn)UART的單芯片橋接器CP2101、MSP430F149單片機(jī)和電源芯片SE117-3.3V等組成。單片機(jī)的一個(gè)UART口與CP2101相聯(lián)，另一個(gè)UART口與記錄儀相聯(lián)，其最高通信速率可達(dá)900kbps。
4 軟件設(shè)計(jì)
　　心電記錄儀軟件的主要任務(wù)是心電數(shù)據(jù)采集、對(duì)閃速存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)控制、電池電壓及時(shí)間顯示和電極脫落或故障時(shí)報(bào)警以及與微機(jī)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(duì)采集來(lái)的ECG信號(hào)進(jìn)行峰值檢測(cè)和運(yùn)算，以頁(yè)為單位動(dòng)態(tài)調(diào)整A/D轉(zhuǎn)換的參考電壓以得到最佳A/D轉(zhuǎn)換動(dòng)態(tài)范圍，并將12位A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字增加四位二進(jìn)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(fù)的數(shù)據(jù)以增加存儲(chǔ)空間，以頁(yè)為單位加入時(shí)間標(biāo)記和動(dòng)態(tài)調(diào)整系數(shù)等參數(shù)。將這些數(shù)據(jù)全部存儲(chǔ)于閃速存儲(chǔ)器中，通過(guò)串口或存儲(chǔ)器板輸入到微機(jī)中。使用專門(mén)設(shè)計(jì)的程序，在微機(jī)中將按一定規(guī)則去掉的連續(xù)重復(fù)的數(shù)據(jù)恢復(fù)，再根據(jù)醫(yī)生的需要通過(guò)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(guò)微機(jī)進(jìn)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(shè)計(jì)，并且對(duì)心電數(shù)據(jù)未采用任何壓縮算法，ECG信號(hào)的保真度高、記錄時(shí)間長(zhǎng)。該記錄儀體積小、功耗低、病人攜帶方便，是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的小型心電記錄儀。