摘 要: 介紹了由低功耗" title="低功耗">低功耗大容量Flash閃速存儲器K9K2G08及低功耗單片機MSP430F149等組成的微型低功耗大容量心電" title="心電">心電記錄儀的設計,，有效地解決了Holter需要大存儲容量與低功耗的問題,。該記錄儀可完整地記錄超過200小時的心電信息，具有體積小、功耗低的特點,，可在需要的時候將數據傳送到PC機中查看和分析心電圖,，特別適合于家庭監(jiān)護和心電短暫異常病人的疾病診斷,。
關鍵詞: 動態(tài)心電記錄儀 大容量Flash存儲器 低功耗單片機
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常規(guī)心電圖記錄儀是醫(yī)生診斷心臟疾病的主要手段之一,但它僅能記錄短暫心搏情況,。由于在相當多的情況下難以記錄到即刻發(fā)作時的心電圖改變，導致無法作出正確的診斷和治療,。因此對病人進行長時間的心電圖記錄有著極其重要的臨床價值,。而微型動態(tài)心電記錄儀能及時記錄到普通心電圖檢測時病人不易出現的短暫異常心電活動，為臨床分析病情提供重要客觀依據[1],。目前的便攜式心電記錄儀存儲容量偏小[2],，最多只能記錄八小時的心電數據;而微機控制的監(jiān)控分析儀，雖然性能優(yōu)良[3],，但其體積大,，不適合病人家庭監(jiān)護及心電短暫異常病人攜帶。因此開發(fā)了低功耗大存儲容量的微型動態(tài)心電記錄儀,，該記錄儀可完整地記錄下超過200小時的心電信息;且功耗低,，使用常見的五號兩節(jié)鎳氫、堿性或普通干電池供電,，適合于中小型醫(yī)院以及家庭使用,。
1 心電記錄儀主要器件
圖1是微型心電記錄儀的基本電路組成框圖，該電路中全部芯片均為3.3V低電源電壓,、低功耗芯片,，整機耗電約12mA×3.3V,。
1.1 低功耗大容量Flash存儲器K9K2G08
微型心電記錄儀的數據存儲器采用三星公司的NAND結構的Flash數據存儲器件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/數據的讀寫和擦除,。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,，隨機讀數的時間為25μs, 連續(xù)讀數的時間為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,，數據保存時間可達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)數據存儲介質,，非常適合作為動態(tài)心電記錄儀的數據存儲器，平均功耗小于2mA×3.3V,。
按每分鐘采樣200次心電信號" title="心電信號">心電信號計算,，24小時需存儲的數據容量大約為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)重復的數據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,，再寫入新的心電數據,。所以該儀器記錄的總是最近幾天的心電數據。
當PC機通過USB接口讀記錄儀時,，對于256M數據,，大約需要30分鐘。為此將Flash數據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據的存儲器板拔下插到USB接口電路" title="接口電路">接口電路上，如圖2所示,，由PC機讀取數據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" title="A/D">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控振蕩器產生的速度較快的400kHz時鐘信號,，其功耗小于3mA×3.3V。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據傳輸，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,、數字心電信號的存儲與處理等部分,。即通過導聯輸入心電信號，經放大與濾波,、A/D轉換后得到數字化的心電信號,，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據到微機中,，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,，經低通濾波器濾除高頻干擾，再經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，從而得到數字化的心電信號,。
2.2 數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據,，醫(yī)生一般不希望進行數據壓縮,，故不采用任何數據壓縮方法，直接記錄原始12位二進制心電數據,。K9K2G08通過分時復用I/O口完成命令/地址/數據的讀寫和擦除,。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,，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的數據存儲。
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,、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數據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數據存儲器板接口，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,，另一個UART口與記錄儀相聯,，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據采集,、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據串行通信等。
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轉換數字增加四位二進制數字編碼成為兩字節(jié),，按一定規(guī)則去掉連續(xù)重復的數據以增加存儲空間,，以頁為單位加入時間標記和動態(tài)調整系數等參數。將這些數據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)重復的數據恢復,，再根據醫(yī)生的需要通過各種算法提取各種參數,，并顯示圖形和參數，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,，并且對心電數據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,，是一種經濟實用的小型心電記錄儀,。
參考文獻
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