低功耗超大存储容量的动态心电记录仪的设计_存储器论文
关键词：心电记录仪 低功耗 超大存储容量
由电极从人体表面测得的经放大后显示的波形称为心电图(electrocardiogram，简称ecg)。临床上，ecg是医生诊断心脏疾病的主要依据之一。由于一些异常心电信息只有在某些特定情况下才出现，因此对ecg进行长时期的记录有着极其重要的临床价值。目前国内的便携式ecg记录仪存储容量偏小[1～2]，最多能记录8小时的心电数据；使用微机控制[3]虽监控和分析性能优良，但其体积大，不适合家庭病人监护和救护车中、偏远地区以及野战部队的危重病人的抢救。因此，开发了低功耗大存储容量的小型动态心电记录仪，该记录仪可完整地记录下24小时的ecg；功耗小，可使用便携式碱性电池供电，对于中小型医院、家庭以及在旅途中救护危重病人是有实用价值的。
1 心电记录仪主要器件
图1是小型心电记录仪的基本电路组成框图，该电路中全部芯片均采用低功耗芯片。
1.1 低功耗大容量flash存储器28f128j3
小型心电记录仪的数据存储采用intel公司的28f128j3 flash存储芯片。该芯片采用o.181μm etoxtmvⅡ(j3c)和0.25μm etoxtm vi(j3a)每单元存储两位的制造技术，使得存储器的质量和可靠性大大提高，存储密度更高。芯片采用高密度对称分块结构，有128个128k字节块。允许用户对任意块进行字节编程和写缓冲器字节编程操作，每字节编程时间为210μs；若采用写缓冲器字节编程方式，32字节编程共需218μs，每字节编程时间仅为6.8μs。芯片的块擦除时间为1s，允许在编程或块擦除操作的同时进行悬挂中断去进行读操作，待读操作完成后，写入悬挂恢复命令，再继续编程或块擦除。芯片的读操作类似于eeprom，读取速度为25ns。芯片使用2.7v～3.6v的电源电压，最大工作电流为80ma，在休眠模式下电流仅为50μa。同时，其功耗非常小。它的存储容量为128mb，即16mbyte，是一种低功耗、高密度、非易失的动态心电数据采集和存储介质，非常适合作为小型动态心电记录仪的数据存储器。
本仪器选用四片28f128j3 flash存储芯片，合计存储容量为64mbyte。按每分钟采样200次心电信号计算，24小时需存储的每导ecg数据容量大约为17mbyte，三导联ecg数据大约51mbyte，完全可以满足要求。在软件设计上，采用循环记录的形式，当64mbyte记录完毕时，擦除一个扇区，再写入新的心电数据。所以该仪器记录的总是最新的24小时的心电数据。
1.2 低功耗单片机w78le54
w78le54是winbond公司推出的一款与mcs-8051全兼容的宽电源电压范围(2.4v～5.5v)的低功耗8位单片机。该芯片内含16kbyte的flash eprom，256byte的ram，4个8位双向i/o口，4位可位寻址的双向i/o口，3个16位定时器/计数器，硬件看门狗，1个串行口，8个中断源。正常工作电流不大于10ma，将单片机设置为低功耗休眠运行模式，则工作电流仅为1.5ma。而mcs-8051单片机的工作电流最大为40ma，休眠工作模式电流为14ma。而且，w78le54内含程序存储器，因此读操作功耗小，不需要采用文献[1]所述的减小存储器功耗的方法；同时单片机内含程序存储器，对电磁干扰的抵抗能力更强。可见，w78le54单片机的总体功耗远小于mcs-8051系列单片机。选择w78le54作为cpu芯片是基于低功耗设计思路的。
1.3 低功耗、全自治式单片12位a/d转换器
m12l458是美国国家半导体公司于1999年推出的低功耗、宽电压范围(3v～5v)的13位(12位+符号位)自治式a/d转换器。该a/d转换器的价格仅为普通12位a/d转换器的两倍，但综合性能大大高于普通12位a/d转换器。13位a/d转换器转换时间为7.7μs，最大功耗为15mw，在3.3v电压下典型工作电流为2.25ma，最大电流为3.5ma，待机电流为1.5μa，待机功耗为5μw。m12l458是一个全自治式a/d转换器，其内部包含一个指令ram和一个事件序列发生器，以及一个32字的fifo数据缓冲器，具有自校正功能。它通过16位或8位总线与微处理器接口，有中断请求与dma请求功能。芯片复位后或接收到一个cpu命令时，可以自动完成在线自校正，自校正参数存入自身的校正数据ram中。a/d转换器转换的数据先存放在fifo缓冲器中，最多可存放4组8路数据。当cpu接到中断或dma请求时，可以直接读fifo数据缓冲器，或通过dma控制器将数据一次传入cpu的内存，这样可大大节省cpu的a/d转换控制开销。
2 小型动态心电记录仪设计构架
从图1可以看出，记录仪的设计分为模拟心电信号的检测、放大与滤波、数字心电信号的存储与处理等部分。即通过导联输入心电信号，经放大与滤波、a/d转换后得到数字化的心电信号，送入单片机系统，由软件完成qrs波检测、处理以及存储，最后通过人机接口电路将心电波形显示在lcd屏幕上，或通过rs232接口送出检测的波形数据到微机中，供医生分析诊断。现分别加以介绍。
2.1 模拟心电信号的检测放大与滤波
将ag-agci电极贴在病人左臂、右臂和大腿上，从体表获得的心电信号经高精度、低功耗cmos运放lmc6035构成的前置放大器放大后，构成标准的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ导联输入ecg信号由模拟多路开关cd4052进行切换；选中的那一路ecg信号由低功耗仪器放大器ad620放大，经5阶全极点无直流误差的低通滤波器max280滤除高频干扰，再经一个用lmf90芯片设计的50hz陷波器进一步抑制电源干扰后，加到全自治式a/d转换器m12l458上进行a/d转换，从而得到数字化的心电信号。
2.2 数字心电信号的存储与处理
本文设计的心电记录仪的最大特点是超大存储容量，存储器由四片闪速存储芯片28f128j3组成，每片存储容量为16m字节，4片容量总共为64m字节存储空间。若以200hz采样频率计算，每导ecg 24小时存储大约17m字节数据，三导联ecg数据大约为51m字节。为了高保真地记录心电数据，医生一般不希望进行数据压缩，故不采用任何数据压缩方法，直接记录原始心电数据。
2.2.1 大容量闪存28f128j3与单片机w78le54的硬件接口
由于28f128j3需寻址16m字节空间，需要24根地址线，但8位单片机w78le54只有16根地址线，可直接寻址64k字节空间，因此，低16位地址(a0～a15)与单片机地址线正常相接，通过p0口外接低功耗高速8d锁存器74hc377扩展高位地址线(a16～a23)，使单片机的寻址能力达16m字节，4片28f128j3的片选信号y0～y3由p1口通过74hcl38译码器产生。具体电路连接框图见图2。
2.2.2 软件设计
心电记录仪软件的主要任务是心电数据采集、qrs检测、对闪速存储器的存储控制、心率数字显示与报警以及与微机的数据串行通信。软件以5ms采样速率控制a/d采样，对采集来的ecg信号进行非线性变换和积分，形成能量峰，再用改进的自适应双阈值峰值检测算法进行qrs检测，定出rr间期，取其导数为瞬时心率，然后以当前4个心搏的平均心率为新的心率值[4]。将这些数据都存储于闪速存储器中，以备医生通过串口输入到微机中进行心电波形的回放、分析、诊断和处理。
本文介绍的心电记录仪，硬件全部采用低功耗器件设计，具有存储容量大、功耗低、体积小、可靠性高的特点。而且对心电数据未采用任何压缩算法，ecg信号的保真度高、记录时间长，是一种可供读者参考的小型心电记录仪。