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低功耗超大存儲容量的動態(tài)心電記錄儀的設(shè)計
摘要：介紹了一種由低功耗超大容量Flash閃速存儲器28F128J3及低功耗單片機W78LE54組成的小型動態(tài)心電記錄儀的總體設(shè)計思路。該方法有效地解決了全息Holter中存在的大容量存儲與低功耗的問題。該記錄儀可完整地記錄24小時的三導(dǎo)聯(lián)ECG信息，具有體積小、功耗小的特點，適用于家庭監(jiān)護和危重病人的搶救。關(guān)鍵詞：心電記錄儀低功耗超大存儲容量
由電極從人體表面測得的經(jīng)放大后顯示的波形稱為心電圖(Electrocardiogram，簡稱ECG)。臨床上，ECG是醫(yī)生診斷心臟疾病的主要依據(jù)之一。由于一些異常心電信息只有在某些特定情況下才出現(xiàn)，因此對ECG進行長時期的記錄有著極其重要的臨床價值。目前國內(nèi)的便攜式ECG記錄儀存儲容量偏小[1～2]，最多能記錄8小時的心電數(shù)據(jù)；使用微機控制[3]雖監(jiān)控和分析性能優(yōu)良，但其體積大，不適合家庭病人監(jiān)護和救護車中、偏遠地區(qū)以及野戰(zhàn)部隊的危重病人的搶救。因此，開發(fā)了低功耗大存儲容量的小型動態(tài)心電記錄儀，該記錄儀可完整地記錄下24小時的ECG信息；功耗小，可使用便攜式堿性電池供電，對于中小型醫(yī)院、家庭以及在旅途中救護危重病人是有實用價值的。
1心電記錄儀主要器件
圖1是小型心電記錄儀的基本電路組成框圖，該電路中全部芯片均采用低功耗芯片。
1.1低功耗大容量Flash存儲器28F128J3
小型心電記錄儀的數(shù)據(jù)存儲采用Intel公司的28F128J3Flash存儲芯片。該芯片采用O.181μmETOXTMVⅡ(J3C)和0.25μmETOXTMVI(J3A)每單元存儲兩位的制造技術(shù)，使得存儲器的質(zhì)量和可靠性大大提高，存儲密度更高。芯片采用高密度對稱分塊結(jié)構(gòu)，有128個128K字節(jié)塊。允許用戶對任意塊進行字節(jié)編程和寫緩沖器字節(jié)編程操作，每字節(jié)編程時間為210μs；若采用寫緩沖器字節(jié)編程方式，32字節(jié)編程共需218μs，每字節(jié)編程時間僅為6.8μs。芯片的塊擦除時間為1s，允許在編程或塊擦除操作的同時進行懸掛中斷去進行讀操作，待讀操作完成后，寫入懸掛恢復(fù)命令，再繼續(xù)編程或塊擦除。芯片的讀操作類似于EEPROM，讀取速度為25ns。芯片使用2.7V～3.6V的電源電壓，最大工作電流為80mA，在休眠模式下電流僅為50μA。同時，其功耗非常小。它的存儲容量為128Mb，即16Mbyte，是一種低功耗、高密度、非易失的動態(tài)心電數(shù)據(jù)采集和存儲介質(zhì)，非常適合作為小型動態(tài)心電記錄儀的數(shù)據(jù)存儲器。
本儀器選用四片28F128J3Flash存儲芯片，合計存儲容量為64Mbyte。按每分鐘采樣200次心電信號計算，24小時需存儲的每導(dǎo)ECG數(shù)據(jù)容量大約為17Mbyte，三導(dǎo)聯(lián)ECG數(shù)據(jù)大約51Mbyte，完全可以滿足要求。在軟件設(shè)計上，采用循環(huán)記錄的形式，當64Mbyte記錄完畢時，擦除一個扇區(qū)，再寫入新的心電數(shù)據(jù)。所以該儀器記錄的總是最新的24小時的心電數(shù)據(jù)。
1.2低功耗單片機W78LE54
W78LE54是Winbond公司推出的一款與MCS-8051全兼容的寬電源電壓范圍(2.4V～5.5V)的低功耗8位單片機。該芯片內(nèi)含16Kbyte的FlashEPROM，256byte的RAM，4個8位雙向I/O口，4位可位尋址的雙向I/O口，3個16位定時器/計數(shù)器，硬件看門狗，1個串行口，8個中斷源。正常工作電流不大于10mA，將單片機設(shè)置為低功耗休眠運行模式，則工作電流僅為1.5mA。而MCS-8051單片機的工作電流最大為40mA，休眠工作模式電流為14mA。而且，W78LE54內(nèi)含程序存儲器，因此讀操作功耗小，不需要采用文獻[1]所述的減小存儲器功耗的方法；同時單片機內(nèi)含程序存儲器，對電磁干擾的抵抗能力更強。可見，W78LE54單片機的總體功耗遠小于MCS-8051系列單片機。選擇W78LE54作為CPU芯片是基于低功耗設(shè)計思路的。
1.3低功耗、全自治式單片12位A/D轉(zhuǎn)換器
M12L458是美國國家半導(dǎo)體公司于1999年推出的低功耗、寬電壓范圍(3V～5V)的13位(12位+符號位)自治式A/D轉(zhuǎn)換器。該A/D轉(zhuǎn)換器的價格僅為普通12位A/D轉(zhuǎn)換器的兩倍，但綜合性能大大高于普通12位A/D轉(zhuǎn)換器。13位A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時間為7.7μs，最大功耗為15mW，在3.3V電壓下典型工作電流為2.25mA，最大電流為3.5mA，待機電流為1.5μA，待機功耗為5μW。M12L458是一個全自治式A/D轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部包含一個指令RAM和一個事件序列發(fā)生器，以及一個32字的FIFO數(shù)據(jù)緩沖器，具有自校正功能。它通過16位或8位總線與微處理器接口，有中斷請求與DMA請求功能。芯片復(fù)位后或接收到一個CPU命令時，可以自動完成在線自校正，自校正參數(shù)存入自身的校正數(shù)據(jù)RAM中。A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)先存放在FIFO緩沖器中，最多可存放4組8路數(shù)據(jù)。當CPU接到中斷或DMA請求時，可以直接讀FIFO數(shù)據(jù)緩沖器，或通過DMA控制器將數(shù)據(jù)一次傳入CPU的內(nèi)存，這樣可大大節(jié)省CPU的A/D轉(zhuǎn)換控制開銷。
2小型動態(tài)心電記錄儀設(shè)計構(gòu)架
從圖1可以看出，記錄儀的設(shè)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(dǎo)聯(lián)輸入心電信號，經(jīng)放大與濾波、A/D轉(zhuǎn)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QRS波檢測、處理以及存儲，最后通過人機接口電路將心電波形顯示在LCD屏幕上，或通過RS232接口送出檢測的波形數(shù)據(jù)到微機中，供醫(yī)生分析診斷�，F(xiàn)分別加以介紹。
2.1模擬心電信號的檢測放大與濾波
將Ag-AgCI電極貼在病人左臂、右臂和大腿上，從體表獲得的心電信號經(jīng)高精度、低功耗CMOS運放LMC6035構(gòu)成的前置放大器放大后，構(gòu)成標準的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ導(dǎo)聯(lián)輸入ECG信號由模擬多路開關(guān)CD4052進行切換；選中的那一路ECG信號由低功耗儀器放大器AD620放大，經(jīng)5階全極點無直流誤差的低通濾波器MAX280濾除高頻干擾，再經(jīng)一個用LMF90芯片設(shè)計的50Hz陷波器進一步抑制電源干擾后，加到全自治式A/D轉(zhuǎn)換器M12L458上進行A/D轉(zhuǎn)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(shè)計的心電記錄儀的最大特點是超大存儲容量，存儲器由四片閃速存儲芯片28F128J3組成，每片存儲容量為16M字節(jié)，4片容量總共為64M字節(jié)存儲空間。若以200Hz采樣頻率計算，每導(dǎo)ECG24小時存儲大約17M字節(jié)數(shù)據(jù)，三導(dǎo)聯(lián)ECG數(shù)據(jù)大約為51M字節(jié)。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，直接記錄原始心電數(shù)據(jù)。
2.2.1大容量閃存28F128J3與單片機W78LE54的硬件接口
由于28F128J3需尋址16M字節(jié)空間，需要24根地址線，但8位單片機W78LE54只有16根地址線，可直接尋址64K字節(jié)空間，因此，低16位地址(A0～A15)與單片機地址線正常相接，通過P0口外接低功耗高速8D鎖存器74HC377擴展高位地址線(A16～A23)，使單片機的尋址能力達16M字節(jié)，4片28F128J3的片選信號Y0～Y3由P1口通過74HCl38譯碼器產(chǎn)生。具體電路連接框圖見圖2。
2.2.2軟件設(shè)計
心電記錄儀軟件的主要任務(wù)是心電數(shù)據(jù)采集、QRS檢測、對閃速存儲器的存儲控制、心率數(shù)字顯示與報警以及與微機的數(shù)據(jù)串行通信。軟件以5ms采樣速率控制A/D采樣，對采集來的ECG信號進行非線性變換和積分，形成能量峰，再用改進的自適應(yīng)雙閾值峰值檢測算法進行QRS檢測，定出RR間期，取其導(dǎo)數(shù)為瞬時心率，然后以當前4個心搏的平均心率為新的心率值[4]。將這些數(shù)據(jù)都存儲于閃速存儲器中，以備醫(yī)生通過串口輸入到微機中進行心電波形的回放、分析、診斷和處理。
本文介紹的心電記錄儀，硬件全部采用低功耗器件設(shè)計，具有存儲容量大、功耗低、體積小、可靠性高的特點。而且對心電數(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，是一種可供讀者參考的小型心電記錄儀。
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