（计算机系统结构专业论文）便携式心电图仪存储与控制模块设计与实现.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要： 心血管疾病是目前对人类危害最大的种疾病，而便携式心电图仪是心血管 疾病患者进行自主病情观察和初步诊断的必备工具之一。 本课题从便携式心电图仪两个最主要的特性小体积和低功耗出发，设计 实现了一款基于s i l i c o nl a b o r a t o r i e si n c 公司c 8 0 51 f 系列微控制器的便 携式心电图仪。该心电图仪具备完善的心电处理功能，包括实时采集、滤波、存 储、显示和打印等功能，另外通过u s b 接口可以将存储的心电数据传送至p c ，进 行进一步的心电诊断和分析。 本论文首先论证了系统的总体设计方案：系统由三个功能相对独立的模块组 成，分别为采集模块、存储与控制模块和显示模块，每个模块由相应的微控制器 控制，微控制间通过u a r t 进行通信。该设计方案，充分利用了c 8 0 5 1 f 系列微控 制器片上系统的特性，尽量减少系统外扩芯片的数量。而且这种多微控制器协同 工作的设计方式允许微处理器根据自身任务的情况运行于低功耗甚至休眠状态， 能够显著降低系统功耗，延长产品待机时间。 其次，本文详细介绍了系统的核心模块存储与控制模块的软硬件设计与 实现。硬件设计方面，通过对本系统的需求分析确定了该模块微控制器型号以及 完成预采集存储系统、主存储系统和系统实时时钟功能需要扩展的外围芯片，并 给出了微控制器和这些外围芯片的接口电路；在软件设计上，基于前后台系统的 编程思想将存储控制模块的任务进行划分，完成了以下功能：1 、心电存储功能包 括预采集存储系统和主存储系统，其中预采集存储功能是本系统特有的心电采集 功能，它通过对心电信号的不间断采集和存储，使用户可以浏览实际采集之前的 心电波形，有利于更好的进行病情分析；2 、设计实现了多微控制器之间的串行通 讯协议；3 、系统的实时时钟功能；4 、系统面向p c 的u s b 通信功能等。 论文最后介绍了固件在应用程序更新的概念及其实现原理，以及该功能在本 系统中的具体设计与实现。 关键词：心电图仪；液晶显示；u s b 传送；在应用程序更新 分类号：t h 7 7 2 4 a b s t r a ( 丌 a b s t r a c t a b s t r a c l ： c a r d i o v a s c u l a rd i s e a s ei sc a l l e dt h eh e a l t h yk i l l e ra n dal a r g en u m b e ro fp e o p l ea r e s u f f e r i n gf r o mi t t h ep o r t a b l ee c g d e v i c ei st h ee s s e n t i a lt o o lw h i c ht h ep a t i e n t sn e e d f o rp r e l i m i n a r yd i a g n o s i sa n dc a nb eu s e dc o n v e n i e n t l ya th o m e s m a l ls i z ea n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o na r et h et w oi m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h e p o r t a b l ee c gd e v i c e s t a r t i n gf r o mt h a t ，w ed e s i g nak i n do fp o r t a b l ee c g d e v i c e w h i c hi sb a s e do nt h ec 8 0 51fs e r i e sm i c r o c o n t r o l l e r so fs i l i c o nl a b o r a t o r i e s i n c c o m p a n y t h i sp o r t a b l ee c g d e v i c eh a sp e r f e c tf u n c t i o n sf o rp r o c e s s i n ge c g d a t a i n c l u d i n gr e a l t i m ec o l l e c t i o n ，f i l t e r i n g ，s t o r a g e ，d i s p l a y , p r i n t a n d o n a d d i t i o n a l l y , t h ed e v i c es u p p o r t st r a n s m i s s i o ne c g d a t at op cf o rf u r t h e rd i a g n o s i sa n d a n a l y s i st h r o u g hu s b i n t e r f a c e f i r s t l y , i nt h i sp a p e r , w ew i l lp r e s e n tt h eo v e r a l ld e s i g ns c h e m eo ft h es y s t e m t h e s y s t e mi sm a d eu po ft h r e ef u n c t i o n a lm o d u l e s ：s a m p l em o d u l e ，s t o r i n ga n dc o n t r o l l i n g m o d u l ea n d d i s p l a y m o d u l e ，e a c hm o d u l e i sc o n t r o l l e d b yt h ec o r r e s p o n d i n g m i c r o c o n t r o l l e ra n dt h em i c r o c o n t r o l l e r sc o m m u n i c a t ew i t he a c ho t h e rt h r o u g hu a r t b a s e do nt h es y s t e m o n c h i pf e a t u r eo fc 8 0 51fs e r i e sm i c r o c o n t r o l l e r s ，o u rd e s i g n d e c r e a s e st h en u m b e ro fe x t e n d i n gc h i p m e a n w h i l e ，a c c o r d i n gt o o u rd e s i g n ，t h e m i c r o c o n t r o l l e rc a ns t a yi nt h el o wp o w e rc o n s u m p t i o ns t a t e o rs l e e ps t a t ew h e n n e c e s s a r y t h i sc a nl o w e rt h es y s t e mp o w e rc o n s u m p t i o na n dp r o l o n g t h ew o r k i n gt i m e o fp r o d u c to b v i o u s l y s e c o n d l y , t h i sp a p e r i n t r o d u c e st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o no ft h es t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gm o d u l ei n d e t a i l ，w h i c hi st h ek e r n e l m o d u l eo fs y s t e m i nh a r d w a r ed e s i g np a r t s ，t h r o u g hd e m a n da n a l y s i s ，w ea s c e r t a i nt h e m o d e lo fm i c r o c o n t r o l l e ra n dp e r i p h e r yc h i p st oe x t e n di no r d e rt oa c c o m p l i s ht h e f u n c t i o no fp r e a c q u i s i t i o ns t o r a g es y s t e m ，m a i ns t o r a g es y s t e ma n dr e a l - t i m ec l o c k ，a n d d e s i g n t h ei n t e r f a c ec i r c u i tb e t w e e nm i c r o c o n t r o l l e ra n dt h e s ep e r i p h e r yc h i p s i n s o f t w a r ed e s i g np a r t s ，b a s e do nt h ei d e ao ff o r e g r o u n d b a c k g r o u n dt a s ks c h e d u l e d ，w e s e p a r a t et h es y s t e mt a s ka n dc o m p l e t et h ef o l l o w i n gf u n c t i o n s ：f i r s t ，i tr e a l i z e st h e e c g d a t as t o r a g es y s t e m ，i n c l u d i n gp r e - a c q u i s i t i o ns t o r a g es y s t e ma n dm a i ns t o r a g es y s t e m p r e a c q u i s i t i o nf u n c t i o ni st h eu n i q u ef u n c t i o no ft h es y s t e m i ta l l o w su s e r st ob r o w s e e c gw a v e f o r mb e f o r et h ea c t u a la c q u i s i t i o nt h r o u g ht h ec o n t i n u o u se c gc o l l e c t i o n v 北京交通大学硕士学位论文 a n ds t o r a g e ，w h i c hc o n t r i b u t e st ob e t t e rc o n d i t i o n s f o rt h ea n a l y s i so ft h ed i s e a s e ； s e c o n d ， i t d e s i g n s a n d i m p l e m e n t s t h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s a m o n gt h e m u l t i - m i c r o p r o c e s s o r s ；t h i r d ，i ti m p l e m e n t st h ef u n c t i o no ft h es y s t e mr e a l - t i m ec l o c k ； f o u r t h ，i ti m p l e m e n t st h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e ne c gd e v i c ea n dp cv i au s b i n t e r f a c e f i n a l l y , t h et h e s i si n t r o d u c e st h ec o n c e p ta n dt h ep r i n c i p l eo fl a p ( i na p p l i c a t i o n p r o g r a m m i n g ) a n dh o w t od e s i g na n dr e a l i z ei nt h i ss y s t e m k e y w o r d s ：e c g ；l c d ；u s bt r a n s m i s s i o n ；l a p c l a s s n 0 ：t h 7 7 2 4 v l - 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 求健 导师签名： 签字日期：2 必g 年石月6 日签字日期：7 t 。降月6e t 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 景住 签字日期：矽年石月易日 致谢 本论文的工作是在我的导师陈连坤副教授的悉心指导下完成的。本论文从选 题、撰写、字斟句酌的修改，一直到最后定稿，倾注了陈老师大量的心血。他渊 博的知识、严谨的治学态度、科学的工作方法和精益求精的工作精神给了我极大 的帮助和影响，使我受益匪浅。 在两年的研究生学习期间，陈老师在生活、科研两方面，都给予我无微不至 的关怀。在我学习和课题研究遇到困难时给予我耐心指导，为我提供了难得的学 习和锻炼机会，使我在理论水平和实践能力方面都得到了很大的提高，在此衷心 感谢陈老师对我的关心和指导! 周洪利副教授在我攻读硕士研究生期间给予我无私的帮助和悉心的指导，在 此也表示衷心的感谢! 石又维同学负责本项目显示模块的设计与开发，崔晓琳同学负责本项目采集 模块的设计与开发，在开发过程中，我们互相学习，一起探讨项目中的难点，共 同进步。实验室的李云岗、赵宵、侯石岩、王嘉树和姚颖同学对我的学习和生活 也作出了许多帮助，在此向他们表达我的感激之情。 最后还要感谢我的家人，感谢他们一如既往理解和支持，使我能够顺利完成 学业。 综述 1 1 课题背景 1 综述 心血管疾病是一种常见多发慢性病，由于病情隐蔽、发展危险性高等特点， 使得心血管疾病成为死亡率最高的疾病之一，为当今社会的第一大健康杀手。 根据世界心脏联盟分析统计【，目前全球每年约有1 7 0 0 万人死于心血管疾病， 约占全球死亡人数的三分之一，预计到2 0 2 0 年这个数字将高达2 5 0 0 万人，死亡 原因将主要是致病性心律失常和急性心急梗塞。据北京市急救中心统计，7 0 以上 发病于家中或工作场所，大部分病人因失去抢救时间而死在院外，很多病人是由 于未及时发现病变延误了治疗而最终导致死亡。医学实践表明，对心血管疾病的 诊断、预防是行之有效的解决手段，尽早地发现心血管系统疾病征兆，及时地了 解心脏病状况，对疾病的预防和及时诊治具有重要的意义。 根据生物电位产生的机理【2 】，心脏的活动伴随着电位变化。由于人体的导电性 能，心脏的电位变化能够传到身体表面，因此在人体表面适当位置放置电极就可 以记录心脏活动的电位变化。心电图( e l e c t r o c a r d i o g r a m ，e c g ) 就是通过在体表放 置电极记录下来心脏活动过程的电位变化的图形，用来记录心电图的仪器称为心 电图机。常用的心电检测设备主要分两种即常规心电图机和动态心电图机。常规 心电图( e l e c t r o c a r d i o g r a m ，e c g ) 是病人在医院静卧情况下由心电图仪记录下的心 电活动p j ，它是在心动周期内由心脏电生理变化引起体表的几个点上记录几秒到几 十秒电位差随时间变化的图形，目前国际通用的是1 2 个导联，反映了额面和横面 上的心电变化，可以从不同角度观察心脏的活动情况，是临床中对心律失常、心 肌梗塞、心室肥大、心肌炎等心血管疾病的重要诊断手段。但常规心电图机往往 体积笨重、不便于携带，很难在急救状态下及时进行心电监护工作，而且这些心电 仪产品价格都十分昂贵，只有一些有实力的医院才有能力购买，对于一些规模有 限的医疗机构则是沉重的负担，没有得到良好的普及。另一方面，由于人体心脏 是持续而不间断地活动着，正常人2 4 小时心搏次数达1 0 万次左右，所以常规心 电图在有限的时间内对心律失常等病的发现率是很低的，尤其对很多病人在数天 或数周内才发生一次的一过性心电异常变化更难记录。动态心电图机则能够记录 病人处于正常生活、工作、活动条件时的心电变化，可以捕捉到初期潜在的心脏 疾病的心电信息1 4 1 。动态心电图系统分为两个部分。其一是心电信号采集，这是一 个由患者随身携带的小型心电信号采集数据记录设备。另个是心电数据回放分 北京交通大学硕士学位论文 析系统，一般由计算机及其相应的心电分析软件组成，因此，它不具备备实时分 析和显示等功能，使得许多突发性的急救任务由于不能及时得到病症诊断而延误 了抢救时机，从而丧失了宝贵的生命。 因此，发展兼具常规心电图机和动态心电图机特点的低功耗、便携式、低成 本的心电图仪具有重要的意义和广阔的应用前景，其既能够为临床诊治提供有价 值的诊断资料，同时对心脏疾病的早期预防和心脏功能的评估也非常有益。 1 2 便携式心电图仪发展现状及发展动向 目前国内各大医疗器械厂商和科研单位，都在心电图机的开发上投入了大量 的资源，并且都开发出了各具特色的便携式心电仪产品，如力康集团所研制的便 携式心电图机，如图1 1 。惠州科美思公司开发的便携式心电图仪，如图1 2 。清 华大学所开发的基于数字信号处理器的便携式心电监护仪等，但是还是没有得到 很好的普及，究其原因，作者认为存在于以下几个方面： ( 1 ) 提供的心电处理功能和记录的心电信息有限，医生从中难以得到全面的心 电信息，降低了医生对疾病诊断的正确率。 ( 2 ) 一般都采用了数字信号处理器作为心电数据分析的核心器件，而数据通 信、液晶显示、实时时钟、程序存储器等都需要外扩专门的功能器件，因而结构比 较复杂，体积比较大，同时功耗也比较大，价格比较昂贵，一般患者难以承受。 ( 3 ) 与之配套的监护网络和心电数据处理中心尚不完善。 图1 - 1 力康集团的d p 2 型产品样图 展望未来，随着电子技术和计算机技术的不断发展，便携式心电图仪会继续 向全信息、固态记录、多导联同步采集、多功能、低功耗、低成本、小体积等方 向发展。 综述 蓥“ 图1 - 2 惠州科美思e c g 1 2 2 0 产品样图 1 3 本文的主要内容 本论文中提出了一种基于多微控制器实现的1 2 导联同步采集的便携式心电图 仪，系统分三个功能模块：采集滤波模块、存储与控制模块以及显示模块，每个 模块功能由相应的微控制器控制实现，本论文重点介绍系统的设计方案和存储与 控制模块的设计和实现。将从以下四个方面展开介绍： ( 1 ) 系统总体方案的论证。介绍了系统要实现的功能，给出了三种系统实现方 案，并论证了各自的优缺点。 ( 2 ) 存储与控制模块的硬件设计和实现。详细介绍了存储控制模块微控制器的 选型，以及基于此微控制器的外围扩展电路的设计。 ( 3 ) 存储和控制模块软件设计和实现。这部分主要介绍了存储与控制模块软件 总体结构设计以及该模块各功能部分的软件实现。 ( 4 ) 固件在应用程序更新的原理和实现。 3 jri 北京交通大学硕士学位论文 2 系统总体结构 便携式心电图仪作为一种智能化的医用诊断仪器，是以微型计算机为核心构 建的系统，它的最终目的是面向市场和面向用户。因此，在系统总体结构设计、 研发实现的各个阶段必须考虑和兼顾各方面应用的特点和技术要求。 2 1 便携式心电图仪的设计原则 结合便携式设备和心电图仪自身的特点，本系统在总体结构设计时遵循以下 原则【5 j ： 1 电池供电 便携式设备的使用场所大多只能依靠电池供电。设计时应根据设备的使用环 境，充分考虑电池供电的负载能力、连续工作时间和电池的标准化、易采购性。 一般地，最好采用普通干电池供电，以利于随地采购。对于开机时间长、电流消 耗大、数据采集与处理频繁的便携式设备，可采用锂电池供电。 2 低功耗设计 由于采用电池供电，便携式设备的低功耗设计显得尤为重要。设计中应尽量 采用低电压、微功耗或低功耗器件，降低电路的电能耗，在电池容量固定的情况 下增加仪器工作的时间。并根据不同的功能允许一些器件进入休眠( 低功耗) 状 态，采取积极措施降低系统功耗。 3 简易性设计 目前大多数医护人员对计算机的操作掌握有限，因此具有良好的人机界面和 系统的易学、易用是对系统的基本要求。 4 准确性原则 人体的生物信号都是极其微弱的信号，非常容易受到人体静电和环境的干扰， 因此在系统结构设计时要采取措施以保证信号的不失真。 5 网络化设计 随着医学信息的网络化，需要医学仪器通过接口将医学信息传送到p c 机，通 过医院的网络就可以实现对医学信息的分散收集、统一管理、信息共享，从而提 高医院的工作质量和工作效率，这也是当今数字化医院的建设方向。 2 2系统功能简介 系统总体结构 根据临床应用的要求【6 】，心电图仪一般要完成以下功能： ( 1 ) 采集功能：实时采集心电信号。 ( 2 ) 数据存储功能：可根据要求存储正常或异常的心电数据。 ( 3 ) 显示功能：实时显示心电图形，浏览存储的心电数据。 ( 4 ) 通信功能：以通过通信网络上传心电数据，实现数据的进一步分析、处理。 在本系统功能设计中遵循了上述的原则和要求，设计和实现了以下功能： 1 任意设置导联：用户可以根据需求设定采集标准十二导联【5 】( i ，i i ，i i i ， a v r ，a v l ，a v f ，v 1 ，v 2 ，v 3 ，v 4 ，v 5 ，v 6 ) 中的任意一个或几个。 2 采集时间可设置：从实用的角度考虑，用户可以设置采集时间。 3 预采集功能：用户不必等到感到不适时才进行按键采集，而是可以一直不 断的进行心电信号的采集，待用户按键进行采集时，不仅将当前的采集数据进行 存储，而且可以将预采集中暂存在预采集存储器中的心电数据一并保存成心电文 件，从而更加有利于医院的诊断。 4 采集保存功能：将采集到的心电信号保存至心电数据主存储器中，若预采 集有效，则预采集存储器的数据将会被一并保存。 5 显示功能：可以实时显示采集的心电图形；可以浏览已保存的心电文件。 有两种显示模式：单导联显示和两导联显示，通过按键切换显示模式和更改要显 示的导联号。 6 与p c 通讯功能：可将保存到主存储器中的心电文件通过u s b 接口传送至 p c 机的诊断系统中；可以通过p c 机应用软件设置系统参数信息( 产品参数) 。 7 打印功能：可以打印主存储器中的心电文件。 8 通过电话传送功能：可将保存在心电仪中的心电信号进行调频处理，将其 调制成声音信号，然后用户通过电话线将此声音信号传送至医院解调后送至医院 诊断系统中。 9 。固件在应用程序更新功能：在产品发布后，可以通过u s b 接口进行固件 在应用程序更新。 2 3系统设计方案确定 便携式医学仪器与传统医学仪器在设计上的区别主要表现在：前者高度重视 微型化和低功耗设计，同时强化了操作的简单、实用、便捷( 智能化) 和通信等 功能。因此，在系统选型时，应尽可能地使系统具有安全可靠的性能、较小的体 积、较低的功耗和设计成本、较短的开发周期。而定制嵌入式系统的核心器件就 是微控制器的选择，合理选择恰当的微处理器是个复杂的工作，一般需要考虑以 北京交通大学硕士学位论文 下问题用。 1 低成本 对成本要求严格的项目一般选择畅销的、高度集成的部件。应选择一家能保 证在足够长的时间段内持续不断地供应处理器产品并能够提供军品级处理器的厂 商。 2 低功耗 对于功耗受限制的嵌入式系统，必须限制使用过多的外扩器件。当前微控制 器都在朝片上系统发展，微控制器内部已经集成了越来越多的外围电路的功能， 如刽d 、p a 、u s b 控制器、f l a s h 等，在设计电路时应分利用这些片上资源。 如果处理器的时钟频率可程控，则可以进一步降低功耗。 3 处理器的软件支持工具 选择合适的软件开发工具对系统的开发工作量有着很大的影响。 4 处理器是否内置调试工具 如果处理器内置调试工具则可以大大地缩短调试周期、降低调试的难度。 考虑到以上问题，结合目前市场上微控制器的片内外设的集成情况和心电仪 的功能特点，设计了如下三种方案： ( 1 ) 方案一：采用一片集成了a d 、d a 、1 2 c 、u s b 控制器和l c d 控制器的 a r m 微处理器，系统结构框图如图2 - 1 所示。 图2 - 1 系统设计方案一 此方案系统结构比较简单，充分利用了微控制器内部的片上外设，使得外围 电路设计比较简单，需要外扩的芯片达到了最少，在一定程度了降低了系统功耗。 但a r m 处理器是系统中唯一的处理器，只要系统启动就必须处于全速运行状态， 且其本身的运行频率较高，因此功耗相对于8 位微控制器来说较大。 系统总体结构 ( 2 ) 方案二：采用一片集成了l c d 控制器的a r m 微处理器和两片分别集成了 a dd a 、1 2 c 、u s b 控制器的8 位微处理器组成的多控制器系统，系统结构图如 图2 2 所示。 a r m 微处理器 液晶 i 打印机l k e y 8 位微控制器8 位微控制器 稠际 主蠢储ll 远蜚hl 端ii 霉簇 图2 2 系统设计方案二 此方案较方案一把心电信号的采集、存储和传输任务由两个8 位的微控制器 实现，而a r m 微处理器只负责完成心电信号的分析和显示任务。这样，可根据处 理器的任务执行状况，让暂不执行任务的处理器进入休眠( 低功耗) 状态，较方 案一可以在一定程度上降低系统功耗。 ( 3 ) 方案三：采用三片分别集成了a d 、d a 、1 2 c 、u s b 控制器的8 位微控制 器，在显示模块扩展一片s r a m 芯片，用于存储显示内容和字库信息，系统结构 图如图2 3 所示。 1 主存储器ll 打印机i 3300 1 伪彩色液jmm 8 位微控制器 8 位微控制器8 位微控制器 【嗍卜_ p i o p 1 0d au a r t l j u a r tu s b1 2 cu a r tl 一u a r t a d 厂 厂l 脚h 叫警 p c 卜jl 一柔磊蠢 实时 心电信号 时钟放大ji i h n 口 图2 - 3 系统设计方案三 此方案与方案二的区别在于将一片集成l c d 控制器的a r m 微处理器用一片 8 位的微控制器外扩一片s r a m 芯片替换，因为a r m 处理器工作时需外扩s d r a m 和f l a s h 作为程序存储器和数据存储器，使得工作电流较大，所以，方案三较方 7 北京交通大学硕士学位论文 案二相比能显著降低功耗。 基于以上方案论证和分析，我们选用方案三作为本次系统设计的整体方案。 系统基于3 个8 位微控制器协同工作构建，微控制器间通过u a r t 通讯。设计时 充分利用了微控制器集成的片上外设，最大限度减少外围扩展芯片，使系统具有 片上系统的特性。 2 4本章小结 本章主要介绍了便携式心电图仪的设计原则和本课题提出的便携式心电仪所 具备的基本功能，以及针对这些功能给出的系统的总体设计方案，讨论了这种方 案的一些优点。 存储与控制模块硬件设计 3 存储与控制模块硬件设计 3 1存储与控制模块微控制器选型 3 1 1需求分析 存储与控制模块是整个心电仪系统的核心模块，要负责实现心电数据的预采 集系统、主存储系统和整个系统的控制以及与p c 的通信工作，从而对该模块微控 制器的性能提出了一定的要求： 1 速度及处理能力 根据系统设计要实现1 2 导联心电信号的同步采集，采集模块的结构框图如图 3 1 所示，由图3 - 1 可知，1 2 导联心电采集需要1 0 个电极，其中，9 个为输入信号， 1 个输出信号。为了减少同步采集的数据量，在采集模块硬件电路设计中，通过差 分放大电路将9 路信号换算成8 路通道信号，由威尔逊导联系统原理，根据运算 放大电路可以将这8 路通道信号换算成1 2 导联心电数据信号，对应的转换公式见 附录c 所示。由此可见，实现同步1 2 导联心电采集，采集模块最多需要同步采集 8 个通道心电数据，即存储与控制模块每次采集最多需要处理8 通道数据。 r 驻屯亟区卜1 图3 - 1 心电采集模块结构框图 根据按照美国一i i , 脏病学会的规定【8 1 ，人体一t , e g 信号的频率主要介于0 0 5 h z 9 北京交通大学硕士学位论文 1 0 0 l - i z 之间，根据n y q u i s t 采样定律，为不使信号失真，要求心电数据采样频率大 于等于信号最高频率2 倍以上，这里我们设定心电信号的采集频率为5 0 0 点秒或 2 5 0 点秒，采集位数为8 位或者1 0 位。 系统采集方式为同步采集，即各有效通道同步采集，采集到通道数据采用拼 接方式通过u a r t 传送到存储与控制模块。拼接方法为，将每次采集的各有效通 道的数据拼接到连续的字节中，组成一个样点，样点以字节为单位，不足一字节空 闲。 由此得拼接后每个样点占用的字节数按公式3 1 计算。 设通道数n c h ，样点位数s b i t ，每样点字节数为b s m p ，则拼接后一个样点所占 的字节数为： b s m p ：m t ( n c hx s b i t + 0 9 9 9 9 ) ( 3 1 ) 实时采集时u a r t 每秒钟最大的数据量，设为b m 缸，则 = 最大采样频率一个样点所占最大字节数( 8 通道全有效、1 0 位采集) ：5 0 0 州螋+ 0 9 9 9 9 ) 、8 0 = 5 0 0 0 b 可见，要实现实时采集，微控制器在两次采集之间要处理完成大量的数据处 理工作包括心电数据的接收、存储、发送显示模块显示等，因此，要求微控制器 具有较高的运行频率，能够支持1 1 5 2 0 0 b p s 的串行通信波特率。 2 处理器接口 ( 1 ) u s b 功能控制器 根据系统功能分析，存储与控制模块要负责与p c 机通过u s b 通信，所以要 求微控制器最好能在片上集成u s b 功能控制器，以简化外围电路设计。 ( 2 ) 1 2 c 接口 由于存储控制模块要外扩一片基于1 2 c 的预采集存储器，要求片内最好集成 1 2 c 总线控制器。 ( 3 ) a d 转换 系统需要a d 3 转换器来检测外部接口的状态，具体见3 1 4 节详述，所以要求 微控制器片内集成a ，d 转换器。 3 1 2c 8 0 5 1 f 3 4 0 微控制器简介 总部位于美国德克萨斯州的c y g n a l 公司【9 1 ，是1 9 9 9 年3 月成立的一家新兴半 存储与控制模块硬件设计 导体公司，专业从事混合信号片上系统微控制器的设计与制造。c y n a l 公司现在归 属于s i l i c o nl a b o r a t o r i e s 其设计生产的c 8 0 5 1 f 微控制器集成了许多嵌入式系统的 许多先进技术，主要体现在以下几个方面： 1 高速的c i p 5 1 内核 c 8 0 5 1 f 系列微控制器使用c y g n a l 的专利c i p 5 1 内核。c i p 5 1 内核采用流水 线结构，与标准的8 0 5 1 结构相比，指令执行速度有很大提高。在相同时钟下， c 8 0 5 1 f 系列的单周期指令运行速度为m c s 5 1 的1 2 倍；整个指令集平均运行速度 为m c s 5 1 的9 5 倍。c 8 0 5 1 f 3 4 0 微控制器的最高运行频率为4 8 m h z 。 2 先进的时钟系统 c 8 0 5 1 f 微控制器可以提供双重系统时钟：内部有一个能独立工作的时钟振荡 器，可进行可变时钟的编程设定；外部有一个振荡器驱动电路，可以使用晶体、 陶瓷谐振器、电容、r c 电路或外部时钟源产生系统时钟。如果需要，时钟源可以 在运行期间在内部振荡器和外部振荡器之间进行切换。 3 灵活的i o 交叉开关配置 c 8 0 5 1 f 微控制器采用开关网络以硬件方式实现i o 端口的灵活配置，它可将 内部数字系统资源定向到p 0 、p 1 、p 2 和p 3 端口i o 引脚，即可以把定时器、串 行总线、外部中断源、a d c 转换控制、比较器输出、p c a 捕捉比较模块的i o 和 外部时钟输入等定向到p 0 、p 1 、p 2 和p 3 端口i o 引脚，这就允许用户根据自己 的特定应用选择通用i o 端口和所需数字资源的组合。 4 多源复位系统 c 8 0 5 1 f 微控制器提供多源复位，包括：上电复位、掉电复位、外部引脚复位、 软件复位、时钟检测复位、比较器o 复位、w d t 复位和引脚配置复位。众多的复 位源为保障系统的安全、操作的灵活性以及零功耗系统设计带来极大的好处。 5 j t a g 系统调试接口 c 8 0 5 1 f 微控制器在8 位微控制器中率先配置了标准的j t a g 接口，其通用性 极强，c 8 0 5 1 f 微控制器全系列均采用同一开发工具。引入j t a g 接口将使8 位单 片机传统的仿真调试产生彻底的革命，在调试主机软件的支持下，通过j t a g 接口 可直接对产品系统进行仿真调试。 6 最小功耗系统的最佳支持 c 8 0 5 1 f 微控制器实现了片内模拟与数字电路的3 v 供电，大大降低了系统功 耗；完善的时钟系统可以保证系统在满足响应速度要求下，使系统的平均时钟频 率最低；众多的复位源使系统在掉电方式下，可随意唤醒，从而可灵活地实现零 功耗系统设计。因此，c 8 0 5 1 f 系列微控制器具有极佳的最小功耗系统设计环境。 c 8 0 5 1 f 3 4 0 微控制除了具有以上特点外，还在片内集成了丰富的片上资源， 北京交通人学硕士学位论文 包括： ( 1 ) 1 0 位a d c ，转换速率可达2 0 0 k s p s ，支持多达1 6 个外部单端或差分输入， 可内部或外部转换启动源； ( 2 ) u s b 2 0 控制器，支持全速( 1 2 m b p s ) 或低速( 1 5 m b p s ) ，支持时钟恢复 电路，支持8 个端点，1 k bf i f o 缓存，集成收发器，无需外部电阻； ( 3 ) s m b u s 总线控制器，两个硬件u a r t 和增强型s p i 串口； ( 钟4 个1 6 位通用定时器计数器； ( 5 ) 6 4 k 片上f l a s h ，支持在应用程序编程； ( 6 ) 4 3 5 2 字节数据r a m ； ( 7 ) 1 6 位可编程计数器定时器阵列( p c a ) ，有5 个比较捕捉模块和看门狗功 能； ( 8 ) 达4 0 个i o 接1 ：1 ，所有端口均耐5 v 电压； 其结构框图如图3 2 所示，综上所述，c 8 0 5 1 f 3 4 0 的这些特点能够完全满足系 统存储和传输模块设计需求。 图3 - 2c 8 0 5 1 f 3 4 0 结构框图 3 2 预采集存储器选择 毒c ， c 2 c2 = c3 3 c j = c ； ：c ；x 阻 2 c j x t 工 j ) j 。 ：2 ：3 = 越h 商n 5 i e # = ； 毪 = ：t ：2 o ：， 2 二4 o ：； 3 ： 0 3 ， = 3 l = 3 j = ! o2 i 3 1 ； o ， o o j 2 = 3 = ：； 2 7 存储与控制模块硬件设计 3 2 1需求分析 预采集操作是指用户不必等到感到不适时才进行按键采集，而是可以一直不 断的进行心电信号的采集，待用户按键进行采集时，不仅将当前的采集数据进行 存储，而且可以将预采集存储器的心电数据一并进行保存，从而更加有利于医院 的诊断。 根据预采集操作的特点，决定了预采集存储器须满足以下特性： ( 1 ) 有一定的存储容量，约为2 0 4 0 l 。根据临床应用要求，预采集存储器 要保存大约5 , - 一1 0 秒的心电数据。因为实时采集时的数据量最大为5 0 0 0 b s ，所以 要求预采集存储器要有一定的存储容量。 ( 2 ) 要有一定的读写速度。要实现实时采集，预采集存储器读写速度比须能够 跟随系统的数据采集速度，即能够将最大5 0 0 0 b s 的数据量写入到预采集存储器。 ( 3 ) 要有很高的寿命。因为预采集操作要进行频繁的读写操作； ( 4 ) 较低的功耗。系统采用电池供电，因此要求外扩的芯片能够具有较低的功 耗，延长系统待机时间。 3 2 2f r a m 存储器 铁电存储器能兼容r a m 的一切功能，并且和r o m 技术一样，是一种非易失性 的存储器，其主要特性为：，： ( 1 ) 读写次数：一万亿次( 5 v ) 、无限次( 3 3 v ) ： ( 2 ) 读写速度：快( 7 0 n s ) 、无写等待、按字节进行写操作； ( 3 ) 功耗：写入功耗仅为e e p r o m 的1 2 0 、而且具有极低的静态功耗，小于 l u a ； ( 4 ) 通信接1 2 1 ：与工业标准的s r a m e e p r o m 兼容( 1 2 c ，s p i ，并行) ； ( 5 ) 高可靠性：4 5 - 1 2 5 年的保存寿命，抵抗磁场电场干扰的能力好； ( 6 ) 多种容量( 4 k b i t 、1 6 k b i t 、6 4 k b i t 、2 5 6 k b i t 、1 m b i t 、4 k b i t ) 。 基于预存储器的需求分析和以上f r a m 的特性，我们选择r a m t r o n 公司的 f m 3 1 2 5 6 作为预采集存储器。 3 2 3f m 3 1 2 5 6 简介及与微控制器接口 f m 3 1 2 5 6 是r a m t r o n 公司生产的集成电路芯片。f m 3 1 2 5 6 内部集成了2 5 6 k b i t 非易失性铁电存储器，具有上述铁电存储器的特性，该器件内部还集成实时时钟、 1 3 北京交通大学硕士学位论文 低电压复位、看门狗计数器、非易失性事件计数器、可锁定的串行数字标识和一 个通用比较器等功能。f m 3 1 2 5 6 工作电压为2 7 v 一5 5 v ，其引脚排列如图3 3 所示。 各引脚的具体功能如下： c n t l c n n a 0 a 1 c a u p f 0 r s t v s s 、 11 4 2 1 3 31 2 41 1 51 0 69 7 8 ， 图3 3f m 3 1 2 5 6 引脚排列图 ( 1 ) a 0 、a i 器件选择输入，用于对一个串行总线上的多个存储器器件进行 寻址，为了选中相应的器件，这两个引脚上的值必须与包含在器件地址中的相应位 一致，此引脚带有内部下拉。 ( 2 ) c i n 2 、c i n l ：计数器输入端。在相应c i n 引脚信号的边沿，这些电池后 备的计数器值加1 ，信号极性可编程。 ( 3 ) c a i j p f o - 在标准模式下，该引脚输出5 1 2 h z 的方波信号用于时钟校准； 在正常工作模式下，该引脚作为比较器的输出。 ( 4 ) x 1 、x 2 ：用于连接3 2 7 6 8 h z 的晶振。 ( 5 ) r s t ：具有弱上拉的复位输出端，低电平有效。亦可用于手动复位输入。 ( 6 ) s d a - 串行数据、地址段，即两线接口中的双向信号线。开漏输出，可用 于与二线总线上的其它器件进行“线或 。 ( 7 ) s c l - 串行时钟输入端。数据在其下降沿移出，在上升沿移入。 ( 8 ) p f i ：比较器输入端。此引脚不能悬空。 ( 9 ) v b a k ：3 v 后备电源端，3 v 电池或者大容量电容。 ( 1 0 ) v d d ：电源。 ( 1 1 ) v s s ：电源接地端。 f m 3 1 2 5 6 提供二线制1 2 c 接1 2 1 ，其与c 8 0 5 1 f 3 4 0 微控制器硬件接i s l 电路原理 图如图3 4 所示。 啪 池 泓 凇 阿 一 存储与控制模块硬件设计 图3 - 4c 8 0 5 1 f 3 4 0 与f m 3 1 2 5 6 接口 3 3主存储器的选择 3 3 1需求分析 系统的主存储器主要用来保存系统参数和采集的心电数据。决定了主存储器 必须具有以下特性： ( 1 ) 必须是非易失性存储器； ( 2 ) 可频繁擦写，具有较长的寿命； ( 3 ) 实时采集一小时的最大数据量为1 3 6 0 0x5 0 0 0 b = 1 7 1 m b ，所以要求存储 器有较大的存储容量； h ) 系统要实现实时采集，要求主存储器具有较快的读写速度。 3 3 2n a n d 和n o r 技术对比 n o r 和n a n d 是现在市场上两种主要的非易失闪存技术【1 1 】，主要特性对比 为。 1 接口差别 n a n d 器件采用复用指令、地址和数据总线，节省了引脚数量，支持较大的 存储容量；n o r