基于MSP430F1611和SD卡的便携式心电监护仪的低功耗设计

1、基于基于MSP430F1611和和SD卡的便携式心电监护卡的便携式心电监护仪的低功耗设计仪的低功耗设计 付秀泉付秀泉主要内容 一一 SD卡存储模块的功耗分析卡存储模块的功耗分析 二二 SD卡模块的硬件组成卡模块的硬件组成 三三 FAT16文件系统的设计文件系统的设计 四四 速度及功耗测试速度及功耗测试一一 SD卡存储模块的功耗分析卡存储模块的功耗分析通常，在完成一个任务时，仪器所需的能量E可以用以下公式表示:Vk 、Ik分别为电池在第k个时间段内的电压和输出电流，我们可以得到电路在一定时间T内的平均电流消耗（假设V不变）： （T为总时间） MkkkkMkkTIVEE11MkkktITVTEI1

2、1上图是监护仪进行数据存储时的电流消耗简图，系统在t1段进入待机状态，等待采集数据满,进行一次记录，I1主要由微处理器（MPU）的待机模式的功耗所决定；t2段为MPU在SD卡的FAT表中查找下一操作簇和下一操作扇区；在t3段，MPU把数据通过SPI总线发送到SD卡进行存储，并查询SD卡是否存储完毕， t3相对来说是固定的。 t2以及 I2与文件系统设计有关。同时，t2的改变也会影响到t1。对于SD卡来说，完成一定量的数据操作所需功耗是一定的，但在SD卡工作的同时，DC-DC和MPU也在工作，t2越长，这些器件所消耗的能量也越多，SD卡存储速度与功耗之间不会是简单的线性关系，因此，设计最优化的文

3、件系统，缩小FAT寻址的时间，可以在完成任务的基础上，使功耗达到最优。二二 SD卡模块的硬件组成卡模块的硬件组成 SD卡数据存储系统主要由三部分组成：电源、微处理器和SD卡接口电路。 1）电源模块。系统采用了两套供电模式： MSP430采用了电池直接供电，而接口电路则不需要一直工作。因此选用了TI公司的升/降压DC-DC芯片TPS61070，将输入电压升高到一定电压，再使用SIPEX公司的SPX3819-3.3把电压稳定在3.3V的水平，它具有外接元件简单，转换效率高，带关断功能等特点。 2）微处理器。可用于低功耗系统的微处理器有多种，下表中对比了3款典型低功耗微处理器的功能和性能。可见，MS

4、P430F1611（后面简称MSP430）的具有较好的低功耗性能，可以在1.8-3.6V电压下工作，能更好地适应电池直接供电的电压范围。因此，以MSP430为核心设计的采集控制电路，可以满足高性能和低功耗要求。MSP430通过IO口控制各个外围设备和电源管理芯片。表1 部分低功耗微处理器的性能对比MPU型号工作电压(V)活动模式电流 (uA)(1)节能模式电流 (uA)(2)ATMEGA2.7-5.5110010MSP16111.8-3.64202.1C0402.7-3.650018备注：所选用的模式为各处理器适合系统应用的低功耗模式，CPU时钟频率均为2MHz 3）接口电路。SD卡有9个引脚

5、，支持两种串行数据传输协议，即SD(Multimedia Card)模式和SPI( Serial Peripheral Interface)模式。在SPI模式中，通过4条信号线完成数据的传输。这4条信号线分别是时钟SDCLK、数据输入SDDI、数据输出SDDO和片选SDCS。MSP430通过P5.4口输出SDEN信号控制三极管的关断，在仪器待机的时候切断接口电路的供电，降低系统的功耗。三三 FAT16文件系统的设计文件系统的设计 文件系统是应用程序和存储介质之间的一种协议，其主要功能是对文件进行管理。FAT16文件系统的结构包含分区引导扇区（DBR）、 文件分配表（FAT）、 文件目录表(FD

6、T)以及数据区（DATA）4个部分。引导扇区位于物理结构的第一扇区，大小为512字节。它包括一个引导程序和BPB（BIOS Parameter Block）参数块。BPB参数块记录本分区的起始扇区、结束扇区、文件存储格式、介质描述符、根目录项数、FAT个数、保留扇区数、分配单元的大小等重要参数。根据保留扇区的数目可知FAT表的位置(分区起始扇区数+保留扇区数)。根据FAT的个数以及每个FAT表占用的扇区数，即可算出FDT的位置(FAT表位置+FAT表个数FAT表所占扇区数)。FDT中保存着目录项，目录项中的文件首簇号就是读写文件的入口。根据以上分析，针对实时数据采集系统可以简化文件系统的设计，仅实现对文件的写操作，而把文件创建、文件删除等其他操作交给上位机来完成。每采集到一个扇区大小（512B）的数据，便进行一次写操作，写操作的流程如下：从图中可以看出，在未操作到簇尾时，对扇区的操作是不进行FAT寻址操作的，这与普通的FAT16每次寻址相比，大大简化了操作流程，加快了操作速度。在操作到簇尾时，设计使用一定大小的RAM来预读取一个扇区或几个扇区的FAT表，从而可以直接从RAM中寻找下一操作簇号，这样设计的优点在于：如果文件在物理上是连续存储的，那么它的FAT表也是连续的，这样大多数情况下主机