大容量動態(tài)心電記錄儀的軟硬件設(shè)計方案

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(jìn)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(jī)控制雖監(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(hù)和救護(hù)車中、偏遠(yuǎn)地區(qū)以及野戰(zhàn)部隊(duì)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(hù)危重病人是有實(shí)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28F128J3 Flash存儲芯片。該芯片采用O.181μm ETOXTMVⅡ(J3C)和0.25μm ETOXTM VI(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(jìn)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(jìn)行懸掛中斷去進(jìn)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28F128J3 Flash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(dāng)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(jī)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(jī)。該芯片內(nèi)含16Kbyte的Flash EPROM,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(jī)設(shè)置為低功耗休眠運(yùn)行模式,則工作電流僅為1.5mA。而MCS-8051單片機(jī)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(xiàn)所述的減小存儲器功耗的方法;同時單片機(jī)內(nèi)含程序存儲器,對電磁干擾的抵抗能力更強(qiáng)?？梢?W78LE54單片機(jī)的總體功耗遠(yuǎn)小于MCS-8051系列單片機(jī)。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(jī)電流為1.5μA,待機(jī)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(dāng)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(jī)系統(tǒng),由軟件完成QRS波檢測、處理以及存儲,最后通過人機(jī)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(jī)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(yùn)放LMC6035構(gòu)成的前置放大器放大后,構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ導(dǎo)聯(lián)輸入ECG信號由模擬多路開關(guān)CD4052進(jìn)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(diǎn)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(jìn)一步抑制電源干擾后,加到全自治式A/D轉(zhuǎn)換器M12L458上進(jìn)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(diǎn)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)ECG 24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(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)地址線正常相接,通過P0口外接低功耗高速8D鎖存器74HC377擴(kuò)展高位地址線(A16～A23),使單片機(jī)的尋址能力達(dá)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(jī)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(jìn)行非線性變換和積分,形成能量峰,再用改進(jìn)的自適應(yīng)雙閾值峰值檢測算法進(jìn)行QRS檢測,定出RR間期,取其導(dǎo)數(shù)為瞬時心率,然后以當(dāng)前4個心搏的平均心率為新的心率值。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(jī)中進(jìn)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(diǎn)。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。