基于MSP430單片機和CH376接口芯片的U盤方式心率失常記錄儀存儲系統設計*

姬 軍曾維佳袁 青王云龍

基于MSP430單片機和CH376接口芯片的U盤方式心率失常記錄儀存儲系統設計*

姬 軍①*曾維佳①袁 青②王云龍②

目的：研究基于MSP430單片機和CH376接口芯片的U盤方式心率失常記錄儀存儲系統的設計和實現。方法：以MSP430單片機為核心，采集到的人體心電信號經模擬數字轉換器(ADC)變為數字信號輸入到MSP430中，單片機將數據通過CH376接口芯片寫入U盤中。結果：實現了MSP430單片機對CH376接口芯片讀寫操作的控制，將采集的心電數據實時存儲于U盤。結論：基于MSP430單片機和CH376接口實現心電信號的存儲是可行的，完全滿足心率失常記錄儀的存儲心電信號和采集數據的要求。

心率失常；CH376接口芯片；MSP430單片機；USB存儲系統

臨床中經常需要使用24 h心電圖進行監測捕捉偶發心率失常事件，但是此方法不適用于首長及老年患者，而心率失常記錄儀僅需接觸便可準確記錄下患者的心電信息[1-4]。采用基于MSP430單片機和CH376接口芯片的U盤記錄方式作為心率失常記錄儀的儲存系統不但存儲量大，而且可以方便的與上位機進行交流。本系統采用USB設備接口芯片CH376為MSP430拓展接口時，MSP430控制CH376對USB進行讀寫操作的存儲數據能力可達200 KB/s，完全滿足心率失常記錄儀的存儲心電信號和采集數據的要求。

1 心率失常記錄儀系統硬件設計

1.1 微處理器選擇

由于系統設計需考慮低功耗，操作簡單方便等要求，而系統整體構成對CPU要求不高，故中央控制單元選用TI公司的MSP430F149微功耗單片機[4-9]。MSP430F149是一種新型的混合信號處理器，其將大量的外圍模塊整合到片內，尤其適合于開發和設計單片系統，其主要特點有：①低電壓、超低功耗；強大的處理能力，高性能的模擬技術及豐富的片上外圍資源；②系統穩定工作；③方便高效的開發環境；④具有著名大廠商的產品、豐富的開發資源和強大的技術支持[5]。

1.2 CH376接口芯片

CH376芯片讀寫U盤時速度為400 KB/s，雖然速度不是很快，但其內置USB通訊協議，支持USB設備的控制傳輸、批量傳輸及中斷傳輸，對USB的編程更加簡單，且代碼少、容易上手，開發周期短、成本低； CH376芯片支持多種文件系統，提供文件管理和讀寫功能，支持USB-HOST主機接口和USBDEVICE設備接口，支持動態切換主機方式與設備方式構成了開發高效性，在對速度要求不高的傳輸場合，CH376芯片是一款性價比較高的產品[10-14]。

1.3 MSP430單片機與CH376芯片接口設計

CH376芯片支持3種通訊接口: 即8位并口、SPI接口和異步串口。因MSP430F149單片機具有豐富的輸入和輸出(I/O)口資源，為了提高文件讀寫的速度，系統采用8位并行接口連接的方式[15]。CH376的TXD引腳接GND，其余引腳懸空，芯片在上電復位時采樣TXD狀態為低，即選擇為8位并行接口。ACT#引腳與電阻和發光二極管串聯，用于表示設備所運行的狀態。V3與VCC引腳短接共同輸入3.3 V電壓，電容C14與C15用于外部電源退耦。MSP430與CH376的連接如圖1所示。

2 心率失常記錄儀系統軟件設計

程序的設計首先系統要對微控制單元(micro control unit，MCU)，CH376接口芯片的U盤讀寫進行初始化；初始化后檢測U盤是否插入及就緒；將采集的數據依次寫入MCU中；MCU通過接口芯片CH376將數據寫入U盤(如圖2所示)。

圖2 系統軟件設計結構圖和CH376主程序流程圖

圖1 MSP430與CH376接口電路圖

3 實驗結果與分析

心率失常記錄儀的采樣頻率為100 Hz，該系統每采樣一次就將一個數據(一個字節)存入MCU系統中，并且設置MCU控制寄存器每接收一個數據產生一次中斷，當MCU中每存滿128個字節后通過控制CH376芯片將其寫入U盤。

心電圖波形1為采樣數據輸入到MCU的波形圖，其中T1表示輸入一個數據到單片機所用時間，T2表示兩次數據輸入的時間間隔。波形2為單片機中控制寄存器控制產生中斷的波形圖，其中T3表示單片機執行一次中斷所需要的時間，T4表示單片機執行兩次中斷的時間間隔。觀察得知，T2=T4，表明兩次數據輸入的間隔與MCU執行兩次中斷的間隔相等，與實際情況相符。將圖3中的時間量程設置為100 μs可得到圖4，觀察知T1>T3，即一個數據輸入到MCU的時間大于控制寄存器執行一次中斷的時間。這是因為在T1中設置了延時，如此可以保證MCU的通訊片選信號CS保持高電平，使其檢測到高電平后開始接收采樣的人體心電數據(如圖3、圖4所示)。

圖3 采樣數據輸入和中斷產生波形圖

圖4 時間量程為100 μs的采樣數據輸入和中斷產生波形圖

心電圖波形1為采樣數據輸入到MCU的波形圖，波形2為單片機控制CH376向U盤中寫入一個數據周期(128個字節)的波形圖，其中T5為單片機寫完一個數據周期所需要的時間，T6為兩次寫周期之間的時間間隔。將圖5中的時間量程設置為25 ms后可得到圖6，觀察可知T5=10 ms。在理想狀態下該系統最大的存儲量為(1s/15 ms)×128×8 Byte＝67 KByte/s，由于人眼讀數誤差，為了避免在寫一組數據周期的過程中又來了一組新的數據周期，因此取單片機向U盤中寫入一個數據周期的時間T5＝15 m。通過改變MCU系統中緩存區間的大小，可以進一步提高該存儲速度。系統的采樣頻率為100 Hz，即在0.01 s的時間內可以采集一個字節，則采樣的速度為800 Byte/s，其速度遠遠小于該系統的存儲速度，完全滿足心率失常記錄儀儲存生理信號的要求，該存儲速度也同樣適用于其他類似生理信號存儲系統(如圖5、圖6所示)。

圖5 采樣數據輸入和數據寫入波形圖

圖6 時間量程為25 ms的采樣數據輸入和數據寫入波形圖

4 結語

本研究設計的基于單片機MSP430F149控制CH376芯片對U盤讀寫系統，成功地實現了系統存儲模塊的功能，本項系統設計具有設計簡單、性價比高、可靠性高及操作方便等優點，為采集和存儲數據提供了一種方便、通用和可靠的解決方案，在生理信號存儲系統中具有比較廣闊的應用前景。

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The storage system of arrhythmia recorder based on the U disk way of MSP430 and CH376/

JI Jun, ZENG Wei-jia, YUAN Qing, et al//
China Medical Equipment,2014,11(11):18-21.

Objective: Research based on the design and implementation of MSP430 and CH376 storage system of arrhythmia recorder which on the U disk way. Methods: With MSP430 single chip microcomputer as the core, the collected human ECG signals were turned into digital signals which stored in MSP430 through the AD converter, then MCU write datum to U disk by CH376. Results: It realizes the read and writing functions of interface chip CH376 from the control of MSP430 microcontroller, which let the acquisition of ECG signal output to the U disk. Conclusion: ECG signals for storage based on MSP430 microcontroller and CH376 interface chip is feasible, and the method can completely satisfy the ECG signal storage and data collection of arrhythmia recorder.

Arrhythmia; CH376 interface chip; MSP430 microcontroller; USB storage systems[First-author’s address]Clinical Engineering Department of 305 Hospital of PLA, Beijing 100017, China.

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.11.007

1672-8270(2014)11-0018-04

R197.324

A

姬軍,男,(1970- ),博士，副主任技師，碩士研究生導師。解放軍第305醫院醫學工程科，從事生物醫學信號檢測與處理、智能醫療儀器設計、醫療設備計量與質量控制等方面工作。

2014-04-03

軍事醫學和老年病科研基金(ZCWS14C24)“微型偶發心率失常記錄儀的研制及其在首長保健與心血管疾病診斷中的應用”

①解放軍第305醫院醫學工程科 北京 100017

②南方醫科大學研究生學院 廣東 廣州 510515

*通訊作者：kx68@163.com