基于EFM32的高精度動(dòng)態(tài)心電記錄儀的低功耗設(shè)計(jì)

劉夢(mèng)星，周樂(lè)川，陳杭，孫曉，許志

1.浙江大學(xué) a.生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)院；b.生物醫(yī)學(xué)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310027；2.浙江省心腦血管檢測(cè)技術(shù)與藥效評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310027；3.中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心，北京 100094

基于EFM32的高精度動(dòng)態(tài)心電記錄儀的低功耗設(shè)計(jì)

劉夢(mèng)星1a,1b,2，周樂(lè)川1a,1b,2，陳杭1a,1b,2，孫曉3，許志3

1.浙江大學(xué) a.生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)院；b.生物醫(yī)學(xué)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310027；2.浙江省心腦血管檢測(cè)技術(shù)與藥效評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310027；3.中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心，北京 100094

電池供電的動(dòng)態(tài)心電記錄儀是臨床診斷和分析突發(fā)性與慢性心血管疾病的重要儀器，隨著記錄時(shí)間、體積重量與測(cè)量精度要求不斷提高，然而系統(tǒng)必須兼具低功耗和高運(yùn)算性能的特點(diǎn)。針對(duì)該矛盾，采用單片24位集成模擬前端ADS1298作為高精度信號(hào)采集電路，以32位Cortex-M3內(nèi)核的新型低功耗微控制器EFM32G880F128為主控芯片，著重研究主頻與功耗的關(guān)系，并提出軟硬件優(yōu)化措施。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該解決方案能很好地滿(mǎn)足記錄儀低功耗、微型化和高精度的設(shè)計(jì)要求。

動(dòng)態(tài)心電記錄儀；電池容量；低功耗；高精度測(cè)量；芯片；微處理器

0 前言

動(dòng)態(tài)心電（ECG Holter）記錄儀已廣泛應(yīng)用于臨床突發(fā)性和慢性心血管疾病的診斷和治療，它是一種可長(zhǎng)期連續(xù)記錄患者心電活動(dòng)的便攜式儀器。醫(yī)生通過(guò)上位機(jī)軟件分析系統(tǒng)，能夠依此發(fā)現(xiàn)常規(guī)ECG不易發(fā)現(xiàn)的心律失常和心肌缺血等疾病，是臨床分析病情、確立診斷、判斷療效的重要客觀(guān)依據(jù)[1-2]。

然而，在實(shí)際臨床應(yīng)用時(shí)，如陣發(fā)性房顫病的診斷，往往在24 h內(nèi)的顫動(dòng)發(fā)生次數(shù)只有1～2次，甚至不發(fā)生，這時(shí)更長(zhǎng)時(shí)間的心電記錄有利于分析陣發(fā)性房顫的始動(dòng)因素及其發(fā)生部位[3]。對(duì)于心血管疾病術(shù)后恢復(fù)的病人，長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)心電監(jiān)護(hù)能夠幫助醫(yī)生更好地了解患者恢復(fù)情況，評(píng)判手術(shù)的治療效果[4]。因此，要求我們必須進(jìn)一步減輕儀器的重量和降低功耗，但兩者是一對(duì)矛盾，減小儀器的體積和重量勢(shì)必造成電池容量的縮減。另外，提高信號(hào)測(cè)量精度，是保證上位機(jī)心電分析軟件作用和質(zhì)量的前提，高采樣率、高AD轉(zhuǎn)換位數(shù)及更多功能（如運(yùn)動(dòng)識(shí)別、動(dòng)態(tài)血壓）的集成[5]，對(duì)儀器核心的微處理器的運(yùn)算處理性能也提出了更高要求。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了以單片8通道、24位集成模擬前端ADS1298作為12導(dǎo)聯(lián)心電測(cè)量的信號(hào)采集電路，以Energy Micro公司推出的基于Cortex-M3內(nèi)核的高性能、超低功耗微處理器EFM32G880F128作為記錄儀的核心控制器，同時(shí)著重優(yōu)化單片機(jī)軟件的低功耗設(shè)計(jì)。最終測(cè)試結(jié)果表明：利用該解決方案所設(shè)計(jì)的十二導(dǎo)聯(lián)動(dòng)態(tài)心電記錄儀，滿(mǎn)足了低功耗、微型化和高精度的系統(tǒng)要求。

1 整體設(shè)計(jì)思路

為了保證模擬前端測(cè)量模塊的高精度和低功耗設(shè)計(jì)的平衡，同時(shí)能降低電路規(guī)模，提高產(chǎn)品批量生產(chǎn)和測(cè)試的效率，系統(tǒng)采用TI公司的單片24位集成模擬前端，作為12導(dǎo)聯(lián)動(dòng)態(tài)心電記錄儀的信號(hào)采集電路。面對(duì)8通道獨(dú)立24位AD所產(chǎn)生的高數(shù)據(jù)量，以及記錄儀功能的增加和預(yù)處理算法復(fù)雜度的提高，傳統(tǒng)8位和16位的低功耗微處理器已逐漸無(wú)法滿(mǎn)足系統(tǒng)的要求，高運(yùn)算性能與低功耗之間的矛盾突顯[6]。為此，選用Cortex-M3為內(nèi)核的32位微處理器EFM32G880F128作為記錄儀的核心控制器。在同等主頻下，它不但在運(yùn)算性能上遠(yuǎn)高于8/16位機(jī)，還擁有更低的絕對(duì)功耗。

圍繞上述分析，設(shè)計(jì)高效率的電源管理電路，在保證系統(tǒng)正常工作的前提下，采用更低的工作電壓，對(duì)于CMOS工藝的集成電路，動(dòng)態(tài)功耗會(huì)明顯降低[7]；通過(guò)將模擬電源與數(shù)字電源分離，使得模擬電路在系統(tǒng)待機(jī)時(shí)可被關(guān)斷，并能減少數(shù)字電路對(duì)小信號(hào)的噪聲干擾。其次，盡量選擇高集成度、低絕對(duì)功耗、可休眠的外圍器件，重點(diǎn)優(yōu)化微處理器的軟件流程控制，可以減少功耗浪費(fèi)，進(jìn)一步降低系統(tǒng)的整體功耗[8]。

2 系統(tǒng)的硬件組成與分析

12導(dǎo)聯(lián)動(dòng)態(tài)心電記錄儀的整體結(jié)構(gòu)框圖，見(jiàn)圖1。系統(tǒng)包括5部分：電源管理模塊、ADS1298集成模擬前端、低功耗微處理器、用戶(hù)交互單元和數(shù)據(jù)記錄單元。

圖1 十二導(dǎo)聯(lián)動(dòng)態(tài)心電記錄儀的系統(tǒng)框圖

2.1 集成模擬前端

ADS1298最大的特點(diǎn)，即實(shí)現(xiàn)了高精度標(biāo)準(zhǔn)12導(dǎo)聯(lián)ECG信號(hào)調(diào)理電路的單片式集成，從而能更好地平衡前端測(cè)量電路的高精度與低功耗設(shè)計(jì)。8路通道分別含有一個(gè)獨(dú)立的24位Σ-Δ型AD，內(nèi)置參考電平與2.048M晶振轉(zhuǎn)換后的結(jié)果打包為216 bits（8通道24bit-ADC，加24bit的狀態(tài)字）的數(shù)據(jù)包，通過(guò)片上SPI接口輸出。實(shí)際運(yùn)用時(shí)，MCU可通過(guò)SPI口對(duì)其進(jìn)行配置，除必要的外置阻容元件及信號(hào)輸入端的保護(hù)電路外，ADS1298無(wú)需任何其他外圍電路。當(dāng)記錄儀進(jìn)入待機(jī)模式時(shí)，MCU通過(guò)GPIO口使能ADS1298的PWDN引腳，使其進(jìn)入關(guān)斷模式，功耗約10μW。

2.2 大容量存儲(chǔ)器

動(dòng)態(tài)心電記錄儀常常需要連續(xù)記錄幾十個(gè)小時(shí)的12導(dǎo)聯(lián)心電數(shù)據(jù)，實(shí)際存儲(chǔ)8路差分信號(hào)值。假設(shè)記錄時(shí)間24 h、24位AD的采樣率為500SPS，由式(1)得總數(shù)據(jù)量SData約1GB，其中NBits為AD位數(shù)，NChannels為通道數(shù)，F(xiàn)DR為采用率，TR為記錄時(shí)間。

對(duì)于某些特殊應(yīng)用環(huán)境，如房顫診斷和藥效評(píng)估時(shí)的長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)心電監(jiān)測(cè)，記錄時(shí)間甚至超過(guò)50 h。因此，實(shí)際設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)器容量在4～8G左右。該系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)8G容量的Micro-SD卡（或稱(chēng)TF卡），通過(guò)SPI-Bus協(xié)議與微處理器相連。

2.3 微處理器

從功耗與性能兩方面，對(duì)比了3款典型的低功耗微處理器的功耗，見(jiàn)表1～2。其中，EFM32G880F128兼具了低功耗與高性能的特點(diǎn)。它以ARM公司32位Cortex-M3為內(nèi)核，主頻最高32MHz，運(yùn)算性能明顯提高，且具有低成本優(yōu)勢(shì)。它有活動(dòng)模式（EM0）和4種靈活的低功耗模式（EM1、EM2、EM3和EM4），且低功耗狀態(tài)的喚醒時(shí)間極短，同時(shí)片上外設(shè)種類(lèi)豐富；工作電壓1.85～3.8 V，適應(yīng)于電池供電的應(yīng)用要求。

因此，采用EFM32G880F128作為動(dòng)態(tài)心電記錄儀的核心控制器，可以更好地滿(mǎn)足系統(tǒng)高性能和低功耗的設(shè)計(jì)要求。

2.4 電源管理電路

電源管理電路框圖，見(jiàn)圖2。記錄儀采用單節(jié)堿性7號(hào)電池供電，通過(guò)高效率的微功耗升壓型DC-DC芯片LTC3525L-3將電池電壓提升至3 V水平，給ADS1298的數(shù)字電源、MCU及其外圍數(shù)字電路供電。此外，3 V電源經(jīng)帶有可關(guān)斷功能的TPS77027線(xiàn)性穩(wěn)壓至2.7 V，為ADS1298提供模擬電源，使得數(shù)字模擬電源分離，在提高噪聲性能的同時(shí)，儀器進(jìn)入待機(jī)模式時(shí)切斷模擬電路的電源，進(jìn)一步降低功耗。

表1 典型低功耗微處理器的功耗對(duì)比

表2 典型低功耗微處理器的性能對(duì)比

圖2 電源管理電路的框圖

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 ADS1298的時(shí)鐘設(shè)置

ADS1298的系統(tǒng)時(shí)鐘CLK作為內(nèi)部24位AD工作的基本時(shí)基，通過(guò)CLKSEL引腳配置成內(nèi)部使用2.048MHz晶振；由于每次AD轉(zhuǎn)換完成前必需耗費(fèi)4個(gè)時(shí)鐘周期TCLK用于數(shù)據(jù)更新和準(zhǔn)備，因此留給每個(gè)數(shù)據(jù)包的串行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間TTrans必須滿(mǎn)足(2)式：

其中TDR為AD的單位采樣時(shí)間，TSCLK為SPI口的同步時(shí)鐘周期。

此外，當(dāng)MCU向ADS1298發(fā)送命令后，也必須耗費(fèi)4個(gè)時(shí)鐘周期TCLK用于指令解碼，因此若想通過(guò)SPI口連續(xù)發(fā)送多條命令，同步時(shí)鐘SCLK必須滿(mǎn)足(3)式：

綜合式(1)～(3)得SPI時(shí)鐘頻率為109kHz ＜ FSCLK ＜4.096MHz。記錄儀實(shí)際工作時(shí)，僅當(dāng)儀器開(kāi)啟運(yùn)行或進(jìn)入待機(jī)這兩個(gè)時(shí)刻，需要通過(guò)SPI口向ADS1298連續(xù)發(fā)送若干命令字。因此，不必要限定FSCLK的值在4.096MHz內(nèi)，應(yīng)盡量提高FSCLK的值，節(jié)省SPI通訊功耗，同時(shí)縮短MCU獲取數(shù)據(jù)包耗費(fèi)的時(shí)間，使其更快速地進(jìn)入低功耗狀態(tài)，節(jié)省能量。

3.2 程序的流程控制與細(xì)節(jié)優(yōu)化

數(shù)據(jù)記錄過(guò)程的程序流程圖，見(jiàn)圖3。假定ADS1298的采樣率為500SPS，24位高精度、連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，當(dāng)MCU處理完其它任務(wù)事件后，使其進(jìn)入EM2深度睡眠模式。當(dāng)ADS1298每次轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)包準(zhǔn)備完畢后，利用DRDY引腳的跳變觸發(fā)1次IO中斷，將MCU從EM2快速（2μs）喚醒至EM0活動(dòng)模式，通過(guò)SPI口快速讀取數(shù)據(jù)包后，在一定的CPU主頻FCPU下對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析和預(yù)處理，隨后根據(jù)Block單元塊是否裝滿(mǎn)，決定是否向SD卡中的預(yù)定義文件寫(xiě)數(shù)據(jù)。當(dāng)在該任務(wù)中執(zhí)行寫(xiě)文件操作時(shí)，則整個(gè)指令運(yùn)行時(shí)間為T(mén)R1；倘若僅更新Block塊，則耗費(fèi)時(shí)間為T(mén)R2。隨后，中斷返回并重新進(jìn)入EM2低功耗狀態(tài)。

設(shè)每次DRDY中斷觸發(fā)的時(shí)間間隔為T(mén)S，則：

其中TRun即TR1或TR2，表示任務(wù)執(zhí)行時(shí)間；TInt表示從任務(wù)結(jié)束時(shí)刻起，直到下一次任務(wù)到來(lái)之間的可休眠時(shí)間。

在TRun內(nèi)，MCU返回EM0狀態(tài)后，需要等待時(shí)鐘源重新建立，以及外部硬件模塊的固定開(kāi)啟時(shí)間，總體功耗將隨FCPU的改變呈現(xiàn)非單調(diào)性特征。因此，在保證所有任務(wù)能順利完成的前提下，針對(duì)該系統(tǒng)，存在一個(gè)最佳頻率（設(shè)為FLP），使得整體運(yùn)行功耗最低。

圖3 數(shù)據(jù)記錄過(guò)程的程序流程圖

此外，在主頻一定和系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提下，盡量提高SPI模塊的同步時(shí)鐘，可降低數(shù)據(jù)包獲取時(shí)間和SD卡寫(xiě)入時(shí)間，爭(zhēng)取更多休眠。無(wú)論MCU處于何種模式下，其內(nèi)外未使用的模塊均設(shè)置為關(guān)閉狀態(tài)，同時(shí)，空載的GPIO口，也設(shè)定為節(jié)電模式[9]。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

4.1 功耗測(cè)試與結(jié)果

結(jié)合3.2節(jié)的分析，測(cè)得不同主頻下數(shù)據(jù)記錄過(guò)程的功耗測(cè)試結(jié)果，見(jiàn)表3。其中，電源電壓3V，常溫下。假定在電源電壓穩(wěn)定不變的條件下，在一段T時(shí)間內(nèi)，平均電流為：

其中，ti為第i段時(shí)間長(zhǎng)度；Ii為ti段內(nèi)的線(xiàn)性電流消耗值；N為完成一段T時(shí)長(zhǎng)的任務(wù)所經(jīng)歷的線(xiàn)性步驟數(shù)目。設(shè)任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)的平均電流為IRun，休眠狀態(tài)電流為IInt，由式(4)和(5)得：EFM32G880F128的總平均電流ITask為：

該系統(tǒng)在活動(dòng)模式下的FLP為28MHz（即EFM32G880F128內(nèi)部RC振蕩器的最大頻率），此刻完成該系統(tǒng)任務(wù)的整體功耗達(dá)到最低值，同時(shí)，能保證高精度記錄儀的運(yùn)算性能。微處理器的平均功耗測(cè)試結(jié)果，見(jiàn)圖4；記錄儀實(shí)物，見(jiàn)圖5。該記錄儀對(duì)人體12導(dǎo)聯(lián)信號(hào)測(cè)試的原始數(shù)據(jù)，系統(tǒng)整體測(cè)試平均功耗約8.1mW。

表3 不同主頻下的功耗測(cè)試結(jié)果

圖4 微處理器的平均功耗測(cè)試

圖5 記錄儀實(shí)物與信號(hào)測(cè)試結(jié)果（上位機(jī)軟件處理前的原始數(shù)據(jù)）

4.2 同類(lèi)儀器對(duì)比

本儀器與Burdick、GE、Philips三家全球領(lǐng)先的動(dòng)態(tài)心電記錄儀的標(biāo)稱(chēng)值進(jìn)行比較，見(jiàn)表4?？梢钥闯觯迷摲椒ㄔO(shè)計(jì)的記錄儀，在體積、精度和功耗上與其性能相當(dāng)，且略具優(yōu)勢(shì)。

表4 同類(lèi)儀器的性能對(duì)比

5 結(jié)論

為滿(mǎn)足12導(dǎo)聯(lián)動(dòng)態(tài)心電記錄儀的高精度和低功耗要求，本文提出利用24位集成模擬前端ADS1298作為采集電路，提高信號(hào)測(cè)量精度；選用ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位超低功耗微處理器EFM32G880F128作為主控器，降低功耗的同時(shí)提高了運(yùn)算性能；圍繞低功耗設(shè)計(jì)原則，并針對(duì)特定的任務(wù)，研究主頻與系統(tǒng)功耗的非單調(diào)變化規(guī)律，得到適合系統(tǒng)運(yùn)行的最佳頻率點(diǎn)。實(shí)測(cè)結(jié)果表明：1節(jié)堿性7號(hào)電池（約1200 mAh）能維持記錄儀正常工作144 h，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間、高性能的運(yùn)行要求。

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Low-power Design of EFM32-based High Precision Dynamic ECG Recorder

LIU Meng-xing1a,1b,2,ZHOU Le-chuan1a,1b,2,CHEN Hang1a,1b,2, SUN Xiao3,XU Zhi3
1. a. College of Biomedical Engineering & Instrument Science; b. Key Laboratory of Biomedical Engineering of Ministry of Education, Zhejiang University, Hangzhou Zhejiang 310027, China; 2. Zhejiang Provincial Key Laboratory of Cardio-Cerebral Vascular Detection Technology and Medicinal Effectiveness Appraisal, Hangzhou 310027, China; 3. China Astronaut Research and Training Center, Beijing 100094, China

Battery operated ECG Holter recorder is of great importance in clinical diagnosis and analysis of paroxysmal and chronic cardiovascular disease. With the increase of the record time and measurement accuracy, and the smaller volume, it puts forward higher request for the system's power consumption and operational performance. For this contradiction, the ADS1298 integrated circuit serves as the analog signal measurement front-end, and the new type microcontroller of low power using 32-bit Cortex-M3 as the kernel, EFM32G880F128, is taken as the main control chip. By studying the relationship between main frequency and current consumption, we put forward the hardware and software optimization measures. The experiment results show that, this solution can better meet the design requirements of the recorder with low power consumption, miniaturization and high accuracy.

ECG Holter recorder; battery capacity; low power consumption; high precision measurement; chip; microprocessor

TH772.+2

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.03.007

1674-1633(2014)03-0024-04

2013-10-18

作者郵箱：mason_liu_bme@163.com