微型低功耗大容量心电记录仪的研制

MSP430F149是TI公司推出的一款低电源电压范围（1.8V～3.6V）的低功耗16位单片机。该芯片内含60Kbyte的Flash EPROM以及2KByte的RAM。有一个性能齐全的基础时钟模块，包括一个数据控振荡器（DCO）和两个晶体振荡器。另外还包括硬件看门狗、三个捕获/比较寄存器的16位定时器Timer_A3、七个捕获/比较寄存器的16位定时器Timer_B7、8通道12位A/D转换器ADC12和两个串行通信接口等。

特别值得一提的是其低功耗应用。采用外接低速晶振32768Hz产生准确的定时信号和设置异步握手通信波特率，而A/D转换及运行使用内部数控振荡器产生的速度较快的400kHz时钟信号，其功耗小于3mA×3.3V。另加一个8MHz高速晶振，平时关闭不工作，当USB接口电路接上时，由USB接口电路提供电源，这时单片机根据握手信号指令启动高速晶振，按指令要求设置合适的波特率进行高速数据传输，无疑又是一种降低功耗的办法。因此选择MSP430F149作为CPU芯片是基于低功耗设计的最佳方案。

2 微型动态心电记录仪的结构

由图1可以看出，记录仪的设计分为模拟心电信号的检测、放大与滤波、数字心电信号的存储与处理等部分。即通过导联输入心电信号，经放大与滤波、A/D转换后得到数字化的心电信号，送入单片机系统，由软件完成处理以及存储，最后通过UART接口或存储器板送出检测的波形数据到微机时，供医生分析诊断使用。下面分别加以介绍。

2．1 模拟心电信号的检测放大与滤波

心电信号由三片高精度低功耗运放MAX4240构成的高共模输入的仪表放大器放大后，经低通滤波器滤除高频干扰，再经50Hz陷波器进一步抑制电源干扰后，输入到MSP430F149中进行A/D转换，从而得到数字化的心电信号。

2．2 数字心电信号的存储与处理

本文设计的心电记录仪的最大特点是存储容量大，存储器由一片256M闪速存储芯片K9K2G08构成。为了高保真地记录心电数据，医生一般不希望进行数据压缩，故不采用任何数据压缩方法，直接记录原始12位二进制心电数据。K9K2G08通过分时复用I/O口完成命令/地址/数据的读写和擦除。因此通过可插拔接口直接与单片机MSP430F149相连进行控制。

2．3 其它硬件接口

电源模块采用高效率、低功耗升压式DC/DC变换器MAX1674，输出3.3V电压供系统使用。其静态电流仅为16μA，效率高达90%以上，输入电压低到0.7V还能工作。

为了准确分析信息，加入时间参数，采用I2C接口的PCF8583时钟芯片，并加后备电源，将当前完成的Flash页写入地址保存在PCF8583的备用RAM中，每次开机或断电都会按日期、时间顺序进行Flash的数据存储。

LCD使用段显示式串行SPI接口，工作电流仅为25μA，主要显示记录页数、电池的容量、日期和时间等。如果需要实时查看心电图，则需要改用较大的点阵式液晶屏，但是耗电量增加到几倍至几十倍，无法达到较长的连续工作时间。故不采用实时查看心电图的方式。

心电记录仪使用两节五号2AH镍氢电池时，平均耗电小于20mA，充电电后可连续工作100小时，在15秒时间内更换电池，记录仪工作不受任何影响。当电池的能量仅能工作30分钟时有声音提示。

3 附加的USB接口电路

如图2所示，USB接口电路提供两种功能，一是提供PC机的USB接口与记录仪的高速串行通信接口，可读取Flash数据或对记录仪进行初始化设置。二是提供PC机的USB接口作为直接读取Flash数据存储器板接口，更换存储器板能进一步为短暂心电异常病人提供更好的家庭服务。USB接口电路主要由CYGNAL公司的USB转UART的单芯片桥接口CP2101、MSP430F149单片机和电源芯片SE117-3.3V等组成。单片机的一个UART口与CP2101相联，另一个UART口与记录仪相联，其最高通信速率可达900kbps。

4 软件设计

心电记录仪软件的主要任务是心电数据采集、对闪速存储器的存储控制、电池电压及时间显示和电极脱落或故障时报警以及与微机的数据串行通信等。

软件以5sps采样速率控制A/D采样，对采集来的ECG信号进行峰值检测和运算，以页为单位动态调整A/D转换的参考电压以得到最佳A/D转换动态范围，并将12位A/D转换数字增加四位二进制数字编码成为两字节，按一定规则去掉连续重复的数据以增加存储空间，以页为单位加入时间标记和动态调整系数等参数。将这些数据全部存储于闪速存储器中，通过串口或存储器板输入到微机中。使用专门设计的程序，在微机中将按一定规则去掉的连续重复的数据恢复，再根据医生的需要通过各种算法提取各种参 数，并显示图形和参数，供医生通过微机进行心电波形的处理、显示、分析和诊断。

本文介绍的微型心电记录仪，硬件全部采用低功耗器件设计，并且对心电数据未采用任何压缩算法，ECG信号的保真度度、记录时间长。该记录仪体积小、功耗低、病人携带方便，是一种经济实用的小型心电记录仪。