大容量动态心电记录仪的软硬件设计

 由电极从人体表面测得的经放大后显示的波形称为心电图(Electrocardiogram,简称ECG)。临床上,ECG是医生诊断心脏疾病的主要依据之一。由于一些异常心电信息只有在某些特定情况下才出现,因此对ECG进行长时期的记录有着极其重要的临床价值。目前国内的便携式ECG记录仪存储容量偏小[1～2],最多能记录8小时的心电数据;使用微机控制虽监控和分析性能优良,但其体积大,不适合家庭病人监护和救护车中、偏远地区以及野战部队的危重病人的抢救。因此,开发了低功耗大存储容量的小型动态心电记录仪,该记录仪可完整地记录下24小时的ECG信息;功耗小,可使用便携式碱性电池供电,对于中小型医院、家庭以及在旅途中救护危重病人是有实用价值的。

1 心电记录仪主要器件

图1是小型心电记录仪的基本电路组成框图,该电路中全部芯片均采用低功耗芯片。

1.1 低功耗大容量Flash存储器28F128J3

小型心电记录仪的数据存储采用Intel公司的28F128J3 Flash存储芯片。该芯片采用O.181μm ETOXTMVⅡ(J3C)和0.25μm ETOXTM VI(J3A)每单元存储两位的制造技术,使得存储器的质量和可靠性大大提高,存储密度更高。芯片采用高密度对称分块结构,有128个128K字节块。允许用户对任意块进行字节编程和写缓冲器字节编程操作,每字节编程时间为210μs;若采用写缓冲器字节编程方式,32字节编程共需218μs,每字节编程时间仅为6.8μs。芯片的块擦除时间为1s,允许在编程或块擦除操作的同时进行悬挂中断去进行读操作,待读操作完成后,写入悬挂恢复命令,再继续编程或块擦除。芯片的读操作类似于EEPROM,读取速度为25ns。芯片使用2.7V～3.6V的电源电压,最大工作电流为80mA,在休眠模式下电流仅为50μA。同时,其功耗非常小。它的存储容量为128Mb,即16Mbyte,是一种低功耗、高密度、非易失的动态心电数据采集和存储介质,非常适合作为小型动态心电记录仪的数据存储器。

本仪器选用四片28F128J3 Flash存储芯片,合计存储容量为64Mbyte。按每分钟采样200次心电信号计算,24小时需存储的每导ECG数据容量大约为17Mbyte,三导联ECG数据大约51Mbyte,完全可以满足要求。在软件设计上,采用循环记录的形式,当64Mbyte记录完毕时,擦除一个扇区,再写入新的心电数据。所以该仪器记录的总是最新的24小时的心电数据。

1.2 低功耗单片机W78LE54

W78LE54是Winbond公司推出的一款与MCS-8051全兼容的宽电源电压范围(2.4V～5.5V)的低功耗8位单片机。该芯片内含16Kbyte的Flash EPROM,256byte的RAM,4个8位双向I/O口,4位可位寻址的双向I/O口,3个16位定时器/计数器,硬件看门狗,1个串行口,8个中断源。正常工作电流不大于10mA,将单片机设置为低功耗休眠运行模式,则工作电流仅为1.5mA。而MCS-8051单片机的工作电流最大为40mA,休眠工作模式电流为14mA。而且,W78LE54内含程序存储器,因此读操作功耗小,不需要采用文献所述的减小存储器功耗的方法;同时单片机内含程序存储器,对电磁干扰的抵抗能力更强。可见,W78LE54单片机的总体功耗远小于MCS-8051系列单片机。选择W78LE54作为CPU芯片是基于低功耗设计思路的。

1.3 低功耗、全自治式单片12位A/D转换器

M12L458是美国国家半导体公司于1999年推出的低功耗、宽电压范围(3V～5V)的13位(12位+符号位)自治式A/D转换器。该A/D转换器的价格仅为普通12位A/D转换器的两倍,但综合性能大大高于普通12位A/D转换器。13位A/D转换器转换时间为7.7μs,最大功耗为15mW,在3.3V电压下典型工作电流为2.25mA,最大电流为3.5mA,待机电流为1.5μA,待机功耗为5μW。M12L458是一个全自治式A/D转换器,其内部包含一个指令RAM和一个事件序列发生器,以及一个32字的FIFO数据缓冲器,具有自校正功能。它通过16位或8位总线与微处理器接口,有中断请求与DMA请求功能。芯片复位后或接收到一个CPU命令时,可以自动完成在线自校正,自校正参数存入自身的校正数据RAM中。A/D转换器转换的数据先存放在FIFO缓冲器中,最多可存放4组8路数据。当CPU接到中断或DMA请求时,可以直接读FIFO数据缓冲器,或通过DMA控制器将数据一次传入CPU的内存,这样可大大节省CPU的A/D转换控制开销。

2 小型动态心电记录仪设计构架

从图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QRS波检测、处理以及存储,最后通过人机接口电路将心电波形显示在LCD屏幕上,或通过RS232接口送出检测的波形数据到微机中,供医生分析诊断。现分别加以介绍。

2.1 模拟心电信号的检测放大与滤波

将Ag-AgCI电极贴在病人左臂、右臂和大腿上,从体表获得的心电信号经高精度、低功耗CMOS运放LMC6035构成的前置放大器放大后,构成标准的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ导联输入ECG信号由模拟多路开关CD4052进行切换;选中的那一路ECG信号由低功耗仪器放大器AD620放大,经5阶全极点无直流误差的低通滤波器MAX280滤除高频干扰,再经一个用LMF90芯片设计的50Hz陷波器进一步抑制电源干扰后,加到全自治式A/D转换器M12L458上进行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超大存储容量,存储器由四片闪速存储芯片28F128J3组成,每片存储容量为16M字节,4片容量总共为64M字节存储空间。若以200Hz采样频率计算,每导ECG 24小时存储大约17M字节数据,三导联ECG数据大约为51M字节。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,直接记录原始心电数据。

2.2.1 大容量闪存28F128J3与单片机W78LE54的硬件接口

由于28F128J3需寻址16M字节空间,需要24根地址线,但8位单片机W78LE54只有16根地址线,可直接寻址64K字节空间,因此,低16位地址(A0～A15)与单片机地址线正常相接,通过P0口外接低功耗高速8D锁存器74HC377扩展高位地址线(A16～A23),使单片机的寻址能力达16M字节,4片28F128J3的片选信号Y0～Y3由P1口通过74HCl38译码器产生。具体电路连接框图见图2。

2.2.2 软件设计

心电记录仪软件的主要任务是心电数据采集、QRS检测、对闪速存储器的存储控制、心率数字显示与报警以及与微机的数据串行通信。软件以5ms采样速率控制A/D采样,对采集来的ECG信号进行非线性变换和积分,形成能量峰,再用改进的自适应双阈值峰值检测算法进行QRS检测,定出RR间期,取其导数为瞬时心率,然后以当前4个心搏的平均心率为新的心率值。将这些数据都存储于闪速存储器中,以备医生通过串口输入到微机中进行心电波形的回放、分析、诊断和处理。

本文介绍的心电记录仪,硬件全部采用低功耗器件设计,具有存储容量大、功耗低、体积小、可靠性高的特点。而且对心电数据未采用任何压缩算法,ECG信号的保真度高、记录时间长,是一种可供读者参考的小型心电记录仪。