劉夢星，周樂川，陳杭，孫曉，許志

1.浙江大學 a.生物醫(yī)學工程與儀器科學學院；b.生物醫(yī)學工程教育部重點實驗室，浙江 杭州 310027；2.浙江省心腦血管檢測技術與藥效評價重點實驗室，浙江 杭州 310027；3.中國航天員科研訓練中心，北京 100094

基于EFM32的高精度動態(tài)心電記錄儀的低功耗設計

劉夢星1a,1b,2，周樂川1a,1b,2，陳杭1a,1b,2，孫曉3，許志3

1.浙江大學 a.生物醫(yī)學工程與儀器科學學院；b.生物醫(yī)學工程教育部重點實驗室，浙江 杭州 310027；2.浙江省心腦血管檢測技術與藥效評價重點實驗室，浙江 杭州 310027；3.中國航天員科研訓練中心，北京 100094

電池供電的動態(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，隨著記錄時間、體積重量與測量精度要求不斷提高，然而系統(tǒng)必須兼具低功耗和高運算性能的特點。針對該矛盾，采用單片24位集成模擬前端ADS1298作為高精度信號采集電路，以32位Cortex-M3內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系，并提出軟硬件優(yōu)化措施。實驗結果表明：該解決方案能很好地滿足記錄儀低功耗、微型化和高精度的設計要求。

動態(tài)心電記錄儀；電池容量；低功耗；高精度測量；芯片；微處理器

0 前言

動態(tài)心電（ECG Holter）記錄儀已廣泛應用于臨床突發(fā)性和慢性心血管疾病的診斷和治療，它是一種可長期連續(xù)記錄患者心電活動的便攜式儀器。醫(yī)生通過上位機軟件分析系統(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依據(jù)[1-2]。

然而，在實際臨床應用時，如陣發(fā)性房顫病的診斷，往往在24 h內的顫動發(fā)生次數(shù)只有1～2次，甚至不發(fā)生，這時更長時間的心電記錄有利于分析陣發(fā)性房顫的始動因素及其發(fā)生部位[3]。對于心血管疾病術后恢復的病人，長期動態(tài)心電監(jiān)護能夠幫助醫(yī)生更好地了解患者恢復情況，評判手術的治療效果[4]。因此，要求我們必須進一步減輕儀器的重量和降低功耗，但兩者是一對矛盾，減小儀器的體積和重量勢必造成電池容量的縮減。另外，提高信號測量精度，是保證上位機心電分析軟件作用和質量的前提，高采樣率、高AD轉換位數(shù)及更多功能（如運動識別、動態(tài)血壓）的集成[5]，對儀器核心的微處理器的運算處理性能也提出了更高要求。

針對上述問題，本文提出了以單片8通道、24位集成模擬前端ADS1298作為12導聯(lián)心電測量的信號采集電路，以Energy Micro公司推出的基于Cortex-M3內核的高性能、超低功耗微處理器EFM32G880F128作為記錄儀的核心控制器，同時著重優(yōu)化單片機軟件的低功耗設計。最終測試結果表明：利用該解決方案所設計的十二導聯(lián)動態(tài)心電記錄儀，滿足了低功耗、微型化和高精度的系統(tǒng)要求。

1 整體設計思路

為了保證模擬前端測量模塊的高精度和低功耗設計的平衡，同時能降低電路規(guī)模，提高產品批量生產和測試的效率，系統(tǒng)采用TI公司的單片24位集成模擬前端，作為12導聯(lián)動態(tài)心電記錄儀的信號采集電路。面對8通道獨立24位AD所產生的高數(shù)據(jù)量，以及記錄儀功能的增加和預處理算法復雜度的提高，傳統(tǒng)8位和16位的低功耗微處理器已逐漸無法滿足系統(tǒng)的要求，高運算性能與低功耗之間的矛盾突顯[6]。為此，選用Cortex-M3為內核的32位微處理器EFM32G880F128作為記錄儀的核心控制器。在同等主頻下，它不但在運算性能上遠高于8/16位機，還擁有更低的絕對功耗。

圍繞上述分析，設計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，對于CMOS工藝的集成電路，動態(tài)功耗會明顯降低[7]；通過將模擬電源與數(shù)字電源分離，使得模擬電路在系統(tǒng)待機時可被關斷，并能減少數(shù)字電路對小信號的噪聲干擾。其次，盡量選擇高集成度、低絕對功耗、可休眠的外圍器件，重點優(yōu)化微處理器的軟件流程控制，可以減少功耗浪費，進一步降低系統(tǒng)的整體功耗[8]。

2 系統(tǒng)的硬件組成與分析

12導聯(lián)動態(tài)心電記錄儀的整體結構框圖，見圖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、用戶交互單元和數(shù)據(jù)記錄單元。

圖1 十二導聯(lián)動態(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，即實現(xiàn)了高精度標準12導聯(lián)ECG信號調理電路的單片式集成，從而能更好地平衡前端測量電路的高精度與低功耗設計。8路通道分別含有一個獨立的24位Σ-Δ型AD，內置參考電平與2.048M晶振轉換后的結果打包為216 bits（8通道24bit-ADC，加24bit的狀態(tài)字）的數(shù)據(jù)包，通過片上SPI接口輸出。實際運用時，MCU可通過SPI口對其進行配置，除必要的外置阻容元件及信號輸入端的保護電路外，ADS1298無需任何其他外圍電路。當記錄儀進入待機模式時，MCU通過GPIO口使能ADS1298的PWDN引腳，使其進入關斷模式，功耗約10μW。

2.2 大容量存儲器

動態(tài)心電記錄儀常常需要連續(xù)記錄幾十個小時的12導聯(lián)心電數(shù)據(jù)，實際存儲8路差分信號值。假設記錄時間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為記錄時間。

對于某些特殊應用環(huán)境，如房顫診斷和藥效評估時的長期動態(tài)心電監(jiān)測，記錄時間甚至超過50 h。因此，實際設計的存儲器容量在4～8G左右。該系統(tǒng)采用標準8G容量的Micro-SD卡（或稱TF卡），通過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，對比了3款典型的低功耗微處理器的功耗，見表1～2。其中，EFM32G880F128兼具了低功耗與高性能的特點。它以ARM公司32位Cortex-M3為內核，主頻最高32MHz，運算性能明顯提高，且具有低成本優(yōu)勢。它有活動模式（EM0）和4種靈活的低功耗模式（EM1、EM2、EM3和EM4），且低功耗狀態(tài)的喚醒時間極短，同時片上外設種類豐富；工作電壓1.85～3.8 V，適應于電池供電的應用要求。

因此，采用EFM32G880F128作為動態(tài)心電記錄儀的核心控制器，可以更好地滿足系統(tǒng)高性能和低功耗的設計要求。

2.4 電源管理電路

電源管理電路框圖，見圖2。記錄儀采用單節(jié)堿性7號電池供電，通過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電源經帶有可關斷功能的TPS77027線性穩(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，儀器進入待機模式時切斷模擬電路的電源，進一步降低功耗。

表1 典型低功耗微處理器的功耗對比

表2 典型低功耗微處理器的性能對比

圖2 電源管理電路的框圖

3 系統(tǒng)的軟件設計

3.1 ADS1298的時鐘設置

ADS1298的系統(tǒng)時鐘CLK作為內部24位AD工作的基本時基，通過CLKSEL引腳配置成內部使用2.048MHz晶振；由于每次AD轉換完成前必需耗費4個時鐘周期TCLK用于數(shù)據(jù)更新和準備，因此留給每個數(shù)據(jù)包的串行數(shù)據(jù)傳輸時間TTrans必須滿足(2)式：

其中TDR為AD的單位采樣時間，TSCLK為SPI口的同步時鐘周期。

此外，當MCU向ADS1298發(fā)送命令后，也必須耗費4個時鐘周期TCLK用于指令解碼，因此若想通過SPI口連續(xù)發(fā)送多條命令，同步時鐘SCLK必須滿足(3)式：

綜合式(1)～(3)得SPI時鐘頻率為109kHz ＜ FSCLK ＜4.096MHz。記錄儀實際工作時，僅當儀器開啟運行或進入待機這兩個時刻，需要通過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，應盡量提高FSCLK的值，節(jié)省SPI通訊功耗，同時縮短MCU獲取數(shù)據(jù)包耗費的時間，使其更快速地進入低功耗狀態(tài)，節(jié)省能量。

3.2 程序的流程控制與細節(jié)優(yōu)化

數(shù)據(jù)記錄過程的程序流程圖，見圖3。假定ADS1298的采樣率為500SPS，24位高精度、連續(xù)轉換模式，當MCU處理完其它任務事件后，使其進入EM2深度睡眠模式。當ADS1298每次轉換數(shù)據(jù)包準備完畢后，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活動模式，通過SPI口快速讀取數(shù)據(jù)包后，在一定的CPU主頻FCPU下對數(shù)據(jù)包進行解析和預處理，隨后根據(jù)Block單元塊是否裝滿，決定是否向SD卡中的預定義文件寫數(shù)據(jù)。當在該任務中執(zhí)行寫文件操作時，則整個指令運行時間為TR1；倘若僅更新Block塊，則耗費時間為TR2。隨后，中斷返回并重新進入EM2低功耗狀態(tài)。

設每次DRDY中斷觸發(fā)的時間間隔為TS，則：

其中TRun即TR1或TR2，表示任務執(zhí)行時間；TInt表示從任務結束時刻起，直到下一次任務到來之間的可休眠時間。

在TRun內，MCU返回EM0狀態(tài)后，需要等待時鐘源重新建立，以及外部硬件模塊的固定開啟時間，總體功耗將隨FCPU的改變呈現(xiàn)非單調性特征。因此，在保證所有任務能順利完成的前提下，針對該系統(tǒng)，存在一個最佳頻率（設為FLP），使得整體運行功耗最低。

圖3 數(shù)據(jù)記錄過程的程序流程圖

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模塊的同步時鐘，可降低數(shù)據(jù)包獲取時間和SD卡寫入時間，爭取更多休眠。無論MCU處于何種模式下，其內外未使用的模塊均設置為關閉狀態(tài)，同時，空載的GPIO口，也設定為節(jié)電模式[9]。

4 實驗測試

4.1 功耗測試與結果

結合3.2節(jié)的分析，測得不同主頻下數(shù)據(jù)記錄過程的功耗測試結果，見表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時間內，平均電流為：

其中，ti為第i段時間長度；Ii為ti段內的線性電流消耗值；N為完成一段T時長的任務所經歷的線性步驟數(shù)目。設任務執(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)在活動模式下的FLP為28MHz（即EFM32G880F128內部RC振蕩器的最大頻率），此刻完成該系統(tǒng)任務的整體功耗達到最低值，同時，能保證高精度記錄儀的運算性能。微處理器的平均功耗測試結果，見圖4；記錄儀實物，見圖5。該記錄儀對人體12導聯(lián)信號測試的原始數(shù)據(jù)，系統(tǒng)整體測試平均功耗約8.1mW。

表3 不同主頻下的功耗測試結果

圖4 微處理器的平均功耗測試

圖5 記錄儀實物與信號測試結果（上位機軟件處理前的原始數(shù)據(jù)）

4.2 同類儀器對比

本儀器與Burdick、GE、Philips三家全球領先的動態(tài)心電記錄儀的標稱值進行比較，見表4?？梢钥闯觯迷摲椒ㄔO計的記錄儀，在體積、精度和功耗上與其性能相當，且略具優(yōu)勢。

表4 同類儀器的性能對比

5 結論

為滿足12導聯(lián)動態(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，提高信號測量精度；選用ARM Cortex-M3內核的32位超低功耗微處理器EFM32G880F128作為主控器，降低功耗的同時提高了運算性能；圍繞低功耗設計原則，并針對特定的任務，研究主頻與系統(tǒng)功耗的非單調變化規(guī)律，得到適合系統(tǒng)運行的最佳頻率點。實測結果表明：1節(jié)堿性7號電池（約1200 mAh）能維持記錄儀正常工作144 h，實現(xiàn)了系統(tǒng)長時間、高性能的運行要求。

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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