鄭駿，樓理綱，毛斌，馮靖祎

浙江大學(xué)附屬第一醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程部，浙江 杭州 310006

一種可穿戴動(dòng)態(tài)心電記錄儀的低功耗設(shè)計(jì)

鄭駿，樓理綱，毛斌，馮靖祎

浙江大學(xué)附屬第一醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程部，浙江 杭州 310006

本文介紹了一種以MSP430F5342處理器為核心的可穿戴動(dòng)態(tài)心電記錄儀的功耗設(shè)計(jì)方案，解決動(dòng)態(tài)心電圖工作時(shí)間不長(zhǎng)的核心問題。該研究通過對(duì)比芯片功耗，優(yōu)選了MSP430F5系列芯片組及MSP430 MCU時(shí)鐘系統(tǒng)，并從軟件上由程序進(jìn)行節(jié)能控制。該系統(tǒng)大部分時(shí)間處于低功耗工作模式下，可以實(shí)現(xiàn)選擇性關(guān)斷不用的耗電模塊。3組電量試驗(yàn)結(jié)果表明，容量?jī)H僅為185 mAh的超小型鋰電池也能使其待機(jī)時(shí)間達(dá)到140 d，而持續(xù)工作時(shí)間可以達(dá)到7 d。由于該設(shè)備采用的電池容量超小，所以它的總體體積非常小，從而非常適合隨身攜帶。其工作時(shí)間長(zhǎng)，因此該款記錄器的低功耗設(shè)計(jì)是成功的。

便攜；低功耗；可穿戴動(dòng)態(tài)心電記錄儀；處理器；鋰電池

引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國(guó)民生活方式發(fā)生了深刻的變化。尤其是人口老齡化及城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速，中國(guó)心血管病危險(xiǎn)因素流行趨勢(shì)呈明顯上升態(tài)勢(shì)，導(dǎo)致了心血管病的發(fā)病人數(shù)持續(xù)增加。今后10年心血管病患病人數(shù)仍將快速增長(zhǎng)。據(jù)《2014年中國(guó)心血管病報(bào)告》報(bào)道，我國(guó)每5個(gè)成人中有1名患心血管病，其死亡率占城鄉(xiāng)居民總死亡原因的首位。心血管病的疾病負(fù)擔(dān)日漸加重，已成為重大的公共衛(wèi)生問題[1]。

動(dòng)態(tài)心電圖（Dynamic Electrocardiogram，DCG），能提供長(zhǎng)時(shí)間的動(dòng)態(tài)心電圖記錄，對(duì)心率失常的檢出、早期心血管病診斷、抗心律失常治療的評(píng)價(jià)以及心率失常和生理關(guān)系的研究具有重要意義[2]。在此背景下，大量科研工作者不斷研發(fā)可實(shí)時(shí)對(duì)心血管系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的醫(yī)療方式和實(shí)施裝置。

1 目的

動(dòng)態(tài)心電記錄儀是一種病人能長(zhǎng)時(shí)間隨身攜帶，并進(jìn)行記錄心電圖作為臨床診斷的儀器。通常它使用電池供電并且連續(xù)工作時(shí)間要求在24 h以上，所以整個(gè)系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的[3-5]。

本文所設(shè)計(jì)的可穿戴動(dòng)態(tài)心電記錄儀從微處理器和外圍設(shè)備兩個(gè)方面都達(dá)到了低功耗的要求，從而使該設(shè)備能夠持續(xù)工作更長(zhǎng)的時(shí)間。降低充電頻次，提高設(shè)備的可用性，滿足使用者的實(shí)際需要。

2 設(shè)計(jì)與方法

可穿戴動(dòng)態(tài)心電記錄儀的整體架構(gòu)，見圖1。電源管理模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供和控制電源，主要分為5 V、3.3 V和3 V；數(shù)據(jù)采集模塊是模擬電路部分，它負(fù)責(zé)采集微弱的心電信號(hào)并進(jìn)行濾波放大；處理器芯片內(nèi)置的AD將放大后的心電信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后處理器芯片再將轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)的心電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SD卡中；最終通過USB通信方式將將SD卡中的數(shù)據(jù)傳輸給PC終端，而由后者進(jìn)行存儲(chǔ)、分析并提供診斷信息；聲光警報(bào)模塊用來指示記錄儀的工作狀態(tài)[6-9]。為使整個(gè)系統(tǒng)最大程度的降低功耗，我們分別從硬件和軟件兩個(gè)方面進(jìn)行了優(yōu)化處理。

圖1 可穿戴動(dòng)態(tài)心電記錄儀的整體架構(gòu)

2.1 硬件上低功耗的優(yōu)化

選擇一款低功耗的處理器是實(shí)現(xiàn)整體低功耗的關(guān)鍵所在，現(xiàn)在主流的低功耗處理器主要為MSP430和STM32L。我們對(duì)這兩種系列的芯片進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比，MSP430F5XX與STM32L功耗對(duì)比結(jié)果，見表1。從表1可以看出，在功耗方面，MSP430F5XX系列占據(jù)了一定的優(yōu)勢(shì)，所以最終選擇了其系列中的MSP430F5342。

MSP430 MCU時(shí)鐘系統(tǒng)專為電池供電的應(yīng)用而精心設(shè)計(jì)。多個(gè)振蕩器可用于支持事件驅(qū)動(dòng)的突發(fā)任務(wù)。低頻輔助時(shí)鐘（Low Frequency Auxiliary Clock，LFAC）可通過通用的32 kHz時(shí)鐘晶振或內(nèi)部超低功耗振蕩器（Very-Low-Power Low-Frequency Oscillator，VLO）直接驅(qū)動(dòng)，無需采用額外的外部組件。LFAC可用作后臺(tái)實(shí)時(shí)時(shí)鐘自喚醒功能。集成的高速數(shù)控振蕩器（Digital Controlled Oscillator，DCO）可作為CPU的主系統(tǒng)時(shí)鐘源，也可作為高速外設(shè)使用的子系統(tǒng)時(shí)鐘（Sub-Main Clock，SMCLK）源。根據(jù)設(shè)計(jì)，DCO可在1 μs的時(shí)間內(nèi)激活并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定工作?；贛SP430器件的解決方案可在極短的突發(fā)間隔內(nèi)高效利用16位 RISC CPU 的高性能，從而實(shí)現(xiàn)極高的性能與超低功耗。

MSP430F 5xx是最新基于閃存的微處理器系列，不但具有業(yè)界最低的功耗，而且還可實(shí)現(xiàn)高達(dá)25 MIPS的性能。該產(chǎn)品系列可提供1.8～3.6 V的寬泛工作電壓。其特性包括可用于優(yōu)化功耗的創(chuàng)新電源管理模塊、內(nèi)部控制穩(wěn)壓器，以及各種高達(dá)256 KB的存儲(chǔ)器選項(xiàng)。此外，5 xx系列還能夠?qū)崿F(xiàn)更高的外設(shè)性能、集成度以及易用性等優(yōu)異特性，并且能夠與現(xiàn)有 MSP430 系列全面兼容。

不僅處理器功耗要低，其它外圍模塊的功耗同樣要達(dá)到低功耗標(biāo)準(zhǔn)。首先是電源管理模塊，我們嘗試了多種低壓差線性穩(wěn)壓器（Low Dropout Regulator，LDR），最終確定了兩種最佳的芯片ADP151和TPS77030。ADP151在空負(fù)載的時(shí)候，其電流損耗僅為10 μA，這個(gè)特性大大延長(zhǎng)了系統(tǒng)的待機(jī)時(shí)間。SD存儲(chǔ)模塊的耗電量主要由SD卡的性能決定，本文使用并比較了Samsung、Fujif lm、Sandisk等幾類主流SD卡，發(fā)現(xiàn)Samsung卡寫入速度最慢，但是功耗最低，性能最穩(wěn)定，由于該系統(tǒng)對(duì)讀寫速度要求不高，因此采用了Samsung的SD卡。為了使系統(tǒng)待機(jī)時(shí)間更長(zhǎng)，我們?yōu)閿?shù)據(jù)采集模塊和SD存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)了電源開關(guān)，這樣在睡眠狀態(tài)，通過關(guān)斷這兩個(gè)模塊的電源能節(jié)省大量的能耗。

2.2 軟件上低功耗的優(yōu)化

為了充分利用MSP430的低功耗特性，我們只用了一顆32.768 kHz的晶振，將其作為低頻輔助時(shí)鐘，主時(shí)鐘源為DCO。在正常工作狀態(tài)下，系統(tǒng)大部分時(shí)間處于低功耗模式3（Low Power Mode 3，LPM3）下，在該工作模式，僅外設(shè)晶振工作，CPU和其它外設(shè)全部關(guān)閉。將外設(shè)晶振作為時(shí)鐘源設(shè)定了一個(gè)16.6 ms的定時(shí)器，將系統(tǒng)從LPM3狀態(tài)下喚醒進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。

可穿戴動(dòng)態(tài)心電記錄儀的工作狀態(tài)主要分為睡眠、待機(jī)和記錄3種。在睡眠狀態(tài)下，數(shù)據(jù)采集模塊和SD存儲(chǔ)模塊的電源關(guān)斷，聲光警報(bào)模塊不工作，處理器處于LPM3狀態(tài)下的時(shí)間是最長(zhǎng)的，此時(shí)的功耗最低；待機(jī)狀態(tài)下，數(shù)據(jù)采集模塊和SD存儲(chǔ)模塊的電源打開但沒有工作，聲光警報(bào)模塊工作，此時(shí)功耗略高于睡眠狀態(tài)；記錄狀態(tài)是記錄儀全力工作狀態(tài)，所有模塊都進(jìn)行工作，此時(shí)功耗最大。

表1 MSP430F5XX與STM32L功耗對(duì)比

3 結(jié)果

我們使用了3臺(tái)記錄儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中用3.7 V，185 mAh的鋰電池給記錄儀供電，并且串聯(lián)上一臺(tái)Fluke電流表用來測(cè)量記錄儀的總電流。準(zhǔn)備就緒后，將可穿戴動(dòng)態(tài)心電記錄儀連接到一臺(tái)心電信號(hào)模擬器，然后開始記錄心電信號(hào)。各個(gè)工作狀態(tài)下的電流消耗大小，見表2。在睡眠狀態(tài)下的總電流消耗為54～57 μA，也就是說185 mAh的鋰電池能讓記錄儀不工作時(shí)維持大約140天不斷電；待機(jī)狀態(tài)下的電流消耗為1.6～1.7 mA，這個(gè)消耗比較大，但是待機(jī)狀態(tài)持續(xù)時(shí)間最多不超過5 min，所以對(duì)總體功耗影響不是非常大；在記錄狀態(tài)下，記錄儀的電流變化幅度比較大，最小為0.3 mA，最大達(dá)到了5 mA，所以無法從理論上分析計(jì)算持續(xù)工作時(shí)間能力，只有通過長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)觀察才行。

表2 記錄儀各個(gè)工作狀態(tài)的電流

三臺(tái)記錄儀全部去除電流表，將鋰電池充滿電，然后讓記錄儀開始工作，直到鋰電池的電量不足以維持正常工作。鋰電池的電壓與記錄儀工作時(shí)長(zhǎng)的關(guān)系，見圖2。由圖可看出，185 mAh的鋰電池能讓三臺(tái)記錄儀的持續(xù)工作時(shí)間都達(dá)到7天之久。而一般情況下，動(dòng)態(tài)心電記錄儀的持續(xù)工作時(shí)間僅僅只需要24 h或48 h，所以本文設(shè)計(jì)的可穿戴動(dòng)態(tài)心電記錄儀的電池工作性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了預(yù)期。

圖2 鋰電池電壓與記錄儀工作時(shí)長(zhǎng)關(guān)系

最后是產(chǎn)品的試用，我們將3臺(tái)心電記錄儀貼到3位病人身上24 h，然后通過USB通信將數(shù)據(jù)上傳PC進(jìn)行分析，最后得到的數(shù)據(jù)證明了該可穿戴動(dòng)態(tài)心電記錄儀在降低功耗的情況下沒有對(duì)產(chǎn)品的性能造成任何影響。3臺(tái)記錄儀記錄下3個(gè)不同病人的心電信號(hào)結(jié)果，見圖3。

圖3 3臺(tái)記錄儀記錄下3個(gè)不同病人的心電信號(hào)

4 結(jié)論

該可穿戴心電記錄儀以TI公司的MSP430F5342處理器為核心，在硬件與軟件兩方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保持性能的前提下，將功耗降到極低。硬件上選用超低功耗的集成芯片，軟件上由程序進(jìn)行控制，使系統(tǒng)大部分時(shí)間處于低功耗工作模式LPM3下，并在不同的工作狀態(tài)下選擇性關(guān)斷不用的模塊。使用一塊185 mAh的鋰電池，能持續(xù)待機(jī)140 d，連續(xù)工作時(shí)長(zhǎng)達(dá)到7 d之久。該產(chǎn)品具有體積小、易攜帶、使用方便和超低功耗等特點(diǎn)，它能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)和預(yù)防心臟病的發(fā)生，非常適合家庭使用。

[1]陳偉偉,高潤(rùn)霖,劉力生,等.《中國(guó)心血管病報(bào)告2014》概要[J].中國(guó)循環(huán)雜志,2015,31(7):617-622.

[2]楊琦.基于MSP430超低功耗MCU的便攜式心電監(jiān)護(hù)儀及其系統(tǒng)的研究[D].福州:福州大學(xué),2003:5.

[3]梁航,王劍鋼.基于超低功耗單片機(jī)MSP430F168的家用動(dòng)態(tài)心電記錄器[J].中國(guó)組織工程研究與臨床康復(fù),2007,2(1):84-85.

[4]周樂川,葉樹明,蔣春躍,等.基于MSP430F1611的自容式葉綠素儀的采集控制電路的低功耗設(shè)計(jì)[J].電子器件,2008,31 (3):864-867.

[5]葉樹明,張文昌,陳杭.基于C8051F040單片機(jī)的便攜式心電監(jiān)護(hù)儀的低功耗設(shè)計(jì)[J].電子器件,2007,30(2):621-627.

[6]龔元,曹瑾,羅澤惠,等.基于MSP430F5529及CC2540的智能型低功耗心電監(jiān)測(cè)儀[J].中國(guó)醫(yī)療器械雜志,2015,39(4):240-243.

[7]付秀泉,陳杭,葉樹明.基于MSP430F1611和SD卡的心電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2009,(4):45-51.

[8]熊青,戴啟軍.基于MSP430F149單片機(jī)的低功耗電子血壓計(jì)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2011,19(14):184-186.

[9]蔣廬俊,楊李萍,陳會(huì),等.基于MSP430FG439超低功耗MCU便攜式心電儀的研究[J].大眾科技,2010,(10):48-50.

Low Power Design of Wearable Dynamic ECG Recorder

This paper introduces a power consumption design of wearable dynamic electrocardiograph (ECG) recorder with the core processor MSP430F5342 to solve the problem that working time of dynamic ECG recorder is not long. By comparing the power consumption of the chip, the MSP430F5 series chipset and the MSP430 MCU clock system are chosen, and the program of the software is used to conduct energy saving control. The low-power design can selectively shut off unused modules, which makes it possible to work in a low-power operating mode most of the time. 3 groups of power test results show that even a small lithium battery of 185 mAh can make its standby time last for 140 d, and the continuous working time can reach 7 d. Because the device uses ultra-small battery capacity, so the recorder has a small size, which makes it suitable to carry and can work for a long time. The low power design of the recorder is successful.

portable; low power consumption; wearable dynamic ECG recorder; processor; lithium battery

ZHENG Jun, LOU Li-gang, MAO Bin, FENG Jing-yi
Department of Medical Engineering, the First Affiliated Hospital, Zhejiang University, Hangzhou Zhejiang 310006, China

TH778

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.12.031

1674-1633(2016)12-0113-03

2016-03-28

2016-04-07

浙江省公益性技術(shù)應(yīng)用研究項(xiàng)目（可穿戴的心電智能終端及無線傳輸技術(shù)的研究，2013C33G2010708）。

作者郵箱：casper_feng@163.com