便攜式、低功耗體電信號(hào)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)研究

摘要：介紹目前市場(chǎng)上最常見(jiàn)的幾種非易失低功耗靜態(tài)存儲(chǔ)介質(zhì)，詳細(xì)說(shuō)明Compact Flash Card軟、硬件接口;提出基于Compact Flash Card和TI公司的C24x、C28x系列DSP搭建體電信號(hào)采集的硬件平臺(tái)的一種可行的低功耗、便攜式實(shí)時(shí)體電信號(hào)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)的可行方案，說(shuō)明其硬件連接和相關(guān)的程序?qū)嵗? 關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ) 便攜式 Compact Flash Card TMS320LF2407 引言 目前比較常見(jiàn)的臨床體電信號(hào)采集及處理儀器是功能完備的微機(jī)系統(tǒng)，雖然能較快地分析和處理監(jiān)測(cè)到的體電信號(hào)，但往往只能被固定在病房里使用，在移動(dòng)的情況下則顯得笨重和不便。體電信號(hào)采集往往需要長(zhǎng)時(shí)間地采集、記錄海量數(shù)據(jù)，并進(jìn)行進(jìn)一步的信號(hào)處理和分析，以便臨床病情的檢測(cè)和監(jiān)護(hù)。

目前，臨床體電儀器主要還是采用紙張、磁帶及普通硬盤來(lái)存儲(chǔ)體電信號(hào)。存儲(chǔ)載體的體積和功耗的限制是臨床醫(yī)療儀器功耗、便攜式發(fā)展的瓶頸。便攜的醫(yī)療設(shè)備能夠極大地方便病人的使用、監(jiān)護(hù)并降低醫(yī)療費(fèi)用。近幾年，隨著Flash Memory非易失存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展以及處理器(如單片機(jī)和DSP)性能的不斷提高，使信號(hào)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)的耗電量和體積不斷減少，滿足便攜式的要求。 經(jīng)過(guò)實(shí)際調(diào)研和性能比較，TI公司的C2000系列DSP芯片具有諸多優(yōu)點(diǎn)，包括定點(diǎn)處理器C24X和C28X。C24X系列為16位定點(diǎn)處理器，運(yùn)算速度為20～40MIPS，可用于低速數(shù)據(jù)采集;TMS320C28X DSP系列為32位定點(diǎn)處理器，運(yùn)算速度高達(dá)400MIPS，可用于高速數(shù)據(jù)采集。C2000系列采用高性能的靜態(tài)CMOS技術(shù)，3.3V電壓供電，內(nèi)核電壓為1.8V，片內(nèi)程序空間集成Flash，可以將系統(tǒng)控制程序直接燒入DSP芯片內(nèi)部而不用外擴(kuò)Flash存儲(chǔ)芯片，減少系統(tǒng)的功耗和體積。C24X 系列DSP內(nèi)置2%26;#215;8通道10位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換(ADC)，轉(zhuǎn)換時(shí)間約為500ns;C28X系列DSP內(nèi)置2%26;#215;8通道12位數(shù)模轉(zhuǎn)換(ADC)，轉(zhuǎn)換時(shí)間為80ns。ADC的精度和速度幾乎可以滿足各種體電信號(hào)采集，因此系統(tǒng)須使用獨(dú)立A/D轉(zhuǎn)換芯片，進(jìn)一步減少系統(tǒng)的功耗和體積。 Compact Flash Card(以下簡(jiǎn)稱CF卡)是市場(chǎng)上最常見(jiàn)的基于Flash存儲(chǔ)芯片的低功耗移動(dòng)存儲(chǔ)器，能與DSP芯片直接連接而用接口轉(zhuǎn)換芯片。由于CF卡的高速價(jià)比、大容量和系統(tǒng)的易實(shí)現(xiàn)性，首選作為信號(hào)采集的存儲(chǔ)載體。 下面以CF卡和DSP TMS320LF2407硬件平臺(tái)為例，具體介紹這種可行的低功耗、便攜式體電信號(hào)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)的搭建和軟、硬件接口的實(shí)現(xiàn)，并給出程序?qū)嵗?/p>

1、各類基于Flash的閃存卡簡(jiǎn)介 近幾年來(lái)，靜態(tài)存儲(chǔ)技術(shù)進(jìn)步，誕生陳舊基于Flash存儲(chǔ)器非易失大容量多種類型閃爍存儲(chǔ)卡。PC(PCMCIA)、CF(CompactFlash)、 SD(SecureDigital)、MMC(MultMedia)、SM(SmartMedia)、MS(Memory Stick)以及基于USB接口的閃存是如今流行的7大卡系，具有大容量和低功耗等優(yōu)點(diǎn)。移動(dòng)存儲(chǔ)器被廣泛應(yīng)用于各種數(shù)碼產(chǎn)品中，如婁碼相機(jī)、媒體播放器和PDA等，同時(shí)也為低功耗、便攜式體電信號(hào)的采集存儲(chǔ)系統(tǒng)提供了理想的存儲(chǔ)介質(zhì)。表1為這7種流行卡系的簡(jiǎn)介與比較。 7種流行卡系統(tǒng)比較 卡 系誕生時(shí)間/年體 積接 口目前最大容量 PC卡 1992 85.6mm%26;#215;54.0mm%26;#215;3.3mm類型I); 85.6mm%26;#215;54.0mm%26;#215;5.0mm類型II); 85.6mm%26;#215;54.0mm%26;#215;10.5mm類型III) 68針 5GB CF卡 1994 43mm%26;#215;36mm%26;#215;3.3mm 50針 2～3GB SM卡 1995 45mm%26;#215;37mm%26;#215;0.76mm 22 128MB MMC卡 1997 32mm%26;#215;24mm%26;#215;1.4mm 7針 128MB SD卡 1999 32mm%26;#215;24mm%26;#215;2.1mm 7針 128MB MS卡 1997 50mm%26;#215;21.5mm%26;#215;0.28mm 10針 128MB 基于USB接口的閃存盤 1999 型號(hào)不同，體積各異 USB接口 1GB 經(jīng)過(guò)詳細(xì)的調(diào)研和性能比較，綜合各種移動(dòng)存儲(chǔ)卡的性價(jià)比、最大容量和易實(shí)現(xiàn)性，筆者最終選擇CF卡作為便攜式體電信號(hào)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)的存量載體。CF卡容量大，最大容量可達(dá)2GB以上，完全滿足長(zhǎng)時(shí)間體電信號(hào)采集海量數(shù)據(jù)的要求;性價(jià)比高，同樣容量的卡價(jià)格是其它卡系的一半;易于系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，CF卡提供了完整的ATA功能，而且通過(guò)TrueIDE工作模式兼容IDE接口;耗電量低，支持在低電壓(3.3V)下工作，實(shí)際工作電流為30～50mA，睡眠時(shí)僅為 600μA;數(shù)據(jù)吞吐量高，5V工作時(shí)吞吐量為20MB/s，3.3V工作時(shí)為6.6MB/s;可靠性高，平均無(wú)故障工作時(shí)間100萬(wàn)小時(shí)。

2、CF卡的物理和硬件接口特性 CF卡可以工作在PC卡ATA I/O模式、PC卡ATA存儲(chǔ)模式和實(shí)IDE模式三種模式下，實(shí)IDE模式與IDE接口完全歉。CF卡遵從ATA協(xié)議，屬于塊存儲(chǔ)設(shè)備，存儲(chǔ)單元是通過(guò)磁頭(head)、柱面(cylinder，也稱磁道)和扇區(qū)(sector)組織起來(lái)的;在物理尋址(CHS)方式下，每一組H/C/S參數(shù)唯一確定存儲(chǔ)卡中的一個(gè)扇區(qū)，通常一個(gè)扇區(qū)擁有512字節(jié)的數(shù)據(jù)空間。一個(gè)驅(qū)動(dòng)數(shù)格式化后的容量為磁頭數(shù)%26;#215;柱面數(shù)%26;#215;扇區(qū)數(shù)%26;#215;512字節(jié)。在物理尋址模式下，扇區(qū)(S)是最低的地址單位，其次是磁頭(H)，最后的柱面(C)為最高尋址單位。此外，還有邏輯尋址方式(LBA)。在這種尋址方式下，CF卡按照以連續(xù)序列的邏輯扇區(qū)編號(hào)進(jìn)行尋址，主機(jī)不必知道CF卡的物理幾何結(jié)構(gòu)。使用28個(gè)數(shù)據(jù)位來(lái)表示邏輯扇區(qū)的地址，可以尋址2 28個(gè)扇區(qū)，理論上可以尋址136GB的容量。下面給出物理尋址方式與邏輯尋址方式的對(duì)應(yīng)關(guān)系。設(shè)NS為每磁道扇區(qū)數(shù)，NH為磁頭數(shù)，C、H、S分別表示磁盤的柱面、磁頭和扇區(qū)編號(hào)，LBA表示邏輯扇區(qū)號(hào)，div為整除計(jì)算，mod為求余計(jì)算，則：LBA=NH%26;#215;NS%26;#215; C+NC%26;#215;H+S-1;C=(LBA div NS)div NH;H=(LBA div NS)mod NH;S=(LBA mod NS)+1。 CF卡為50針接口。其中重要的信號(hào)線16根數(shù)據(jù)線、11根地址線(在TureIDE模式下僅用3根地址線)、2根寄存器組選擇信號(hào)線(CS0、 CS1)、數(shù)據(jù)的讀寫線(IORD、IOWR)、1根中斷信號(hào)請(qǐng)求線(INTRQ和1根復(fù)位線(RESET)。

3、CF卡的軟件接口和命令 CF內(nèi)部控制器有多個(gè)寄存器，通過(guò)這些寄存器可以對(duì)CF卡內(nèi)部的存儲(chǔ)空間進(jìn)行控制和訪問(wèn)。下面就實(shí)IDE模式下的寄存器組為例進(jìn)行說(shuō)明。 在實(shí)IDE模式下，寄存器組通過(guò)寄存器組選擇信號(hào)線(CS0、CS1)和低三位地址線(A0、A1、A2)進(jìn)行訪問(wèn)，具體功能和地址分配如表2所列。 表2 CF卡實(shí)IDE模式下寄存器組具體功能和地址分配表 CS1 CS0 A2 A1 A0 IORD=0 IOWR=0 位數(shù)/位 1 0 0 0 0 數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器 16 1 0 0 0 1 錯(cuò)誤寄存器特征寄存器 8 1 0 0 1 0 扇區(qū)數(shù)寄存器扇區(qū)數(shù)寄存器 8 1 0 0 1 1 扇區(qū)號(hào)寄存器扇區(qū)號(hào)寄存器 8 1 0 1 0 0 柱面號(hào)寄存器(低字節(jié))柱面號(hào)寄存器(低字節(jié)) 8 1 0 1 0 1 柱面號(hào)寄存器(高字節(jié))柱面號(hào)寄存器(高字節(jié)) 8 1 0 1 1 0 驅(qū)動(dòng)器選擇/磁頭寄存器驅(qū)動(dòng)器選擇/磁頭寄存器 8 1 0 1 1 1 狀態(tài)寄存器命令寄存器 8 0 1 1 1 0 可選狀態(tài)寄存器設(shè)備控制寄存器 8 0 1 1 1 1 驅(qū)動(dòng)器地址寄存器保留 8 CF-ATA的基本命令有30余條，主要有數(shù)據(jù)的傳輸命令，包括扇區(qū)、緩沖區(qū)的讀寫等命令;CF卡的定義命令，包括磁道格式化、設(shè)置特征參數(shù)等命令;電源管理命令，包括檢查電源管理模式、進(jìn)入睡眠省電模式等命令;安全及權(quán)限的設(shè)置命令，包括CF卡安全密碼的設(shè)置、安全權(quán)限的鎖定與解鎖等命令。每執(zhí)行一條命令都要向CF-ATA的寄存器組寫入?yún)?shù)和命令。下面以CF卡讀取一扇區(qū)數(shù)據(jù)為例，說(shuō)明CF-ATA命令的執(zhí)行過(guò)程。 ①讀取CF卡狀態(tài)寄存器，檢測(cè)并等待當(dāng)前CF卡是否空閑，若空閑，向下執(zhí)行。 ②填寫地址寄存器塊。地址寄存器塊包括扇區(qū)數(shù)寄存器、扇區(qū)號(hào)寄存器、柱面號(hào)寄存器(低和高字節(jié))、驅(qū)動(dòng)器選擇/磁頭寄存器，選擇訪問(wèn)的扇區(qū)地址。 ③寫命令寄存器，將讀扇區(qū)命令寫入命令寄存器(20h或21h)。 ④讀取CF卡狀態(tài)寄存器，檢測(cè)并等待CF卡的數(shù)據(jù)請(qǐng)求。有數(shù)據(jù)請(qǐng)求表示命令已被接收并處理，若長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有數(shù)據(jù)請(qǐng)求，需要進(jìn)行超時(shí)處理。 ⑤讀數(shù)據(jù)寄存器。由于數(shù)據(jù)寄存器端口為16位，因此，讀一個(gè)扇區(qū)512字節(jié)的數(shù)據(jù)僅需要連續(xù)執(zhí)行256次訪問(wèn)數(shù)據(jù)寄存器的操作。要注意的是，在CF卡中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是低字節(jié)在前，高字節(jié)在后。在數(shù)據(jù)寄存器中，會(huì)產(chǎn)生高低字節(jié)顛倒的問(wèn)題。 ⑥檢測(cè)執(zhí)行結(jié)果。在執(zhí)行命令后，需要查看狀態(tài)寄存器的D0位。若D0位為0，則表示命令執(zhí)行成功，否則表示出錯(cuò)。其相應(yīng)的錯(cuò)誤信息在錯(cuò)誤寄存器中可以查出。[!--empirenews.page--]

4、TMS320LF2407與CF卡的電路連接 TMS320LF2407是TI公司C24X系列中功能最完整、資源最豐富的控制芯片DSP，提供了多種接口的最優(yōu)數(shù)字控制，有最高的代碼效率。C24X 是其C2000系列新代16位定點(diǎn)處理器產(chǎn)生，內(nèi)核CPU為低功耗、高性能TMS320TM構(gòu)架的增強(qiáng)設(shè)計(jì);最優(yōu)化控制多個(gè)外設(shè);有2個(gè)事件管理模塊，用于數(shù)據(jù)控制、電源轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生多種波形PWM;同步16通道高性能10位ADC，轉(zhuǎn)換時(shí)間為500ns;支持串行異步通信接口(SCI)、串行同步外設(shè)接口(SPI)、CAN總線2.0標(biāo)準(zhǔn)接口。TMS320LF2407總尋址范圍192K字，其中包括64K字程序空間，64K字?jǐn)?shù)據(jù)空間，64K字I/O空間，片內(nèi)程序空間集成32K字Flash，數(shù)據(jù)空間集成2.5K字RAM，包括544字DARAM(其中256字與程序空間共享)，2K字SARAM。圖 1給出了TMS320LF2401與CF卡的一種電路連接方框圖。CF卡占用TMS320LF2407的I/O空間地址，不需要任何中間接口轉(zhuǎn)換芯片。

5、TI公司DSP匯編程序?qū)嵗? 考慮到TI公司的DSP各系列芯片匯編指令的兼容性例于跨平臺(tái)移植和匯編語(yǔ)言代碼的高效性，下面給出基于連接框圖將CF卡中一扇區(qū)數(shù)據(jù)(512字節(jié))讀到 TMS320LF2407片內(nèi)RAM中匯編程序。READ_A_SECT： W_CF_RDY： ;檢測(cè)CF卡是否空閑 LDP #0h IN CF_IN，CFCOM_STAT ;讀狀態(tài)寄存器 LALC CF_IN AND #00FFh XOR #0050h BZ END_WAIT_RDY B W_CF_RDY END_WAIT_RDY： SPLK #0000h，CF_OUT OUT CF_OUT，CFERR_FEA ;寫特片寄存器 SPLK #0001h，CF_OUT OUT CF_OUT，CFSET_COU ;寫扇區(qū)數(shù)寄存器 SAR AR3，CF_OUT OUT CF_OUT，CFSEC_NO ;寫扇區(qū)號(hào)寄存器 SAR AR4，CF_OUT OUT CF_OUT，CFCYL_LOW ;寫柱面號(hào)寄存器(低字節(jié)) SAR AR5，CF_OUT OUT CF_OUT，CFCYL_HIG ;寫柱面號(hào)寄存器(高字節(jié)) SAR AR6，CF_OUT OUT CF_OUT，CF_CDH ;寫驅(qū)動(dòng)器選擇/磁頭寄存器 SPLK #0020h，CF_OUT OUT CF_OUT，CFCOM_STAT ;寫命令寄存器 W_CF_DRQ：;檢測(cè)CF卡是否有數(shù)據(jù)請(qǐng)求 IN CF_IN，CFCOM_STAT LACL CF_IN AND #00FFh XOR #0058h BZ END_WAIT_DRQ B W_CF_DRQ END_WAIT_DRQ： LAR AR2，#0FFh ;作256次循環(huán)讀取一扇區(qū)數(shù)據(jù)(512字節(jié)) MAR *，AR1 INLOOP：IN *+，CFDATA，AR2 ;循環(huán)讀取數(shù)據(jù)寄存器 BANZ INLOOP，*-，AR1 RET 程序說(shuō)明：CFDATA為數(shù)據(jù)寄存器端口地址;CFCOM_STAT為狀態(tài)/命令寄存器端口地址;CFERR_FEA為特征寄存器端口地址;CFSEC_COU為扇區(qū)數(shù)寄存器端口地址;CFSEC_NO為扇區(qū)號(hào)寄存器端口地址;CFCYL_LOW為柱面號(hào)寄存器(低字節(jié))端口地址;CFCYL_HIG為柱面號(hào)寄存器(高字節(jié))端口地址;AR1、AR3～AR6輔助寄存器為程序入口參數(shù)，其中AR1為RAM數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的起始地址;AR3～AR6為CF卡各寄存器待賦的值;CF_IN和CF_OUT為變量。程序中沒(méi)超時(shí)處理，在循環(huán)讀取數(shù)據(jù)的過(guò)程中，最好禁用時(shí)間較長(zhǎng)的中斷。這是因?yàn)镃F卡在15ms內(nèi)沒(méi)有接收到命令就會(huì)進(jìn)入休眠(sleep)，因此不論是讀還是寫扇區(qū)，在命令出后15ms內(nèi)應(yīng)將數(shù)據(jù)取出或填充上，否則會(huì)出錯(cuò)。

結(jié)語(yǔ)

采用TI公司的C24X、C28X系列DSP與CF卡搭建體電信號(hào)采集的硬件平臺(tái)，僅使用很少的外部邏輯。整個(gè)系統(tǒng)可以采用低電壓3.3V單一電壓供電，供電電路非常簡(jiǎn)單。C24X、C28X系列DSP芯片對(duì)片內(nèi)的各個(gè)模塊獨(dú)立供電，工作時(shí)可以屏蔽掉沒(méi)有用到的模塊，比如SCI、SPI、CAN總線接口等模塊，減少系統(tǒng)的功耗。在系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)上，可以采用交替式雙緩存機(jī)制，將采集到的數(shù)據(jù)先存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中(1扇區(qū)占512字節(jié)為易)。當(dāng)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)寫滿時(shí)發(fā)出溢出中斷，對(duì)CF卡進(jìn)行突發(fā)寫操作。寫操作完畢可以發(fā)送命令，使CF卡立即進(jìn)入休眠狀態(tài)，將功耗降至最低。這樣在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作的大部分時(shí)間，CF 卡處于休眠狀態(tài)，工作電流僅為600μA。 筆者TMS320LF2407與CF卡搭建建硬平臺(tái)，進(jìn)行16路體電信號(hào)采集，采集頻率為150Hz，CF卡容量為256MB。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，系統(tǒng)的功耗小于0.3W，使用3～4節(jié)干電池或1～2手機(jī)鋰電池供電，可以連續(xù)工作10～20小時(shí)以上。該系統(tǒng)適于腦電、心電等體電信號(hào)的采集與存儲(chǔ)工作，具有低功耗、攜帶方便、長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)護(hù)、性能價(jià)格比高等特點(diǎn)。