基于MSP430F1611和SD卡的便攜式心電監(jiān)護(hù)儀的低功耗設(shè)計(jì)

1、基于基于MSP430F1611和和SD卡的便攜式心電監(jiān)護(hù)卡的便攜式心電監(jiān)護(hù)儀的低功耗設(shè)計(jì)儀的低功耗設(shè)計(jì) 付秀泉付秀泉主要內(nèi)容 一一 SD卡存儲(chǔ)模塊的功耗分析卡存儲(chǔ)模塊的功耗分析 二二 SD卡模塊的硬件組成卡模塊的硬件組成 三三 FAT16文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 四四 速度及功耗測試速度及功耗測試一一 SD卡存儲(chǔ)模塊的功耗分析卡存儲(chǔ)模塊的功耗分析通常，在完成一個(gè)任務(wù)時(shí)，儀器所需的能量E可以用以下公式表示:Vk 、Ik分別為電池在第k個(gè)時(shí)間段內(nèi)的電壓和輸出電流，我們可以得到電路在一定時(shí)間T內(nèi)的平均電流消耗（假設(shè)V不變）： （T為總時(shí)間） MkkkkMkkTIVEE11MkkktITVTEI1

2、1上圖是監(jiān)護(hù)儀進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)的電流消耗簡圖，系統(tǒng)在t1段進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，等待采集數(shù)據(jù)滿,進(jìn)行一次記錄，I1主要由微處理器（MPU）的待機(jī)模式的功耗所決定；t2段為MPU在SD卡的FAT表中查找下一操作簇和下一操作扇區(qū)；在t3段，MPU把數(shù)據(jù)通過SPI總線發(fā)送到SD卡進(jìn)行存儲(chǔ)，并查詢SD卡是否存儲(chǔ)完畢， t3相對來說是固定的。 t2以及 I2與文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)有關(guān)。同時(shí)，t2的改變也會(huì)影響到t1。對于SD卡來說，完成一定量的數(shù)據(jù)操作所需功耗是一定的，但在SD卡工作的同時(shí)，DC-DC和MPU也在工作，t2越長，這些器件所消耗的能量也越多，SD卡存儲(chǔ)速度與功耗之間不會(huì)是簡單的線性關(guān)系，因此，設(shè)計(jì)最優(yōu)化的文

3、件系統(tǒng)，縮小FAT尋址的時(shí)間，可以在完成任務(wù)的基礎(chǔ)上，使功耗達(dá)到最優(yōu)。二二 SD卡模塊的硬件組成卡模塊的硬件組成 SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)主要由三部分組成：電源、微處理器和SD卡接口電路。 1）電源模塊。系統(tǒng)采用了兩套供電模式： MSP430采用了電池直接供電，而接口電路則不需要一直工作。因此選用了TI公司的升/降壓DC-DC芯片TPS61070，將輸入電壓升高到一定電壓，再使用SIPEX公司的SPX3819-3.3把電壓穩(wěn)定在3.3V的水平，它具有外接元件簡單，轉(zhuǎn)換效率高，帶關(guān)斷功能等特點(diǎn)。 2）微處理器。可用于低功耗系統(tǒng)的微處理器有多種，下表中對比了3款典型低功耗微處理器的功能和性能?？梢姡琈S

4、P430F1611（后面簡稱MSP430）的具有較好的低功耗性能，可以在1.8-3.6V電壓下工作，能更好地適應(yīng)電池直接供電的電壓范圍。因此，以MSP430為核心設(shè)計(jì)的采集控制電路，可以滿足高性能和低功耗要求。MSP430通過IO口控制各個(gè)外圍設(shè)備和電源管理芯片。表1 部分低功耗微處理器的性能對比MPU型號工作電壓(V)活動(dòng)模式電流 (uA)(1)節(jié)能模式電流 (uA)(2)ATMEGA2.7-5.5110010MSP16111.8-3.64202.1C0402.7-3.650018備注：所選用的模式為各處理器適合系統(tǒng)應(yīng)用的低功耗模式，CPU時(shí)鐘頻率均為2MHz 3）接口電路。SD卡有9個(gè)引腳

5、，支持兩種串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，即SD(Multimedia Card)模式和SPI( Serial Peripheral Interface)模式。在SPI模式中，通過4條信號線完成數(shù)據(jù)的傳輸。這4條信號線分別是時(shí)鐘SDCLK、數(shù)據(jù)輸入SDDI、數(shù)據(jù)輸出SDDO和片選SDCS。MSP430通過P5.4口輸出SDEN信號控制三極管的關(guān)斷，在儀器待機(jī)的時(shí)候切斷接口電路的供電，降低系統(tǒng)的功耗。三三 FAT16文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 文件系統(tǒng)是應(yīng)用程序和存儲(chǔ)介質(zhì)之間的一種協(xié)議，其主要功能是對文件進(jìn)行管理。FAT16文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包含分區(qū)引導(dǎo)扇區(qū)（DBR）、 文件分配表（FAT）、 文件目錄表(FD

6、T)以及數(shù)據(jù)區(qū)（DATA）4個(gè)部分。引導(dǎo)扇區(qū)位于物理結(jié)構(gòu)的第一扇區(qū)，大小為512字節(jié)。它包括一個(gè)引導(dǎo)程序和BPB（BIOS Parameter Block）參數(shù)塊。BPB參數(shù)塊記錄本分區(qū)的起始扇區(qū)、結(jié)束扇區(qū)、文件存儲(chǔ)格式、介質(zhì)描述符、根目錄項(xiàng)數(shù)、FAT個(gè)數(shù)、保留扇區(qū)數(shù)、分配單元的大小等重要參數(shù)。根據(jù)保留扇區(qū)的數(shù)目可知FAT表的位置(分區(qū)起始扇區(qū)數(shù)+保留扇區(qū)數(shù))。根據(jù)FAT的個(gè)數(shù)以及每個(gè)FAT表占用的扇區(qū)數(shù)，即可算出FDT的位置(FAT表位置+FAT表個(gè)數(shù)FAT表所占扇區(qū)數(shù))。FDT中保存著目錄項(xiàng)，目錄項(xiàng)中的文件首簇號就是讀寫文件的入口。根據(jù)以上分析，針對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以簡化文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，僅實(shí)現(xiàn)對文件的寫操作，而把文件創(chuàng)建、文件刪除等其他操作交給上位機(jī)來完成。每采集到一個(gè)扇區(qū)大?。?12B）的數(shù)據(jù)，便進(jìn)行一次寫操作，寫操作的流程如下：從圖中可以看出，在未操作到簇尾時(shí)，對扇區(qū)的操作是不進(jìn)行FAT尋址操作的，這與普通的FAT16每次尋址相比，大大簡化了操作流程，加快了操作速度。在操作到簇尾時(shí)，設(shè)計(jì)使用一定大小的RAM來預(yù)讀取一個(gè)扇區(qū)或幾個(gè)扇區(qū)的FAT表，從而可以直接從RAM中尋找下一操作簇號，這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于：如果文件在物理上是連續(xù)存儲(chǔ)的，那么它的FAT表也是連續(xù)的，這樣大多數(shù)情況下主機(jī)