便攜式、低功耗體電信號(hào)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)研究論文
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?/p>
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2×8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2×8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。
表1 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199285.6mm×54.0mm×3.3mm類型I）；
85.6mm×54.0mm×5.0mm類型II）；
85.6mm×54.0mm×10.5mm類型III）68針5GBCF卡199443mm×36mm×3.3mm50針2～3GBSM卡199545mm×37mm×0.76mm22128MBMMC卡199732mm×24mm×1.4mm7針128MBSD卡199932mm×24mm×2.1mm7針128MBMS卡199750mm×21.5mm×0.28mm10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)×柱面數(shù)×扇區(qū)數(shù)×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×NS×C+NC×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
CS1CS0A2A1A0IORD=0IOWR=0位數(shù)/位10000數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器1610001錯(cuò)誤寄存器特征寄存器810010扇區(qū)數(shù)寄存器扇區(qū)數(shù)寄存器810011扇區(qū)號(hào)寄存器扇區(qū)號(hào)寄存器810100柱面號(hào)寄存器（低字節(jié)）柱面號(hào)寄存器（低字節(jié)）810101柱面號(hào)寄存器（高字節(jié)）柱面號(hào)寄存器（高字節(jié)）810110驅(qū)動(dòng)器選擇/磁頭寄存器驅(qū)動(dòng)器選擇/磁頭寄存器810111狀態(tài)寄存器命令寄存器801110可選狀態(tài)寄存器設(shè)備控制寄存器801111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。
�、蹖懨罴拇嫫�，將讀扇區(qū)命令寫入命令寄存器（20h或21h）。
�、茏x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。
�、葑x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。
�、迿z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。
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?/strong>
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
�。粚懮葏^(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)。
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