便攜式、低功耗體電信號采集存儲系統研究論文
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)存儲介質(zhì)，詳細說(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搭建體電信號采集的硬件平臺的一種可行的低功耗、便攜式實(shí)時(shí)體電信號采集存儲系統的可行方案，說(shuō)明其硬件連接和相關(guān)的程序實(shí)例。
關(guān)鍵詞：數據采集與存儲 便攜式 Compact Flash Card TMS320LF2407
引言
目前比較常見(jiàn)的臨床體電信號采集及處理儀器是功能完備的微機系統，雖然能較快地分析和處理監測到的體電信號，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。體電信號采集往往需要長(cháng)時(shí)間地采集、記錄海量數據，并進(jìn)行進(jìn)一步的信號處理和分析，以便臨床病情的檢測和監護。目前，臨床體電儀器主要還是采用紙張、磁帶及普通硬盤(pán)來(lái)存儲體電信號。存儲載體的體積和功耗的限制是臨床醫療儀器功耗、便攜式發(fā)展的瓶頸。便攜的醫療設備能夠極大地方便病人的使用、監護并降低醫療費用。近幾年，隨著(zhù)Flash Memory非易失存儲技術(shù)的發(fā)展以及處理器（如單片機和DSP）性能的不斷提高，使信號采集存儲系統的耗電量和體積不斷減少，滿(mǎn)足便攜式的要求。
經(jīng)過(guò)實(shí)際調研和性能比較，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，運算速度為20～40MIPS，可用于低速數據采集；TMS320C28X DSP系列為32位定點(diǎn)處理器，運算速度高達400MIPS，可用于高速數據采集。C2000系列采用高性能的靜態(tài)CMOS技術(shù)，3.3V電壓供電，內核電壓為1.8V，片內程序空間集成Flash，可以將系統控制程序直接燒入DSP芯片內部而不用外擴Flash存儲芯片，減少系統的功耗和體積。C24X系列DSP內置2×8通道10位數據轉換（ADC），轉換時(shí)間約為500ns；C28X系列DSP內置2×8通道12位數模轉換（ADC），轉換時(shí)間為80ns。ADC的精度和速度幾乎可以滿(mǎn)足各種體電信號采集，因此系統須使用獨立A/D轉換芯片，進(jìn)一步減少系統的功耗和體積。
Compact Flash Card（以下簡(jiǎn)稱(chēng)CF卡）是市場(chǎng)上最常見(jiàn)的基于Flash存儲芯片的低功耗移動(dòng)存儲器，能與DSP芯片直接連接而用接口轉換芯片。由于CF卡的高速價(jià)比、大容量和系統的易實(shí)現性，首選作為信號采集的存儲載體。
下面以CF卡和DSP TMS320LF2407硬件平臺為例，具體介紹這種可行的低功耗、便攜式體電信號采集存儲系統的搭建和軟、硬件接口的實(shí)現，并給出程序實(shí)例。
1 各類(lèi)基于Flash的閃存卡簡(jiǎn)介
近幾年來(lái)，靜態(tài)存儲技術(shù)進(jìn)步，誕生陳舊基于Flash存儲器非易失大容量多種類(lèi)型閃爍存儲卡。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)存儲器被廣泛應用于各種數碼產(chǎn)品中，如婁碼相機、媒體播放器和PDA等，同時(shí)也為低功耗、便攜式體電信號的采集存儲系統提供了理想的存儲介質(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(lèi)型I）；
85.6mm×54.0mm×5.0mm類(lèi)型II）；
85.6mm×54.0mm×10.5mm類(lèi)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(pán)1999型號不同，體積各異USB接口1GB
經(jīng)過(guò)詳細的調研和性能比較，綜合各種移動(dòng)存儲卡的性?xún)r(jià)比、最大容量和易實(shí)現性，筆者最終選擇CF卡作為便攜式體電信號采集存儲系統的存量載體。CF卡容量大，最大容量可達2GB以上，完全滿(mǎn)足長(cháng)時(shí)間體電信號采集海量數據的要求；性?xún)r(jià)比高，同樣容量的卡價(jià)格是其它卡系的一半；易于系統的實(shí)現，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；數據吞吐量高，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，屬于塊存儲設備，存儲單元是通過(guò)磁頭（head）、柱面（cylinder,也稱(chēng)磁道）和扇區（sector）組織起來(lái)的；在物理尋址（CHS）方式下，每一組H/C/S參數唯一確定存儲卡中的一個(gè)扇區，通常一個(gè)扇區擁有512字節的數據空間。一個(gè)驅動(dòng)數格式化后的容量為磁頭數×柱面數×扇區數×512字節。在物理尋址模式下，扇區（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卡按照以連續序列的邏輯扇區編號進(jìn)行尋址，主機不必知道CF卡的物理幾何結構。使用28個(gè)數據位來(lái)表示邏輯扇區的地址，可以尋址2 28個(gè)扇區，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應關(guān)系。設NS為每磁道扇區數，NH為磁頭數，C、H、S分別表示磁盤(pán)的柱面、磁頭和扇區編號，LBA表示邏輯扇區號，div為整除計算，mod為求余計算，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。其中重要的信號線(xiàn)16根數據線(xiàn)、11根地址線(xiàn)（在TureIDE模式下僅用3根地址線(xiàn)）、2根寄存器組選擇信號線(xiàn)（CS0、CS1）、數據的讀寫(xiě)線(xiàn)（IORD、IOWR）、1根中斷信號請求線(xiàn)（INTRQ和1根復位線(xiàn)（RESET）。
3 CF卡的軟件接口和命令
CF內部控制器有多個(gè)寄存器，通過(guò)這些寄存器可以對CF卡內部的存儲空間進(jìn)行控制和訪(fǎng)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)寄存器組選擇信號線(xiàn)（CS0、CS1）和低三位地址線(xiàn)（A0、A1、A2）進(jìn)行訪(fǎng)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/位10000數據寄存器數據寄存器1610001錯誤寄存器特征寄存器810010扇區數寄存器扇區數寄存器810011扇區號寄存器扇區號寄存器810100柱面號寄存器（低字節）柱面號寄存器（低字節）810101柱面號寄存器（高字節）柱面號寄存器（高字節）810110驅動(dòng)器選擇/磁頭寄存器驅動(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)寄存器設備控制寄存器801111驅動(dòng)器地址寄存器保留8
CF-ATA的基本命令有30余條，主要有數據的傳輸命令，包括扇區、緩沖區的讀寫(xiě)等命令；CF卡的定義命令，包括磁道格式化、設置特征參數等命令；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；安全及權限的設置命令，包括CF卡安全密碼的設置、安全權限的鎖定與解鎖等命令。每執行一條命令都要向CF-ATA的寄存器組寫(xiě)入參數和命令。下面以CF卡讀取一扇區數據為例，說(shuō)明CF-ATA命令的執行過(guò)程。
�、僮x取CF卡狀態(tài)寄存器，檢測并等待當前CF卡是否空閑，若空閑，向下執行。
�、谔顚�(xiě)地址寄存器塊。地址寄存器塊包括扇區數寄存器、扇區號寄存器、柱面號寄存器（低和高字節）、驅動(dòng)器選擇/磁頭寄存器，選擇訪(fǎng)問(wèn)的扇區地址。
�、蹖�(xiě)命令寄存器，將讀扇區命令寫(xiě)入命令寄存器（20h或21h）。
�、茏x取CF卡狀態(tài)寄存器，檢測并等待CF卡的數據請求。有數據請求表示命令已被接收并處理，若長(cháng)時(shí)間沒(méi)有數據請求，需要進(jìn)行超時(shí)處理。
�、葑x數據寄存器。由于數據寄存器端口為16位，因此，讀一個(gè)扇區512
字節的數據僅需要連續執行256次訪(fǎng)問(wèn)數據寄存器的操作。要注意的是，在CF卡中存儲的數據是低字節在前，高字節在后。在數據寄存器中，會(huì )產(chǎn)生高低字節顛倒的問(wèn)題。
�、迿z測執行結果。在執行命令后，需要查看狀態(tài)寄存器的'D0位。若D0位為0，則表示命令執行成功，否則表示出錯。其相應的錯誤信息在錯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，內核CPU為低功耗、高性能TMS320TM構架的增強設計；最優(yōu)化控制多個(gè)外設；有2個(gè)事件管理模塊，用于數據控制、電源轉換，產(chǎn)生多種波形PWM；同步16通道高性能10位ADC，轉換時(shí)間為500ns；支持串行異步通信接口（SCI）、串行同步外設接口（SPI）、CAN總線(xiàn)2.0標準接口。TMS320LF2407總尋址范圍192K字，其中包括64K字程序空間，64K字數據空間，64K字I/O空間，片內程序空間集成32K字Flash，數據空間集成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換芯片。
5 TI公司DSP匯編程序實(shí)例
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卡中一扇區數據（512字節）讀到TMS320LF2407片內RAM中匯編程序。READ_A_SECT：
W_CF_RDY： ；檢測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(xiě)特片寄存器
SPLK #0001h，CF_OUT
OUT CF_OUT，CFSET_COU
��；寫(xiě)扇區數寄存器
SAR AR3，CF_OUT
OUT CF_OUT，CFSEC_NO
��；寫(xiě)扇區號寄存器
SAR AR4，CF_OUT
OUT CF_OUT，CFCYL_LOW
��；寫(xiě)柱面號寄存器（低字節）
SAR AR5，CF_OUT
OUT CF_OUT，CFCYL_HIG
��；寫(xiě)柱面號寄存器（高字節）
SAR AR6，CF_OUT
OUT CF_OUT，CF_CDH
��；寫(xiě)驅動(dòng)器選擇/磁頭寄存器
SPLK #0020h，CF_OUT
OUT CF_OUT，CFCOM_STAT
��；寫(xiě)命令寄存器
W_CF_DRQ：；檢測CF卡是否有數據請求
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)讀取一扇區數據（512字節）
MAR *,AR1
INLOOP：IN *+，CFDATA，AR2
��；循環(huán)讀取數據寄存器
BANZ INLOOP，*-,AR1
RET
程序說(shuō)明：CFDATA為數據寄存器端口地址；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為扇區數寄存器端口地址；CFSEC_NO為扇區號寄存器端口地址；CFCYL_LOW為柱面號寄存器（低字節）端口地址；CFCYL_HIG為柱面號寄存器（高字節）端口地址；AR1、AR3～AR6輔助寄存器為程序入口參數，其中AR1為RAM數據緩沖區的起始地址；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)讀取數據的過(guò)程中，最好禁用時(shí)間較長(cháng)的中斷。這是因為CF卡在15ms內沒(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(xiě)扇區，在命令出后15ms內應將數據取出或填充上，否則會(huì )出錯。結語(yǔ)
采用TI公司的C24X、C28X系列DSP與CF卡搭建體電信號采集的硬件平臺，僅使用很少的外部邏輯。整個(gè)系統可以采用低電壓3.3V單一電壓供電，供電電路非常簡(jiǎn)單。C24X、C28X系列DSP芯片對片內的各個(gè)模塊獨立供電，工作時(shí)可以屏蔽掉沒(méi)有用到的模塊，比如SCI、SPI、CAN總線(xiàn)接口等模塊，減少系統的功耗。在系統軟件實(shí)現上，可以采用交替式雙緩存機制，將采集到的數據先存入數據緩沖區中（1扇區占512字節為易）。當數據緩沖區寫(xiě)滿(mǎn)時(shí)發(fā)出溢出中斷，對CF卡進(jìn)行突發(fā)寫(xiě)操作。寫(xiě)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。這樣在數據采集系統工作的大部分時(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，進(jìn)行16路體電信號采集，采集頻率為150Hz，CF卡容量為256MB。經(jīng)實(shí)際測試，系統的功耗小于0.3W，使用3～4節干電池或1～2手機鋰電池供電，可以連續工作10～20小時(shí)以上。該系統適于腦電、心電等體電信號的采集與存儲工作，具有低功耗、攜帶方便、長(cháng)時(shí)間監護、性能價(jià)格比高等特點(diǎn)。
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