一種可穿戴動態心電記錄儀的低功耗設計

鄭駿，樓理綱，毛斌，馮靖祎

浙江大學附屬第一醫院 醫學工程部，浙江 杭州 310006

一種可穿戴動態心電記錄儀的低功耗設計

鄭駿，樓理綱，毛斌，馮靖祎

浙江大學附屬第一醫院 醫學工程部，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態心電記錄儀的功耗設計方案，解決動態心電圖工作時間不長的核心問題。該研究通過對比芯片功耗，優選了MSP430F5系列芯片組及MSP430 MCU時鐘系統，并從軟件上由程序進行節能控制。該系統大部分時間處于低功耗工作模式下，可以實現選擇性關斷不用的耗電模塊。3組電量試驗結果表明，容量僅僅為185 mAh的超小型鋰電池也能使其待機時間達到140 d，而持續工作時間可以達到7 d。由于該設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。其工作時間長，因此該款記錄器的低功耗設計是成功的。

便攜；低功耗；可穿戴動態心電記錄儀；處理器；鋰電池

引言

隨著社會經濟的發展，國民生活方式發生了深刻的變化。尤其是人口老齡化及城鎮化進程的加速，中國心血管病危險因素流行趨勢呈明顯上升態勢，導致了心血管病的發病人數持續增加。今后10年心血管病患病人數仍將快速增長。據《2014年中國心血管病報告》報道，我國每5個成人中有1名患心血管病，其死亡率占城鄉居民總死亡原因的首位。心血管病的疾病負擔日漸加重，已成為重大的公共衛生問題[1]。

動態心電圖（Dynamic Electrocardiogram，DCG），能提供長時間的動態心電圖記錄，對心率失常的檢出、早期心血管病診斷、抗心律失常治療的評價以及心率失常和生理關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可實時對心血管系統進行監測的醫療方式和實施裝置。

1 目的

動態心電記錄儀是一種病人能長時間隨身攜帶，并進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工作時間要求在24 h以上，所以整個系統的低功耗設計是至關重要的[3-5]。

本文所設計的可穿戴動態心電記錄儀從微處理器和外圍設備兩個方面都達到了低功耗的要求，從而使該設備能夠持續工作更長的時間。降低充電頻次，提高設備的可用性，滿足使用者的實際需要。

2 設計與方法

可穿戴動態心電記錄儀的整體架構，見圖1。電源管理模塊為整個系統提供和控制電源，主要分為5 V、3.3 V和3 V；數據采集模塊是模擬電路部分，它負責采集微弱的心電信號并進行濾波放大；處理器芯片內置的AD將放大后的心電信號進行模數轉換，然后處理器芯片再將轉成數字信號的心電數據存儲到SD卡中；最終通過USB通信方式將將SD卡中的數據傳輸給PC終端，而由后者進行存儲、分析并提供診斷信息；聲光警報模塊用來指示記錄儀的工作狀態[6-9]。為使整個系統最大程度的降低功耗，我們分別從硬件和軟件兩個方面進行了優化處理。

圖1 可穿戴動態心電記錄儀的整體架構

2.1 硬件上低功耗的優化

選擇一款低功耗的處理器是實現整體低功耗的關鍵所在，現在主流的低功耗處理器主要為MSP430和STM32L。我們對這兩種系列的芯片進行了詳細的對比，MSP430F5XX與STM32L功耗對比結果，見表1。從表1可以看出，在功耗方面，MSP430F5XX系列占據了一定的優勢，所以最終選擇了其系列中的MSP430F5342。

MSP430 MCU時鐘系統專為電池供電的應用而精心設計。多個振蕩器可用于支持事件驅動的突發任務。低頻輔助時鐘（Low Frequency Auxiliary Clock，LFAC）可通過通用的32 kHz時鐘晶振或內部超低功耗振蕩器（Very-Low-Power Low-Frequency Oscillator，VLO）直接驅動，無需采用額外的外部組件。LFAC可用作后臺實時時鐘自喚醒功能。集成的高速數控振蕩器（Digital Controlled Oscillator，DCO）可作為CPU的主系統時鐘源，也可作為高速外設使用的子系統時鐘（Sub-Main Clock，SMCLK）源。根據設計，DCO可在1 μs的時間內激活并實現穩定工作。基于MSP430器件的解決方案可在極短的突發間隔內高效利用16位 RISC CPU 的高性能，從而實現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，不但具有業界最低的功耗，而且還可實現高達25 MIPS的性能。該產品系列可提供1.8～3.6 V的寬泛工作電壓。其特性包括可用于優化功耗的創新電源管理模塊、內部控制穩壓器，以及各種高達256 KB的存儲器選項。此外，5 xx系列還能夠實現更高的外設性能、集成度以及易用性等優異特性，并且能夠與現有 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到低功耗標準。首先是電源管理模塊，我們嘗試了多種低壓差線性穩壓器（Low Dropout Regulator，LDR），最終確定了兩種最佳的芯片ADP151和TPS77030。ADP151在空負載的時候，其電流損耗僅為10 μA，這個特性大大延長了系統的待機時間。SD存儲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，發現Samsung卡寫入速度最慢，但是功耗最低，性能最穩定，由于該系統對讀寫速度要求不高，因此采用了Samsung的SD卡。為了使系統待機時間更長，我們為數據采集模塊和SD存儲模塊設計了電源開關，這樣在睡眠狀態，通過關斷這兩個模塊的電源能節省大量的能耗。

2.2 軟件上低功耗的優化

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鐘，主時鐘源為DCO。在正常工作狀態下，系統大部分時間處于低功耗模式3（Low Power Mode 3，LPM3）下，在該工作模式，僅外設晶振工作，CPU和其它外設全部關閉。將外設晶振作為時鐘源設定了一個16.6 ms的定時器，將系統從LPM3狀態下喚醒進行數據采集和處理。

可穿戴動態心電記錄儀的工作狀態主要分為睡眠、待機和記錄3種。在睡眠狀態下，數據采集模塊和SD存儲模塊的電源關斷，聲光警報模塊不工作，處理器處于LPM3狀態下的時間是最長的，此時的功耗最低；待機狀態下，數據采集模塊和SD存儲模塊的電源打開但沒有工作，聲光警報模塊工作，此時功耗略高于睡眠狀態；記錄狀態是記錄儀全力工作狀態，所有模塊都進行工作，此時功耗最大。

表1 MSP430F5XX與STM32L功耗對比

3 結果

我們使用了3臺記錄儀進行實驗，實驗中用3.7 V，185 mAh的鋰電池給記錄儀供電，并且串聯上一臺Fluke電流表用來測量記錄儀的總電流。準備就緒后，將可穿戴動態心電記錄儀連接到一臺心電信號模擬器，然后開始記錄心電信號。各個工作狀態下的電流消耗大小，見表2。在睡眠狀態下的總電流消耗為54～57 μA，也就是說185 mAh的鋰電池能讓記錄儀不工作時維持大約140天不斷電；待機狀態下的電流消耗為1.6～1.7 mA，這個消耗比較大，但是待機狀態持續時間最多不超過5 min，所以對總體功耗影響不是非常大；在記錄狀態下，記錄儀的電流變化幅度比較大，最小為0.3 mA，最大達到了5 mA，所以無法從理論上分析計算持續工作時間能力，只有通過長時間的實驗觀察才行。

表2 記錄儀各個工作狀態的電流

三臺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長的關系，見圖2。由圖可看出，185 mAh的鋰電池能讓三臺記錄儀的持續工作時間都達到7天之久。而一般情況下，動態心電記錄儀的持續工作時間僅僅只需要24 h或48 h，所以本文設計的可穿戴動態心電記錄儀的電池工作性能遠遠超出了預期。

圖2 鋰電池電壓與記錄儀工作時長關系

最后是產品的試用，我們將3臺心電記錄儀貼到3位病人身上24 h，然后通過USB通信將數據上傳PC進行分析，最后得到的數據證明了該可穿戴動態心電記錄儀在降低功耗的情況下沒有對產品的性能造成任何影響。3臺記錄儀記錄下3個不同病人的心電信號結果，見圖3。

圖3 3臺記錄儀記錄下3個不同病人的心電信號

4 結論

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行優化設計，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，軟件上由程序進行控制，使系統大部分時間處于低功耗工作模式LPM3下，并在不同的工作狀態下選擇性關斷不用的模塊。使用一塊185 mAh的鋰電池，能持續待機140 d，連續工作時長達到7 d之久。該產品具有體積小、易攜帶、使用方便和超低功耗等特點，它能夠及時發現和預防心臟病的發生，非常適合家庭使用。

[1]陳偉偉,高潤霖,劉力生,等.《中國心血管病報告2014》概要[J].中國循環雜志,2015,31(7):617-622.

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[5]葉樹明,張文昌,陳杭.基于C8051F040單片機的便攜式心電監護儀的低功耗設計[J].電子器件,2007,30(2):621-627.

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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

浙江省公益性技術應用研究項目（可穿戴的心電智能終端及無線傳輸技術的研究，2013C33G2010708）。

作者郵箱：casper_feng@163.com