一种可穿戴动态心电记录仪的低功耗设计
郑骏，楼理纲，毛斌，冯靖祎
浙江大学附属第一医院 医学工程部，浙江 杭州 310006
[摘 要]本文介绍了一种以MSP430F5342处理器为核心的可穿戴动态心电记录仪的功耗设计方案，解决动态心电图工作时间不长的核心问题。该研究通过对比芯片功耗，优选了MSP430F5系列芯片组及MSP430 MCU时钟系统，并从软件上由程序进行节能控制。该系统大部分时间处于低功耗工作模式下，可以实现选择性关断不用的耗电模块。3组电量试验结果表明，容量仅仅为185 mAh的超小型锂电池也能使其待机时间达到140 d，而持续工作时间可以达到7 d。由于该设备采用的电池容量超小，所以它的总体体积非常小，从而非常适合随身携带。其工作时间长，因此该款记录器的低功耗设计是成功的。
[关键词]便携；低功耗；可穿戴动态心电记录仪；处理器；锂电池
引言
随着社会经济的发展，国民生活方式发生了深刻的变化。尤其是人口老龄化及城镇化进程的加速，中国心血管病危险因素流行趋势呈明显上升态势，导致了心血管病的发病人数持续增加。今后10年心血管病患病人数仍将快速增长。据《2014年中国心血管病报告》报道，我国每5个成人中有1名患心血管病，其死亡率占城乡居民总死亡原因的首位。心血管病的疾病负担日渐加重，已成为重大的公共卫生问题[1]。
动态心电图（Dynamic Electrocardiogram，DCG），能提供长时间的动态心电图记录，对心率失常的检出、早期心血管病诊断、抗心律失常治疗的评价以及心率失常和生理关系的研究具有重要意义[2]。在此背景下，大量科研工作者不断研发可实时对心血管系统进行监测的医疗方式和实施装置。
1 目的
动态心电记录仪是一种病人能长时间随身携带，并进行记录心电图作为临床诊断的仪器。通常它使用电池供电并且连续工作时间要求在24 h以上，所以整个系统的低功耗设计是至关重要的[3-5]。
本文所设计的可穿戴动态心电记录仪从微处理器和外围设备两个方面都达到了低功耗的要求，从而使该设备能够持续工作更长的时间。降低充电频次，提高设备的可用性，满足使用者的实际需要。
2 设计与方法
可穿戴动态心电记录仪的整体架构，见图1。电源管理模块为整个系统提供和控制电源，主要分为5 V、3.3 V和3 V；数据采集模块是模拟电路部分，它负责采集微弱的心电信号并进行滤波放大；处理器芯片内置的AD将放大后的心电信号进行模数转换，然后处理器芯片再将转成数字信号的心电数据存储到SD卡中；最终通过USB通信方式将将SD卡中的数据传输给PC终端，而由后者进行存储、分析并提供诊断信息；声光警报模块用来指示记录仪的工作状态[6-9]。为使整个系统最大程度的降低功耗，我们分别从硬件和软件两个方面进行了优化处理。
图1 可穿戴动态心电记录仪的整体架构
2.1 硬件上低功耗的优化
选择一款低功耗的处理器是实现整体低功耗的关键所在，现在主流的低功耗处理器主要为MSP430和STM32L。我们对这两种系列的芯片进行了详细的对比，MSP430F5XX与STM32L功耗对比结果，见表1。从表1可以看出，在功耗方面，MSP430F5XX系列占据了一定的优势，所以最终选择了其系列中的MSP430F5342。
MSP430 MCU时钟系统专为电池供电的应用而精心设计。多个振荡器可用于支持事件驱动的突发任务。低频辅助时钟（Low Frequency Auxiliary Clock，LFAC）可通过通用的32 kHz时钟晶振或内部超低功耗振荡器（Very-Low-Power Low-Frequency Oscillator，VLO）直接驱动，无需采用额外的外部组件。LFAC可用作后台实时时钟自唤醒功能。集成的高速数控振荡器（Digital Controlled Oscillator，DCO）可作为CPU的主系统时钟源，也可作为高速外设使用的子系统时钟（Sub-Main Clock，SMCLK）源。根据设计，DCO可在1 µs的时间内激活并实现稳定工作。基于MSP430器件的解决方案可在极短的突发间隔内高效利用16位 RISC CPU 的高性能，从而实现极高的性能与超低功耗。
MSP430F 5xx是最新基于闪存的微处理器系列，不但具有业界最低的功耗，而且还可实现高达25 MIPS的性能。该产品系列可提供1.8～3.6 V的宽泛工作电压。其特性包括可用于优化功耗的创新电源管理模块、内部控制稳压器，以及各种高达256 KB的存储器选项。此外，5 xx系列还能够实现更高的外设性能、集成度以及易用性等优异特性，并且能够与现有 MSP430 系列全面兼容。
不仅处理器功耗要低，其它外围模块的功耗同样要达到低功耗标准。首先是电源管理模块，我们尝试了多种低压差线性稳压器（Low Dropout Regulator，LDR），最终确定了两种最佳的芯片ADP151和TPS77030。ADP151在空负载的时候，其电流损耗仅为10 μA，这个特性大大延长了系统的待机时间。SD存储模块的耗电量主要由SD卡的性能决定，本文使用并比较了Samsung、Fujif lm、Sandisk等几类主流SD卡，发现Samsung卡写入速度最慢，但是功耗最低，性能最稳定，由于该系统对读写速度要求不高，因此采用了Samsung的SD卡。为了使系统待机时间更长，我们为数据采集模块和SD存储模块设计了电源开关，这样在睡眠状态，通过关断这两个模块的电源能节省大量的能耗。
2.2 软件上低功耗的优化
为了充分利用MSP430的低功耗特性，我们只用了一颗32.768 kHz的晶振，将其作为低频辅助时钟，主时钟源为DCO。在正常工作状态下，系统大部分时间处于低功耗模式3（Low Power Mode 3，LPM3）下，在该工作模式，仅外设晶振工作，CPU和其它外设全部关闭。将外设晶振作为时钟源设定了一个16.6 ms的定时器，将系统从LPM3状态下唤醒进行数据采集和处理。
可穿戴动态心电记录仪的工作状态主要分为睡眠、待机和记录3种。在睡眠状态下，数据采集模块和SD存储模块的电源关断，声光警报模块不工作，处理器处于LPM3状态下的时间是最长的，此时的功耗最低；待机状态下，数据采集模块和SD存储模块的电源打开但没有工作，声光警报模块工作，此时功耗略高于睡眠状态；记录状态是记录仪全力工作状态，所有模块都进行工作，此时功耗最大。
表1 MSP430F5XX与STM32L功耗对比
3 结果
我们使用了3台记录仪进行实验，实验中用3.7 V，185 mAh的锂电池给记录仪供电，并且串联上一台Fluke电流表用来测量记录仪的总电流。准备就绪后，将可穿戴动态心电记录仪连接到一台心电信号模拟器，然后开始记录心电信号。各个工作状态下的电流消耗大小，见表2。在睡眠状态下的总电流消耗为54～57 μA，也就是说185 mAh的锂电池能让记录仪不工作时维持大约140天不断电；待机状态下的电流消耗为1.6～1.7 mA，这个消耗比较大，但是待机状态持续时间最多不超过5 min，所以对总体功耗影响不是非常大；在记录状态下，记录仪的电流变化幅度比较大，最小为0.3 mA，最大达到了5 mA，所以无法从理论上分析计算持续工作时间能力，只有通过长时间的实验观察才行。
表2 记录仪各个工作状态的电流
三台记录仪全部去除电流表，将锂电池充满电，然后让记录仪开始工作，直到锂电池的电量不足以维持正常工作。锂电池的电压与记录仪工作时长的关系，见图2。由图可看出，185 mAh的锂电池能让三台记录仪的持续工作时间都达到7天之久。而一般情况下，动态心电记录仪的持续工作时间仅仅只需要24 h或48 h，所以本文设计的可穿戴动态心电记录仪的电池工作性能远远超出了预期。
图2 锂电池电压与记录仪工作时长关系
最后是产品的试用，我们将3台心电记录仪贴到3位病人身上24 h，然后通过USB通信将数据上传PC进行分析，最后得到的数据证明了该可穿戴动态心电记录仪在降低功耗的情况下没有对产品的性能造成任何影响。3台记录仪记录下3个不同病人的心电信号结果，见图3。
图3 3台记录仪记录下3个不同病人的心电信号
4 结论
该可穿戴心电记录仪以TI公司的MSP430F5342处理器为核心，在硬件与软件两方面进行优化设计，在保持性能的前提下，将功耗降到极低。硬件上选用超低功耗的集成芯片，软件上由程序进行控制，使系统大部分时间处于低功耗工作模式LPM3下，并在不同的工作状态下选择性关断不用的模块。使用一块185 mAh的锂电池，能持续待机140 d，连续工作时长达到7 d之久。该产品具有体积小、易携带、使用方便和超低功耗等特点，它能够及时发现和预防心脏病的发生，非常适合家庭使用。
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Low Power Design of Wearable Dynamic ECG Recorder
Abstract：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.
Key words：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
[中图分类号]TH778
[文献标识码]B
doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2016.12.031
[文章编号]1674-1633(2016)12-0113-03
收稿日期：2016-03-28
修回日期：2016-04-07
基金项目：浙江省公益性技术应用研究项目（可穿戴的心电智能终端及无线传输技术的研究，2013C33G2010708）。