基于MSP430单片机和CH376接口芯片的U盘方式心率失常记录仪存储系统设计*

2014-02-08军曾维佳袁青王云龙

中国医学装备 2014年11期

姬军曾维佳袁青王云龙

姬军①*曾维佳①袁青②王云龙②

目的：研究基于MSP430单片机和CH376接口芯片的U盘方式心率失常记录仪存储系统的设计和实现。方法：以MSP430单片机为核心，采集到的人体心电信号经模拟数字转换器(ADC)变为数字信号输入到MSP430中，单片机将数据通过CH376接口芯片写入U盘中。结果：实现了MSP430单片机对CH376接口芯片读写操作的控制，将采集的心电数据实时存储于U盘。结论：基于MSP430单片机和CH376接口实现心电信号的存储是可行的，完全满足心率失常记录仪的存储心电信号和采集数据的要求。

心率失常；CH376接口芯片；MSP430单片机；USB存储系统

临床中经常需要使用24 h心电图进行监测捕捉偶发心率失常事件，但是此方法不适用于首长及老年患者，而心率失常记录仪仅需接触便可准确记录下患者的心电信息[1-4]。采用基于MSP430单片机和CH376接口芯片的U盘记录方式作为心率失常记录仪的储存系统不但存储量大，而且可以方便的与上位机进行交流。本系统采用USB设备接口芯片CH376为MSP430拓展接口时，MSP430控制CH376对USB进行读写操作的存储数据能力可达200 KB/s，完全满足心率失常记录仪的存储心电信号和采集数据的要求。

1 心率失常记录仪系统硬件设计

1.1 微处理器选择

由于系统设计需考虑低功耗，操作简单方便等要求，而系统整体构成对CPU要求不高，故中央控制单元选用TI公司的MSP430F149微功耗单片机[4-9]。MSP430F149是一种新型的混合信号处理器，其将大量的外围模块整合到片内，尤其适合于开发和设计单片系统，其主要特点有：①低电压、超低功耗；强大的处理能力，高性能的模拟技术及丰富的片上外围资源；②系统稳定工作；③方便高效的开发环境；④具有著名大厂商的产品、丰富的开发资源和强大的技术支持[5]。

1.2 CH376接口芯片

CH376芯片读写U盘时速度为400 KB/s，虽然速度不是很快，但其内置USB通讯协议，支持USB设备的控制传输、批量传输及中断传输，对USB的编程更加简单，且代码少、容易上手，开发周期短、成本低； CH376芯片支持多种文件系统，提供文件管理和读写功能，支持USB-HOST主机接口和USBDEVICE设备接口，支持动态切换主机方式与设备方式构成了开发高效性，在对速度要求不高的传输场合，CH376芯片是一款性价比较高的产品[10-14]。

1.3 MSP430单片机与CH376芯片接口设计

CH376芯片支持3种通讯接口: 即8位并口、SPI接口和异步串口。因MSP430F149单片机具有丰富的输入和输出(I/O)口资源，为了提高文件读写的速度，系统采用8位并行接口连接的方式[15]。CH376的TXD引脚接GND，其余引脚悬空，芯片在上电复位时采样TXD状态为低，即选择为8位并行接口。ACT#引脚与电阻和发光二极管串联，用于表示设备所运行的状态。V3与VCC引脚短接共同输入3.3 V电压，电容C14与C15用于外部电源退耦。MSP430与CH376的连接如图1所示。

2 心率失常记录仪系统软件设计

程序的设计首先系统要对微控制单元(micro control unit，MCU)，CH376接口芯片的U盘读写进行初始化；初始化后检测U盘是否插入及就绪；将采集的数据依次写入MCU中；MCU通过接口芯片CH376将数据写入U盘(如图2所示)。

图2 系统软件设计结构图和CH376主程序流程图

图1 MSP430与CH376接口电路图

3 实验结果与分析

心率失常记录仪的采样频率为100 Hz，该系统每采样一次就将一个数据(一个字节)存入MCU系统中，并且设置MCU控制寄存器每接收一个数据产生一次中断，当MCU中每存满128个字节后通过控制CH376芯片将其写入U盘。

心电图波形1为采样数据输入到MCU的波形图，其中T1表示输入一个数据到单片机所用时间，T2表示两次数据输入的时间间隔。波形2为单片机中控制寄存器控制产生中断的波形图，其中T3表示单片机执行一次中断所需要的时间，T4表示单片机执行两次中断的时间间隔。观察得知，T2=T4，表明两次数据输入的间隔与MCU执行两次中断的间隔相等，与实际情况相符。将图3中的时间量程设置为100 µs可得到图4，观察知T1>T3，即一个数据输入到MCU的时间大于控制寄存器执行一次中断的时间。这是因为在T1中设置了延时，如此可以保证MCU的通讯片选信号CS保持高电平，使其检测到高电平后开始接收采样的人体心电数据(如图3、图4所示)。

图3 采样数据输入和中断产生波形图

图4 时间量程为100 µs的采样数据输入和中断产生波形图

心电图波形1为采样数据输入到MCU的波形图，波形2为单片机控制CH376向U盘中写入一个数据周期(128个字节)的波形图，其中T5为单片机写完一个数据周期所需要的时间，T6为两次写周期之间的时间间隔。将图5中的时间量程设置为25 ms后可得到图6，观察可知T5=10 ms。在理想状态下该系统最大的存储量为(1s/15 ms)×128×8 Byte＝67 KByte/s，由于人眼读数误差，为了避免在写一组数据周期的过程中又来了一组新的数据周期，因此取单片机向U盘中写入一个数据周期的时间T5＝15 m。通过改变MCU系统中缓存区间的大小，可以进一步提高该存储速度。系统的采样频率为100 Hz，即在0.01 s的时间内可以采集一个字节，则采样的速度为800 Byte/s，其速度远远小于该系统的存储速度，完全满足心率失常记录仪储存生理信号的要求，该存储速度也同样适用于其他类似生理信号存储系统(如图5、图6所示)。

图5 采样数据输入和数据写入波形图

图6 时间量程为25 ms的采样数据输入和数据写入波形图

4 结语

本研究设计的基于单片机MSP430F149控制CH376芯片对U盘读写系统，成功地实现了系统存储模块的功能，本项系统设计具有设计简单、性价比高、可靠性高及操作方便等优点，为采集和存储数据提供了一种方便、通用和可靠的解决方案，在生理信号存储系统中具有比较广阔的应用前景。

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The storage system of arrhythmia recorder based on the U disk way of MSP430 and CH376/

JI Jun, ZENG Wei-jia, YUAN Qing, et al//
China Medical Equipment,2014,11(11):18-21.

Objective: Research based on the design and implementation of MSP430 and CH376 storage system of arrhythmia recorder which on the U disk way. Methods: With MSP430 single chip microcomputer as the core, the collected human ECG signals were turned into digital signals which stored in MSP430 through the AD converter, then MCU write datum to U disk by CH376. Results: It realizes the read and writing functions of interface chip CH376 from the control of MSP430 microcontroller, which let the acquisition of ECG signal output to the U disk. Conclusion: ECG signals for storage based on MSP430 microcontroller and CH376 interface chip is feasible, and the method can completely satisfy the ECG signal storage and data collection of arrhythmia recorder.

Arrhythmia; CH376 interface chip; MSP430 microcontroller; USB storage systems[First-author’s address]Clinical Engineering Department of 305 Hospital of PLA, Beijing 100017, China.

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.11.007

1672-8270(2014)11-0018-04

R197.324