基于EFM32的高精度动态心电记录仪的低功耗设计

刘梦星，周乐川，陈杭，孙晓，许志

1.浙江大学 a.生物医学工程与仪器科学学院；b.生物医学工程教育部重点实验室，浙江 杭州 310027；2.浙江省心脑血管检测技术与药效评价重点实验室，浙江 杭州 310027；3.中国航天员科研训练中心，北京 100094

基于EFM32的高精度动态心电记录仪的低功耗设计

刘梦星1a,1b,2，周乐川1a,1b,2，陈杭1a,1b,2，孙晓3，许志3

1.浙江大学 a.生物医学工程与仪器科学学院；b.生物医学工程教育部重点实验室，浙江 杭州 310027；2.浙江省心脑血管检测技术与药效评价重点实验室，浙江 杭州 310027；3.中国航天员科研训练中心，北京 100094

电池供电的动态心电记录仪是临床诊断和分析突发性与慢性心血管疾病的重要仪器，随着记录时间、体积重量与测量精度要求不断提高，然而系统必须兼具低功耗和高运算性能的特点。针对该矛盾，采用单片24位集成模拟前端ADS1298作为高精度信号采集电路，以32位Cortex-M3内核的新型低功耗微控制器EFM32G880F128为主控芯片，着重研究主频与功耗的关系，并提出软硬件优化措施。实验结果表明：该解决方案能很好地满足记录仪低功耗、微型化和高精度的设计要求。

动态心电记录仪；电池容量；低功耗；高精度测量；芯片；微处理器

0 前言

动态心电（ECG Holter）记录仪已广泛应用于临床突发性和慢性心血管疾病的诊断和治疗，它是一种可长期连续记录患者心电活动的便携式仪器。医生通过上位机软件分析系统，能够依此发现常规ECG不易发现的心律失常和心肌缺血等疾病，是临床分析病情、确立诊断、判断疗效的重要客观依据[1-2]。

然而，在实际临床应用时，如阵发性房颤病的诊断，往往在24 h内的颤动发生次数只有1～2次，甚至不发生，这时更长时间的心电记录有利于分析阵发性房颤的始动因素及其发生部位[3]。对于心血管疾病术后恢复的病人，长期动态心电监护能够帮助医生更好地了解患者恢复情况，评判手术的治疗效果[4]。因此，要求我们必须进一步减轻仪器的重量和降低功耗，但两者是一对矛盾，减小仪器的体积和重量势必造成电池容量的缩减。另外，提高信号测量精度，是保证上位机心电分析软件作用和质量的前提，高采样率、高AD转换位数及更多功能（如运动识别、动态血压）的集成[5]，对仪器核心的微处理器的运算处理性能也提出了更高要求。

针对上述问题，本文提出了以单片8通道、24位集成模拟前端ADS1298作为12导联心电测量的信号采集电路，以Energy Micro公司推出的基于Cortex-M3内核的高性能、超低功耗微处理器EFM32G880F128作为记录仪的核心控制器，同时着重优化单片机软件的低功耗设计。最终测试结果表明：利用该解决方案所设计的十二导联动态心电记录仪，满足了低功耗、微型化和高精度的系统要求。

1 整体设计思路

为了保证模拟前端测量模块的高精度和低功耗设计的平衡，同时能降低电路规模，提高产品批量生产和测试的效率，系统采用TI公司的单片24位集成模拟前端，作为12导联动态心电记录仪的信号采集电路。面对8通道独立24位AD所产生的高数据量，以及记录仪功能的增加和预处理算法复杂度的提高，传统8位和16位的低功耗微处理器已逐渐无法满足系统的要求，高运算性能与低功耗之间的矛盾突显[6]。为此，选用Cortex-M3为内核的32位微处理器EFM32G880F128作为记录仪的核心控制器。在同等主频下，它不但在运算性能上远高于8/16位机，还拥有更低的绝对功耗。

围绕上述分析，设计高效率的电源管理电路，在保证系统正常工作的前提下，采用更低的工作电压，对于CMOS工艺的集成电路，动态功耗会明显降低[7]；通过将模拟电源与数字电源分离，使得模拟电路在系统待机时可被关断，并能减少数字电路对小信号的噪声干扰。其次，尽量选择高集成度、低绝对功耗、可休眠的外围器件，重点优化微处理器的软件流程控制，可以减少功耗浪费，进一步降低系统的整体功耗[8]。

2 系统的硬件组成与分析

12导联动态心电记录仪的整体结构框图，见图1。系统包括5部分：电源管理模块、ADS1298集成模拟前端、低功耗微处理器、用户交互单元和数据记录单元。

图1 十二导联动态心电记录仪的系统框图

2.1 集成模拟前端

ADS1298最大的特点，即实现了高精度标准12导联ECG信号调理电路的单片式集成，从而能更好地平衡前端测量电路的高精度与低功耗设计。8路通道分别含有一个独立的24位Σ-Δ型AD，内置参考电平与2.048M晶振转换后的结果打包为216 bits（8通道24bit-ADC，加24bit的状态字）的数据包，通过片上SPI接口输出。实际运用时，MCU可通过SPI口对其进行配置，除必要的外置阻容元件及信号输入端的保护电路外，ADS1298无需任何其他外围电路。当记录仪进入待机模式时，MCU通过GPIO口使能ADS1298的PWDN引脚，使其进入关断模式，功耗约10μW。

2.2 大容量存储器

动态心电记录仪常常需要连续记录几十个小时的12导联心电数据，实际存储8路差分信号值。假设记录时间24 h、24位AD的采样率为500SPS，由式(1)得总数据量SData约1GB，其中NBits为AD位数，NChannels为通道数，FDR为采用率，TR为记录时间。

对于某些特殊应用环境，如房颤诊断和药效评估时的长期动态心电监测，记录时间甚至超过50 h。因此，实际设计的存储器容量在4～8G左右。该系统采用标准8G容量的Micro-SD卡（或称TF卡），通过SPI-Bus协议与微处理器相连。

2.3 微处理器

从功耗与性能两方面，对比了3款典型的低功耗微处理器的功耗，见表1～2。其中，EFM32G880F128兼具了低功耗与高性能的特点。它以ARM公司32位Cortex-M3为内核，主频最高32MHz，运算性能明显提高，且具有低成本优势。它有活动模式（EM0）和4种灵活的低功耗模式（EM1、EM2、EM3和EM4），且低功耗状态的唤醒时间极短，同时片上外设种类丰富；工作电压1.85～3.8 V，适应于电池供电的应用要求。

因此，采用EFM32G880F128作为动态心电记录仪的核心控制器，可以更好地满足系统高性能和低功耗的设计要求。

2.4 电源管理电路

电源管理电路框图，见图2。记录仪采用单节碱性7号电池供电，通过高效率的微功耗升压型DC-DC芯片LTC3525L-3将电池电压提升至3 V水平，给ADS1298的数字电源、MCU及其外围数字电路供电。此外，3 V电源经带有可关断功能的TPS77027线性稳压至2.7 V，为ADS1298提供模拟电源，使得数字模拟电源分离，在提高噪声性能的同时，仪器进入待机模式时切断模拟电路的电源，进一步降低功耗。

表1 典型低功耗微处理器的功耗对比

表2 典型低功耗微处理器的性能对比

图2 电源管理电路的框图

3 系统的软件设计

3.1 ADS1298的时钟设置

ADS1298的系统时钟CLK作为内部24位AD工作的基本时基，通过CLKSEL引脚配置成内部使用2.048MHz晶振；由于每次AD转换完成前必需耗费4个时钟周期TCLK用于数据更新和准备，因此留给每个数据包的串行数据传输时间TTrans必须满足(2)式：

其中TDR为AD的单位采样时间，TSCLK为SPI口的同步时钟周期。

此外，当MCU向ADS1298发送命令后，也必须耗费4个时钟周期TCLK用于指令解码，因此若想通过SPI口连续发送多条命令，同步时钟SCLK必须满足(3)式：

综合式(1)～(3)得SPI时钟频率为109kHz ＜ FSCLK ＜4.096MHz。记录仪实际工作时，仅当仪器开启运行或进入待机这两个时刻，需要通过SPI口向ADS1298连续发送若干命令字。因此，不必要限定FSCLK的值在4.096MHz内，应尽量提高FSCLK的值，节省SPI通讯功耗，同时缩短MCU获取数据包耗费的时间，使其更快速地进入低功耗状态，节省能量。

3.2 程序的流程控制与细节优化

数据记录过程的程序流程图，见图3。假定ADS1298的采样率为500SPS，24位高精度、连续转换模式，当MCU处理完其它任务事件后，使其进入EM2深度睡眠模式。当ADS1298每次转换数据包准备完毕后，利用DRDY引脚的跳变触发1次IO中断，将MCU从EM2快速（2μs）唤醒至EM0活动模式，通过SPI口快速读取数据包后，在一定的CPU主频FCPU下对数据包进行解析和预处理，随后根据Block单元块是否装满，决定是否向SD卡中的预定义文件写数据。当在该任务中执行写文件操作时，则整个指令运行时间为TR1；倘若仅更新Block块，则耗费时间为TR2。随后，中断返回并重新进入EM2低功耗状态。

设每次DRDY中断触发的时间间隔为TS，则：

其中TRun即TR1或TR2，表示任务执行时间；TInt表示从任务结束时刻起，直到下一次任务到来之间的可休眠时间。

在TRun内，MCU返回EM0状态后，需要等待时钟源重新建立，以及外部硬件模块的固定开启时间，总体功耗将随FCPU的改变呈现非单调性特征。因此，在保证所有任务能顺利完成的前提下，针对该系统，存在一个最佳频率（设为FLP），使得整体运行功耗最低。

图3 数据记录过程的程序流程图

此外，在主频一定和系统稳定工作的前提下，尽量提高SPI模块的同步时钟，可降低数据包获取时间和SD卡写入时间，争取更多休眠。无论MCU处于何种模式下，其内外未使用的模块均设置为关闭状态，同时，空载的GPIO口，也设定为节电模式[9]。

4 实验测试

4.1 功耗测试与结果

结合3.2节的分析，测得不同主频下数据记录过程的功耗测试结果，见表3。其中，电源电压3V，常温下。假定在电源电压稳定不变的条件下，在一段T时间内，平均电流为：

其中，ti为第i段时间长度；Ii为ti段内的线性电流消耗值；N为完成一段T时长的任务所经历的线性步骤数目。设任务执行状态的平均电流为IRun，休眠状态电流为IInt，由式(4)和(5)得：EFM32G880F128的总平均电流ITask为：

该系统在活动模式下的FLP为28MHz（即EFM32G880F128内部RC振荡器的最大频率），此刻完成该系统任务的整体功耗达到最低值，同时，能保证高精度记录仪的运算性能。微处理器的平均功耗测试结果，见图4；记录仪实物，见图5。该记录仪对人体12导联信号测试的原始数据，系统整体测试平均功耗约8.1mW。

表3 不同主频下的功耗测试结果

图4 微处理器的平均功耗测试

图5 记录仪实物与信号测试结果（上位机软件处理前的原始数据）

4.2 同类仪器对比

本仪器与Burdick、GE、Philips三家全球领先的动态心电记录仪的标称值进行比较，见表4。可以看出，利用该方法设计的记录仪，在体积、精度和功耗上与其性能相当，且略具优势。

表4 同类仪器的性能对比

5 结论

为满足12导联动态心电记录仪的高精度和低功耗要求，本文提出利用24位集成模拟前端ADS1298作为采集电路，提高信号测量精度；选用ARM Cortex-M3内核的32位超低功耗微处理器EFM32G880F128作为主控器，降低功耗的同时提高了运算性能；围绕低功耗设计原则，并针对特定的任务，研究主频与系统功耗的非单调变化规律，得到适合系统运行的最佳频率点。实测结果表明：1节碱性7号电池（约1200 mAh）能维持记录仪正常工作144 h，实现了系统长时间、高性能的运行要求。

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Low-power Design of EFM32-based High Precision Dynamic ECG Recorder

LIU Meng-xing1a,1b,2,ZHOU Le-chuan1a,1b,2,CHEN Hang1a,1b,2, SUN Xiao3,XU Zhi3
1. a. College of Biomedical Engineering & Instrument Science; b. Key Laboratory of Biomedical Engineering of Ministry of Education, Zhejiang University, Hangzhou Zhejiang 310027, China; 2. Zhejiang Provincial Key Laboratory of Cardio-Cerebral Vascular Detection Technology and Medicinal Effectiveness Appraisal, Hangzhou 310027, China; 3. China Astronaut Research and Training Center, Beijing 100094, China

Battery operated ECG Holter recorder is of great importance in clinical diagnosis and analysis of paroxysmal and chronic cardiovascular disease. With the increase of the record time and measurement accuracy, and the smaller volume, it puts forward higher request for the system's power consumption and operational performance. For this contradiction, the ADS1298 integrated circuit serves as the analog signal measurement front-end, and the new type microcontroller of low power using 32-bit Cortex-M3 as the kernel, EFM32G880F128, is taken as the main control chip. By studying the relationship between main frequency and current consumption, we put forward the hardware and software optimization measures. The experiment results show that, this solution can better meet the design requirements of the recorder with low power consumption, miniaturization and high accuracy.

ECG Holter recorder; battery capacity; low power consumption; high precision measurement; chip; microprocessor

TH772.+2

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.03.007

1674-1633(2014)03-0024-04

2013-10-18

作者邮箱：mason_liu_bme@163.com