便攜式、低功耗體電信號采集存儲系統(tǒng)研究論文

摘要：介紹目前市場上最常見的幾種非易失低功耗靜態(tài)存儲介質(zhì)，詳細(xì)說明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(tǒng)的可行方案，說明其硬件連接和相關(guān)的程序?qū)嵗?/p>

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集與存儲 便攜式 Compact Flash Card TMS320LF2407

引言

　　目前比較常見的臨床體電信號采集及處理儀器是功能完備的微機(jī)系統(tǒng)，雖然能較快地分析和處理監(jiān)測到的體電信號，但往往只能被固定在病房里使用，在移動的情況下則顯得笨重和不便。體電信號采集往往需要長時(shí)間地采集、記錄海量數(shù)據(jù)，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(jiān)護(hù)。目前，臨床體電儀器主要還是采用紙張、磁帶及普通硬盤來存儲體電信號。存儲載體的體積和功耗的限制是臨床醫(yī)療儀器功耗、便攜式發(fā)展的瓶頸。便攜的醫(yī)療設(shè)備能夠極大地方便病人的使用、監(jiān)護(hù)并降低醫(yī)療費(fèi)用。近幾年，隨著Flash Memory非易失存儲技術(shù)的發(fā)展以及處理器（如單片機(jī)和DSP）性能的不斷提高，使信號采集存儲系統(tǒng)的耗電量和體積不斷減少，滿足便攜式的要求。

　　經(jīng)過實(shí)際調(diào)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(yùn)算速度為20～40MIPS，可用于低速數(shù)據(jù)采集；TMS320C28X DSP系列為32位定點(diǎn)處理器，運(yùn)算速度高達(dá)400MIPS，可用于高速數(shù)據(jù)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(nèi)核電壓為1.8V，片內(nèi)程序空間集成Flash，可以將系統(tǒng)控制程序直接燒入DSP芯片內(nèi)部而不用外擴(kuò)Flash存儲芯片，減少系統(tǒng)的功耗和體積。C24X系列DSP內(nèi)置2×8通道10位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（ADC），轉(zhuǎn)換時(shí)間約為500ns；C28X系列DSP內(nèi)置2×8通道12位數(shù)模轉(zhuǎn)換（ADC），轉(zhuǎn)換時(shí)間為80ns。ADC的精度和速度幾乎可以滿足各種體電信號采集，因此系統(tǒng)須使用獨(dú)立A/D轉(zhuǎn)換芯片，進(jìn)一步減少系統(tǒng)的功耗和體積。

　　Compact Flash Card（以下簡稱CF卡）是市場上最常見的基于Flash存儲芯片的低功耗移動存儲器，能與DSP芯片直接連接而用接口轉(zhuǎn)換芯片。由于CF卡的高速價(jià)比、大容量和系統(tǒng)的易實(shí)現(xiàn)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(tǒng)的搭建和軟、硬件接口的實(shí)現(xiàn)，并給出程序?qū)嵗?/p>

1 各類基于Flash的閃存卡簡介

　　近幾年來，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)。移動存儲器被廣泛應(yīng)用于各種數(shù)碼產(chǎn)品中，如婁碼相機(jī)、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(tǒng)提供了理想的存儲介質(zhì)。表1為這7種流行卡系的簡介與比較。

表1 7種流行卡系統(tǒng)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類型I）；

　　85.6mm×54.0mm×5.0mm類型II）；

　　85.6mm×54.0mm×10.5mm類型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1999型號不同，體積各異USB接口1GB

　　經(jīng)過詳細(xì)的調(diào)研和性能比較，綜合各種移動存儲卡的性價(jià)比、最大容量和易實(shí)現(xiàn)性，筆者最終選擇CF卡作為便攜式體電信號采集存儲系統(tǒng)的存量載體。CF卡容量大，最大容量可達(dá)2GB以上，完全滿足長時(shí)間體電信號采集海量數(shù)據(jù)的要求；性價(jià)比高，同樣容量的卡價(jià)格是其它卡系的一半；易于系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，CF卡提供了完整的ATA功能，而且通過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(shù)據(jù)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，平均無故障工作時(shí)間100萬小時(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(shè)備，存儲單元是通過磁頭（head）、柱面（cylinder,也稱磁道）和扇區(qū)（sector）組織起來的；在物理尋址（CHS）方式下，每一組H/C/S參數(shù)唯一確定存儲卡中的一個(gè)扇區(qū)，通常一個(gè)扇區(qū)擁有512字節(jié)的數(shù)據(jù)空間。一個(gè)驅(qū)動數(shù)格式化后的容量為磁頭數(shù)×柱面數(shù)×扇區(qū)數(shù)×512字節(jié)。在物理尋址模式下，扇區(qū)（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(xù)序列的邏輯扇區(qū)編號進(jìn)行尋址，主機(jī)不必知道CF卡的.物理幾何結(jié)構(gòu)。使用28個(gè)數(shù)據(jù)位來表示邏輯扇區(qū)的地址，可以尋址2 28個(gè)扇區(qū)，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(yīng)關(guān)系。設(shè)NS為每磁道扇區(qū)數(shù)，NH為磁頭數(shù)，C、H、S分別表示磁盤的柱面、磁頭和扇區(qū)編號，LBA表示邏輯扇區(qū)號，div為整除計(jì)算，mod為求余計(jì)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16根數(shù)據(jù)線、11根地址線（在TureIDE模式下僅用3根地址線）、2根寄存器組選擇信號線（CS0、CS1）、數(shù)據(jù)的讀寫線（IORD、IOWR）、1根中斷信號請求線（INTRQ和1根復(fù)位線（RESET）。

3 CF卡的軟件接口和命令

　　CF內(nèi)部控制器有多個(gè)寄存器，通過這些寄存器可以對CF卡內(nèi)部的存儲空間進(jìn)行控制和訪問。下面就實(shí)IDE模式下的寄存器組為例進(jìn)行說明。

　　在實(shí)IDE模式下，寄存器組通過寄存器組選擇信號線（CS0、CS1）和低三位地址線（A0、A1、A2）進(jìn)行訪問，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(shù)/位10000數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器1610001錯(cuò)誤寄存器特征寄存器810010扇區(qū)數(shù)寄存器扇區(qū)數(shù)寄存器810011扇區(qū)號寄存器扇區(qū)號寄存器810100柱面號寄存器（低字節(jié)）柱面號寄存器（低字節(jié)）810101柱面號寄存器（高字節(jié)）柱面號寄存器（高字節(jié)）810110驅(qū)動器選擇/磁頭寄存器驅(qū)動器選擇/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(shè)備控制寄存器801111驅(qū)動器地址寄存器保留8

　　CF-ATA的基本命令有30余條，主要有數(shù)據(jù)的傳輸命令，包括扇區(qū)、緩沖區(qū)的讀寫等命令；CF卡的定義命令，包括磁道格式化、設(shè)置特征參數(shù)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(quán)限的設(shè)置命令，包括CF卡安全密碼的設(shè)置、安全權(quán)限的鎖定與解鎖等命令。每執(zhí)行一條命令都要向CF-ATA的寄存器組寫入?yún)?shù)和命令。下面以CF卡讀取一扇區(qū)數(shù)據(jù)為例，說明CF-ATA命令的執(zhí)行過程。

　　①讀取CF卡狀態(tài)寄存器，檢測并等待當(dāng)前CF卡是否空閑，若空閑，向下執(zhí)行。

　　②填寫地址寄存器塊。地址寄存器塊包括扇區(qū)數(shù)寄存器、扇區(qū)號寄存器、柱面號寄存器（低和高字節(jié)）、驅(qū)動器選擇/磁頭寄存器，選擇訪問的扇區(qū)地址。

　　③寫命令寄存器，將讀扇區(qū)命令寫入命令寄存器（20h或21h）。

　　④讀取CF卡狀態(tài)寄存器，檢測并等待CF卡的數(shù)據(jù)請求。有數(shù)據(jù)請求表示命令已被接收并處理，若長時(shí)間沒有數(shù)據(jù)請求，需要進(jìn)行超時(shí)處理。

　　⑤讀數(shù)據(jù)寄存器。由于數(shù)據(jù)寄存器端口為16位，因此，讀一個(gè)扇區(qū)512

　　字節(jié)的數(shù)據(jù)僅需要連續(xù)執(zhí)行256次訪問數(shù)據(jù)寄存器的操作。要注意的是，在CF卡中存儲的數(shù)據(jù)是低字節(jié)在前，高字節(jié)在后。在數(shù)據(jù)寄存器中，會產(chǎn)生高低字節(jié)顛倒的問題。

　　⑥檢測執(zhí)行結(jié)果。在執(zhí)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(zhí)行成功，否則表示出錯(cuò)。其相應(yīng)的錯(cuò)誤信息在錯(cuò)誤寄存器中可以查出。