摘要：目前國內的便攜式ECG記錄儀存儲容量偏小[1～2]，最多能記錄8小時的心電數據;使用微機控制[3]雖監控和分析性能優良，但其體積大，不適合家庭病人監護和救護車中、偏遠地區以及野戰部隊的危重病人的搶救。因此，開發了低功耗大存儲容量的小型動態心電記錄儀，該記錄儀可完整地記錄下24小時的ECG信息;功耗小，可使用便攜式堿性電池供電，對于中小型醫院、家庭以及在旅途中救護危重病人是有實用價值的。本文選自：《科技創新與應用》本刊堅持為社會主義服務的方向，堅持以馬克思列寧主義、毛澤東思想和鄧小平理論為指導，貫徹“百花齊放、百家爭鳴”和“古為今用、洋為中用”的方針，堅持實事求是、理論與實際相結合的嚴謹學風，傳播先進的科學文化知識，弘揚民族優秀科學文化，促進國際科學文化交流，探索防災科技教育、教學及管理諸方面的規律，活躍教學與科研的學術風氣，為教學與科研服務。

　　1 心電記錄儀主要器件

　　圖1是小型心電記錄儀的基本電路組成框圖，該電路中全部芯片均采用低功耗芯片。

　　1.1 低功耗大容量Flash存儲器28F128J3

　　小型心電記錄儀的數據存儲采用Intel公司的28F128J3 Flash存儲芯片。該芯片采用O.181μm ETOXTMVⅡ(J3C)和0.25μm ETOXTM VI(J3A)每單元存儲兩位的制造技術，使得存儲器的質量和可靠性大大提高，存儲密度更高。芯片采用高密度對稱分塊結構，有128個128K字節塊。允許用戶對任意塊進行字節編程和寫緩沖器字節編程操作，每字節編程時間為210μs;若采用寫緩沖器字節編程方式，32字節編程共需218μs，每字節編程時間僅為6.8μs。芯片的塊擦除時間為1s，允許在編程或塊擦除操作的同時進行懸掛中斷去進行讀操作，待讀操作完成后，寫入懸掛恢復命令，再繼續編程或塊擦除。芯片的讀操作類似于EEPROM，讀取速度為25ns。芯片使用2.7V～3.6V的電源電壓，最大工作電流為80mA，在休眠模式下電流僅為50μA。同時，其功耗非常小。它的存儲容量為128Mb，即16Mbyte，是一種低功耗、高密度、非易失的動態心電數據采集和存儲介質，非常適合作為小型動態心電記錄儀的數據存儲器。

　　本儀器選用四片28F128J3 Flash存儲芯片，合計存儲容量為64Mbyte。按每分鐘采樣200次心電信號計算，24小時需存儲的每導ECG數據容量大約為17Mbyte，三導聯ECG數據大約51Mbyte，完全可以滿足要求。在軟件設計上，采用循環記錄的形式，當64Mbyte記錄完畢時，擦除一個扇區，再寫入新的心電數據。所以該儀器記錄的總是最新的24小時的心電數據。

　　1.2 低功耗單片機W78LE54

　　W78LE54是Winbond公司推出的一款與MCS-8051全兼容的寬電源電壓范圍(2.4V～5.5V)的低功耗8位單片機。該芯片內含16Kbyte的Flash EPROM，256byte的RAM，4個8位雙向I/O口，4位可位尋址的雙向I/O口，3個16位定時器/計數器，硬件看門狗，1個串行口，8個中斷源。正常工作電流不大于10mA，將單片機設置為低功耗休眠運行模式，則工作電流僅為1.5mA。而MCS-8051單片機的工作電流最大為40mA，休眠工作模式電流為14mA。而且，W78LE54內含程序存儲器，因此讀操作功耗小，不需要采用文獻[1]所述的減小存儲器功耗的方法;同時單片機內含程序存儲器，對電磁干擾的抵抗能力更強。可見，W78LE54單片機的總體功耗遠小于MCS-8051系列單片機。選擇W78LE54作為CPU芯片是基于低功耗設計思路的。

　　1.3 低功耗、全自治式單片12位A/D轉換器

　　M12L458是美國國家半導體公司于1999年推出的低功耗、寬電壓范圍(3V～5V)的13位(12位+符號位)自治式A/D轉換器。該A/D轉換器的價格僅為普通12位A/D轉換器的兩倍，但綜合性能大大高于普通12位A/D轉換器。13位A/D轉換器轉換時間為7.7μs，最大功耗為15mW，在3.3V電壓下典型工作電流為2.25mA，最大電流為3.5mA，待機電流為1.5μA，待機功耗為5μW。M12L458是一個全自治式A/D轉換器，其內部包含一個指令RAM和一個事件序列發生器，以及一個32字的FIFO數據緩沖器，具有自校正功能。它通過16位或8位總線與微處理器接口，有中斷請求與DMA請求功能。芯片復位后或接收到一個CPU命令時，可以自動完成在線自校正，自校正參數存入自身的校正數據RAM中。A/D轉換器轉換的數據先存放在FIFO緩沖器中，最多可存放4組8路數據。當CPU接到中斷或DMA請求時，可以直接讀FIFO數據緩沖器，或通過DMA控制器將數據一次傳入CPU的內存，這樣可大大節省CPU的A/D轉換控制開銷。

　　2 小型動態心電記錄儀設計構架

　　從圖1可以看出，記錄儀的設計分為模擬心電信號的檢測、放大與濾波、數字心電信號的存儲與處理等部分。即通過導聯輸入心電信號，經放大與濾波、A/D轉換后得到數字化的心電信號，送入單片機系統，由軟件完成QRS波檢測、處理以及存儲，最后通過人機接口電路將心電波形顯示在LCD屏幕上，或通過RS232接口送出檢測的波形數據到微機中，供醫生分析診斷。現分別加以介紹。

　　2.1 模擬心電信號的檢測放大與濾波

　　將Ag-AgCI電極貼在病人左臂、右臂和大腿上，從體表獲得的心電信號經高精度、低功耗CMOS運放LMC6035構成的前置放大器放大后，構成標準的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ導聯輸入ECG信號由模擬多路開關CD4052進行切換;選中的那一路ECG信號由低功耗儀器放大器AD620放大，經5階全極點無直流誤差的低通濾波器MAX280濾除高頻干擾，再經一個用LMF90芯片設計的50Hz陷波器進一步抑制電源干擾后，加到全自治式A/D轉換器M12L458上進行A/D轉換，從而得到數字化的心電信號。

　　2.2 數字心電信號的存儲與處理

　　本文設計的心電記錄儀的最大特點是超大存儲容量，存儲器由四片閃速存儲芯片28F128J3組成，每片存儲容量為16M字節，4片容量總共為64M字節存儲空間。若以200Hz采樣頻率計算，每導ECG 24小時存儲大約17M字節數據，三導聯ECG數據大約為51M字節。為了高保真地記錄心電數據，醫生一般不希望進行數據壓縮，故不采用任何數據壓縮方法，直接記錄原始心電數據。

　　2.2.1 大容量閃存28F128J3與單片機W78LE54的硬件接口

　　由于28F128J3需尋址16M字節空間，需要24根地址線，但8位單片機W78LE54只有16根地址線，可直接尋址64K字節空間，因此，低16位地址(A0～A15)與單片機地址線正常相接，通過P0口外接低功耗高速8D鎖存器74HC377擴展高位地址線(A16～A23)，使單片機的尋址能力達16M字節，4片28F128J3的片選信號Y0～Y3由P1口通過74HCl38譯碼器產生。具體電路連接框圖見圖2。

　　2.2.2 軟件設計

　　心電記錄儀軟件的主要任務是心電數據采集、QRS檢測、對閃速存儲器的存儲控制、心率數字顯示與報警以及與微機的數據串行通信。軟件以5ms采樣速率控制A/D采樣，對采集來的ECG信號進行非線性變換和積分，形成能量峰，再用改進的自適應雙閾值峰值檢測算法進行QRS檢測，定出RR間期，取其導數為瞬時心率，然后以當前4個心搏的平均心率為新的心率值[4]。將這些數據都存儲于閃速存儲器中，以備醫生通過串口輸入到微機中進行心電波形的回放、分析、診斷和處理。

　　本文介紹的心電記錄儀，硬件全部采用低功耗器件設計，具有存儲容量大、功耗低、體積小、可靠性高的特點。而且對心電數據未采用任何壓縮算法，ECG信號的保真度高、記錄時間長，是一種可供讀者參考的小型心電記錄儀。