摘 要： 系統基于高集成度、低功耗的MSP430F1611單片機，利用SPI總線與SD卡通信。在單片機RAM較小的情況下，平衡SD卡存儲速度、所需RAM以及系統功耗，設計優化的FAT16文件系統，實現對SD卡的數據寫入。將該設計應用于便攜式心電監護儀上，完全滿足48 h 256 Hz心電采樣時間和頻率的要求，實現了對心電數據的實時保存。
關鍵詞： 低功耗；SD卡；文件系統；MSP430F1611；心電
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心電監護儀是診斷心血管疾病的重要儀器之一。通常的心電監護儀多為對短程心電信號的分析，但許多心血管疾病都是偶發的，所以隨著監護時間的延長，疾病的發現率將大大提高[1]。該監護儀使用MSP430F1611單片機和SD卡建立文件系統來存儲心電信號，可以方便地實現大容量的心電信號存儲和讀取。
圖1是便攜式心電監護儀的原理框圖，儀器需要滿足以下要求：(1)使用2節5號電池，總容量不大于2000mAh；(2)待機電流小于0.4mA，待機時間大于4000h；(3)連續工作電流小于60 mA，連續工作48h以上。
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由于心電采集和顯示要求較高的處理能力和運行性能，占據了大量的RAM和功耗，因而在單片機RAM較小的情況下，為了滿足以上要求，必須研究SD卡存儲速度、所需RAM以及功耗的關系。
1 SD卡存儲模塊的功耗分析
通常，在完成一個任務時，儀器所需的能量E可以表示為：
Vk、Ik分別為電池在第k個時間段內的電壓和輸出電流，可以得到電路在一定時間 T內的平均電流消耗（假設 V不變）：
圖2是監護儀進行數據存儲時的電流消耗簡圖，系統在t1段進入待機狀態，等待采集數據滿,進行一次記錄，I1主要由微處理器(MPU)待機模式的功耗所決定；t2段為MPU在SD卡的FAT表中查找下一操作簇和下一操作扇區；在t3段，MPU把數據通過SPI總線發送到SD卡進行存儲，并查詢SD卡是否存儲完畢， t3相對來說是固定的。t2、I2與文件系統設計有關，同時，t2的改變也會影響到t1。
對于SD卡來說，完成一定量的數據操作所需功耗一定，但在SD卡工作的同時，DC-DC和MPU也在工作，t2越長，這些器件所消耗的能量也越多，SD卡存儲速度與功耗之間不會是簡單的線性關系。因此，設計最優化的文件系統、縮小FAT尋址時間，可以在完成任務的基礎上，使功耗達到最優。
2 SD卡模塊的硬件組成
SD卡數據存儲系統主要由電源、微處理器和SD卡接口電路組成。
(1)電源模塊。系統采用了兩套供電模式： MSP430采用電池直接供電，而接口電路則不需要一直工作。因此選用了TI公司的升/降壓DC-DC芯片TPS61070，將輸入電壓升高到一定電壓，再使用SIPEX公司的SPX3819-3.3把電壓穩定在3.3 V。它具有外接元件簡單，轉換效率高，帶關斷功能等特點，原理圖見圖3。
(2)微處理器。可用于低功耗系統的微處理器有多種，表1中對比了3款典型低功耗微處理器的功能和性能。可見，MSP430F1611具有較好的低功耗性能，可以在1.8～3.6 V電壓下工作，能更好地適應電池直接供電的電壓范圍。MSP430F1611有活動模式(AM)和5種低功耗模式(LPM0、LPM1、LPM2、LPM3和LPM4)，實現低功耗操作的靈活性；集成12位DAC。因此，以MSP430為核心設計的采集控制電路，可以滿足高性能和低功耗要求[2]。
(3)接口電路。SD卡有9個引腳，支持兩種串行數據傳輸協議，即SD(Multimedia Card)模式和SPI(Serial Peripheral Interface)模式[3]。在SPI模式中，通過4條信號線完成數據的傳輸。這4條信號線分別是時鐘SDCLK、數據輸入SDDI、數據輸出SDDO和片選SDCS。MSP430通過P5.4口輸出SDEN控制三極管的關斷，在儀器待機時切斷接口電路的供電，降低系統功耗。MSP430與SD卡的接口電路如圖4所示。
3 FAT16文件系統的設計
文件系統是應用程序和存儲介質之間的一種協議，其主要功能是對文件進行管理。FAT16文件系統的結構包含分區引導扇區（DBR）、 文件分配表（FAT）、 文件目錄表(FDT)以及數據區（DATA）四個部分[4]，如圖5所示。
引導扇區位于物理結構的第一扇區，大小為512 B，包括一個引導程序和BPB（BIOS Parameter Block）參數塊。BPB參數塊記錄本分區的起始扇區、結束扇區、文件存儲格式、介質描述符、根目錄項數、FAT個數、保留扇區數、分配單元的大小等重要參數。根據保留扇區的數目可知FAT表的位置(分區起始扇區數+保留扇區數)。根據FAT的個數以及每個FAT表占用的扇區數，即可算出FDT的位置(FAT表位置+FAT表個數×FAT表所占扇區數)。FDT中保存著目錄項，目錄項中的文件首簇號就是讀寫文件的入口[5]。
根據以上分析，針對實時數據采集系統可以簡化文件系統的設計，僅實現對文件的寫操作，而把文件創建、文件刪除等其他操作交給上位機完成。
每采集到一個扇區大小（512 B）的數據，便進行一次寫操作。寫操作的具體流程如圖6。
從圖6可以看出，在未操作到簇尾時，對扇區的操作是不進行FAT尋址操作的，這與普通的FAT16每次尋址相比，大大簡化了操作流程，加快了操作速度。在操作到簇尾時，設計使用一定大小的RAM來預讀取一個扇區或幾個扇區的FAT表，從而可以直接從RAM中尋找下一操作簇號。這樣設計的優點為：如果文件在物理上是連續存儲的，則它的FAT表也是連續的，這樣大多數情況下主機便可直接從RAM中獲取下次操作簇號，從而極大地減少了主機與SD卡通信的次數(一個扇區的FAT表便可記錄下256個簇號)，加快了每次操作的速度，也減少了不必要的功耗。
4 速度及功耗測試
設定系統待機狀態時，MSP430工作于LPM3（RTC服務開啟，主頻：32 kHz），系統任務處理狀態時工作于活動模式（主頻：8 MHz）。
表2為按照設計流程（即每簇尋址）、在使用不同大小RAM的情況下系統功耗的實際測試結果。測試條件為：電源電壓VBAT=2.787 V，溫度25 ℃，測試記錄20 M心電數據（三通道心電信號采集，采樣率256 Hz）。通過測試20次求平均值，計算得出最終數據。
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平均電流隨RAM大小變化的情況如圖7。從圖中可以看出，隨著RAM的增大，平均電流逐漸減小，功耗隨之降低。而且從圖中不難發現：不使用RAM（0B）和使用RAM的平均電流相差很大，但RAM大小從512 B增加到2 KB的過程中，平均電流并未顯著減小。又由于單片機的RAM都較小(MSP430F1611的RAM只有10KB)，在整個系統中，心電采集處理模塊對RAM的使用量較大。綜合以上分析，最終選擇使用RAM的大小為512B。
????? 表3列出了在使用512 B RAM的情況下，不同尋址方式對功耗的影響。測試條件為：電源電壓VBAT=2.787 V，溫度25 ℃，測試記錄20 M心電數據（三通道心電信號采集，采樣率256 Hz）。通過測試20次求平均值，計算得出最終數據。從表3中可以看出每簇尋址的平均電流遠小于其他兩種尋址方式，可以極大地降低存儲模塊的功耗。
????? 在設計中，主要采取了兩種方式實現低功耗：(1)采用高集成度、低功耗的MSP430F1611為核心微處理器，該器件具有多種低功耗的休眠模式；(2)FAT文件系統的設計優化，具體設計中針對不同RAM大小和不同的尋址方式，經過測試、計算和對比，選擇了合適的軟硬件組合，得出最優結果。這將數據存儲模塊的功耗大大降低，簡化了便攜式心電監護儀其他部分的功耗設計。
參考文獻
[1] 段勇.基于MSP430單片機的SD卡讀寫[J].生物醫學工程研究，2007，26(4)：347-350.
[2] 周樂川.基于MSP430F1611的自容式葉綠素儀的采集控制電路的低功耗設計[J].電子器件，2008，31(3)：864-867.
[3] 聶虹.SPI模式下MMC卡的讀寫機制[J].單片機與嵌入式系統應用，2007(7)：45-47.
[4] 李宏佳.基于ARM和SD卡的嵌入式文件系統研究與設計[J].電子設計應用，2007(7)：101-103.
[5] 海深.嵌入式文件系統的實現及性能改進.合肥工業大學學報(自然科學版)[J]，2008，30(3)：265-267.