基于MSP430F1611和SD卡的便携式心电监护仪的低功耗设计.ppt

基于MSP430F1611和SD卡的便携式心电监护仪的低功耗设计 付秀泉 主要内容 一 SD卡存储模块的功耗分析 二 SD卡模块的硬件组成 三 FAT16文件系统的设计 四 速度及功耗测试 一 SD卡存储模块的功耗分析 通常，在完成一个任务时，仪器所需的能量E可以用以下公式表示: Vk 、Ik-分别为电池在第k个时间段内的电压和输出电流，我们可以得到电路在一定时间T内的平均电流消耗（假设V不变）： （T为总时间） 上图是监护仪进行数据存储时的电流消耗简图，系统在t1段进入待机状态，等待采集数据满,进行一次记录，I1主要由微处理器（MPU）的待机模式的功耗所决定；t2段为MPU在SD卡的FAT表中查找下一操作簇和下一操作扇区；在t3段，MPU把数据通过SPI总线发送到SD卡进行存储，并查询SD卡是否存储完毕， t3相对来说是固定的。 t2以及 I2与文件系统设计有关。同时，t2的改变也会影响到t1。 对于SD卡来说，完成一定量的数据操作所需功耗是一定的，但在SD卡工作的同时，DC-DC和MPU也在工作，t2越长，这些器件所消耗的能量也越多，SD卡存储速度与功耗之间不会是简单的线性关系，因此，设计最优化的文件系统，缩小FAT寻址的时间，可以在完成任务的基础上，使功耗达到最优。 二 SD卡模块的硬件组成 SD卡数据存储系统主要由三部分组成：电源、微处理器和SD卡接口电路。 1）电源模块。系统采用了两套供电模式： MSP430采用了电池直接供电，而接口电路则不需要一直工作。因此选用了TI公司的升/降压DC-DC芯片TPS61070，将输入电压升高到一定电压，再使用SIPEX公司的SPX3819-3.3把电压稳定在3.3V的水平，它具有外接元件简单，转换效率高，带关断功能等特点。 2）微处理器。可用于低功耗系统的微处理器有多种，下表中对比了3款典型低功耗微处理器的功能和性能。可见，MSP430F1611（后面简称MSP430）的具有较好的低功耗性能，可以在1.8-3.6V电压下工作，能更好地适应电池直接供电的电压范围。因此，以MSP430为核心设计的采集控制电路，可以满足高性能和低功耗要求。MSP430通过IO口控制各个外围设备和电源管理芯片。 表1 部分低功耗微处理器的性能对比 MPU型号 工作电压(V) 活动模式电流 (uA)(1) 节能模式电流 (uA)(2) ATMEGA 2.7-5.5 1100 10 MSP1611 1.8-3.6 420 2.1 C040 2.7-3.6 500 18 备注：所选用的模式为各处理器适合系统应用的低功耗模式，CPU时钟频率均为2MHz 3）接口电路。SD卡有9个引脚，支持两种串行数据传输协议，即SD(Multimedia Card)模式和SPI( Serial Peripheral Interface)模式。在SPI模式中，通过4条信号线完成数据的传输。这4条信号线分别是时钟SDCLK、数据输入SDDI、数据输出SDDO和片选SDCS。MSP430通过P5.4口输出SDEN信号控制三极管的关断，在仪器待机的时候切断接口电路的供电，降低系统的功耗。 三 FAT16文件系统的设计 文件系统是应用程序和存储介质之间的一种协议，其主要功能是对文件进行管理。FAT16文件系统的结构包含分区引导扇区（DBR）、 文件分配表（FAT）、 文件目录表(FDT)以及数据区（DATA）4个部分。 引导扇区位于物理结构的第一扇区，大小为512字节。它包括一个引导程序和BPB（BIOS Parameter Block）参数块。BPB参数块记录本分区的起始扇区、结束扇区、文件存储格式、介质描述符、根目录项数、FAT个数、保留扇区数、分配单元的大小等重要参数。根据保留扇区的数目可知FAT表的位置(分区起始扇区数+保留扇区数)。根据FAT的个数以及每个FAT表占用的扇区数，即可算出FDT的位置(FAT表位置+FAT表个数×FAT表所占扇区数)。FDT中保存着目录项，目录项中的文件首簇号就是读写文件的入口。 根据以上分析，针对实时数据采集系统可以简化文件系统的设计，仅实现对文件的写操作，而把文件创建、文件删除等其他操作交给上位机来完成。 每采集到一个扇区大小（512B）的数据，便进行一次写操作，写操作的流程如下： 从图中可以看出，在未操作到簇尾时，对扇区的操作是不进行FAT寻址操作的，这与普通的FAT16每次寻址相比，大大简化了操作流程，加快了操作速度。在操作到