由于心电采集和显示要求较高的处理能力和运行性能，占据了大量的RAM和功耗，因而在单片机RAM较小的情况下，为了满足以上要求，必须研究SD卡存储速度、所需RAM以及功耗的关系。
1 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可以表示为：
　　
V_k、I_k分别为电池在第k个时间段内的电压和输出电流，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）：
　　　　

　　图2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)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、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一定，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寻址时间，可以在完成任务的基础上，使功耗达到最优。
2 SD卡模块的硬件组成
　　SD卡数据存储系统主要由电源、微处理器和SD卡接口电路组成。
　　(1)电源模块。系统采用了两套供电模式： MSP430采用电池直接供电，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3.3 V。它具有外接元件简单，转换效率高，带关断功能等特点，原理图见图3。

　　(2)微处理器。可用于低功耗系统的微处理器有多种，表1中对比了3款典型低功耗微处理器的功能和性能。可见，MSP430F1611具有较好的低功耗性能，可以在1.8～3.6 V电压下工作，能更好地适应电池直接供电的电压范围。MSP430F1611有活动模式(AM)和5种低功耗模式(LPM0、LPM1、LPM2、LPM3和LPM4)，实现低功耗操作的灵活性；集成12位DAC。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^[2]。

　　(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[3]。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控制三极管的关断，在仪器待机时切断接口电路的供电，降低系统功耗。MSP430与SD卡的接口电路如图4所示。

3 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）四个部分^[4]，如图5所示。

　　引导扇区位于物理结构的第一扇区，大小为512 B，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^[5]。
　　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完成。
　　每采集到一个扇区大小（512 B）的数据，便进行一次写操作。写操作的具体流程如图6。

　　从图6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。在操作到簇尾时，设计使用一定大小的RAM来预读取一个扇区或几个扇区的FAT表，从而可以直接从RAM中寻找下一操作簇号。这样设计的优点为：如果文件在物理上是连续存储的，则它的FAT表也是连续的，这样大多数情况下主机便可直接从RAM中获取下次操作簇号，从而极大地减少了主机与SD卡通信的次数(一个扇区的FAT表便可记录下256个簇号)，加快了每次操作的速度，也减少了不必要的功耗。
4 速度及功耗测试
　　设定系统待机状态时，MSP430工作于LPM3（RTC服务开启，主频：32 kHz），系统任务处理状态时工作于活动模式（主频：8 MHz）。
　　表2为按照设计流程（即每簇寻址）、在使用不同大小RAM的情况下系统功耗的实际测试结果。测试条件为：电源电压VBAT=2.787 V，温度25 ℃，测试记录20 M心电数据（三通道心电信号采集，采样率256 Hz）。通过测试20次求平均值，计算得出最终数据。

　　平均电流随RAM大小变化的情况如图7。从图中可以看出，随着RAM的增大，平均电流逐渐减小，功耗随之降低。而且从图中不难发现：不使用RAM（0B）和使用RAM的平均电流相差很大，但RAM大小从512 B增加到2 KB的过程中，平均电流并未显著减小。又由于单片机的RAM都较小(MSP430F1611的RAM只有10KB)，在整个系统中，心电采集处理模块对RAM的使用量较大。综合以上分析，最终选择使用RAM的大小为512B。

      表3列出了在使用512 B RAM的情况下，不同寻址方式对功耗的影响。测试条件为：电源电压VBAT=2.787 V，温度25 ℃，测试记录20 M心电数据（三通道心电信号采集，采样率256 Hz）。通过测试20次求平均值，计算得出最终数据。从表3中可以看出每簇寻址的平均电流远小于其他两种寻址方式，可以极大地降低存储模块的功耗。

      在设计中，主要采取了两种方式实现低功耗：(1)采用高集成度、低功耗的MSP430F1611为核心微处理器，该器件具有多种低功耗的休眠模式；(2)FAT文件系统的设计优化，具体设计中针对不同RAM大小和不同的寻址方式，经过测试、计算和对比，选择了合适的软硬件组合，得出最优结果。这将数据存储模块的功耗大大降低，简化了便携式心电监护仪其他部分的功耗设计。

参考文献
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[3] 聂虹.SPI模式下MMC卡的读写机制[J].单片机与嵌入式系统应用，2007(7)：45-47.
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