SD卡在生理信號數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用

摘要：基于DSP處理器TMS320F2812與SD卡的接口，設(shè)計了一種便攜式的生理信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于大容量多參數(shù)人體生理參數(shù)的采集。采用TMS320F2812作為主控芯片，以SD卡作為主要存儲介質(zhì)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時采集與存儲。按照FAT32文件系統(tǒng)規(guī)范設(shè)計了一種優(yōu)化的文件系統(tǒng)，可以快速地把實時采集的數(shù)據(jù)以文本的形式保存在SD卡中。實驗表明，該系統(tǒng)在實際測量中操作簡單、攜帶方便，可用于人體生理參數(shù)的實時監(jiān)測。
關(guān)鍵詞：DSP處理器；SD卡；FAT32文件系統(tǒng)；生理信號

0 引言
生理信號是表征人體生命特征的基本參數(shù)，如血壓、脈率、體溫等都是人體重要的生理信號，這些信號中都包含著有用的病理信息。通過分析這些信號可以診斷體內(nèi)各部位的疾病。多參數(shù)生理信號數(shù)據(jù)采集要求數(shù)據(jù)存儲量大，使用無線、USB與上位機通信存儲數(shù)據(jù)可以解決這一需求。但是，這些方案都需要上位機來存儲數(shù)據(jù)不利于便攜式操作。
SD卡(Secure Digital Card)具有體積小、重量輕、容量大、數(shù)據(jù)傳輸率快、極大的移動靈活性以及很好的安全性等優(yōu)點，非常適合應(yīng)用在長時間存儲大量數(shù)據(jù)的測量系統(tǒng)中。因此采用SD卡作為生理信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的存儲介質(zhì)是很好的解決方案。
本文設(shè)計了一種便攜式的生理信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。硬件上設(shè)計了電源管理模塊，解決了系統(tǒng)中各個模塊不同電壓的需求。同時采用處理速度很快的DSP處理器TMS320F2812作為主控芯片，使采集數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)的性能更加優(yōu)越。軟件上設(shè)計了優(yōu)化的FAT32文件系統(tǒng)，使大容量SD卡的寫入數(shù)據(jù)速度更快。

1 總體設(shè)計
本文設(shè)計的采集系統(tǒng)主要由電源管理模塊、SD卡、TMS320F2812等部分組成，充分體現(xiàn)了便攜化設(shè)計。系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示。系統(tǒng)采用干電池作為電源，并通過電源管理模塊分別給系統(tǒng)各個模塊供電。TMS320F2812利用片內(nèi)的12位A／D對傳感器采集的模擬信號進(jìn)行采樣和變換處理，結(jié)果保存在SD卡中。大容量的SD卡中嵌有FAT32文件系統(tǒng)可以把數(shù)據(jù)保存為文本格式，便于在上位機上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和波形分析。

2 DSP與SD卡的接口電路設(shè)計
根據(jù)SD卡的通信協(xié)議，主控制器和SD卡有兩種通信模式：SD模式和SPI模式。前者速度快(4位并行數(shù)據(jù)總線)，使用所有的信號線；后者速度慢(數(shù)據(jù)以單線傳輸)，但是簡單易用、兼容性好、便于和主控制器連接通信。SPI模式的傳輸速度可以滿足本文設(shè)計的系統(tǒng)要求，因此，本設(shè)計采用SPI模式。表1是SD卡在SPI模式下的各引腳定義。
SD卡與DSP的4個I／O口相連。SD卡的CS管腳連接到DSP的SPISTEA管腳，用作普通I／O功能，其高低電平控制SD卡的使能與否；DI管腳連接到SPISIMOA管腳，DSP通過這個管腳向SD卡發(fā)送數(shù)據(jù)和命令；DO管腳連接到SPISOMIA管腳，DSP通過這個管腳讀取SD卡內(nèi)的數(shù)據(jù)；SCLK管腳連接到SPICLKA管腳，DSP通過這個管腳向SD卡發(fā)送時鐘信號。具體連接電路如圖2所示。

3 SD卡的軟件設(shè)計
SD卡工作在SPI模式下，主控制器向SD卡發(fā)送命令、數(shù)據(jù)并接收SD卡的響應(yīng)。被使能的SD卡總是對來自主控制器的命令有所響應(yīng)，當(dāng)SD卡出現(xiàn)錯誤時，會返回一個出錯響應(yīng)來代替期望的數(shù)據(jù)。
3．1 SD卡的初始化
對SD卡進(jìn)行讀寫操作之前，首先應(yīng)該初始化SD卡。SD卡初始化流程如圖3所示。為了保持SD卡的兼容性，設(shè)置SPI的時鐘頻率在100～400 kHz范圍內(nèi)。SD卡上電后，主機必須先向SD卡發(fā)送至少74個時鐘周期，同時CS處于低電平，以完成SD卡上電過程。SD卡上電后默認(rèn)進(jìn)入SD模式，在此模式下向SD卡發(fā)送復(fù)位命令(CMD0)并保持CS為低電平，如果收到應(yīng)答信號為01H，則SD卡進(jìn)入SPI模式。

SD卡進(jìn)入SPI模式后，主機即可不斷地向SD卡發(fā)送命令(CMD55+ACMD41)并讀取應(yīng)答信號，如果應(yīng)答信號為00H，則表明SD卡完成初始化。初始化完成后，需要把SPI時鐘頻率設(shè)置為高速模式，在這種模式下才能保證SD卡的高速讀寫。