便携式心电设备的数据存储方案设计与性能验证

随着医疗健康行业的快速发展，便携式心电监测设备逐渐成为人们日常健康管理的重要工具。这类设备能够实时监测用户的心电信号，帮助及时发现心律不齐等心脏问题，为预防和早期诊断心脏疾病提供重要依据。心电产品对数据存储有着特殊的要求：不仅需要保证数据的完整性和可靠性，还要满足低功耗、长时间存储的需求。

一、心电产品介绍

心电监测产品是一种用于记录心脏电活动的医疗设备，通常包括便携式心电记录仪、可穿戴心电监测设备等。这些设备通过电极采集人体心电信号，经过放大、滤波和数字化处理后，将数据存储起来供后续分析或传输到医疗平台。

对于心电数据存储而言，其特殊性主要体现在三个方面：

首先，心电数据是连续采集的时序信号，数据量较大，需要足够的存储容量； 其次，心电数据关系到医疗诊断，必须保证数据的完整性和可靠性，不能出现数据丢失或损坏； 最后，由于这类设备通常是便携式或可穿戴的，对功耗有严格要求，需要低功耗设计以延长电池续航时间。

二、技术方案介绍

在本心电产品方案中，我们选用泰凌微电子 TL721X 作为主控芯片。这款芯片专为便携式医疗场景设计，凭借高能效架构与精准信号处理能力，成为心电监测设备的核心控制单元。其采用 RISC-V 架构，工作电流低至 1mA 量级，配合多级电源管理机制（支持深度休眠 / 唤醒模式），可将设备续航延长 30% 以上，完美匹配可穿戴心电设备的低功耗需。

TL721X 关键特性：

1. 能效架构：RISC-V 内核，工作电流 1mA 量级，支持多级低功耗模式
2. AI 处理：独立低功耗 AI 引擎，本地实时分析心电波形异常
3. 信号采集：12 位 ADC，积分误差 ±2.0LSB，适配 μV 级心电信号
4. 接口兼容：SPI/I2C 等接口，无缝对接 CSNP64GCR01-BOW 存储芯片
5. 通信能力：支持 BLE 5.2 协议，低功耗数据同步至云端

集成的独立低功耗 AI 引擎是一大亮点，能在本地实时分析心电波形，快速识别房颤、早搏等异常信号并触发标记存储，减少 80% 的无效数据传输能耗。芯片内置 12 位高精度 ADC 模块，积分误差（integral error）仅 ±2.0LSB，可精准捕捉 μV 级微弱心电信号的细微变化，为后续数字化处理提供高保真原始数据。

在接口兼容性上，TL721X 配备 SPI、I2C 等丰富接口，能与 CS 创世 SD NAND 芯片 CSNP64GCR01-BOW 实现无缝对接，确保数据传输速率与存储效率的协同优化。同时支持蓝牙低功耗（BLE 5.2）协议，可将关键数据同步至云端平台，构建 "采集 - 处理 - 存储 - 传输" 的完整技术闭环，满足医疗设备对可靠性与智能化的双重要求。

三、核心技术模块分析

3.1 主控芯片技术规格

TL721X 以超低功耗、多协议无线连接和高精度 ADC，成为便携医疗设备的理想主控芯片。

核心架构：32位 ARM® Cortex®-M4F 内核（96MHz），512KB Flash + 128KB SRAM，支持浮点运算。 低功耗：0.8μA 深度睡眠，5μA 待机（RTC 运行），动态功耗 50μA/MHz。 无线连接：蓝牙 5.2 BLE/Zigbee/Thread/Matter/2.4GHz 私有协议，-97dBm 接收灵敏度，+10dBm 发射功率，300m+ 传输距离。 外设接口：12 位 ADC（1MSPS）、SPI/I2C/UART、USB 2.0、硬件加密（AES/SHA）。 医疗级可靠性：符合 IEC 60601-1-2 标准，工作温度 -40°C ~ +85°C。 应用：心电监测仪、可穿戴设备、远程医疗终端。 封装：QFN48（6×6mm）、QFN32（5×5mm）。

特别值得一提的是，该芯片支持SPI接口，可以与CS创世SD NAND直接连接，无需额外的接口转换电路，大大简化了硬件设计。芯片还支持DMA功能，能够在不需要CPU干预的情况下完成数据传输，进一步降低了系统功耗。

3.2 存储芯片CSNP64GCR01-BOW优势分析

CS创世SD NAND CSNP64GCR01-BOW是一款具有多项优势的存储解决方案，特别适合心电产品这类对可靠性和功耗有严格要求的应用场景。

技术规格参数：

• 容量：64Gb（8GB）
• 接口：标准SD接口
• 工作电压：3.3V
• 工作温度：0℃ ~ +70℃
• 存储温度：-40℃ ~ +125℃
• 封装：LGA-8
• 晶圆：MLC
• 等级：商业级
• 尺寸：7*8.5mm

主要优势：

1. 高可靠性和数据完整性：CS创世SD NAND采用了先进的坏块管理技术和错误校正机制，能够有效防止数据损坏，确保心电数据的完整性和可靠性。这对于医疗数据存储至关重要，任何数据丢失都可能影响诊断结果。
2. 低功耗设计：芯片支持自动休眠模式，在无访问操作时能自动进入低功耗状态，待机电流低于100μA，极大延长了便携设备的电池使用寿命。心电监测设备通常需要长时间连续工作，低功耗特性显得尤为重要。
3. 小尺寸和简化设计：相比传统TF卡或SD卡，CSNP64GCR01-BOW采用LGA-8封装，尺寸仅为7mm×8.5mm，大大节省了PCB空间。同时，由于直接焊接在板上，避免了连接器可能带来的接触不良问题，提高了产品的机械可靠性。

四、实测表现：从医疗级需求验证 CSNP64GCR01-BOW 的核心性能

为精准评估 CSNP64GCR01-BOW 存储芯片在心电产品中的实际表现，本次测试严格限定使用 CrystalDiskMark 8.0.1 软件，通过扩展测试参数设置，全面捕捉芯片在不同读写场景下的性能数据，为后续医疗场景适配分析提供基础依据。

4.1 测试环境与设备清单

①核心测试对象

CSNP64GCR01-BOW 转接板（雷龙官方提供商用级样片）

②辅助测试设备

• 读卡器：USB3.0 高速读卡器
• 测试主机：HP（CPU：Intel i7-12700H，内存：32GB DDR5 4800MHz，硬盘：1TB PCIe 4.0 SSD，系统：Windows 11 专业版 22H2）
• 连接线材：原装 USB3.0 数据线（长度 0.5m，避免长线材导致的信号衰减）
• 供电保障：公牛抗干扰插排（确保测试过程中电压稳定在 220V±5V）

4.2 实测详细步骤

1. 测试前设备准备

① 将 CSNP64GCR01-BOW 转接板金手指用无尘布蘸取 95% 酒精擦拭 3 次，去除表面氧化层及污渍

② 待酒精完全挥发后（约 30 秒），将转接板插入读卡器 SD 卡槽，确保卡扣锁定到位

③ 通过 USB3.0 数据线将读卡器与测试主机后置 USB3.0 接口连接（避免前置接口供电不足）

④ 开机进入 Windows 系统，等待系统自动安装驱动（约 15 秒），确认设备管理器中显示 "通用大容量存储设备" 无黄色感叹号

2. 格式化操作

① 打开 Windows 资源管理器，确认转接板识别为 "可移动磁盘（G:）"，右键选择 "格式化"

② 在弹出的格式化窗口中配置参数：

• 文件系统：exFAT（支持单个大于 4GB 的医疗数据文件存储）
• 分配单元大小：32KB（匹配心电设备每 32KB 打包一次数据的特性）
• 勾选 "快速格式化"

③ 点击 "开始"，等待格式化完成（约 8 秒），系统提示 "格式化完毕" 后关闭窗口

3. CrystalDiskMark 软件配置

① 从官网下载 CrystalDiskMark 8.0.1 便携版（避免安装版带来的后台进程干扰），解压至桌面文件夹

② 右键以 "管理员身份运行" 软件，在主界面进行参数扩展设置：

• 测试次数：5 次（取平均值减少偶然误差）
• 测试容量：设置 3 组梯度（500MB、1GB、2GB），分别模拟短时监测、常规 24 小时监测、长时 72 小时监测的数据量
• 测试类型：勾选 "Seq"（连续读写）、"4K"（随机读写）、"4K QD32"（队列深度 32 的随机读写）
• 数据模式：选择 "真实数据"（生成类似心电波形的不规则数据，替代默认的全 0 填充数据）
• 接口模式：强制 USB3.0（避免系统自动降为 USB2.0）

③ 选择测试盘符为 "G:"（转接板对应的可移动磁盘），点击 "全部测试" 按钮开始测试

4.3 软件参数设置详情

4.4 测试数据记录

将 CrystalDiskMark 8.0.4 三次测试得到的各项指标数据进行整理，计算出平均值。

1. 512MB 测试容量数据（n=3，单位：MB/s）

2. 1GB 测试容量数据（n=3，单位：MB/s）

3. 2GB 测试容量数据（n=3，单位：MB/s）

4.5 数据分析

结合心电设备的核心需求（可靠存储、高效读写、低延迟响应、多场景适配），对三次测试数据的综合分析如下：

1. 性能稳定性：满足医疗级 “零波动” 要求

• 速度波动极小：三次测试中，顺序读 / 写速度波动分别≤0.02MB/s、≤0.12MB/s；随机读 / 写速度波动分别≤0.15MB/s、≤0.42MB/s。这种稳定性对心电设备至关重要 —— 避免因速度骤降导致的波形数据漏存（如连续记录时突然掉速可能丢失关键早搏信号）。
• 大容量场景一致性：从 512MB 到 2GB，核心指标（顺序读写、随机读写、IOPS、延迟）无显著衰减，其中顺序读速度甚至略有提升（19.48MB/s→19.5MB/s）。证明芯片在长期存储（如 14 天连续记录）过程中性能稳定，符合医疗设备 “长时间无故障运行” 的标准。

2. 与临床场景的匹配度：冗余充足，无性能瓶颈

• 连续读写适配性：顺序写速度 11.73-11.85MB/s，远高于心电设备实际需求（每秒 200 字节），即使设备同时开启蓝牙实时传输，仍有充足性能余量；顺序读速度 19.48-19.5MB/s，确保医生导出任意周期数据时无需等待，提升诊断效率。
• 随机访问适配性：随机读延迟 0.65-0.67ms，支持医生 “即点即看” 任意时间点的波形（如快速定位凌晨 3 点的异常心律）；随机写性能可满足每秒数万次异常标记存储，适配设备高频标记需求（如房颤患者每小时可能产生数十次标记）。
• 并发能力适配性：IOPS 读 1488-1524、写 1147-1520，支持科室级多终端同时访问（如主任、主治医师、护士同时查看同一患者数据），无卡顿或数据冲突，符合医疗机构多人协作场景。

3. 极端场景响应：覆盖医疗设备全生命周期需求

• 超长周期存储：2GB 容量测试中，所有指标仍保持在合理范围，证明芯片可支持 14 天以上的连续监测（按每日 150MB 数据量计算，64GB 容量可存储 426 天），满足慢性病患者长期监测需求。
• 高负载稳定性：在多任务并发（读写同时进行）、大容量数据操作下，延迟未突破 1ms，无数据校验错误，证明芯片在极端负载下仍能保障数据完整性 —— 这对医疗设备而言是核心竞争力（数据错误可能导致误诊）。

CSNP64GCR01-BOW 的实测性能不仅全面满足心电设备的存储需求，更以 “低波动、高冗余、强适配” 的特性，为医疗级数据存储提供了可靠保障，尤其适合对稳定性、即时性要求严苛的动态心电监测场景。

五、展望

随着远程医疗和个性化健康管理的发展，心电监测设备将朝着更小型化、更智能化、更长续航的方向发展。这对存储解决方案提出了更高的要求：需要更大的容量来存储更长时间的数据记录，需要更低的功耗来延长设备工作时间，需要更高的可靠性来保证医疗数据的安全。

CS创世SD NAND存储芯片以其小尺寸、低功耗、高可靠性的特点，完全适应未来心电产品的发展趋势。其标准SD接口使得它与多种主控芯片兼容，便于产品升级和迭代。此外，随着技术的不断进步，未来CS创世SD NAND还将提供更大容量、更快速度的产品，满足日益增长的数据存储需求。

综上所述，CS创世SD NAND CSNP64GCR01-BOW是一款非常适合心电产品的存储解决方案，它的高性能、高可靠性和低功耗特性使其在医疗设备领域具有广阔的应用前景。