基于em開發(fā)式電子線路的便攜式血糖儀的設(shè)計(jì)

基于em開發(fā)式電子線路的便攜式血糖儀的設(shè)計(jì)

糖尿病是人類健康的四種主要疾病之一。它顯示了異常的血液和尿液中葡萄糖的含量。患者體內(nèi)葡萄糖的代謝可以調(diào)節(jié)病人的疾病。血液葡萄糖含量是決定臨床給藥的一個(gè)重要指標(biāo)。血液葡萄糖含量檢測方法由化驗(yàn)師在化驗(yàn)室完成。將采得的病人血樣經(jīng)預(yù)處理后加入相關(guān)化學(xué)試劑,待反應(yīng)完成再用大型生化分析儀進(jìn)行檢測,但檢測時(shí)間長、需血量大,且操作復(fù)雜、不利于病人自我監(jiān)護(hù)。便攜式血糖測試儀能夠克服上述缺陷,它將生物傳感器技術(shù)、微機(jī)控制技術(shù)以及微電子技術(shù)相結(jié)合,可完成血糖濃度快速簡便的檢測,而且用血量極少,可由病人進(jìn)行自我監(jiān)測。1生物傳感器酶電極檢測血糖濃度近年,隨著生物傳感器技術(shù)的迅速發(fā)展,許多生物量的測量變得越來越便捷。生物傳感器,就是由固定化的生物材料包括酶、抗體、微生物等生物活性物質(zhì)與適當(dāng)?shù)膿Q能器件密切接觸而構(gòu)成的分析工具或系統(tǒng)。該換能器件可將生化信號(hào)轉(zhuǎn)換成可定量檢測的電或光信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)特定底物濃度的測量。本文所涉及的血糖濃度就是通過生物傳感器酶電極獲取。酶電極,由酶膜和電極結(jié)合而成。在單片機(jī)的控制下,通過檢測酶電極對(duì)血樣響應(yīng)電流的大小快速測定血糖濃度。便攜式血糖測試儀所用的葡萄糖氧化酶印刷電極如圖1所示。酶電極的測試原理如下:在印刷電極兩端施加一定的恒定電壓,當(dāng)被測血樣滴在電極的測試區(qū)后,電極上的固定化葡萄糖氧化酶與血樣中的葡萄糖發(fā)生酶反應(yīng)。經(jīng)過一定的滯后期(約20s),酶電極的響應(yīng)電流將與被測血樣中葡萄糖濃度呈線性關(guān)系。酶電極的響應(yīng)電流為μA級(jí)。血糖儀就是根據(jù)這一對(duì)應(yīng)關(guān)系來計(jì)算并顯示血樣葡萄糖濃度值的。2u2009o轉(zhuǎn)換電路血糖儀的硬件電路以EM78P458這一新型高集成度的單片機(jī)芯片為核心,其外圍電路模塊包括:恒電位激勵(lì)和A/D模塊、按鍵檢測模塊、低功耗電源模塊、電源電壓檢測模塊、恒電位激勵(lì)和A/D模塊、液晶顯示驅(qū)動(dòng)模塊、時(shí)鐘模塊、E2PROM模塊等。圖2是恒電位激勵(lì)和A/D轉(zhuǎn)換模塊原理圖?；鶞?zhǔn)電壓源LM336提供的2.5V恒定電壓經(jīng)電阻分壓后得到0.3V工作電壓,由運(yùn)放對(duì)酶電極施加恒電位激勵(lì),Rz代表酶電極;由運(yùn)算放大器的理想工作特性知道,Ic≈0,所以,酶電極在恒電位激勵(lì)下電極酶反應(yīng)的響應(yīng)電流Ix=IO,該電流信號(hào)經(jīng)過采樣電阻Ro轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸入到串行AD3201的差動(dòng)輸入同相端。串行AD3201的差動(dòng)輸入反相端則輸入一個(gè)與前面的測量電壓共地的恒定電位,這樣就可以有效消除串行A/D差動(dòng)輸入端的共模干擾影響。圖3是低功耗電源模塊原理圖。由兩節(jié)鈕扣電池CR2032提供的6V電池電壓,經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換器件RN5RL33輸出3.3V電壓,作為系統(tǒng)電源。此3.3VD電壓接PNP型三極管的E極,在單片機(jī)引腳PW_CTRL控制下,可在C極得到另一3.3V的電壓3.3VT。兩個(gè)3.3V電壓各有特點(diǎn)。由于3.3VD始終存在,所以把該電壓分配給始終工作的芯片,如單片機(jī)和時(shí)鐘芯片HT1381;而3.3VT可以受單片機(jī)控制,在PW_CTRL輸出0電平時(shí)有3.3V電壓、輸出1電平時(shí)有0V電壓,所以把該電壓分配給非始終工作的芯片,如液晶驅(qū)動(dòng)芯片等,就可大大降低系統(tǒng)的功耗,延長電池的使用壽命。圖4是存儲(chǔ)記憶的載體——E2PROM模塊的原理圖。HT24LC08采用標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線接口,只需要SCL時(shí)鐘線和SDA數(shù)據(jù)線,大大簡化了硬件設(shè)計(jì),同時(shí)降低了成本。為了增強(qiáng)單片機(jī)I/O口的驅(qū)動(dòng)能力,增加了上拉電阻,其阻值RI/O≥3.3V/Imax,其中Imax為I/O口的最大輸入電流。由于單片機(jī)EM78P458不具有I2C接口,所以只能在軟件中模擬,具體參考軟件設(shè)計(jì)部分。為了減小血糖儀體積,設(shè)計(jì)中大量采用了引腳數(shù)目較少的外圍芯片。如A/D轉(zhuǎn)換模塊采用了帶串行I2C接口的A/D轉(zhuǎn)換器3201,時(shí)鐘模塊采用了帶串行I2C接口的時(shí)鐘芯片HT1381,E2PROM模塊采用了帶串行I2C接口的HT24LC08,液晶顯示驅(qū)動(dòng)模塊采用了引腳數(shù)目較少的驅(qū)動(dòng)芯片,采用串行數(shù)據(jù)總線(SPI接口)與CPU接口。這樣的硬件設(shè)計(jì)使引腳總數(shù)大大減少。另一方面,絕大多數(shù)芯片和元器件采用了SOP封裝。3em鋼架的軟件設(shè)計(jì)便攜式血糖儀的軟件設(shè)計(jì)遵循了模塊化設(shè)計(jì)原則,設(shè)計(jì)了主程序和各類子程序,其中主程序的流程圖如圖5所示。主要子程序有:延時(shí)子程序、采樣子程序、液晶顯示子程序、時(shí)鐘設(shè)置和讀取子程序、測試數(shù)據(jù)存E2PROM子程序、歷史記錄回溯子程序、BCD碼轉(zhuǎn)換子程序、濾波子程序、乘法子程序、除法子程序和關(guān)機(jī)處理子程序等。這里重點(diǎn)介紹存儲(chǔ)記憶E2PROM子程序的設(shè)計(jì)。HT24LC08有讀、寫兩類操作,寫操作分為單字節(jié)寫入模式和頁寫入模式。單字節(jié)寫入一次寫入1B的數(shù)據(jù),頁寫入允許CPU快速、連續(xù)地向E2PROM寫入多個(gè)字節(jié)。讀操作有當(dāng)前地址讀取模式、隨機(jī)地址讀取模式、序列地址讀取模式3種方式。當(dāng)前地址讀取靠內(nèi)部數(shù)據(jù)指針獲得訪問地址,隨機(jī)地址讀取靠主器件向E2PROM寫入地址進(jìn)行訪問,序列讀取方式從某一地址開始順序讀取E2PROM內(nèi)的一系列單元數(shù)據(jù),每讀取1B地址指針自動(dòng)加1。在血糖儀中,讀寫操作分別選取了頁寫入模式和當(dāng)前地址讀取模式。頁寫入和當(dāng)前地址讀取數(shù)據(jù)的程序框圖如圖6、7所示?？紤]到元器件參數(shù)的隨機(jī)分布和電路穩(wěn)態(tài)波動(dòng),這里專門設(shè)計(jì)了一個(gè)軟件校準(zhǔn)模塊,可以人為地對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)校準(zhǔn)。另外,為方便操作,設(shè)計(jì)了特有的關(guān)機(jī)子程序,充分利用了EM78P458在睡眠模式下的低功耗(1μA)特點(diǎn),使血糖儀完成測試后能在不切斷電源的情況下自動(dòng)進(jìn)入睡眠狀態(tài),再由外部的按鍵中斷來喚醒。在歷史記錄回溯子程序的設(shè)計(jì)中,使用通用的E2PROM芯片HT24LC08保存測試數(shù)據(jù)和測試時(shí)間,方便了軟件設(shè)計(jì)模塊化。4血糖儀檢測結(jié)果便攜式血糖儀操作簡單,測試全過程僅在一個(gè)按鍵的操作下進(jìn)行。測試開始先完成相關(guān)初始化設(shè)置和歷史記錄查詢操作。然后插入測試電極,進(jìn)入倒計(jì)時(shí)測試狀態(tài),測試完畢直接在液晶屏上顯示測試結(jié)果。整個(gè)測試過程在30s內(nèi)完成。血糖儀檢測范圍則覆蓋了臨床高、低血糖濃度區(qū)間。便攜式血糖儀整機(jī)誤差為3.1%,血糖儀的標(biāo)定結(jié)果見圖8。本血糖儀以及同類型血糖儀產(chǎn)品的性能指標(biāo)對(duì)比如表1所示。5便攜式血糖儀的特點(diǎn)將生物傳感器技術(shù)