澎湃微PT32x033系列 | 血糖儀專題技術(shù)文章連載_01

概述

澎湃微基于超低功耗MCU—PT32x033系列，推出血糖儀專題技術(shù)文章連載，內(nèi)容包括：LCD驅(qū)動器應(yīng)用，OPA ADC DAC聯(lián)合應(yīng)用，NTC、RTC應(yīng)用，超低功耗應(yīng)用等場景，以幫助客戶快速上手，縮短學(xué)習(xí)開發(fā)周期。

目前家用醫(yī)療儀器越發(fā)小巧便攜且易于使用，測試的精度也越來越高。在過去的幾年中，血糖儀的發(fā)展趨勢是通過使用更好的試紙、更小型化的電子設(shè)備和更先進的算法來減少測試過程中所需的血液樣本量，最大限度的提高患者的檢測舒適性和便利性，同時能更快速更精準地得到檢測結(jié)果。

便攜式血糖儀分為兩種，一種是光電型，一種是電極型。光電血糖儀有一個光電頭，但探測頭暴露在空氣里，很容易受到污染，影響測試結(jié)果，使用壽命比較短；電極型的測試原理比較科學(xué)，電極口內(nèi)藏，可以避免污染，并且測試的精度高，壽命長，目前絕大多數(shù)血糖儀都是電極型的。

—— · 血糖濃度檢測原理 · ——

電極型血糖儀的試紙有兩個電極，其中一個電極使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）疊加上精準的偏置電壓后，血液在試紙條上進行化學(xué)反應(yīng)會產(chǎn)生的微弱電流，該電流與被測血液的葡萄糖濃度成正比例關(guān)系，電流通常由跨阻放大電路轉(zhuǎn)換成電壓后使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）進行測量并且通過一定的算法推算出血糖濃度（單位：mg/dl或mmol/L）。試紙條的電流測量范圍為10~50uA，分辨率小于10nA并且對環(huán)境溫度敏感，因此測試過程中需要獲取環(huán)境溫度并進行補償校準。

1.1.1 丨 精準測試

血糖儀對試紙電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生電流的分辨率必須是nA級別才能夠滿足測試精度的要求，因此儀表一旦經(jīng)過出廠校準過后，精度必須具備極低的溫度和電壓漂移特性。針對血糖儀應(yīng)用的精度和準確性的需求，033提供如下的外設(shè)能力：

集成超低輸入偏置電流（小于1nA）的高性能運算放大器（OPA）用來連接試紙組成跨阻放大電路，具備高線性度和可靠性

集成低溫漂的2V內(nèi)部參考電壓（溫度系數(shù)低于50ppm/℃）

集成12位DAC用于設(shè)置試紙條的偏置電壓，DAC的輸出在內(nèi)部可直接配置為OPA的正端輸入極大地簡化了外圍電路并提升儀表的抗干擾性；

集成12位低噪聲ADC用以獲取跨阻放大電路轉(zhuǎn)換出來的電壓；

試紙上血液的溫度會影響到血糖的測試結(jié)果，因此需要測量試紙周圍的環(huán)境溫度來對血糖濃度的測量結(jié)果進行補償，溫度測量精度因試紙的類型和化學(xué)成分而異，一般要求在±1℃以內(nèi)。這里使用NTC實現(xiàn)環(huán)境溫度的檢測，033的內(nèi)部2V參考電壓可以輸出作為NTC的參考，通過ADC獲取溫度檢測電路的電壓實現(xiàn)對溫度的檢測。

—— · 化學(xué)試紙溫度檢測原理 · ——

從上文血糖檢測原理可知，測試精度除了受DAC提供的偏置電壓以及2V參考電壓的精度影響之外還受OPA的輸出失調(diào)電壓的影響，除此之外，不同化學(xué)試紙對DAC提供的偏置電壓大小要求不一樣。為了更滿足精準測試的需求，提供了一套量產(chǎn)校準方案保障DAC和內(nèi)部參考的輸出誤差控制在±1mV以內(nèi)，利用血糖儀板級聯(lián)動校準（DAC和OPA組合校準）直接把OPA的輸出失調(diào)電壓補償?shù)?，進而最大限度地提高測試精準度。校準方案通過033提供的專用校準接口（CI接口），無需用戶軟件層面干預(yù)，極大地提高血糖儀產(chǎn)品的量產(chǎn)效率。

—— · 精準測試校準框圖 · ——

1.1.2 丨 人機交互

血糖儀采用段式LCD來顯示實時測試結(jié)果和歷史數(shù)據(jù)，033內(nèi)嵌LCD驅(qū)動器，低硬件成本高軟件效率地實現(xiàn)段式LCD的驅(qū)動顯示。

COM和SEG可編程配置，32個LCD引腳均可配置為COM或者SEG，支持2COMx30SEG、4COMx28SEG、6COMx26SEG、8COMx24SEG四種規(guī)格

占空比可編程配置，支持1/2、1/4/、1/6、1/8四種配置

支持兩種偏置電壓源，電阻型（R型）或電容型（C型），C型的偏置電壓可通過配置內(nèi)部電荷泵升壓到1.5VDD

支持A型和B型兩種LCD驅(qū)動波形，刷新率和對比度可編程配置

支持16頁顯示緩存，顯示模式可編程配置，支持固定頁顯示、單次輪顯后保持、單次輪顯后關(guān)閉、連續(xù)輪顯四種模式

血糖儀采用一個簡單的無源蜂鳴器來實現(xiàn)聲覺上的交互，033內(nèi)嵌蜂鳴器驅(qū)動器，支持高SINK電流（40mA）而無需再額外的電流驅(qū)動電路也可以實現(xiàn)多種驅(qū)動頻率的輸出。

—— · 蜂鳴器驅(qū)動框圖 · ——

血糖儀采用紐扣電池供電，隨著使用年限的增加，電壓逐漸衰減，為了更方便的監(jiān)控電池電壓，033提供一路內(nèi)部穩(wěn)定的BG1.0V可供ADC采集，當ADC的參考電壓為芯片供電電壓（電池電壓）時，根據(jù)ADC轉(zhuǎn)換的結(jié)果即可反推出電池電壓，一旦低壓則可通過LCD屏幕的低電量圖示警示用戶更換電池，電池電壓換算公式如下：

1.1.3 丨 實時時鐘

血糖儀的所有歷史數(shù)據(jù)都必須附帶時間信息以便用戶可以統(tǒng)計血糖的長期變化規(guī)律，033內(nèi)嵌高精度低功耗RTC提供日歷和計時的功能，為了滿足RTC的低頻飄需求，允許外掛的32.768KHz晶體振蕩器來提供時鐘，同時具備時鐘補償機制來滿足高精度計時的要求。

提供秒、分、時、日、月、年時間信息，閏年自動調(diào)整

不受任何非上電復(fù)位的影響，超低功耗工作（小于1uA）

時鐘補償機制滿足高精度計時要求

外部32KHz的Crystal負載電容內(nèi)置優(yōu)化板級硬件成本

1.1.4 丨 數(shù)據(jù)安全

血糖儀為了更安全地直接使用FLASH存儲數(shù)據(jù)，033的FLASH預(yù)留了4KByte數(shù)據(jù)空間，只有使用特定的秘鑰才可操作，這個機制保障了用戶訪問血糖儀數(shù)據(jù)的過程中不會因異常操作而導(dǎo)致代碼空間被破壞，同時也保障了血糖儀數(shù)據(jù)的存儲安全。

數(shù)據(jù)擦寫次數(shù)超過10萬次，數(shù)據(jù)存儲有效時間超過100年

512Byte為一個Page進行擦除，擦除時間6mS

單字編程時間7uS

1.1.5 丨 超低功耗

便攜式血糖儀由紐扣電池供電，電量要求至少能維持三年的使用壽命，這就要求儀器具備非常好的低功耗管理機制，033在低功耗方面的表現(xiàn)非常優(yōu)越，在血糖儀的應(yīng)用方面具備如下特性：

深度睡眠下最低功耗0.8uA（所有外設(shè)全部不工作）

深度睡眠下支持多種喚醒源（GPIO、低功耗Timer、RTC）

深度睡眠下支持LCD顯示保持

RTC和外部32.768KHz晶體振蕩器功耗極低（小于1uA）

內(nèi)部低速RC功耗極低（小于1uA）

1.1.6 丨 傳輸接口

伴隨著政府和社會各界對居民的糖尿病防治的關(guān)注和投入力度越來越大，網(wǎng)絡(luò)醫(yī)療越來越發(fā)達，各種針對醫(yī)療數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標準也越來越成熟，將便攜式血糖儀的數(shù)據(jù)上傳到醫(yī)療服務(wù)網(wǎng)絡(luò)平臺進行管理、監(jiān)控和健康預(yù)警等行為會成為一種趨勢。033在通信上提供了UART、紅外、SPI等專用的通信外設(shè)接口，可以方便的實現(xiàn)同藍牙模組、WIFI模組或者GPS模組對接實現(xiàn)血糖數(shù)據(jù)的實時或者定期上傳。

1.1.7 丨 靜電防護

所有儀表類產(chǎn)品必須通過IEC61000-4-2靜電放電抗干擾性測試，033的ESD測試數(shù)據(jù)如下列表所示：

—— · 表1.033的ESD測試數(shù)據(jù) · ——

1.1.8 丨 整體方案

綜上所述，033涵蓋了便攜式血糖儀需要的所有外設(shè)資源，在極簡硬件設(shè)計的情況下即可實現(xiàn)便攜式血糖儀的方案，在保障精準測試的前提下可最大程度地降低方案成本，基于033的血糖儀解決方案框圖如下圖所示：

—— · 基于033血糖儀解決方案整體框圖 · ——

基于033的血糖儀解決方案的血糖儀硬件設(shè)計原理圖如下圖所示，原理圖中有預(yù)留EEPROM的電路，但是在實際項目過程中已經(jīng)刪減，血糖數(shù)據(jù)直接存儲于033的DATA FLASH區(qū)域進一步降低硬件復(fù)雜度和成本。

—— · 基于033血糖儀解決方案的硬件原理圖 · ——

基于033的血糖儀解決方案的血糖儀硬件實體如下圖所示：

—— · 基于033血糖儀解決方案的硬件實體 · ——

提高血糖儀測試精準度解決方案的校準工裝如下圖所示：

—— · 澎湃微血糖儀校準方案 · ——

為了更高效率地實現(xiàn)量產(chǎn)燒錄，澎湃提供了一套一拖四的燒錄方案，血糖儀量產(chǎn)燒錄工裝如下圖：

—— · 澎湃微血糖儀燒錄工裝 · ——

來源：澎湃微電子
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審核編輯 黃宇