基于C8051F410單片機(jī)的血糖儀設(shè)計(jì)方案

血糖測量的電生物化學(xué)原理是當(dāng)施加一定電壓于經(jīng)酶反應(yīng)后的血液產(chǎn)生的電流會(huì)隨著血液中的血糖濃度的增加而增加。通過精確測量出這些微弱電流，并根據(jù)電流值和血糖濃度的關(guān)系，反算出相應(yīng)的濃度。所以，確定這個(gè)關(guān)系是問題的核心。但其關(guān)系復(fù)雜，受多方面因素影響。電壓強(qiáng)度、所使用的試條以及檢測的血液量都會(huì)對其產(chǎn)生影響。理論上需要在所有濃度點(diǎn)上大量實(shí)驗(yàn)才能確定最終的關(guān)系。在實(shí)際操作中，只需在選擇若干重要濃度點(diǎn)做大量實(shí)驗(yàn)，然后采用曲線擬合或插值等數(shù)據(jù)處理方式來確定其與電流值之間的關(guān)系。

血糖測量通常采用電化學(xué)分析中的三電極體系。三電極體系是相對于傳統(tǒng)的兩電極體系而言，包括，工作電極(WE)，參比電極(RE)和對電極(CE)。參比電極用來定點(diǎn)位零點(diǎn)，電流流經(jīng)工作電極和對電極工作電極和參比電極構(gòu)成一個(gè)不通或基本少通電的體系，利用參比電極電位的穩(wěn)定性來測量工作電極的電極電勢。工作電極和輔助電極構(gòu)成一個(gè)通電的體系，用來測量工作電極通過的電流。利用三電極測量體系，來同時(shí)研究工作電極的點(diǎn)位和電流的關(guān)系。如圖1所示。

圖1 三電極工作原理

方案描述

該血糖儀提供多種操作模式以適應(yīng)不同場合的應(yīng)用，另外提供了mmol/L，mg/dl，g/l三種常見測量單位的自由切換并自動(dòng)轉(zhuǎn)換。該三個(gè)單位之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

1mmol/L=18 mg/dL 1mmol/L=0.18 g/L 1 mg/dL=0.01 g/L

針對不同國家地區(qū)的不同要求，血糖儀可以采用以上任意一種單位來顯示測量結(jié)果，轉(zhuǎn)換的方式采取使用特殊的代碼校正條來實(shí)現(xiàn)。

(1)單片機(jī)及內(nèi)部硬件資源的充分利用。Silicon labs C8051F410單片機(jī)內(nèi)部集成了豐富的外圍模擬設(shè)備，使用戶可以充分利用其豐富的硬件資源。C8051F410單片機(jī)的邏輯功能圖如圖2所示。利用其中12位的A/D轉(zhuǎn)換器用來做小信號測量，小信號電流經(jīng)過電流采樣電路最終轉(zhuǎn)換為電壓由該A/D采樣，然后以既定的轉(zhuǎn)換程序計(jì)算出濃度顯示在液晶板上。利用12位的D/A轉(zhuǎn)換器可以輸出精確穩(wěn)定的參比電壓用于三電極電化學(xué)測量過程，由于D/A的輸出可以由程序編程任意改變，因此可以很方便的通過改變D/A值來改變參比電壓與工作電壓之間的壓差，而且可以12位的精度保證了壓差的穩(wěn)定，有效提高測量精度。

圖2 C8051F410邏輯功能圖

溫度傳感器用于采集溫度信號，做溫度補(bǔ)償[4]。因?yàn)檠窃噭┰跍囟冗^高或過低的情況下都會(huì)出現(xiàn)測量偏差的問題，因此在測量過程中通過該溫度傳感器采集環(huán)境溫度，在試劑要求的溫度范圍之外該參數(shù)就可以用來作為溫度補(bǔ)償。

內(nèi)部具有32/16kB的Flash存儲器可用于存儲測量數(shù)據(jù)。2kB的集成RAM作為測量數(shù)據(jù)的緩沖。血糖儀需要將每次測量數(shù)據(jù)及日期記錄在非易失性存儲介質(zhì)中，通常采用Flash存儲器，但Flash存儲器普遍存在重寫速度慢的問題，因此，利用這2kB的RAM做緩沖，在有電源的情況下用于記錄數(shù)據(jù)，在每次血糖儀關(guān)機(jī)的時(shí)候再將數(shù)據(jù)寫入Flash中，間接提高血糖儀測量效率。

(2)電源設(shè)計(jì)采用兩節(jié)普通堿性AAA電池，利用RT9701和RT9266組成高效升壓電路升壓到3.3V作為整個(gè)血糖儀的供電。在整個(gè)儀器的供電電路結(jié)構(gòu)上，設(shè)計(jì)電源開關(guān)電路，當(dāng)關(guān)機(jī)時(shí)除了MCU和實(shí)時(shí)時(shí)鐘可以直接通過電池供電以外，其他電路的電源被全部切斷，然后使MCU和實(shí)時(shí)時(shí)鐘進(jìn)入休眠或節(jié)電狀態(tài)，可以大大節(jié)省待機(jī)的耗電，延長電池的使用時(shí)間。MCU的喚醒通過中斷實(shí)現(xiàn)，當(dāng)開關(guān)按鍵按下時(shí)產(chǎn)生一個(gè)按鍵中斷，由此喚醒MCU并為其他電路接通電源，血糖儀重新進(jìn)入工作狀態(tài)。

(3)實(shí)時(shí)時(shí)鐘設(shè)計(jì)，采用s-3530A實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片[5]。該實(shí)時(shí)時(shí)鐘具有高精度低功耗的特點(diǎn)，工作晶振頻率32K，并設(shè)有節(jié)電模式，可以在血糖儀不工作的時(shí)候使其進(jìn)入節(jié)電模式，節(jié)省電池電量。采用I2C總線與單片機(jī)連接，有效節(jié)省單片機(jī)I/O口線。自動(dòng)計(jì)算閏年，并且以BCD碼格式表示年月日時(shí)間數(shù)據(jù)，為MCU的讀寫提供很大方便。

(4)不同用戶模式設(shè)計(jì)。終端客戶只需要進(jìn)行血糖測試及測試的歷史記錄，而調(diào)試人員需要知道測量的電流值以檢測該儀器的質(zhì)量，因此，本方案特意設(shè)計(jì)兩種操作模式分別提供給終端用戶及生產(chǎn)過程中的調(diào)試人員使用，只需要簡單實(shí)用一根特殊的測試條就可以讓該儀器計(jì)入超級用戶模式，該模式提供了測試電流的顯示界面，在該界面下，調(diào)試人員可以以標(biāo)準(zhǔn)電阻代替試劑來測試儀器的性能。而一般的終端用戶則只能在正常用戶模式下使用，這樣儀器的生產(chǎn)測試和最終的銷售可以使用同一個(gè)程序，為生產(chǎn)帶來很大的方便，也為該產(chǎn)品的維修帶來方便。

(5)血糖儀的代碼校正。血糖儀沒更換一批試劑就需要進(jìn)行代碼校正，所謂代碼校正實(shí)際上就是向血糖儀輸入新的一組擬合曲線的參數(shù)，該參數(shù)會(huì)被事先燒寫在代碼校正條上，校正代碼條如圖3。其中特征代碼實(shí)際就是擬合曲線的參數(shù)的整合成一個(gè)特殊的代碼形式。圖4是試劑條，由專業(yè)生物醫(yī)學(xué)機(jī)構(gòu)調(diào)配，因?yàn)槊颗噭l的調(diào)配不可能一致，因此每次的擬合曲線參數(shù)也不一樣，該參數(shù)由該機(jī)構(gòu)提供，并燒寫相應(yīng)的校正代碼條隨試劑交付終端用戶使用。用戶每次購買一批新試劑的時(shí)候必須先通過代碼校正條修改血糖儀的參數(shù)。代碼校正條的設(shè)計(jì)采用和試劑條同樣的接口，因此只需要像使用試劑條一樣直接插入血糖儀的檢測端口，就可以方便地將新參數(shù)輸入到血糖儀。

圖3 校正代碼條

圖4 試劑

(6)基于上一點(diǎn)的要求，血糖儀的端口既要可以正確讀取試劑條，又要可以讀取校正代碼條，因此該端口是兩個(gè)功能的復(fù)合端口。因此電路上設(shè)計(jì)了巧妙的電路轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)用以在根據(jù)插入的介質(zhì)自動(dòng)判斷是試劑條還是代碼校正條并正確讀取。

(7)特殊代碼校正條的設(shè)計(jì)。由于本方案設(shè)計(jì)了單位自動(dòng)轉(zhuǎn)換，一般用戶模式和超級用戶模式等功能，這些功能的實(shí)現(xiàn)都依靠特殊代碼校正條來實(shí)現(xiàn)，原理就是選取幾個(gè)特殊代碼，燒寫在代碼校正條中，利用血糖儀可以自動(dòng)讀取代碼校正條來設(shè)置參數(shù)的功能，當(dāng)讀到代碼時(shí)先判斷是否特殊代碼，如果是就進(jìn)行相應(yīng)的操作，否則就進(jìn)入新參數(shù)設(shè)置，如圖7。特殊代碼包括如下內(nèi)容，轉(zhuǎn)換單位的代碼，切換工作模式的代碼，清除內(nèi)存的代碼等。

電路實(shí)現(xiàn)及人機(jī)界面

血糖儀電路結(jié)構(gòu)如圖5。血糖儀采用一塊PDM1621-893的定制液晶模塊作為人機(jī)界面，該模塊可以實(shí)現(xiàn)諸如實(shí)時(shí)時(shí)鐘，電池電量，測量單位，報(bào)警信號，代碼提示等多種顯示，另外結(jié)合對三位七段數(shù)碼顯示的編程可以在多個(gè)工作模式下提供盡可能豐富的提示信息。液晶面板結(jié)構(gòu)如圖6。整個(gè)血糖儀的操作流程如圖7。

圖5 電路結(jié)構(gòu)

圖6 液晶面板結(jié)構(gòu)圖

圖7 程序流程

樣機(jī)測試結(jié)果

為檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的有效性，對兩臺樣機(jī)分別進(jìn)行測試，為使測試具有可比性，采用了標(biāo)準(zhǔn)千分之一精密電阻代替試劑進(jìn)行測試，測試的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)比較如表1。其中原型機(jī)指原有某品牌機(jī)型。

表1 樣機(jī)測試結(jié)果對比

測試結(jié)果顯示，使用該方案的血糖儀樣機(jī)的測試偏差比原型機(jī)好，即CV值較小，而且重復(fù)性相當(dāng)好。但是存在兩個(gè)樣機(jī)間測試結(jié)果不一致的問題，估計(jì)和樣機(jī)元器件不統(tǒng)一及焊接等有關(guān)，在批量生產(chǎn)中應(yīng)該可以克服這個(gè)問題。

結(jié)語

本方案采用了C8051F410單片機(jī)，充分利用其豐富的內(nèi)置硬件資源，大大簡化了血糖儀的電路結(jié)構(gòu)，使儀器的穩(wěn)定性，可靠性進(jìn)一步提高，而成本卻降低。高精度的A/D和D/A使得測量結(jié)果更加穩(wěn)定可靠，重復(fù)性好。另外充分利用該單片機(jī)的休眠模式并且巧妙電源管理電路設(shè)計(jì)，使得該儀器可以兩節(jié)普通的AAA電池就可以正常工作較長時(shí)間，使該儀器的使用更加方便。