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作者：Microchip Technology Inc. 8 位單片機產品部資深應用工程師-Namrata Dalvi 世界上的糖尿病患者約占人口總數的 8.5%，現已成為第八大主要致死原因。據世界衛生組織估算，糖尿病將在 2030 年升至第七位。這種增長趨勢可從近年來的統計數據看出：糖尿病的死亡病例從 2000 年的 100 萬增至 2011 年的 140 萬。控制糖尿病的一種主要方法是使血糖盡可能地保持正常水平。這導致對血糖儀的需求日益增加。 血糖儀是一種用于確定溶液中葡萄糖濃度的醫療設備。葡萄糖濃度的單位是毫克每分升（mg/dl）或毫摩爾每升（mmol/l）。血糖儀已成為糖尿病患者使用的家用血糖監測設備的重要組成部分。一天內可進行多次測量。大多數血糖儀基于電化學技術。這些血糖儀采用電化學試紙進行測量。將一小滴待測溶液置于一次性試紙上，血糖儀將利用該試紙來測量葡萄糖。在葡萄糖的電化學測量中，最常用的兩種方法是比色法和電流法。在比色法中，LED或光傳感器等構成模擬接口。跨阻放大器用于測量葡萄糖濃度。利用顏色反射率原理，根據光度測定法來確定試紙反應層的色彩強度。血糖儀生成葡萄糖濃度的測量值。 在電流法中，使用毛細管吸取試紙一端的溶液。此試紙還包含一個酶電極，其中含有葡萄糖氧化酶等試劑。葡萄糖在酶的作用下發生化學反應并在化學反應期間生成電子。隨后測量流經電極的電荷，電荷量與溶液中的葡萄糖濃度成正比。此外，還會測量環境溫度以補償溫度對反應速率的影響。大多數血糖儀采用此方法。圖1給出了試紙的工作原理。 
圖1：血糖儀試紙工作原理 試紙構成主生化傳感器（溶液試樣置于其中），它具有三個電極。化學反應期間，工作電極中會產生電子。此電極與電流到電壓放大器相連。參考電極的電壓相對于工作電極保持恒定，以便推動所需的化學反應。第三個電極是計數器電極，作用是為工作電極提供電流。大多數血糖儀設計僅采用參考電極和工作電極。應向參考電極施加精確的參考電壓（VREF），向運放施加精確的偏置電壓（VBIAS）。 通過這種方法，工作電極和參考電極之間將保持精確的電位差。此電壓是用于驅動試紙輸出電流的激勵，其幅值隨后用于計算產生的電子數量。 將溶液試樣置于試紙上，葡萄糖在酶的作用下發生化學反應。化學反應期間會產生電子。電子的流動對應于流經工作電極和參考電極的電流。此電流將隨葡萄糖濃度的變化而變化。電流可通過跨阻放大器（電流到電壓轉換器）和模數轉換器（ADC）進行測量。跨阻放大器的輸出電壓將隨溶液中葡萄糖濃度的變化而變化。 數字實現方案 血糖儀的數字實現方案可通過Microchip的8位器件PIC16LF178x實現，如圖2所示。這款PIC器件以其超低功耗著稱。它包含兩個運放、兩個8位數模轉換器、一個最多11個通道的ADC、內部EEPROM、I2C和16位定時器。
圖2：血糖儀框圖 將溶液試樣置于試紙上時，葡萄糖會發生化學反應并產生電子。可以測量電子的流動（流經電極的電流）。此電流將隨葡萄糖濃度的變化而變化。可借助電流到電壓的轉換，并通過PIC器件的內部放大器以及對高頻信號的濾波來測量電流。隨后，濾波后的信號饋送至12位ADC模塊。 將溶液試樣置于試紙上1.5秒后，PIC器件開始捕捉ADC通道的電壓。可獲得約2048個ADC讀數。將這些讀數的平均值代入回歸公式Y=mX+C，其中Y是葡萄糖濃度（單位為mg/dl），m是斜率，X是運放輸出電壓的平均ADC讀數，C是常數。 可利用此回歸公式確定葡萄糖濃度，值顯示在LCD上（單位為mg/dl或mmol/l）。內部EEPROM最多可存儲32個血糖讀數，可稍后在LCD上查看這些讀數。血糖儀演示板可由板上鋰電池（3V、225 mAH的CR2032）供電。開始捕捉ADC值的時間（1至1.5秒）和獲取的ADC讀數數量應根據所用試紙的類型和特性適當修改。 硬件設計 此血糖儀的設計規范要求葡萄糖的測量范圍為20至600 mg/dl（相當于1至33mmol/l）。測試結果需要在5秒內顯示。最近的32個葡萄糖讀數應自動存儲并包含日期和時間標記。由于此血糖儀將根據試紙特性來實現和修改通用回歸公式，因此無需對試紙進行編碼。 此血糖儀僅采用了一塊電路板，其上使用28引腳PIC16LF178x器件。在線串行編程連接用于調試和編程。除了以mg/dl和mmol/l為單位顯示葡萄糖測量結果外，LCD還能顯示指導消息，如“Insert test strip”（請插入試紙）、“Strip inserted, place the sample”（已插入試紙，請放置試樣）以及“Faulty test strip”（試紙錯誤）。需要適當的傳感器來檢測是否插入試紙、測量溫度以及檢查電池的健康狀況。此血糖儀有兩個按鈕，一個用于讀取之前存儲的數據，另一個用于設置日期和時間。 固件特性 固件需通過PIC器件的內部運放、DAC和ADC來檢測試紙電流。插入試紙并檢查到電壓升高450 mV后，需要捕捉ADC讀數。將試樣置于試紙上并計算出平均值1.5秒后開始記錄ADC讀數。葡萄糖濃度可根據回歸公式和平均ADC讀數進行計算。 固件模塊可用于LCD接口和顯示程序、運放的配置、DAC的配置、將葡萄糖讀數存儲到內部EEPROM、讀取ADC通道、計算葡萄糖濃度以及通過將定時器用于時間標記來實現RTCC（實時時鐘和日歷）。 配置 DAC的參考電壓與內部的固定參考電壓緩沖器2相連，配置為2.048V。DAC輸出電壓設置為400 mV。 運放的輸出（電流到電壓轉換器的輸出）通過ADC通道0進行測量。ADC通道3用于測量電池電壓以指示低電量狀態。溫度傳感器的輸出與ADC通道8相連以讀取溫度。 葡萄糖讀數存儲在內部EEPROM中。休眠模式期間，如果按下開關S1，PIC器件進入存儲器模式，LCD上顯示存儲的葡萄糖讀數。要查看之前的葡萄糖讀數，需按下開關S3。再次按下開關S1可退出存儲器模式。 16 x 2字符LCD用于顯示葡萄糖讀數和文本消息。通過單片機的端口引腳控制LCD的VSS，可在休眠模式期間切斷LCD的電源。 定時器和外部32.768 kHz時鐘晶振用于實現RTCC。通過開關S1和S3可為RTCC設置當前日期和時間。 如圖3所示，運放的同相輸入通道與DAC的輸出（設置為400 mV）相連。運放的同相端子與工作電極相連。借助外部電阻和電容，可構成電流到電壓轉換器。運放的輸出與PIC器件的ADC通道相連。
圖3：運放配置 血糖儀在工作模式下的電流消耗約為1.1 mA，在休眠模式下的電流消耗約為3 μA。血糖儀在99.5%的時間內處于休眠模式。 結論 葡萄糖測量受到溫度、濕度和海拔等外部因素影響，因為酶的反應速率取決于這些及其他因素。此外，通過Matlab或Microsoft Excel確定的回歸公式需要針對不同化學特性的試紙相應更改。當設計與特殊試紙搭配使用的血糖儀時，必須考慮這些因素。 PIC16LF178X MCU集成運放、12位ADC、DAC以及EEPROM，這種組合適合此類需要精確測量和較低電流消耗的電池供電應用。這意味著PIC器件可用于實現靈活的低成本血糖儀設計。 |
