PIC24單片機(jī)在血糖儀上的應(yīng)用

引言

糖尿病是一種常見(jiàn)嚴(yán)重危害人類(lèi)健康的慢性疾病，近年來(lái)的發(fā)病人數(shù)逐年上升，患者必須定時(shí)進(jìn)行血糖監(jiān)測(cè)，才能控制病情并有針對(duì)性的治療。血糖儀已經(jīng)成為一種常見(jiàn)的家庭醫(yī)療器械，市面上大多數(shù)的血糖儀價(jià)格和精度難以兼得。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，一款功能強(qiáng)大而價(jià)格便宜的血糖儀應(yīng)運(yùn)而生，本文將介紹一款采用Microchip PIC24”GC”系列MCU，利用CTMU功能測(cè)定血糖濃度的新方法。

血糖儀測(cè)試原理

血糖值的檢測(cè)方法采用的是生物電化學(xué)方法，其原理：血糖測(cè)試條插入血糖儀后，在測(cè)試條的頂端滴入血樣，血液中的葡萄糖與血糖測(cè)試條上的酶發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電子或微電流，

電子數(shù)量或者微電流的強(qiáng)弱隨著血液中血糖濃度的增加而增加。

普通血糖儀的測(cè)試方法

通過(guò)精確測(cè)量微弱電流的大小，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。為了測(cè)量精確的電流值，往往需要強(qiáng)大的模擬信號(hào)調(diào)理電路。如圖1：

由圖1看出，普通血糖儀的模擬電路要求：1.至少2個(gè)以上低偏移、低溫度系數(shù)、低偏置電流的運(yùn)算放大器。2.至少1路12bit以上的ADC，最好是16bit，滿(mǎn)足這2個(gè)條件是普通血糖儀的基本要求，但這樣的方案的成本非常高。

PIC24 CTMU血糖儀方案描述

PIC24 CTMU血糖測(cè)試方法

模擬信號(hào)調(diào)理電路無(wú)需外加，只需MCU內(nèi)部集成的CTMU單元和高精度來(lái)ADC完成。如下圖2：

該方案也是基于血糖測(cè)量的電化學(xué)原理，但其實(shí)現(xiàn)方法顛覆了以往血糖的測(cè)試方法。本設(shè)計(jì)介紹了的是一款單芯片設(shè)計(jì)方案，以Microchip最新的PIC24F”GC”系列MCU為核心，外圍電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，測(cè)試條直接與MCU I/O口連接完成一個(gè)快速、高精度、低成本、低功耗的血糖測(cè)試。如下圖3是血糖儀的硬件框圖：

具體原理：當(dāng)測(cè)試條上滴入血樣，血液中的葡萄糖與測(cè)試條上的酶發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生電荷Q，而電荷與血糖濃度呈線(xiàn)性關(guān)系，所以，只需測(cè)出紙條上的電荷量就可以知道血糖的濃度。這里與大多數(shù)血糖測(cè)試方法稍有不同的是測(cè)量電荷量，而不是電流值。測(cè)量電荷Q用到模擬裝置，完全由MCU內(nèi)部提供，主要包括：高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、可編程的恒流源、數(shù)字處理器和存儲(chǔ)器、高精度定時(shí)器、參考電壓源等。如下圖4是測(cè)量電荷MCU內(nèi)部邏輯圖：

圖3可以看出，外圍電路很簡(jiǎn)單，只需一個(gè)血糖測(cè)試座和一個(gè)顯示屏。該設(shè)計(jì)中，主控XIN芯片選用了Microchip的新推出的PIC24FJ”GC”系列MCU，該系列芯片具有強(qiáng)大的高級(jí)模擬特性和超低功耗特性。高級(jí)模擬資源有16bit Σ-ΔADC、12bit SAR ADC、10bit DAC、充電時(shí)間單元(CTMU)、2個(gè)運(yùn)算放大器、比較器、片上Vref等。同時(shí)具有超低功耗特性，多種功耗管理模式，深度睡眠3.3V時(shí)典型電流40nA，RTCC開(kāi)啟32kHz，3.3V時(shí)典型電流400nA。另外該芯片還集成LCD驅(qū)動(dòng)、支持USB OTG、RTCC等模塊，F(xiàn)lash從64kb-128kb，RAM 8kb，采用改進(jìn)型哈佛架構(gòu)，最高運(yùn)行速度可達(dá)16MIPS(32MHz時(shí))，集成17位x17位單周期硬件乘法器等等。這些資源完全滿(mǎn)足一個(gè)高精度低功耗低成本的血糖儀設(shè)計(jì)需求。

PIC24 CTMU測(cè)血糖方法及流程

如圖3，恒流源由MCU內(nèi)部的CTMU提供，測(cè)試條與恒流源通過(guò)開(kāi)關(guān)連接，開(kāi)關(guān)由MCU內(nèi)部控制，正常情況下開(kāi)關(guān)處于閉合狀態(tài)。當(dāng)血糖測(cè)試條上未滴入血樣時(shí)，測(cè)試條呈現(xiàn)很高的電阻，測(cè)試條相當(dāng)于一個(gè)無(wú)窮大的電阻與一個(gè)電壓源并聯(lián)。當(dāng)測(cè)試條上滴入血樣，血樣與化學(xué)酶發(fā)生反應(yīng)，這時(shí)通過(guò)ADC檢測(cè)測(cè)試條2端的電壓，當(dāng)電壓產(chǎn)生由高到低的突變時(shí)，MCU內(nèi)部斷開(kāi)電流源與測(cè)試條的連接開(kāi)關(guān)，等待一段時(shí)間(浸泡時(shí)間)，等待血樣與酶充分反應(yīng)達(dá)到電荷穩(wěn)定，浸泡時(shí)間到了，啟動(dòng)定時(shí)器計(jì)時(shí)，同時(shí)恢復(fù)恒流源與測(cè)試條的連接，繼續(xù)監(jiān)視血液測(cè)試條的電壓，當(dāng)檢測(cè)到電壓有明顯增加時(shí)，停止定時(shí)器計(jì)時(shí)，測(cè)量的時(shí)間即為電荷移除需要的時(shí)間，血樣中總的電荷量根據(jù)公式Q=I*t(其中I是恒流源的設(shè)定值，T是定時(shí)器測(cè)得的時(shí)間)，再經(jīng)處理器MCU計(jì)算出電荷量Q值。具體流程請(qǐng)參考圖5：

流程圖中，電荷總量Q已經(jīng)得到，再根據(jù)電荷量換算出實(shí)際的血糖濃度。理論血糖濃度與電荷量成線(xiàn)性關(guān)系，實(shí)際需在選擇若干重要濃度點(diǎn)做大量實(shí)驗(yàn)來(lái)確定，然后采用曲線(xiàn)擬合或插值等數(shù)據(jù)處理方式來(lái)確定其與電荷量之間的關(guān)系，最終再根據(jù)這種關(guān)系把電荷量計(jì)算成血糖濃度BGL。

下圖6是血糖濃度是50mg/dl的血樣，在浸泡時(shí)間為1s時(shí)，檢測(cè)測(cè)試條2端電壓(Volts)與時(shí)間T的曲線(xiàn)圖。

血糖儀通過(guò)LCD顯示當(dāng)前的血糖濃度信息，每次測(cè)量的血糖濃度數(shù)據(jù)同時(shí)存放在片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器中，具有掉電保護(hù)功能，無(wú)需外部EEPROM。同時(shí)片上集成USB，可以與上位機(jī)PC進(jìn)行通信，將采集的血糖濃度信息傳輸給PC，便于管理病人的健康狀況。對(duì)于便攜式血糖儀，一般采用電池供電，電池的壽命至關(guān)重要，所以對(duì)血糖儀的整體功耗要求更為嚴(yán)格。本設(shè)計(jì)采用的PIC24”GC”系列MCU，擁有世界納瓦技術(shù)的超低功耗工藝，可以大大降低產(chǎn)品的功耗.同時(shí)片上集成的LCD Driver可以直接驅(qū)動(dòng)LCD屏，也可以幫客戶(hù)大大節(jié)省成本。

結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)采用Microchip公司新推出的PIC24”GC”系列產(chǎn)品，利用片上強(qiáng)大的高精度模擬電路來(lái)測(cè)量血糖，無(wú)需外置高精度ADC和運(yùn)放，使得產(chǎn)品電路大大簡(jiǎn)化，性能更加穩(wěn)定，外形更加小巧。另外,也充分利用到MCU的超低功耗特性，降低了產(chǎn)品功耗?？偟膩?lái)說(shuō)，該設(shè)計(jì)用較少的外圍器件完成了精準(zhǔn)的血糖測(cè)量，降低了客戶(hù)成本，同時(shí)延長(zhǎng)了產(chǎn)品壽命。因此，該方案是小體積、低功耗、應(yīng)用靈活、可靠性高、便攜式高精度血糖儀的最佳選擇。