PIC24單片機在血糖儀上的應(yīng)用

引言

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

血糖儀測試原理

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

電子數(shù)量或者微電流的強弱隨著血液中血糖濃度的增加而增加。

普通血糖儀的測試方法

通過精確測量微弱電流的大小，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。為了測量精確的電流值，往往需要強大的模擬信號調(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個以上低偏移、低溫度系數(shù)、低偏置電流的運算放大器。2.至少1路12bit以上的ADC，最好是16bit，滿足這2個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血糖測試方法

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

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

具體原理：當測試條上滴入血樣，血液中的葡萄糖與測試條上的酶發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生電荷Q，而電荷與血糖濃度呈線性關(guān)系，所以，只需測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)血糖測試方法稍有不同的是測量電荷量，而不是電流值。測量電荷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)字處理器和存儲器、高精度定時器、參考電壓源等。如下圖4是測量電荷MCU內(nèi)部邏輯圖：

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

PIC24 CTMU測血糖方法及流程

如圖3，恒流源由MCU內(nèi)部的CTMU提供，測試條與恒流源通過開關(guān)連接，開關(guān)由MCU內(nèi)部控制，正常情況下開關(guān)處于閉合狀態(tài)。當血糖測試條上未滴入血樣時，測試條呈現(xiàn)很高的電阻，測試條相當于一個無窮大的電阻與一個電壓源并聯(lián)。當測試條上滴入血樣，血樣與化學(xué)酶發(fā)生反應(yīng)，這時通過ADC檢測測試條2端的電壓，當電壓產(chǎn)生由高到低的突變時，MCU內(nèi)部斷開電流源與測試條的連接開關(guān)，等待一段時間(浸泡時間)，等待血樣與酶充分反應(yīng)達到電荷穩(wěn)定，浸泡時間到了，啟動定時器計時，同時恢復(fù)恒流源與測試條的連接，繼續(xù)監(jiān)視血液測試條的電壓，當檢測到電壓有明顯增加時，停止定時器計時，測量的時間即為電荷移除需要的時間，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是定時器測得的時間)，再經(jīng)處理器MCU計算出電荷量Q值。具體流程請參考圖5：

流程圖中，電荷總量Q已經(jīng)得到，再根據(jù)電荷量換算出實際的血糖濃度。理論血糖濃度與電荷量成線性關(guān)系，實際需在選擇若干重要濃度點做大量實驗來確定，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荷量之間的關(guān)系，最終再根據(jù)這種關(guān)系把電荷量計算成血糖濃度BGL。

下圖6是血糖濃度是50mg/dl的血樣，在浸泡時間為1s時，檢測測試條2端電壓(Volts)與時間T的曲線圖。

血糖儀通過LCD顯示當前的血糖濃度信息，每次測量的血糖濃度數(shù)據(jù)同時存放在片內(nèi)Flash存儲器中，具有掉電保護功能，無需外部EEPROM。同時片上集成USB，可以與上位機PC進行通信，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，所以對血糖儀的整體功耗要求更為嚴格。本設(shè)計采用的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.同時片上集成的LCD Driver可以直接驅(qū)動LCD屏，也可以幫客戶大大節(jié)省成本。

結(jié)束語

本設(shè)計采用Microchip公司新推出的PIC24”GC”系列產(chǎn)品，利用片上強大的高精度模擬電路來測量血糖，無需外置高精度ADC和運放，使得產(chǎn)品電路大大簡化，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?？偟膩碚f，該設(shè)計用較少的外圍器件完成了精準的血糖測量，降低了客戶成本，同時延長了產(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。