引言 糖尿病是一種常見嚴重危害人類健康的慢性疾病，近年來的發病人數逐年上升，患者必須定時進行血糖監測，才能控制病情并有針對性的治療。血糖儀已經成為一種常見的家庭醫療器械，市面上大多數的血糖儀價格和精度難以兼得。隨著電子技術的發展，一款功能強大而價格便宜的血糖儀應運而生，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生化學反應，產生電子或微電流， 電子數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，并根據電流值和血糖濃度的關系，反算出相應的濃度。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、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 模擬信號調理電路無需外加，只需MCU內部集成的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原理，但其實現方法顛覆了以往血糖的測試方法。本設計介紹了的是一款單芯片設計方案，以Microchip最新的PIC24F”GC”系列MCU為核心，外圍電路設計簡單，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生反應產生電荷Q，而電荷與血糖濃度呈線性關系，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內部提供，主要包括：高精度模數轉換器(ADC)、可編程的恒流源、數字處理器和存儲器、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驅動、支持USB OTG、RTCC等模塊，Flash從64kb-128kb，RAM 8kb，采用改進型哈佛架構，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計需求。 PIC24 CTMU測血糖方法及流程 如圖3，恒流源由MCU內部的CTMU提供，測試條與恒流源通過開關連接，開關由MCU內部控制，正常情況下開關處于閉合狀態。當血糖測試條上未滴入血樣時，測試條呈現很高的電阻，測試條相當于一個無窮大的電阻與一個電壓源并聯。當測試條上滴入血樣，血樣與化學酶發生反應，這時通過ADC檢測測試條2端的電壓，當電壓產生由高到低的突變時，MCU內部斷開電流源與測試條的連接開關，等待一段時間(浸泡時間)，等待血樣與酶充分反應達到電荷穩定，浸泡時間到了，啟動定時器計時，同時恢復恒流源與測試條的連接，繼續監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公式Q=I*t(其中I是恒流源的設定值，T是定時器測得的時間)，再經處理器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已經得到，再根據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據處理方式來確定其與電荷量之間的關系，最終再根據這種關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據同時存放在片內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，電池的壽命至關重要，所以對血糖儀的整體功耗要求更為嚴格。本設計采用的PIC24”GC”系列MCU，擁有世界納瓦技術的超低功耗工藝，可以大大降低產品的功耗.同時片上集成的LCD Driver可以直接驅動LCD屏，也可以幫客戶大大節省成本。 結束語 本設計采用Microchip公司新推出的PIC24”GC”系列產品，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，使得產品電路大大簡化，性能更加穩定，外形更加小巧。另外,也充分利用到MCU的超低功耗特性，降低了產品功耗。總的來說，該設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，同時延長了產品壽命。因此，該方案是小體積、低功耗、應用靈活、可靠性高、便攜式高精度血糖儀的最佳選擇。 參考文獻 【1】專利文獻，恒流源測量血糖，http://www.faqs.org/patents/app/20120171706 【2】 PIC24FJ128GC010用戶手冊 【3】 Microchip應用筆記AN1375、AN1250 |
