基于C8051F系列單片機的血糖儀電路原理設計與應用分析

本文主要探討基于C8051F系列單片機的血糖儀電路原理設計與應用分析，并同時提供仿制開發(fā)、調(diào)試生產(chǎn)的完整解決方案。
血糖測量通常采用電化學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)。參比電極用來定點位零點，電流流經(jīng)工作電極和對電極工作電極和參比電極構成一個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成一個通電的體系，用來測量工作電極通過的電流。利用三電極測量體系，來同時研究工作電極的點位和電流的關系。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不同場合的應用，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轉(zhuǎn)換。該三個單位之間的轉(zhuǎn)換關系如下：
　　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果，轉(zhuǎn)換的方式采取使用特殊的代碼校正條來實現(xiàn)。
(1)單片機及內(nèi)部硬件資源的充分利用。Silicon labs
C8051F410單片機內(nèi)部集成了豐富的外圍模擬設備，使用戶可以充分利用其豐富的硬件資源。C8051F410單片機的邏輯功能圖如圖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，做溫度補償[4]。因為血糖試劑在溫度過高或過低的情況下都會出現(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)，在每次血糖儀關機的時候再將數(shù)據(jù)寫入Flash中，間接提高血糖儀測量效率。
(2)電源設計采用兩節(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作為整個血糖儀的供電。在整個儀器的供電電路結構上，設計電源開關電路，當關機時除了
MCU和實時時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和實時時鐘進入休眠或節(jié)電狀態(tài)，可以大大節(jié)省待機的耗電，延長電池的使用時間。MCU的喚醒通過中斷實現(xiàn)，當開關按鍵按下時產(chǎn)生一個按鍵中斷，由此喚醒MCU并為其他電路接通電源，血糖儀重新進入工作狀態(tài)。
(3)實時時鐘設計，采用s-3530A實時時鐘芯片[5]。該實時時鐘具有高精度低功耗的特點，工作晶振頻率32K，并設有節(jié)電模式，可以在血糖儀不工作的時候使其進入節(jié)電模式，節(jié)省電池電量。采用I2C總線與單片機連接，有效節(jié)省單片機I/O口線。自動計算閏年，并且以BCD碼格式表示年月日時間數(shù)據(jù)，為MCU的讀寫提供很大方便。
(4)不同用戶模式設計。終端客戶只需要進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，本方案特意設計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，只需要簡單實用一根特殊的測試條就可以讓該儀器計入超級用戶模式，該模式提供了測試電流的顯示界面，在該界面下，調(diào)試人員可以以標準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行代碼校正，所謂代碼校正實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。其中特征代碼實際就是擬合曲線的參數(shù)的整合成一個特殊的代碼形式。圖4是試劑條，由專業(yè)生物醫(yī)學機構調(diào)配，因為每批試劑條的調(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)由該機構提供，并燒寫相應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)。代碼校正條的設計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

(6)基于上一點的要求，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，因此該端口是兩個功能的復合端口。因此電路上設計了巧妙的電路轉(zhuǎn)換結構用以在根據(jù)插入的介質(zhì)自動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計。由于本方案設計了單位自動轉(zhuǎn)換，一般用戶模式和超級用戶模式等功能，這些功能的實現(xiàn)都依靠特殊代碼校正條來實現(xiàn)，原理就是選取幾個特殊代碼，燒寫在代碼校正條中，利用血糖儀可以自動讀取代碼校正條來設置參數(shù)的功能，當讀到代碼時先判斷是否特殊代碼，如果是就進行相應的操作，否則就進入新參數(shù)設置，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。
電路實現(xiàn)及人機界面
血糖儀電路結構如圖5。血糖儀采用一塊PDM1621-893的定制液晶模塊作為人機界面，該模塊可以實現(xiàn)諸如實時時鐘，電池電量，測量單位，報警信號，代碼提示等多種顯示，另外結合對三位七段數(shù)碼顯示的編程可以在多個工作模式下提供盡可能豐富的提示信息。液晶面板結構如圖6。整個血糖儀的操作流程如圖7。

圖5 電路結構

圖7 程序流程
血糖儀作為臨床醫(yī)學中常用的醫(yī)療電子儀器，主要通過測量血液中的血糖濃度進行臨床診斷。世紀芯在各類醫(yī)療電子儀器及高檔昂貴醫(yī)療設備的仿制開發(fā)和維護維修領域擁有多年服務經(jīng)驗，可長期提供醫(yī)療設備電路板替換維修、故障排除、電路板復制、樣機克隆、調(diào)試生產(chǎn)等全套技術服務，同時還可根據(jù)客戶需求提供血糖儀等眾多醫(yī)療電子設備全套技術資料的提取與轉(zhuǎn)讓，協(xié)助產(chǎn)品開發(fā)應用者進行維修維護和改進升級，或者協(xié)助工程師進行產(chǎn)品的參考設計。