手持式血糖仪的设计

手持式血糖仪的设计

1吸血式血糖体验葡萄糖是指人体血液中的葡萄糖。在一定的温度下，葡萄糖氧化酶可以分解葡萄糖，产生自由电子。产生的自由电子总数与参与分解的葡萄糖总数成正比。电压的作用可以形成自发的电流。通过检测这种类型的电流，我们可以计算血糖的质量浓度，这是测量血糖的基本原则。手持式血糖仪有两种血糖仪试纸,一种是抹血式,一种是吸血式。采用抹血式的试纸一般采血量比较大,患者使用起来比较痛苦,如果采血过多或过少都会影响到测试结果。而吸血式试纸利用虹吸现象,测量时需要血量极少,只需要用试纸轻点一下血滴就可以了,测量较为精确,吸血式血糖试纸如图1所示。试纸由四个电极引脚组成,其中一号引脚与血糖仪的地信号相接;二号引脚为试纸插入检测引脚,血糖仪通过该引脚检测是否有试纸插入;三号引脚用于判断检测血糖质量浓度的血液是否足够;四号引脚用于检测血糖质量浓度。一号引脚和三号引脚之间以及一号引脚与四号引脚之间的黑色区域由两层绝缘薄膜组成,薄膜内涂有葡萄糖氧化酶。由于血糖质量浓度测量是生物电化学反应,从血液滴入到反应完成需要一段时间,等定向电流到达饱和稳定后,才能测得正确的血糖质量浓度值,本系统所需的时间为7s。2硬件电路设计本系统以Freescale的9S08LL16单片机为核心,硬件电路包括核心单片机、血糖测试电路、血量充足检测电路与背光电路;而温度检测、液晶显示以及储存电路则利用9S08LL16单片机本身的资源来实现,以尽可能降低成本。2.1理想控制芯片由于本设计是手持式仪表,采用两节AAA电池或者一片CR2032电池供电,所以需要选用低功耗微处理器。Freescale的MC9S08LL16拥有多种低功耗工作模式,最低功耗只有1μA左右,并且各种模式之间可以灵活转换,加上其芯片成本低,外设模块齐全,是手持式仪表的理想控制芯片。MC9S08LL16的外设模块包括AD转换模块、液晶显示驱动模块、比较器模块、IIC通信模块、UART通信模块、FLASH操作模块等,利用这些外设模块能够方便的实现手持式血糖仪所需要的所有功能。其中比较有特色的是液晶驱动模块,可以按照用户要求灵活设置成1～8段COM口的液晶驱动电路,来驱动3V或者5V导通电压的液晶,并且能够由其VLL1引脚输出1V或者1.67V的稳压,节省了外部的稳压模块,进一步降低了设计成本。2.2比较器性能测试为了检测葡萄糖氧化酶和葡萄糖反应所生成的自由电子数,需要在电极两端施加一固定偏压,而后检测该偏压驱动自由电子产生的电流来计算血糖质量浓度值。根据测试片上所涂化学材质的不同,所需要的偏置电压也不相同,本设计中该偏置电压是由液晶驱动模块的VLL1引脚输出的1V稳压通过电阻分压而得,偏置电压在273mV左右。正常人的血液与葡萄糖氧化酶反应后生成的电流大小为nA至μA级别,为了能将该电流量转换成电压量并且准确测量出来,需要信号变换及电压放大电路。图2所示是由比较器实现的放大电路,使用的是LL16芯片自身所带的比较器模块。比较器的正端接273mV的偏置电压,该偏置电压由LL16的LCD模块提供的VLL1通过R6、R5和R4三个电阻分压而得,滤波电容C4是为了滤除VLL1自身带有的高频噪声,以保证偏置电压的稳定。比较器的负端连接试纸的酶电极,即四号引脚,电极上的自由电子在偏置电压的驱动下定向流动,等效于一个电阻Rx,Rx阻值越小,血糖质量浓度越高,计算出该等效电阻阻值同样可以计算出血糖质量浓度值。下面详细分析图2中各个元器件的取值。待测电阻Rx的阻值范围为18kΩ至300kΩ,3V电池供电最低电压为2.3V左右,为了保证比较器的最大输出不能超出最低供电电压,要求放大电路的放大倍数不能过大,所以取R3为120kΩ,这样当待测电阻为18kΩ时,放大电路的输出电压为2.1V,小于电池供电最低电压。由于设计中放大电路的核心器件是比较器,此电路中比较器输出为方波信号,比较器输出端的电阻R1和电容C1就是一阶低通滤波电路,可以将高频方波中的谐波信号滤除,得到一个比较稳定的直流信号;同样为了避免比较器的输出不超过正端极限,R1取值不能过大,同时为了达到比较好的滤波效果,其取值也不能过小,所以取比较适中的15kΩ。为了尽可能的滤除高频信号,C1的容值不能过小,但是如果C1取值过大,那么比较器负端就会有幅度比较大的纹波。经过实际测试,C1取1μF可以获得比较好的整体效果。尽管R1和C1组成的滤波电路已经对比较器的输出信号进行了一定程度的滤波,C1正端的信号仍有高频纹波,为了保证血糖质量浓度测量值的准确度和一致性,R2和C2再一次对放大电路的输出信号进行滤波,由于是滤除高频谐波,考虑到电容的最佳滤波频率范围,C2取10μF,而R2取值10kΩ。2.3血量充足检测酶电极区域的等效电阻设计虽然吸血式血糖试纸测量时需要血量极少,但是为了确保血糖质量浓度测量值的精确度,仍需要保证参与葡萄糖氧化酶的血量充足,所以需要血量充足检测电路,这样血糖仪在得知采血充足后才对等效电阻Rx进行测量,避免测出错误的血糖质量浓度值。由前面介绍的血糖试纸结构可以看出,薄膜虹吸时血液先经过血糖质量浓度测量酶电极区域然后到达血量充足检测酶电极区域,如果血糖充足检测电极区域有足够大的电流,说明血糖质量浓度测量酶电极区域已经有了足够的血量,这是血量充足检测电路的基本设计思路。同样血量充足检测酶电极区域也相当于一个等效电阻,所以利用简单的电阻测量电路即可。根据实际测试,当血量充足检测酶电极区域的等效电阻小于2.2MΩ后,测量的血糖质量浓度值已经满足测量精度要求。该等效电阻利用参比测量的方法测得,其测量电路如图3所示。其中R7是参比电阻,为了能获得最高的检测精度,其取值为2.2MΩ。该检测电路采用IO口供电,可最大程度地降低关机功耗,延长电池的使用寿命;同时可以消除由于参考电压变化引起的误差。葡萄糖氧化酶氧化葡萄糖时反应速度会时快时慢,这样由偏置电压驱动的定向电流就会有杂乱的高频噪声,为了消小噪声,采用一个容值为0.01μF的滤波电容C7并联等效电阻。2.4荧光led的恒流源电路考虑到血糖仪的使用者多数是中老年人,视力问题是影响他们读取血糖质量浓度值的最大障碍,所以LCD的背光也是比较重要的功能,本产品中也设计了背光LED驱动电路,如图4所示。背光驱动的要求是任何条件下背光LED的发光亮度不变,即需要构造一个恒流源电路。图4所示的背光驱动电路是最简单的恒流源电路,电路工作时电阻R9两端电压等于VLL1加上BE极导通电压,是约为1.7V的固定电压,流过R9的电流也是固定电流,该电流约等于Q2的射极电流和集电极电流,所以流过背光二极管D1的电流也为一恒流,实现了背光LED的恒流驱动。背光LED的驱动电流为10mA左右,R9取值150Ω。3实现程序的主流程血糖仪需要实现的功能有:血糖质量浓度测量、按键处理、数据储存、液晶显示等。为了提高程序的可读性、健壮度和调试的方便,本设计采用了模块化的设计思路,每种功能都用一个函数来实现,而该函数的调用是在主循环中,通过其中的标志位来判断的。这种方法可以最大程度上降低中断程序的执行时间,避免多个中断之间的中断冲突,大大降低程序出Bug的风险。程序的主流程图如图5所示。每一个主循环,主程序首先将看门狗计数清零,避免出现看门狗错误复位的情况,然后根据标志位依次确定是否需要AD测量,是否需要按键处理,是否需要更新LCD显示等,在主程序的最后执行一条Stop命令,芯片进入睡眠模式以降低功耗。4确保血