摘要：本文介紹了適合便攜式血糖儀的低功耗SoC芯片結(jié)構(gòu)和性能，完成模擬數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理功能。本文還闡述了SoC芯片在血糖儀中的軟硬件設(shè)計(jì)，并進(jìn)一步說(shuō)明了SoC設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中的幾個(gè)重要功能，例如低功耗睡眠模式，低噪聲運(yùn)放與溫度傳感器等。血糖和酶電極反應(yīng)時(shí)所產(chǎn)生的微弱電流經(jīng)過(guò)放大、濾波、模數(shù)變換后經(jīng)SoC芯片數(shù)據(jù)處理，在液晶顯示器上顯示出測(cè)試結(jié)果。本文所提出的SoC設(shè)計(jì)整合低噪聲運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換微弱的血糖信號(hào)成電壓信號(hào)，測(cè)試范圍達(dá)1.1-33.3mmol/L，單次采血量?jī)H為3μL，完成一次測(cè)試的時(shí)間約4秒，片外的EEPROM可以存儲(chǔ)256組歷史記錄，還具有自動(dòng)溫度補(bǔ)償與校正功能，適合個(gè)人、家庭或醫(yī)院使用。

　　1 引言

　　糖尿?。―M，Diabetes Mellitus）是一種常見(jiàn)的非傳染卻嚴(yán)重危害人類(lèi)健康的慢性疾病，糖尿病是繼心血管和腫瘤之后的第三大非傳染性疾病，已成為嚴(yán)重威脅人類(lèi)健康的世界性公共衛(wèi)生問(wèn)題。糖尿病發(fā)生后會(huì)引起糖、水、脂肪、蛋白質(zhì)和電解質(zhì)等代謝紊亂，進(jìn)而導(dǎo)致各種并發(fā)癥，包括糖尿病性心腦血管病、糖尿病性腎病、糖尿病性眼病、糖尿病性神經(jīng)病變等等。因此，我們需要研發(fā)更先進(jìn)的醫(yī)療設(shè)備來(lái)預(yù)防和治療糖尿病及其并發(fā)癥。

　　現(xiàn)代醫(yī)學(xué)還沒(méi)有根治糖尿病的方法，對(duì)患者的血糖濃度進(jìn)行頻繁的測(cè)定是延緩糖尿病及其并發(fā)癥的重要方法。目前醫(yī)院中最常用的檢測(cè)血糖參數(shù)的方法是通過(guò)采集病人的血樣，用大型生化分析儀進(jìn)行分析與檢測(cè)。這種方法準(zhǔn)確性高，但檢測(cè)時(shí)間太長(zhǎng)、需要的血液量過(guò)多，還需專(zhuān)業(yè)人員操作儀器，不利于病人的自我監(jiān)護(hù)。近年來(lái)，醫(yī)院內(nèi)幾乎所以科室均備有便攜式血糖儀，不僅為醫(yī)生和患者提供數(shù)據(jù)，而且可以作為醫(yī)生調(diào)整藥物劑量的依據(jù)。便攜式血糖儀解決了大型生化分析儀檢測(cè)方法的缺點(diǎn)，不但方便了糖尿病患者對(duì)血糖的控制，還促進(jìn)了血糖儀的普及。

　　隨著微電子技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展， 各種便攜式血糖儀的設(shè)計(jì)方案不斷涌現(xiàn)。目前市場(chǎng)上的血糖儀種類(lèi)繁多，在不同程度上滿(mǎn)足臨床醫(yī)療的需求。價(jià)格，精度和低功耗（待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)）是用戶(hù)評(píng)價(jià)一款血糖儀的3 個(gè)重要特性。以往的用于血糖儀的芯片采用分離的模／數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器芯片實(shí)現(xiàn)，利用轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出，這種方式的結(jié)果不穩(wěn)定，而且整體實(shí)現(xiàn)成本比較高，給市場(chǎng)大量推廣帶來(lái)諸多不便。相較之下本文提出的SoC 設(shè)計(jì)具有片內(nèi)模擬設(shè)計(jì)整合度高，外圍所需器件少，精度高，低功耗等優(yōu)點(diǎn)。

　　便攜式血糖儀的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)酶生物傳感器檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并送到LCD顯示器上，另外還需要完成時(shí)鐘的計(jì)時(shí)，數(shù)據(jù)的記錄與存儲(chǔ)等功能。本文介紹一種可廣泛用于家庭和醫(yī)院的新型低功耗醫(yī)用血糖儀的SoC設(shè)計(jì)與方案實(shí)現(xiàn)，文中說(shuō)明了SoC芯片主要功能和工作原理，還給出了采用SoC芯片設(shè)計(jì)血糖儀的應(yīng)用電路和軟件工作流程。

　　2 血糖儀的特點(diǎn)

　　本文介紹的便攜式血糖儀采用電化學(xué)酶電極法，當(dāng)血液樣品滴加在試紙（Test Strip）上時(shí)，血糖與感應(yīng)膜反應(yīng)產(chǎn)生電子，在一個(gè)工作電壓的作用下，電子會(huì)被傳送到電極，所產(chǎn)生的電流與血糖的濃度成一定的比例關(guān)系，通過(guò)檢測(cè)電流的值就可以得出血糖的濃度。

　　2. 1 什么是糖尿病

　　正常情況下，身體會(huì)將吃進(jìn)去的淀粉類(lèi)食物分解及轉(zhuǎn)變成葡萄糖，提供身體的能源。而胰島素是由胰臟制造的一種荷爾蒙，它可以幫助葡萄糖進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，提供熱能。因?yàn)樘悄虿』嫉囊扰K制造胰島素不足或功能不良，無(wú)法使葡萄糖充分進(jìn)入細(xì)胞利用，而留在血中使血糖濃度升高。長(zhǎng)期的高血糖癥狀，有時(shí)會(huì)引起視網(wǎng)膜病變、腎臟、神經(jīng)病變、心臟和血管、高血壓、性能力減弱，甚至死亡。1997 年美國(guó)糖尿病協(xié)會(huì)提出了糖尿病診斷的新標(biāo)準(zhǔn)：

　　1.有糖尿病癥狀，并且任意血糖≥11.1mmol/L；

　　2.空腹血糖≥7.0mmol/L；

　　3. 口服葡萄糖耐量試驗(yàn)（OGTT）2 小時(shí)后血糖≥11.1mmol/L。

　　糖尿病已成為全球矚目的主要慢性病，“早期診斷、適當(dāng)治療”與“患者自我配合”是控制糖尿病的不二法門(mén)，除了嚴(yán)重者長(zhǎng)期注射胰島素外，糖尿病
平日的血糖監(jiān)測(cè)亦非常重要，配合用藥、飲食的控制及持續(xù)監(jiān)測(cè)，可延緩各種糖尿病并發(fā)癥的發(fā)生以擁有健康的生命。

　　2. 2 檢測(cè)原理簡(jiǎn)介

　　利用測(cè)試試紙作為葡萄糖信號(hào)的來(lái)源，以固定偏壓方式激發(fā)試紙與血液的電化學(xué)反應(yīng)成為電流信號(hào)輸出，再經(jīng)由本文所提低功耗SoC 芯片量測(cè)電流信號(hào)、運(yùn)算、數(shù)字輸出顯示，如圖1 所示，以最少的器件達(dá)成偏壓式電流量測(cè)方案。

　　圖1 模擬與數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換

　　血糖儀的檢測(cè)原理是基于生物電化學(xué)方法，即用生物傳感器葡萄糖氧化酶電極進(jìn)行血糖測(cè)試。其中酶電極由酶膜和電極結(jié)合而成， 在電極表面固化上葡萄糖氧化酶（GOD， Glucose Oxidase），當(dāng)約3μL 血液滴入血糖測(cè)試電極后，發(fā)生了氧化還原反應(yīng)，在反應(yīng)過(guò)程中傳輸介質(zhì)中的二價(jià)鐵離子失去電子，發(fā)生了氧化還原反應(yīng)，葡萄糖氧化酶氧化葡萄糖生成H2O2和葡萄糖酸，H2O2將二價(jià)鐵離子氧化，由化學(xué)反應(yīng)所釋放的電子，所產(chǎn)生的電子被導(dǎo)電介質(zhì)轉(zhuǎn)移給電極，在300mV 電壓的作用下發(fā)生定向流動(dòng)，約2 秒能形成了0.6~10μA 的氧化電流。通過(guò)檢測(cè)電流變化與葡萄糖濃度近似線(xiàn)性關(guān)系，從而達(dá)到檢測(cè)血糖濃度的目的。

　　由于各家試紙組成成分不同，在方案開(kāi)發(fā)前，我們可以先設(shè)計(jì)試紙的等效電路作試驗(yàn)，所以必須先了解試紙的等效電路（如圖2 所示）。圖3 說(shuō)明試紙的電化學(xué)反應(yīng)時(shí)間，VR 表示固定偏壓。電流轉(zhuǎn)換公式如公式（1）所示：

　　Glucose=I×F（code）×T（t）（1）

　　I：電流（μA）

　　F（code）：不同試紙會(huì)有不同的值呈現(xiàn)

　　T（t）：溫度系數(shù)

　圖2 試紙等效電路（A）單通道電阻（B）雙通道電阻

　　圖3 電化學(xué)反應(yīng)時(shí)間

　　2. 3 血糖儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　一般常見(jiàn)血糖儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。它是由信號(hào)采集單元， 顯示與控制單元組成。儀器的硬件部分主要包括酶生物傳感器、信號(hào)檢測(cè)、微控制器、LCD 顯示器與通信模塊組成。顯示與控制單元是由LCD顯示器、按鍵電路、微控制器和其他外圍模塊組成。設(shè)計(jì)血糖儀的關(guān)鍵在于酶電極電流信號(hào)的獲取，即酶電極電流信號(hào)的采集；另外，該系統(tǒng)屬于便攜式應(yīng)用，要求系統(tǒng)為低功耗設(shè)計(jì)，通過(guò)降低系統(tǒng)的功耗，可以延長(zhǎng)電池的使用壽命，而且有助于環(huán)境保護(hù)和節(jié)約能源。

　　圖4 血糖儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　3 SoC芯片的硬件設(shè)計(jì)

　　SoC芯片的功能主要在量測(cè)電壓信號(hào)， 數(shù)據(jù)的計(jì)算，信號(hào)的控制與結(jié)果的顯示。本文所提出的低功耗SoC 芯片具有芯片面積小、模擬IP 集成度高可以減少外掛芯片、方便芯片應(yīng)用等特點(diǎn)。本文會(huì)以這款低功耗SoC 芯片為核心， 再輔之以較少的外圍芯片設(shè)計(jì)一款便攜式血糖儀。

　　3. 1 SoC芯片特點(diǎn)

　　SoC 芯片選擇0.18um 工藝節(jié)點(diǎn)， 內(nèi)部模塊如圖5 所示，內(nèi)置EEPROM與4K 字（Word）一次性可編程（OTP） 程序存儲(chǔ)器，256 字節(jié)（Byte）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。上電及掉電檢測(cè)（Brownout detector），用于檢測(cè)電源電壓的降低， 并將處理器完全復(fù)位?？撮T(mén)狗（Watch dog Timer ）主要用于產(chǎn)生喚醒事件，可防止程序的跑飛。芯片內(nèi)還有8 位定時(shí)器A，16 位定時(shí)器B 具Capture/Compare 功能，16 位定時(shí)器C 具PWM/PFD 波形產(chǎn)生功能。串行通信SPI 模塊可以用來(lái)外掛器件。

　　內(nèi)置絕對(duì)溫度傳感器與18 位全差動(dòng)輸入&Sigma;&Delta;ADC 類(lèi)比數(shù)位轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置可編程增益放大器（PGA， Programmable Gain Amplifier）及可有1/4、1/2、1&hellip;&hellip;128 倍10 種輸入信號(hào)放大倍率選擇。內(nèi)置輸入零點(diǎn)調(diào)整，可針對(duì)不同應(yīng)用增加其量測(cè)范圍。內(nèi)置高阻抗輸入緩沖器（32 以上輸入倍率不適用）。超低輸入噪聲（<1uVpp）運(yùn)算放大器， 可提供高輸出阻抗小信號(hào)的放大及小電流的電壓轉(zhuǎn)換。1.2V 低溫飄系數(shù)參考電壓源輸出，具有推挽式（Push- Pull） 驅(qū)動(dòng)能力，可提供傳感器驅(qū)動(dòng)電壓。LVD 低電壓檢測(cè)功能可配置14 段檢測(cè)電壓。模擬電壓源VDDA 具10mA 穩(wěn)壓電壓源輸出能力，可有4 種不同輸出電壓選擇。4&times;20 LCD 液晶驅(qū)動(dòng)器。1/4 占空（Duty）、1/3 偏置（Bias）。內(nèi)建電荷泵（Charge Pump）穩(wěn)壓線(xiàn)路，可提供4 種LCD 偏置電壓。

　　3. 2 硬件乘法器

　　SoC 芯片負(fù)責(zé)信號(hào)的處理、控制和顯示功能，采用先進(jìn)的CMOS 標(biāo)準(zhǔn)工藝生產(chǎn)制造。整合一個(gè)具有69 個(gè)操作指令的8 位加強(qiáng)型精簡(jiǎn)指令集處理器，包括8x8 硬件乘法指令與16 位的查表指令。8x8 硬件乘法器的處理指令&ldquo;MULF 和MULL&rdquo;，硬件乘法的運(yùn)算結(jié)果會(huì)放到乘法器寄存器PRODH [7：0]與PRODL[7：0]內(nèi)，而且不會(huì)改變STATUS[7：0]狀態(tài)寄存器中的任何標(biāo)志。PRODH[7：0]與PRODL[7：0]為只讀緩存器，硬件乘法器可進(jìn)行有號(hào)數(shù)與無(wú)號(hào)數(shù)運(yùn)算。

　　圖5 SoC芯片內(nèi)部模塊

　　3. 3 低功耗模式

　　2.0V~3.6V 工作電壓范圍，-40~85℃工作溫度范圍。內(nèi)置高精度RC 振蕩器，6 種CPU 工作時(shí)鐘切換選擇，可以達(dá)到最佳省電規(guī)劃。具體測(cè)試條件見(jiàn)表1，其中OSC_CY 是外部振蕩器頻率，OSC_HAO 是內(nèi)置的高精度振蕩器頻率，CPU_CK 是處理器內(nèi)核的操作頻率。

　　表1 不同時(shí)鐘條件下的電流值

　　活動(dòng)模式主要指CPU 根據(jù)時(shí)鐘源依序處理所有發(fā)生的事件，此時(shí)芯片所有外設(shè)皆可正常運(yùn)作，而且功率消耗在同頻率下處于最大的狀態(tài)。待機(jī)模式是透過(guò)軟件下達(dá)IDLE 指令后，處理器進(jìn)入待機(jī)模式，也就是處理器進(jìn)入節(jié)能的狀態(tài)，芯片停止運(yùn)作等待喚醒，并將PSTATUS 復(fù)位緩存器的IDLEB [0]旗標(biāo)位置<1>。在此模式下芯片外設(shè)仍正常運(yùn)作，當(dāng)外設(shè)產(chǎn)生中斷事件時(shí)將會(huì)喚醒處理器。處理器透過(guò)SLP 指令進(jìn)入休眠模式中，主要是指芯片處于停止運(yùn)作狀態(tài)，處理器、內(nèi)部振蕩器（HAO 與LPO）與外部振蕩器（XT）將停止工作，外設(shè)使用HAO、LPO、XT 等相關(guān)時(shí)鐘源也停止運(yùn)作，并將PSTATUS 復(fù)位緩存器的PD 旗標(biāo)位置<1>。在此模式下，芯片將處于等待中斷事件進(jìn)行喚醒，因?yàn)椴糠滞庠O(shè)雖然停止運(yùn)作，但其功能仍處于開(kāi)啟狀態(tài)。為了達(dá)到休眠模式芯片功耗處于最低的情況下，不用于喚醒芯片的外設(shè)必需進(jìn)一步關(guān)閉功能。

　　3. 4 低噪聲運(yùn)放（LNOP）

　　檢測(cè)酶電極與血液反應(yīng)所產(chǎn)生相當(dāng)微弱的微電流信號(hào)，電流信號(hào)為&mu;A ~ nA 級(jí)別，需要再轉(zhuǎn)換成一個(gè)可供處理的電壓信號(hào)。然后經(jīng)過(guò)放大、濾波等處理使其轉(zhuǎn)變成用于識(shí)別的電壓信號(hào)，再通過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換，成為SoC 芯片能夠處理的數(shù)字信號(hào)。低噪聲放大器的功能主要是實(shí)現(xiàn)電流到電壓的轉(zhuǎn)換與放大，可單獨(dú)使用或搭配&Sigma;-&Delta;ADC，其適用于小電流或高輸出阻抗信號(hào)源的量測(cè)應(yīng)用。低噪聲放大器還有以下功能：

　　1. 高輸出阻抗或低輸出電流的量測(cè)應(yīng)用。

　　2. 多通道信號(hào)輸入與輸入短路設(shè)計(jì)。

　　3. 可量測(cè)引腳漏電流。

　　4. 輸入信號(hào)正相，反相偏移量或Chopper。

　　5. Push/Pull 驅(qū)動(dòng)能力。

　　輸入通道選擇器OPP[1：0]與OPN[2：0]27 可分別選擇低噪聲運(yùn)放的&ldquo;+&rdquo;與&ldquo;-&rdquo;端是由哪一個(gè)外部引腳輸入，當(dāng)OPN 設(shè)置<11x> 時(shí)則呈現(xiàn)高阻抗?fàn)顟B(tài)；信號(hào)輸入后，可經(jīng)由輸入通道短路器OPIS[0]將選定的通道進(jìn)行短路。

　　輸入處理器OPM[1：0]可設(shè)置對(duì)低噪聲運(yùn)放輸入信號(hào)做正向偏移量、反相偏移量或Chopper 處理。低噪聲運(yùn)放輸入通道具有10G&Omega; 的輸入阻抗及共模模式下90pF 輸入電容設(shè)計(jì)，使用上較為特殊的地方是OPN[2：0]可讓輸入引腳AI0- AI5 或AI1- AI5 組態(tài)化，以實(shí)現(xiàn)對(duì)類(lèi)比通道的引腳進(jìn)行超低的漏電流量測(cè)，如圖6 所示。

　　圖6 低噪聲運(yùn)算放大器電路模塊

ENOP[0]設(shè)置<1>以啟用低噪聲運(yùn)放模式。反之，當(dāng)ENOP[0]設(shè)置<0>會(huì)關(guān)閉低噪聲運(yùn)放。低噪聲運(yùn)放的電源是使用VDDA，并使用ACM為其內(nèi)部共模電壓參考點(diǎn)，故在啟動(dòng)低噪聲運(yùn)放前必須先啟用VDDA及ACM。

　　3. 5 絕對(duì)溫度傳感器

　　由于血糖測(cè)試是利用生物電化學(xué)反應(yīng)，而溫度能影響該反應(yīng)，在不同的溫度下葡萄糖氧化酶的活性不同。即使是相同血糖濃度的血液，采用相同的電壓，在不同溫度下，由葡萄糖氧化酶氧化產(chǎn)生的電流大小也不同。所以需要根據(jù)溫度進(jìn)行補(bǔ)償以獲得正確的血糖濃度值。

　　我們可以使用芯片內(nèi)部的溫度傳感器（如圖7所示）來(lái)測(cè)量環(huán)境溫度，當(dāng)溫度過(guò)高或過(guò)低時(shí)，葡萄糖氧化酶就會(huì)完全失去活性，根據(jù)測(cè)量的環(huán)境溫度，此時(shí)血糖儀需要給出報(bào)警，提示用戶(hù)不能在該溫度下進(jìn)行操作，以免得出錯(cuò)誤的檢測(cè)值。溫度傳感器同時(shí)也需要進(jìn)行補(bǔ)償。絕對(duì)溫度傳感器由二極管（BJT） 組成，其電壓信號(hào)對(duì)溫度的變化為一通過(guò)0&deg;K 曲線(xiàn)，其具以下特色：

　　1. 溫度傳感器在環(huán)境溫度為0&deg;K 時(shí)其輸出的電壓值VTPS@0&deg;K =0V

　　2. 透過(guò)測(cè)量方式可使得模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC的偏移電壓（VADC-OFFSET）與BJT 之不對(duì)稱(chēng)性（IS1&ne;IS2）自動(dòng)抵消

　　3. 校正溫度僅需單點(diǎn)校正

　　圖7 絕對(duì)溫度傳感器電路模塊

　　4 血糖儀的方案設(shè)計(jì)

　　4. 1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　由本文提出SoC 芯片實(shí)現(xiàn)便攜式血糖儀的應(yīng)用電路如圖8 所示，為了方便用戶(hù)能隨時(shí)查看血糖的變化情況，血糖儀需要具有存儲(chǔ)的功能。用戶(hù)不僅能查詢(xún)歷史血糖值，還要能夠查詢(xún)最近一周內(nèi)血糖值的變化趨勢(shì)，醫(yī)生可以根據(jù)變化趨勢(shì)制定后續(xù)的用藥方式與劑量，以達(dá)到控制血糖濃度的目的。每個(gè)歷史數(shù)據(jù)包含血糖值濃度及測(cè)試日期這兩個(gè)信息，需要8 字節(jié)（Byte）來(lái)保存。本系統(tǒng)選取有2048字節(jié)存儲(chǔ)空間的EEPROM（24LC02）芯片，最多能夠存儲(chǔ)256 個(gè)歷史數(shù)據(jù)。

　　圖8 血糖儀的應(yīng)用電路

　　輸入/ 輸出埠I/O 每八個(gè)引腳為一個(gè)端口，可作數(shù)字的輸入與輸出以及模擬信號(hào)量測(cè)通道。每個(gè)端口由一組緩存器做控制。芯片可以透過(guò)IO 口仿真只需要SCL 時(shí)鐘和SDA 數(shù)據(jù)的I2C 總線(xiàn)功能，與24LC02 采用標(biāo)準(zhǔn)的I2C 總線(xiàn)接口通訊，24LC02 的存儲(chǔ)空間可以由使用者決定參數(shù)意義與數(shù)量，再由SoC 芯片的程序設(shè)定與控制需要儲(chǔ)存何種參數(shù)，例如24LC02 也能儲(chǔ)存校正參數(shù)。圖8 的Strip 是應(yīng)用電路上以可變電阻取代試紙，用以仿真試紙的電化學(xué)信號(hào)。

　　血糖試紙所需偏壓往往在0.1V~0.5V 不等，一般來(lái)說(shuō)在0.5V 的工作偏壓電壓下， 對(duì)應(yīng)于2~25 mmol/L 的血糖濃度， 酶電極的響應(yīng)電流約3~50&mu;A。芯片有內(nèi)置一個(gè)參考基準(zhǔn)電源1.2V 或2.4V 供使用者的使用，但是需要再透過(guò)基準(zhǔn)電阻分壓供電給試紙偏壓使用?？删幊淘鲆娣糯笃髋c&Sigma;-&Delta; ADC 通過(guò)參考電阻獲得參考電壓，量測(cè)到的電阻值是否精確與參考電阻的精度有關(guān)，所以必須保證參考電阻的精度。

　　模擬前端電路主要應(yīng)用是要量測(cè)低頻的信號(hào)，但在真實(shí)世界里待測(cè)信號(hào)會(huì)含有許多高頻的噪聲，根據(jù)信號(hào)取樣原理超過(guò)取樣頻率的高頻噪聲經(jīng)過(guò)取樣后會(huì)產(chǎn)生零點(diǎn)飄移及低頻噪聲，進(jìn)而造成量測(cè)的誤差。因此建議在芯片差動(dòng)待測(cè)信號(hào)及參考電壓端加上10nF~100nF 的濾波電容以加強(qiáng)量測(cè)的準(zhǔn)確性。

　　4. 2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　軟件采用自上而下的模塊化程序設(shè)計(jì)方法， 以主程序?yàn)楹诵臉?gòu)建。血糖儀的工作流程如圖9 所示，該血糖儀的測(cè)量過(guò)程如下：

　?。?）進(jìn)入休眠模式（Sleep）后按下PT1.0喚醒芯片，測(cè)量模式下按下PT1.0能鎖定最大值。按下PT2.4進(jìn)入校正模式，由外部輸入0.2V校正ADC電壓測(cè)量值；

　?。?）進(jìn)入校正模式后按下PT1.0喚醒芯片，按下PT1.1將校正值200mV增益寫(xiě)入EEPROM；

　?。?）進(jìn)入量測(cè)模式，載入校正增益；

　?。?）進(jìn)行血糖的ADC采樣與轉(zhuǎn)換；

　　（5）數(shù)學(xué)計(jì)算，顯示電流；

　?。?）按下PT1.0，進(jìn)入休眠模式；

　　圖 9 血糖儀的工作流程

　　考慮到元器件參數(shù)的分布性差異和電路穩(wěn)定工作狀態(tài)的波動(dòng)性，這些都可能給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)各種誤差，所以設(shè)計(jì)了個(gè)軟件校準(zhǔn)模塊，可以人為地對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)校準(zhǔn)。程序也設(shè)計(jì)了關(guān)機(jī)子程序，利用了芯片在休眠模式下功耗低小于0.63&mu;A的特點(diǎn)。使血糖僅完成測(cè)試后能在不切斷電源的情況下自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，再由外部的按鍵中斷來(lái)喚醒。這種通過(guò)軟件方法來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想降低了儀器功耗。

　　圖10 是利用本文所介紹的SoC 芯片所設(shè)計(jì)血糖儀的開(kāi)發(fā)板與樣品。因?yàn)镾oC 的集成度很高，所以成品可以做到體積小，便于攜帶隨時(shí)隨地監(jiān)測(cè)血糖。

　　圖10 利用SoC芯片所設(shè)計(jì)血糖儀的開(kāi)發(fā)板與樣品

　　血糖儀樣品的規(guī)格如表2 所示， 這里給出應(yīng)用范例計(jì)算紐扣電池的使用時(shí)間。對(duì)血糖而言，電流值會(huì)隨著時(shí)間的增加而增加，并逐漸趨向穩(wěn)定，穩(wěn)定后的電流值與血糖濃度成正比。因此，需要等待一段時(shí)間， 等到達(dá)穩(wěn)定后才能測(cè)試電流大小， 從而得出所測(cè)試的血糖濃度值。這里所需要的時(shí)間是試紙的反應(yīng)時(shí)間，由試紙的化學(xué)特性決定，非芯片控制，對(duì)于開(kāi)發(fā)板所用的特定試紙而言， 整體量測(cè)所需的時(shí)間為4秒。如果每天在醫(yī)院使用血糖儀為不同病人量測(cè)100 次，成品使用3V 電壓的紐扣電池CR2032， 額定容量為210mAh，經(jīng)過(guò)如下公式（2），（3）的計(jì)算可以使用5.84 年之久，足可說(shuō)明本文所介紹的芯片確實(shí)達(dá)到超低功耗的先進(jìn)水平。

　　平均耗電流

　　=（系統(tǒng)最大操作電流x量測(cè)次數(shù)x每次量測(cè)時(shí)間/1 天時(shí)間）+ 休眠電流（2）

　　=（750uAx100 x4s/ 86400s）+ 0.63uA= 4.1uA

　　電池壽命= 電池電量/ 平均耗電流（3）

　　= 210mAh / 4.1uA

　　= 51219h = 2134 天 = 5.84 年

　　表2 血糖儀樣品規(guī)格

　　5 結(jié)論

　　本文介紹一款為了血糖儀的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的高集成度，低功耗SoC 芯片。片內(nèi)集成了高精度的&Sigma;-&Delta; ADC，EEPROM與一次性可編程程序存儲(chǔ)器，所以成本較分離器件的方案低。血糖儀能夠準(zhǔn)確測(cè)量血糖濃度，并且具備存儲(chǔ)功能，方便用戶(hù)查詢(xún)歷史值和近期血糖濃度趨勢(shì)， 以便醫(yī)師采用正確的用藥方式。智能血糖儀通過(guò)采用不同的時(shí)鐘源工作，可以達(dá)到降低系統(tǒng)功耗的目的。我們也給出范例說(shuō)明一節(jié)普通的CR2032 電池， 基本上能夠支持醫(yī)院使用血糖儀長(zhǎng)達(dá)5 年以上的使用而不用更換電池，具有測(cè)量時(shí)間短，低功耗等優(yōu)點(diǎn)，可成為一種供糖尿病患者在家庭中自我監(jiān)控血糖濃度的理想儀器。