PIC24在血糖儀上的應用

　　引言：

　　糖尿病是一種常見(jiàn)嚴重危害人類(lèi)健康的慢性疾病，近年來(lái)的發(fā)病人數逐年上升，患者必須定時(shí)進(jìn)行血糖監測，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(jiàn)的家庭醫療器械，市面上大多數的血糖儀價(jià)格和精度難以兼得。隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展，一款功能強大而價(jià)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。

　　關(guān)鍵詞：血糖濃度 化學(xué)酶 血糖測試條 MCU CTMU

　　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，產(chǎn)生電子或微電流，

　　電子數量或者微電流的強弱隨著(zhù)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(guò)精確測量微弱電流的大小，并根據電流值和血糖濃度的關(guān)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(gè)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16 bit，滿(mǎn)足這2個(gè)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(wú)需外加，只需MCU內部集成的CTMU單元和高精度來(lái)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(shí)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(jiǎn)單，測試條直接與MCU I/O口連接完成一個(gè)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)生反應產(chǎn)生電荷Q，而電荷與血糖濃度呈線(xiàn)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(shí)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(jiǎn)單，只需一個(gè)血糖測試座和一個(gè)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(shí)間單元(CTMU)、2個(gè)運算放大器、比較器、片上Vref等。同時(shí)具有超低功耗特性，多種功耗管理模式，深度睡眠3.3V時(shí)典型電流40nA，RTCC開(kāi)啟32 kHz，3.3V時(shí)典型電流400 nA。另外該芯片還集成LCD驅動(dòng)、支持USB OTG、RTCC等模塊，Flash從64kb-128kb，RAM 8kb，采用改進(jìn)型哈佛架構，最高運行速度可達16 MIPS(32 MHz時(shí))，集成17位x 17位單周期硬件乘法器等等。這些資源完全滿(mǎn)足一個(gè)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(guò)開(kāi)關(guān)連接，開(kāi)關(guān)由MCU內部控制，正常情況下開(kāi)關(guān)處于閉合狀態(tài)。當血糖測試條上未滴入血樣時(shí)，測試條呈現很高的電阻，測試條相當于一個(gè)無(wú)窮大的電阻與一個(gè)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，這時(shí)通過(guò)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(shí)，MCU內部斷開(kāi)電流源與測試條的連接開(kāi)關(guān)，等待一段時(shí)間(浸泡時(shí)間)，等待血樣與酶充分反應達到電荷穩定，浸泡時(shí)間到了，啟動(dòng)定時(shí)器計時(shí)，同時(shí)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(shí)，停止定時(shí)器計時(shí)，測量的時(shí)間即為電荷移除需要的時(shí)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(shí)器測得的時(shí)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，再根據電荷量換算出實(shí)際的血糖濃度。理論血糖濃度與電荷量成線(xiàn)性關(guān)系，實(shí)際需在選擇若干重要濃度點(diǎn)做大量實(shí)驗來(lái)確定，然后采用曲線(xiàn)擬合或插值等數據處理方式來(lái)確定其與電荷量之間的關(guān)系，最終再根據這種關(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(shí)間為1S時(shí)，檢測測試條2端電壓(Volts)與時(shí)間T的曲線(xiàn)圖。

　　血糖儀通過(guò)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(shí)存放在片內Flash存儲器中，具有掉電保護功能，無(wú)需外部EEPROM。同時(shí)片上集成USB，可以與上位機PC進(jìn)行通訊，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(shí)片上集成的LCD Driver可以直接驅動(dòng)LCD屏，也可以幫客戶(hù)大大節省成本。

　　結束語(yǔ)：

　　本設計采用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(lái)測量血糖，無(wú)需外置高精度ADC和運放，使得產(chǎn)品電路大大簡(jiǎn)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(chǎn)品功耗?？偟膩?lái)說(shuō)，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(hù)成本，同時(shí)延長(cháng)了產(chǎn)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(zhuān)利文獻，恒流源測量血糖 http://www.faqs.org/patents/app/20120171706

　　【2】 PIC24FJ128GC010用戶(hù)手冊

　　【3】 Microchip 應用筆記 AN1375、AN1250