以MSP430為核心的可穿戴血糖儀電路設(shè)計(jì)—電路精選（38）

MSP430系列單片機(jī)是美國(guó)德州儀器（TI）1996年開(kāi)始推向市場(chǎng)的一種16位超低功耗、具有精簡(jiǎn)指令集（RISC）的混合信號(hào)處理器。

本文介紹的是一種便攜式可穿戴血糖儀，主要基于MSP430單片機(jī)為核心，葡萄糖氧化酶電極為測(cè)試傳感器，以下給出了電路原理及電路圖設(shè)計(jì)。

電路原理

血糖測(cè)試電路：在酶電極兩端滴入血液后，會(huì)產(chǎn)生自由電子。由于電極兩端存在激勵(lì)電壓，就會(huì)有定向電流流過(guò)電極。該激勵(lì)電壓是由ADC模塊提供的1.5V穩(wěn)壓通過(guò)電阻分壓而產(chǎn)生的，大約在300mV左右，它能產(chǎn)生μA級(jí)別的定向電流。由于A/D轉(zhuǎn)換模塊測(cè)量的是電壓，所以需要將該定向電流轉(zhuǎn)換成電壓，并且進(jìn)行一定的放大。本系統(tǒng)采用圖2所示的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)電流到電壓的轉(zhuǎn)換和放大。運(yùn)算放大器LM358的反相端連接血糖試紙上的酶電極，當(dāng)有血液滴入時(shí)，該電極與地之間為等效電阻Rx，流過(guò)該電阻的電流正比于血液中的血糖濃度值。

MSP430的A/D模塊輸出1.5V的穩(wěn)壓通過(guò)R2 和R3分壓，產(chǎn)生300mV的激勵(lì)電壓，該電壓通過(guò)運(yùn)放的正端加到電極兩端。R4起到反饋放大的作用，它將運(yùn)放的輸出范圍限定在A/D模塊的轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)。在PCB板布線時(shí)，由于運(yùn)放輸出和MSP430的ADC模塊輸入I/O口之間的走線比較長(zhǎng)，為了確保測(cè)量值的準(zhǔn)確，需要對(duì)測(cè)試電壓進(jìn)行濾波，C21就是用來(lái)起濾波作用的，以減少走線過(guò)長(zhǎng)所引入的外來(lái)干擾對(duì)血糖測(cè)試的影響。而運(yùn)放直接接電容負(fù)載容易引起輸出震蕩，R14的作用就是隔離運(yùn)放和電容。由于電阻R14上會(huì)有電流流過(guò)，這樣電阻兩端就有壓降存在，電壓信號(hào)會(huì)受此影響而變化，為了不影響血糖測(cè)試的精度，R14 的值不能取得過(guò)大。跟據(jù)經(jīng)驗(yàn)值取50Ω。

溫度檢測(cè)電路：由于血糖測(cè)試是利用生物電化學(xué)反應(yīng)，而影響該反應(yīng)的重要因素是溫度。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，采用相同的激勵(lì)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。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，此時(shí)血糖儀需要給出報(bào)警，提示用戶儀表不能在該溫度下進(jìn)行操作，避免得出錯(cuò)誤的檢測(cè)值。溫度測(cè)試電路如圖所示。

圖中，R9是熱敏電阻ET833，該電阻具有負(fù)溫度特性。 R10是阻值為83k Ω的高精電阻。R9上端接的是由MSP430的A/D轉(zhuǎn)換模塊輸出的1.5V穩(wěn)壓，由 于該1.5V穩(wěn)壓也是 A/D轉(zhuǎn)換模塊的參考電壓，因此這種接法能夠消除A/D參考電壓抖動(dòng)所引起的轉(zhuǎn)換誤差。血糖儀正常工作時(shí)，通過(guò)測(cè)得P6.1端口的電壓，計(jì)算出熱敏電阻R9的大小，然后根據(jù)ET833的特型曲線，推算出溫度值，以進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路：為了方便用戶能隨時(shí)查看血糖的變化情況，本血糖儀具有存儲(chǔ)血糖值的功能。用戶不僅能查詢(xún)每次測(cè)量的歷史值，還能夠查詢(xún)最近28d內(nèi)的血糖值的變化趨勢(shì)，根據(jù)血糖變化趨勢(shì)，制定正確的用藥方式，達(dá)到控制血糖濃度的目的。

本系統(tǒng)最多能夠存儲(chǔ)1000個(gè)歷史數(shù)據(jù)，每個(gè)歷史數(shù)據(jù)需要8B來(lái)保存，數(shù)據(jù)包含血糖值濃度及測(cè)試日期這兩個(gè)信息，這樣就需要8000B的存儲(chǔ)空間。 24LC64是微芯公司出產(chǎn)的一片E2 PROM芯片，能夠存儲(chǔ)8KB，因此選取一塊24LC64芯片即足夠。

E2 PROM和單片機(jī)之間的具體接線方式如圖所示，P4.0～P4.3都是MSP430的數(shù)字I/O口。P4.1是寫(xiě)保護(hù)引腳，用來(lái)避免由于外部干擾或者程序出錯(cuò)對(duì)EPROM的誤寫(xiě)操作。P4.2和P4.3是24LC64和MSP430進(jìn)行通信的連接口。P4.0用于對(duì)24LC64供電，利用I/O口對(duì)該芯片供電的目的是為了降低系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的整體功耗，此外，還節(jié)省了電子開(kāi)關(guān)，降低了成本，有利于布線。

編者結(jié)語(yǔ)

此血糖儀方便攜帶，該設(shè)計(jì)主要從低功耗及精確性的角度出發(fā)，以MSP430系列單片機(jī)為核心，葡萄糖氧化酶電極為測(cè)試傳感器，較快地測(cè)試出血糖濃度，方便測(cè)量者較快讀數(shù)。