基于C8051F系列單片機(jī)的血糖儀電路原理設(shè)計(jì)與應(yīng)用分析

本文主要探討基于C8051F系列單片機(jī)的血糖儀電路原理設(shè)計(jì)與應(yīng)用分析，并同時(shí)提供仿制開發(fā)、調(diào)試生產(chǎn)的完整解決方案。
血糖測(cè)量通常采用電化學(xué)分析中的三電極體系。三電極體系是相對(duì)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(duì)電極
(CE)。參比電極用來(lái)定點(diǎn)位零點(diǎn)，電流流經(jīng)工作電極和對(duì)電極工作電極和參比電極構(gòu)成一個(gè)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(lái)測(cè)量工作電極的電極電勢(shì)。工作電極和輔助電極構(gòu)成一個(gè)通電的體系，用來(lái)測(cè)量工作電極通過(guò)的電流。利用三電極測(cè)量體系，來(lái)同時(shí)研究工作電極的點(diǎn)位和電流的關(guān)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(yīng)不同場(chǎng)合的應(yīng)用，另外提供了mmol/L，mg/dl，g/l三種常見測(cè)量單位的自由切換并自動(dòng)轉(zhuǎn)換。該三個(gè)單位之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：
　　1mmol/L=18 mg/dL 1mmol/L=0.18 g/L 1 mg/dL=0.01 g/L
針對(duì)不同國(guó)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(lái)顯示測(cè)量結(jié)果，轉(zhuǎn)換的方式采取使用特殊的代碼校正條來(lái)實(shí)現(xiàn)。
(1)單片機(jī)及內(nèi)部硬件資源的充分利用。Silicon labs
C8051F410單片機(jī)內(nèi)部集成了豐富的外圍模擬設(shè)備，使用戶可以充分利用其豐富的硬件資源。C8051F410單片機(jī)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(lái)做小信號(hào)測(cè)量，小信號(hào)電流經(jīng)過(guò)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(jì)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(xué)測(cè)量過(guò)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(guò)改變D/A值來(lái)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(cè)量精度。

圖2 C8051F410邏輯功能圖
溫度傳感器用于采集溫度信號(hào)，做溫度補(bǔ)償[4]。因?yàn)檠窃噭┰跍囟冗^(guò)高或過(guò)低的情況下都會(huì)出現(xiàn)測(cè)量偏差的問題，因此在測(cè)量過(guò)程中通過(guò)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(lái)作為溫度補(bǔ)償。
內(nèi)部具有32/16kB的Flash存儲(chǔ)器可用于存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)。2kB的集成RAM作為測(cè)量數(shù)據(jù)的緩沖。血糖儀需要將每次測(cè)量數(shù)據(jù)及日期記錄在非易失性存儲(chǔ)介質(zhì)中，通常采用Flash存儲(chǔ)器，但Flash存儲(chǔ)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(guān)機(jī)的時(shí)候再將數(shù)據(jù)寫入Flash中，間接提高血糖儀測(cè)量效率。
(2)電源設(shè)計(jì)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(gè)血糖儀的供電。在整個(gè)儀器的供電電路結(jié)構(gòu)上，設(shè)計(jì)電源開關(guān)電路，當(dāng)關(guān)機(jī)時(shí)除了
MCU和實(shí)時(shí)時(shí)鐘可以直接通過(guò)電池供電以外，其他電路的電源被全部切斷，然后使MCU和實(shí)時(shí)時(shí)鐘進(jìn)入休眠或節(jié)電狀態(tài)，可以大大節(jié)省待機(jī)的耗電，延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間。MCU的喚醒通過(guò)中斷實(shí)現(xiàn)，當(dāng)開關(guān)按鍵按下時(shí)產(chǎn)生一個(gè)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(jìn)入工作狀態(tài)。
(3)實(shí)時(shí)時(shí)鐘設(shè)計(jì)，采用s-3530A實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片[5]。該實(shí)時(shí)時(shí)鐘具有高精度低功耗的特點(diǎn)，工作晶振頻率32K，并設(shè)有節(jié)電模式，可以在血糖儀不工作的時(shí)候使其進(jìn)入節(jié)電模式，節(jié)省電池電量。采用I2C總線與單片機(jī)連接，有效節(jié)省單片機(jī)I/O口線。自動(dòng)計(jì)算閏年，并且以BCD碼格式表示年月日時(shí)間數(shù)據(jù)，為MCU的讀寫提供很大方便。
(4)不同用戶模式設(shè)計(jì)。終端客戶只需要進(jìn)行血糖測(cè)試及測(cè)試的歷史記錄，而調(diào)試人員需要知道測(cè)量的電流值以檢測(cè)該儀器的質(zhì)量，因此，本方案特意設(shè)計(jì)兩種操作模式分別提供給終端用戶及生產(chǎn)過(guò)程中的調(diào)試人員使用，只需要簡(jiǎn)單實(shí)用一根特殊的測(cè)試條就可以讓該儀器計(jì)入超級(jí)用戶模式，該模式提供了測(cè)試電流的顯示界面，在該界面下，調(diào)試人員可以以標(biāo)準(zhǔn)電阻代替試劑來(lái)測(cè)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(cè)試和最終的銷售可以使用同一個(gè)程序，為生產(chǎn)帶來(lái)很大的方便，也為該產(chǎn)品的維修帶來(lái)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(jìn)行代碼校正，所謂代碼校正實(shí)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(huì)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(shí)際就是擬合曲線的參數(shù)的整合成一個(gè)特殊的代碼形式。圖4是試劑條，由專業(yè)生物醫(yī)學(xué)機(jī)構(gòu)調(diào)配，因?yàn)槊颗噭l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(jī)構(gòu)提供，并燒寫相應(yīng)的校正代碼條隨試劑交付終端用戶使用。用戶每次購(gòu)買一批新試劑的時(shí)候必須先通過(guò)代碼校正條修改血糖儀的參數(shù)。代碼校正條的設(shè)計(jì)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(cè)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(diǎn)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(gè)功能的復(fù)合端口。因此電路上設(shè)計(jì)了巧妙的電路轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)用以在根據(jù)插入的介質(zhì)自動(dòng)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(shè)計(jì)。由于本方案設(shè)計(jì)了單位自動(dòng)轉(zhuǎn)換，一般用戶模式和超級(jí)用戶模式等功能，這些功能的實(shí)現(xiàn)都依靠特殊代碼校正條來(lái)實(shí)現(xiàn)，原理就是選取幾個(gè)特殊代碼，燒寫在代碼校正條中，利用血糖儀可以自動(dòng)讀取代碼校正條來(lái)設(shè)置參數(shù)的功能，當(dāng)讀到代碼時(shí)先判斷是否特殊代碼，如果是就進(jìn)行相應(yīng)的操作，否則就進(jìn)入新參數(shù)設(shè)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(shí)現(xiàn)及人機(jī)界面
血糖儀電路結(jié)構(gòu)如圖5。血糖儀采用一塊PDM1621-893的定制液晶模塊作為人機(jī)界面，該模塊可以實(shí)現(xiàn)諸如實(shí)時(shí)時(shí)鐘，電池電量，測(cè)量單位，報(bào)警信號(hào)，代碼提示等多種顯示，另外結(jié)合對(duì)三位七段數(shù)碼顯示的編程可以在多個(gè)工作模式下提供盡可能豐富的提示信息。液晶面板結(jié)構(gòu)如圖6。整個(gè)血糖儀的操作流程如圖7。

圖5 電路結(jié)構(gòu)

圖7 程序流程
血糖儀作為臨床醫(yī)學(xué)中常用的醫(yī)療電子儀器，主要通過(guò)測(cè)量血液中的血糖濃度進(jìn)行臨床診斷。世紀(jì)芯在各類醫(yī)療電子儀器及高檔昂貴醫(yī)療設(shè)備的仿制開發(fā)和維護(hù)維修領(lǐng)域擁有多年服務(wù)經(jīng)驗(yàn)，可長(zhǎng)期提供醫(yī)療設(shè)備電路板替換維修、故障排除、電路板復(fù)制、樣機(jī)克隆、調(diào)試生產(chǎn)等全套技術(shù)服務(wù)，同時(shí)還可根據(jù)客戶需求提供血糖儀等眾多醫(yī)療電子設(shè)備全套技術(shù)資料的提取與轉(zhuǎn)讓，協(xié)助產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用者進(jìn)行維修維護(hù)和改進(jìn)升級(jí)，或者協(xié)助工程師進(jìn)行產(chǎn)品的參考設(shè)計(jì)。