基于MSP430的血糖儀設計

摘要：本文詳細介紹了采用MSP430系列單片機設計的多功能血糖儀。此款血糖儀不僅能精確測量血糖、實時時鐘，還具有溫度顯示和鬧鈴提示等功能。文章介紹了設計的原理和軟硬件的設計，最后給出本設計最為核心和關鍵的計算公式。

關鍵詞：MSP430；中文LCD顯示；低功耗； RS232；計算公式

引言

    當前市場上血糖儀種類繁多，外形結構千奇百態(tài)，而價格和精度卻大相徑庭；且價格和精度難以兼得。原因在于沒有找到一款合適的微處理器。另外，出于屏幕尺寸的限制，界面普遍采用英文字符顯示，這給中國病人上帶來一定的困惑。
隨著電子技術的發(fā)展，微處理器功能日益增強，價格日趨降低。有必要選出一款功能強大而價格便宜的微處理器來重新設計血糖儀。本系統(tǒng)選用的MSP430系列微處理器使上述設想成為可能。

原理

    血糖儀是根據(jù)電生物化學原理——施加一定電壓于經(jīng)酶反應后的血液產(chǎn)生的電流會隨著血液中的血糖濃度的增加而增加——設計的。通過精確測量出這些微弱電流，并根據(jù)電流值和血糖濃度的關系，反算出相應的濃度。所以，確定這個關系是問題的核心。但其關系復雜，受多方面因素影響。電壓強度、所使用的試條以及檢測的血液量都會對其產(chǎn)生影響。理論上需要在所有濃度點上大量實驗才能確定最終的關系。在實際操作中，只需在選擇若干重要濃度點做大量實驗，并確定其與電流值之間的關系。而相鄰濃度點之間用簡單的線性關系取代。圖1是本設計總結出一定量電壓下的關系曲線。

系統(tǒng)硬件設計

    根據(jù)血糖儀功能的實際需求，結合MSP430系列單片機特點，采用型號為MSP430F435的單片機作為控制核心，其它模塊還有電流檢測、按鍵輸入和電源、顯示、揚聲器及串口通信等。如圖1所示。

 
　　圖1 系統(tǒng)組成

MSP430F435單片機

    本系統(tǒng)選用的單片機MSP430F435具有16Kb Flash存儲器、512B RAM、多達160段LCD驅(qū)動器、8通道/12位ADC及大量的I/O端口等，完全滿足本血糖儀的各項功能需求。{{分頁}}

 
　　圖2 微處理器的端口設置

    主要端口設置如圖2所示。其中COM0~COM3、S16~S39、R03~R33用于實現(xiàn)LCD顯示； Port74和Port75用于串行通信；Port79~Port81為按鍵的輸入端；Port76和Port77分別為運算放大器和RS-232芯片提供供電電壓。Port78連接蜂鳴器；Port2和Port3為ADC輸入；Port7參考電壓輸出；XOUT和XIN連接32KHz的晶振，這是系統(tǒng)的時鐘源。

LCD顯示

    MSP430F435具有液晶驅(qū)動功能，最大能支持160段LCD，并且具有功耗低等特點。本系統(tǒng)采用中文界面的LCD顯示，這也是本款血糖儀的一大特點。此LCD有96碼段，內(nèi)容豐富、功能強大。極大地方便了國內(nèi)病人的使用。

血糖檢測

    從原理中已經(jīng)知道，測量血糖時需要在相應的電極上施加一定的電壓，而電壓的穩(wěn)定性將直接影響測量結果，因此，考慮從相對穩(wěn)定的參考電壓得到，而不是直接從供電電源中得到。

    MSP430單片機A/D采樣的是電壓值，而被檢測的是微量的電流值；因而也需要將電流值放大并轉換成相應的電壓值。采用如圖3所示的電路就能實現(xiàn)這一要求。其中，電阻R用于放大。此外，過少的血液量也將造成結果偏差；所以有必要設計一個用于檢測血液是否足量的簡單電路。而此電路完全可以用與圖3相同的電路來代替。因此采用兩個這樣的電路就可以實現(xiàn)血糖測量。

 
　　圖3 放大電路{{分頁}}

其它模塊

    本系統(tǒng)的供電電壓為3V，采用兩塊電池。其中一塊是主供電源；另一塊為備用，以便設備在換電池時仍能正常工作。

    按鍵采用三個，分別是左鍵、右鍵和OK鍵；OK鍵主要用于開、關機和確認等，左鍵用于數(shù)字減或選項左移等，而右鍵則與左鍵相反。

    由于血糖儀中存有大量的測量結果，因此有必要增加串口通信功能，將這些結果上傳到PC作進一步處理。而單片機本身就具有串行通信接口，只需將TTL電平轉化為RS-232電平即可；這里采用SP3232芯片來實現(xiàn)這一功能。SP3232芯片所需的供電電壓低，適合便攜式設備應用。其外圍電路的連接簡單，僅需幾個0.1µF的電容即可。

系統(tǒng)軟件設計

    系統(tǒng)軟件采用C語言編寫。其主程序框架如圖4所示。

          
　　圖4 主程序框圖

    對于便攜式設備，電池壽命至關重要；設計時應盡量降低功耗，使系統(tǒng)盡可能長時間停留在低功耗狀態(tài)。因此，考慮設備在適當?shù)臅r候自動關機。這里采用了一個定時器。當定時器大于0時，系統(tǒng)處于開機狀態(tài)；當定時器倒數(shù)到0時，系統(tǒng)自動關機。這個定時器是由單片機中的Basic Timer實現(xiàn)的。通過軟件對Basic Timer控制寄存器進行設置，將信號源設為輔助時鐘，大小為32KHz，并進行256分頻，再對中斷定時間隔控制位進行設置，使得中斷每秒進行一次，并且每次到來時都對定時器減1，這樣就實現(xiàn)了定時器每秒減1的功能。具體操作是這樣：開機時，對定時器初始化一個大于0的值，比如30，并且在每按一次有效鍵時，系統(tǒng)重新初始化這個值。因此，當沒有按任何有效鍵時，30秒后就會自動關機，從而實現(xiàn)省電目的。
系統(tǒng)也具有實時時鐘功能，它的實現(xiàn)方式與上述的定時器類似。只是將“每秒減1”改為“每秒加1”；具體操作：每次中斷時都對秒變量進行加1，當秒變量的值變?yōu)?0時，就對分鐘變量加1，而秒變量又重新從0開始計數(shù)；同樣，當分鐘變量累加到60時，就對小時變量加一，而自身又從0開始計數(shù)。依次類推，就可以實現(xiàn)實時時鐘和日期功能。{{分頁}}

    為滿足個性化需要，還增加了時鐘和單位設置、平均值和溫度顯示等功能。這里就不再贅述了。下面主要介紹一下測量模塊。首先，初始化各個端口以及ADC寄存器；然后等待滴血。當檢測到足量血時，斷電并等待若干秒，使之與試條上的酶充分反應。隨后加電并在一秒后迅速讀取。圖5是與本血糖儀配套使用的試條在不同濃度的血糖與酶反應若干秒后再加電產(chǎn)生的電流的變化曲線。由圖不難看出，加電后一秒曲線就較為平穩(wěn)，這也是本設計采用“加電一秒”后即可讀取的原因。

計算公式

    這部分無疑是本設計的關鍵。表1是使用本設計的樣機測得的部分數(shù)據(jù)。由表中的數(shù)據(jù)不難看出，血糖儀和血糖試條的測量重復性較好——CV<3%，遠遠高于國家標準<7.5%的要求。

　　表1 部分實驗數(shù)據(jù)

濃度（mg/dl）
電流（µA） 50 100 200 300 400
1 3.003 6.752 13.101 16.861 19.836
2 3.028 6.678 12.368 17.130 19.621
3 2.918 6.800 13.272 16.764 20.366
4 2.893 6.910 13.028 17.179 20.622
5 3.064 7.081 13.614 17.574 20.341
6 2.881 7.106 13.211 17.264 20.268
7 3.075 6.703 12.905 17.628 19.645
8 2.905 6.849 13.150 17.029 20.158
9 2.991 7.130 13.233 17.081 20.024
10 2.901 7.240 12.964 16.838 20.952
均值 2.9659 6.9249 13.0846 17.1348 20.1833
均方差 0.0746 0.2001 0.3200 0.2924 0.4218
CV（%） 2.5153 2.8896 2.4456 1.7065 2.0898

    通過對數(shù)據(jù)進行三次曲線擬合，就可以得到血糖值和電流值之間的關系曲線圖。圖6是原始數(shù)據(jù)分段曲線和擬合曲線的對比圖。容易看出兩條曲線很吻合；因此在實際操作中可以用一個公式代替分段函數(shù)。這里的曲線公式為：
 
    其中，X是電流值，單位µA，Y是對應的血糖值，單位為mg/dl。在實際驗證過程中，上述公式具有良好的精度。

 
　　圖5 數(shù)據(jù)分段曲線和擬合曲線的對比圖

結語

    此款血糖儀采用MSP430F435作為其核心控制單元，它具有12位A/D轉換；采樣精度達到1/4096。除了基本功能外，系統(tǒng)還增加了鬧鈴提示和串口通信功能，使用戶不僅可以定時測量，而且還可以通過串口將測量結果保存到PC，再通過相應的軟件，對數(shù)據(jù)作進一步處理。本文總結的公式經(jīng)臨床證明具有良好的精度。此外，中文字符界面也極大地方便了用戶使用。

參考文獻：

1 MSP430F43X/F44X data sheet    TI. Corp.
2 沈建華，楊艷琴，翟驍曙. MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應用，2004.11