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8位元微控制器小兵立大功　低成本血糖機開發更Easy

2016-11-28

Namrata Dalvi

血糖機是一種用於確定溶液中葡萄糖濃度的醫療設備。葡萄糖濃度的單位是毫克每百毫升(mg/dL)或毫莫耳每升(mmol/L)。家用血糖機已成為糖尿病患者做為居家量測血糖的重要監測設備，並可在家中或外出時一天內可進行多次測量，以盡可能地保持血糖的正常水準。

大多數血糖機基於電化學技術。這些血糖機採用電化學試紙進行測量。將一小滴待測溶液置於一次性試紙上，血糖機將利用該試紙來測量葡萄糖。在葡萄糖的電化學測量中，最常用的兩種方法是比色法和電流法。

在比色法中，發光二極體(LED)或光感測器等構成類比介面。跨阻放大器用於測量葡萄糖濃度。利用顏色反射率原理，根據光度測定法來確定試紙反應層的色彩強度。這使得血糖機能夠產生葡萄糖濃度的測量值。

在電流法中，使用毛細管吸取試紙一端的溶液。此試紙還包含一個酶電極，其中含有葡萄糖氧化酶等試劑。葡萄糖在酶的作用下發生化學反應，並在化學反應期間產生電子。隨後測量流經電極的電荷，電荷量與溶液中的葡萄糖濃度成正比。此外，還會測量環境溫度以補償溫度對反應速率的影響，大多數血糖機採用此方法。圖1繪出了試紙的工作原理。

圖1 血糖機試紙工作原理

試紙構成主生化感測器(溶液試樣置於其中)，它具有三個電極。化學反應期間，工作電極中會產生電子。此電極與電流至電壓轉換放大器相連。參考電極的電壓相對於工作電極保持恆定，以便推動所需的化學反應。第三個電極是計數器電極，作用是為工作電極提供電流。大多數血糖機設計僅採用參考電極和工作電極。

向參考電極施加精確的參考電壓(VREF)，向運算放大器施加精確的偏置電壓(VBIAS)。透過這種方法，工作電極和參考電極之間將保持精確的電位差。此電壓是用於驅動試紙輸出電流的激勵，其幅值隨後用於計算產生的電子數量。

將溶液試樣置於試紙上，葡萄糖在酶的作用下發生化學反應。化學反應期間會產生電子。電子的流動對應於流經工作電極和參考電極的電流。此電流將隨葡萄糖濃度的變化而變化。電流可透過跨阻放大器(電流至電壓轉換器)和類比至數位轉換器進行測量。跨阻放大器的輸出電壓，將隨溶液中葡萄糖濃度的變化而變化。

血糖機的數位實現方案可通過微芯(Microchip)的8位元元件PIC16LF178x實現(圖2)。它包含兩個運算放大器、兩個8位元(bit)數位類比轉換器(DAC)、一個最多11個通道12位元的類比數位轉換器(ADC)、內部電子抹除式可複寫唯讀記憶體(EEPROM)、I2C和16位元計時器。

圖2 血糖機方塊圖

善用數位方案　解決血糖機量測

將溶液試樣置於試紙上時，葡萄糖會發生化學反應並產生電子。可以測量電子的流動(流經電極的電流)。此電流將隨葡萄糖濃度的變化而變化。可借助電流至電壓的轉換，並透過PIC元件的內部放大器以及對高頻訊號的濾波來測量電流。隨後，濾波後的訊號饋送至12位元ADC模組進行類比至數位的轉換。將溶液試樣置於試紙上1.5秒(s)後，PIC元件開始捕捉ADC通道的電壓。可獲得約2,048個ADC讀數。將這些讀數的平均值代入回歸公式Y=mX+C，其中Y是葡萄糖濃度(單位為mg/dL)，m是斜率，X是運算放大器輸出電壓的平均ADC讀數，C是常數。

可利用此回歸公式確定葡萄糖濃度，值顯示在液晶顯示器(LCD)上(單位為mg/dL或mmol/L)。內部EEPROM最多可儲存32個血糖讀數，可稍後在LCD上查看這些讀數。血糖機展示板可由內建鋰電池(3伏特、225mAH的CR2032)供電。

開始捕捉ADC值的時間(1至1.5秒)和獲取的ADC讀數數量應根據所用試紙的類型和特性適當修改。此血糖機的設計規範要求葡萄糖的測量範圍為20至600mg/dL(相當於1∼ 33mmol/L)。測試結果需要在5秒內顯示。最近的32個葡萄糖讀數應自動儲存並包含日期和時間標記。由於此血糖機將根據試紙特性來實現和修改通用回歸公式，因此無須對試紙進行編碼。

LCD搭配電路板　完成硬體設計

此血糖機僅採用一塊電路板，其上使用28接腳PIC16LF178x元件。支援線上串列燒錄的連接方式可用於程式的除錯和燒錄。

除了以mg/dL和mmol/L為單位顯示葡萄糖測量結果外，LCD還能顯示指導訊息，如「Insert test strip」(請插入試紙)、「Strip inserted, place the sample」(已插入試紙，請放置試樣)以及「Faulty test strip」(試紙錯誤)。

另外，須要適當的感測器來檢測是否插入試紙、測量溫度以及檢查電池的健康狀況。此血糖機有兩個按鈕，一個用於讀取之前儲存的資料，另一個用於設定日期和時間。

客製韌體模組　檢測試紙電流

韌體須透過PIC元件的內部運算放大器、DAC和ADC來檢測試紙電流。插入試紙並檢查到電壓升高450毫伏特(mV)後，須要捕捉ADC讀數。將試樣置於試紙上並計算出平均值1.5秒後開始記錄ADC讀數。葡萄糖濃度可根據回歸公式和平均ADC讀數進行計算。韌體模組可用於LCD介面和顯示程式、運算放大器的配置、DAC的配置、將葡萄糖讀數儲存到內部EEPROM、讀取ADC通道、計算葡萄糖濃度以及透過將計時器用於時間標記來實現即時時鐘和月曆(RTCC)。

DAC的參考電壓與內部的固定參考電壓緩衝器2相連，設定為2.048伏特(V)。DAC輸出電壓設定為400毫伏特。運算放大器的輸出(電流至電壓轉換器的輸出)通過ADC通道0進行測量。ADC通道3用於測量電池電壓以指示低電量狀態。溫度感測器的輸出與ADC通道8相連以讀取溫度。

葡萄糖讀數將儲存在內部EEPROM中，在休眠模式期間，如果按下開關S1，PIC元件進入記憶體模式，LCD上顯示儲存的葡萄糖讀數。要查看之前的葡萄糖讀數，須按下開關S3。再次按下開關S1，可退出記憶體模式。

16×2字元LCD用於顯示葡萄糖讀數和文字訊息。透過微控制器(MCU)的輸入輸出(I/O)埠的接腳控制LCD的VSS，可在休眠模式期間切斷LCD的電源。

計時器和外部32.768kHz時脈晶振用於實現RTCC。透過開關S1和S3，可為RTCC設置當前日期和時間。

軟硬體調校配置資料I/O運作順暢

如圖3所示，運算放大器的同相輸入通道與DAC的輸出(設置為400毫伏特)相連。運算放大器的同相端子與工作電極相連。借助外部電阻和電容，可構成電流到電壓轉換器。運算放大器的輸出與PIC元件的ADC通道相連。