黃勇剛

(艾康生物技術(shù)(杭州)有限公司,杭州310010)

引 言

現(xiàn)在社會(huì)人們的物質(zhì)生活條件非常優(yōu)越,患有糖尿病的人越來越多,手持式血糖儀漸漸走入了普通人的生活中。在血糖儀依據(jù)血糖試紙進(jìn)行血糖測(cè)量時(shí),需要使用一個(gè)代碼芯片。常用做法是,使用一個(gè)帶EEPROM代碼芯片的可插拔部件,將試紙的有效期等重要信息存儲(chǔ)在這個(gè)EEPROM中。由于這個(gè)代碼芯片部件和血糖儀之間通過簧片進(jìn)行連接,需要經(jīng)常插拔替換,因此存在著接觸不良、用戶在使用新的試紙時(shí)忘記更換代碼芯片部件的風(fēng)險(xiǎn)。本文詳細(xì)介紹了一種使用無源RFID替代EEPROM代碼芯片,來存儲(chǔ)血糖試紙的有效期等重要信息的方法。

1 RFID簡(jiǎn)介

RFID(Radio Frequency Identification)俗稱電子標(biāo)簽。它是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù),通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù),識(shí)別工作無需人工干預(yù),操作快捷方便。RFID由一個(gè)詢問器(或閱讀器,可讀寫標(biāo)簽的信息)和單個(gè)或多個(gè)應(yīng)答器(或應(yīng)答標(biāo)簽,每個(gè)標(biāo)簽具有唯一的電子編碼)組成。

RFID技術(shù)的基本工作原理是:閱讀器發(fā)出射頻信號(hào),形成一定范圍的電磁場(chǎng);應(yīng)答標(biāo)簽進(jìn)入電磁場(chǎng)后感應(yīng)接收到命令信號(hào),依據(jù)命令返回相應(yīng)的信號(hào)給閱讀器;閱讀器接收到信號(hào)數(shù)據(jù)后,提供給MCU進(jìn)行相應(yīng)的處理。

應(yīng)答標(biāo)簽可分為以下兩種:

①有源電子標(biāo)簽(主動(dòng)標(biāo)簽)。內(nèi)部裝有電池,在接收到命令信號(hào)后能主動(dòng)發(fā)送相應(yīng)的信號(hào)數(shù)據(jù)給閱讀器。有源電子標(biāo)簽讀/寫距離較遠(yuǎn),體積較大,成本較高,電池不能長久使用,能量耗盡后就無法工作。

②無源電子標(biāo)簽(被動(dòng)標(biāo)簽)。內(nèi)部無電池,在進(jìn)入閱讀器的工作范圍內(nèi)之后接收微波信號(hào),將部分微波能量轉(zhuǎn)化為直流電供自己工作,然后將存儲(chǔ)在芯片中的信息數(shù)據(jù)發(fā)送給閱讀器。無源電子標(biāo)簽成本很低,有很長的使用壽命,體積更小,讀寫距離較近。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

手持式血糖儀采用電池供電,因此對(duì)各個(gè)功能模塊和元件的功耗有很高的要求。綜合各方面的考慮,血糖儀采用低功耗RF IC產(chǎn)品和MCU組成的射頻識(shí)別(RFID)讀取電路,血糖試紙包裝盒上使用無源RFID電子標(biāo)簽存儲(chǔ)試紙的信息。在進(jìn)行血糖測(cè)量的過程中,按照提示使用血糖儀讀取血糖試紙包裝盒上的信息,就可以進(jìn)行正常測(cè)量了。它是一種非接觸的通信方式,RFID直接通過空間電磁場(chǎng)耦合通信,沒有機(jī)械接觸點(diǎn),無磨損,數(shù)據(jù)傳輸安全可靠。

血糖儀在進(jìn)行血糖測(cè)量的時(shí)候,需要得到試紙的信息以便計(jì)算測(cè)量結(jié)果,因此在測(cè)量之前用戶需要判斷血糖儀存儲(chǔ)在內(nèi)部存儲(chǔ)器中的試紙信息是否正確。一般是核對(duì)顯示在LCD屏上的代號(hào)是否和試紙包裝盒上印刷的代號(hào)一致),如果不對(duì),就需要運(yùn)行血糖儀上的RFID通信模塊,將存儲(chǔ)在血糖試紙包裝盒上無源RFID電子標(biāo)簽中的試紙信息讀入血糖儀中,參與計(jì)算測(cè)量結(jié)果。

血糖測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。在血糖儀上有一個(gè)RFID信號(hào)收發(fā)電路,在試紙包裝盒上有一個(gè)無源RFID電子標(biāo)簽,它們之間通過空間電磁場(chǎng)耦合進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。功耗較低的PVC錢幣卡作為試紙校準(zhǔn)參數(shù)的載體。它采用優(yōu)質(zhì)PVC層合生產(chǎn)而成,標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)穩(wěn)固并且完全防水,尺寸很小,但是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量、通信距離、通信頻率等參數(shù)不會(huì)因?yàn)轶w積小而有所影響,非常適用于本應(yīng)用。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖1 血糖測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

RFID信號(hào)收發(fā)電路如圖2所示?？紤]到射頻識(shí)別(RFID)電路對(duì)RF IC的低功耗需求,選擇TI公司的TRF7962芯片。TRF7962是高度集成、多標(biāo)準(zhǔn)模擬前端及數(shù)據(jù)成幀系統(tǒng),用于13.56 MHz的RFID讀取器,內(nèi)置編程選項(xiàng);工作電壓為2.7～5.5 V,休眠電流僅1μA,接收狀態(tài)工作電流為10 mA,輸出功率可編程控制為100 mW或者200 mW。TRF7962芯片本身具有同時(shí)識(shí)別多個(gè)無源RFID電子標(biāo)簽時(shí)的防碰撞的功能;TRF7962采用低功耗模式,能有效降低系統(tǒng)的功耗性。天線采用PCB腐蝕線圈,通信可靠性高。

血糖試紙包裝盒是一個(gè)塑料材質(zhì)的圓筒狀容器,體積比較小,可利用的面積也有限,因此在選擇無源RFID電子標(biāo)簽的時(shí)候?qū)w積也有很高的要求。在經(jīng)過對(duì)比后,排除了普通名片大小的RFID射頻卡,選擇了體積相對(duì)很小、

圖2 RFID信號(hào)收發(fā)電路

在系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)中,通信采用ISO15693協(xié)議,增大了識(shí)別無源RFID電子標(biāo)簽的距離、數(shù)據(jù)傳輸速度;對(duì)各個(gè)命令和信號(hào)進(jìn)行加密處理、通信中對(duì)命令和數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn),保證了讀取無源RFID電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)的可靠性和安全性;13.56 MHz的工作頻率保證了讀取無源RFID電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)的便捷性和快速性。

手持式血糖儀在不使用的時(shí)候處于休眠待機(jī)狀態(tài),除了維持MCU必要的時(shí)間功能外,其余的各個(gè)電路都處于休眠狀態(tài)。使用它進(jìn)行血糖測(cè)量時(shí),需要從試紙包裝盒中取出一條測(cè)試試紙,插入血糖儀的試紙插入口,使得血糖儀開始工作,各個(gè)電路功能模塊逐一喚醒進(jìn)入工作模式。在進(jìn)行必要的內(nèi)部電路自檢后,將存儲(chǔ)在血糖儀內(nèi)部存儲(chǔ)器中的試紙信息讀出,并將代號(hào)顯示在LCD屏上,由用戶核對(duì)代號(hào)是否和試紙包裝盒上的代號(hào)一致。如果不一致,則RFID信號(hào)收發(fā)電路開始向外發(fā)送信號(hào),尋找無源RFID電子標(biāo)簽,同時(shí)在LCD顯示屏上提示用戶將試紙包裝盒靠近正在工作的血糖儀,使血糖儀能讀取到該試紙的校正系數(shù)。

試紙包裝盒靠近正在工作的血糖儀后,安裝在包裝盒上的無源RFID電子標(biāo)簽接收到微波信號(hào),將部分微波能量轉(zhuǎn)化為直流電供自己工作,同時(shí)依據(jù)命令信號(hào)將自己的識(shí)別碼發(fā)送給RFID信號(hào)收發(fā)電路,接收血糖儀發(fā)送的確認(rèn)命令后,再將自身存儲(chǔ)的試紙信息參數(shù)發(fā)送出去。

血糖儀的RFID信號(hào)收發(fā)電路接收到無源RFID電子標(biāo)簽的識(shí)別碼后,判斷該電子標(biāo)簽是不是用于存儲(chǔ)試紙信息的部件:如果不是,繼續(xù)發(fā)送信號(hào)尋找正確的電子標(biāo)簽;如果識(shí)別碼正確,則發(fā)送試紙信息讀取命令,等待接收試紙信息數(shù)據(jù)。

血糖儀的RFID信號(hào)收發(fā)電路在接收到試紙信息參數(shù)后,將數(shù)據(jù)存入MCU的RAM中,MCU控制電路控制RFID信號(hào)收發(fā)電路進(jìn)入休眠狀態(tài),然后將試紙信息參數(shù)代碼顯示在LCD顯示屏上,提示用戶進(jìn)行血糖測(cè)量。

如果RFID信號(hào)收發(fā)電路在接收信號(hào)過程中得到好幾個(gè)識(shí)別碼,那么表示在血糖儀附近有好幾個(gè)血糖試紙包裝盒,血糖儀會(huì)提醒用戶將不正確的試紙包裝盒拿走,只剩下與使用的試紙對(duì)應(yīng)的包裝盒,直到在RFID信號(hào)收發(fā)電路工作范圍內(nèi)只剩下一個(gè)無源RFID電子標(biāo)簽為止。由于手持式血糖儀需要考慮整體功耗,如果在一定時(shí)間內(nèi)沒有找到正確的電子標(biāo)簽,則提示出錯(cuò)信息,結(jié)束本次測(cè)量。

血糖儀軟件由主程序、顯示子程序、按鈕處理子程序(包含通信子程序)、試紙測(cè)量子程序等組成。主程序流程如圖3所示。

試紙測(cè)量子程序如圖4所示,是RFID在血糖儀應(yīng)用上的重點(diǎn)部分。在RFID電路和電子標(biāo)簽通信的過程中,為了防止遭遇意外干擾而導(dǎo)致通信失敗,需要著重考慮通信的容錯(cuò)設(shè)計(jì),還需要添加校驗(yàn)功能、加密功能,以保證識(shí)別電子標(biāo)簽的正確性和信息的保密性。即使添加了這么多軟件功能,軟件設(shè)計(jì)時(shí)還是要充分考慮各種可能的出錯(cuò)情況,歸結(jié)到對(duì)應(yīng)的出錯(cuò)代碼,從而保證用戶界面的友好。

圖3 主程序流程

結(jié) 語

RFID在電子設(shè)備上已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用,但在小型手持式設(shè)備上用的還不多。本文實(shí)現(xiàn)了RFID在手持血糖儀上的應(yīng)用,采用無源RFID存儲(chǔ)血糖試紙的信息參數(shù),開拓了RFID的應(yīng)用領(lǐng)域。實(shí)驗(yàn)證明,該設(shè)計(jì)方案是

圖4 試紙測(cè)量子程序

可行性的,并且取得了滿意的應(yīng)用效果。

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