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糖尿病是一種常見的代謝內(nèi)分泌疾病，是由于人體內(nèi)缺乏胰島素或其受體異常所致，以高血糖為主要特征，是一種世界范圍內(nèi)的流行疾病。近年來其發(fā)病呈顯著上升趨勢，目前全世界約有10%的成年人身患此病。在我國，糖尿病患者約有四千五百萬人，目前的治療方式主要是對病人體內(nèi)的葡萄糖代謝進行調(diào)控，臨床治療給藥的重要依據(jù)是病人的血液葡萄糖含量，因此通過自我檢測血糖儀來追蹤、評估糖尿病的控制是很重要的。特別是自我檢測血糖儀可以在醫(yī)院甚至家中方便、迅速的檢出結(jié)果，使醫(yī)師或者患者據(jù)此調(diào)整治療方案和生活作息。本設(shè)計的多功能語音血糖儀可完成對血糖濃度的快速而簡便的檢測，并且采血量少，超低功耗設(shè)計，溫度顯示，鬧鈴提示和語音播報等功能，更有利于病人進行自我監(jiān)測。本設(shè)計采用飛思卡爾MC9S08LL36單片機，配以血糖檢測電路、語音電路及LCD屏顯示，良好的人機界面，具有操作簡單、超功耗低、測量迅速，語音播報等優(yōu)點，并能儲存多達500個歷史數(shù)據(jù)，便于病人掌握自己血糖濃度的變化趨勢，采用合理的用藥方式。

1.血糖測量原理

血糖儀是根據(jù)電生物化學(xué)原理——施加一定電壓于經(jīng)酶反應(yīng)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(shè)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(guān)系，反算出相應(yīng)的濃度。所以，確定這個關(guān)系是問題的核心。但其關(guān)系復(fù)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(guān)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(guān)系。而相鄰濃度點之間用簡單的線性關(guān)系取代。

2.血糖儀的整體設(shè)計

本文所研究的多功能血糖儀設(shè)計要實現(xiàn)以下功能：

（1）血糖檢測功能：MC9S08LL36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(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓值。采用如圖1所示的電路就能實現(xiàn)這一要求。其中，電阻R2用于放大。

（2）環(huán)境溫度測量及溫度補償：MC-9S08LL36單片機內(nèi)部集成了溫度傳感器，并且對應(yīng)內(nèi)部一個12位A/D通道，直接進行A/D轉(zhuǎn)換即可完成溫度測量，無需再外加溫度傳感器。

（3）實時時鐘功能：MC9S08LL36單片機內(nèi)部有鎖頻環(huán)（FLL），可以通過軟件進行修整，提高精確度，實時時鐘計數(shù)器TOD，這提供了高可靠性，低成本的時鐘源。

（4）鬧鈴提示功能：了解血糖的趨勢對患者治療非常重要，特別是固定時間測量，所以有鬧鈴提示更方便患者得使用。

（5）語音功能：方便老年人使用，設(shè)計更人性化。

3.血糖儀的硬件設(shè)計

本系統(tǒng)以飛思卡爾MC9S08LL36單片機為核心，硬件電路包括微處理器、血糖測試電路、語音播報電路及人機交流電路等。

3.1 微處理器

MC9S08LL36單片機是飛思卡爾基于HCS08核的8位單片機。具有極低功耗，內(nèi)置LCD驅(qū)動及豐富的外圍接口。1.8V-3.6V的低工作電壓，內(nèi)置瑣頻環(huán)電路FLL，32K FLASH程序空間，2K字節(jié)RAM，實時時鐘計數(shù)器TOD，8路12位A/D，內(nèi)置穩(wěn)壓源可以省去外加穩(wěn)壓模塊和電源測量模塊，節(jié)省了血糖儀的成本，提高了系統(tǒng)的可靠性，并降低了系統(tǒng)整體功耗，完全滿足本血糖儀的各項功能需求。特別是低功耗，內(nèi)置LCD驅(qū)動和低工作電壓方面具有獨到的優(yōu)勢，特別適合血糖儀這種便攜式手持式儀表的設(shè)計。

3.2 血糖測試電路

在酶電極兩端加上穩(wěn)定的激勵電壓，該激勵電壓是由內(nèi)置穩(wěn)壓源模塊提供的1.2V（VREF）穩(wěn)壓通過電阻分壓而產(chǎn)生的，大約在245mV左右，它能產(chǎn)生μA級別的定向電流。當(dāng)酶電極兩端滴入血樣后，會產(chǎn)生自由電子。由于電極兩端存在激勵電壓，就會有定向電流流過電極。由于A/D轉(zhuǎn)換模塊測量的是電壓，所以需要將該定向電流轉(zhuǎn)換成電壓，并且進行一定的放大。本系統(tǒng)采用圖1所示的電路來實現(xiàn)電流到電壓的轉(zhuǎn)換和放大。

運算放大器的反相端連接血糖試紙上的酶電極，當(dāng)有血樣滴入時，該電極與地之間為等效電阻Rx，流過該電阻的電流正比于血液中的血糖濃度值，經(jīng)過關(guān)系式換算出血糖濃度。

圖1

圖2

圖3

MC9S08LL36的A/D模塊輸出一輸出1.2V的穩(wěn)壓通過R1和R3分壓，產(chǎn)生245mV的激勵電壓，該電壓通過運放的正端加到電極兩端。R2起到反饋放大的作用，它將運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，由于運放輸出和MC9S08LL36的ADC模塊輸入I/O口之間的走線可能會比較長而引入干擾，為了確保測量值的準(zhǔn)確，需要對測試電壓進行濾波，C1就是用來起濾波作用的，從而減少了外來干擾對血糖測試的影響。而運放直接接電容負載容易引起輸出震蕩，R4的作用就是隔離運放和電容。由于電阻R4上會有電流流過，這樣電阻兩端就有壓降存在，電壓信會受此影響而變化，為了不影響血糖測試的精度，R4的值不能取得過大。跟據(jù)經(jīng)驗值取20Ω。

根據(jù)運算放大器的理想特性：

有式子（1）和（2）可得

其中：V。是運放輸入A/D的到得電壓；

Vin = 245mV

R2 = 90kΩ

這樣就算血糖參與反應(yīng)的電流I和電阻Rx。

3.3 語音播報電路

AP89085一次性編程(OTP)語音芯片是采用8-bit PCM壓縮方式。在6K采樣率下時間長度可達到85秒，通過M0和M1可以選擇按鍵或CPU方式觸發(fā)，按鍵可以觸發(fā)32段，CPU可以觸發(fā)254段，3個輸出端可以選擇LED、STOP、BUSY不同組合，聲音輸出可外接三極管放大輸出(COUT)或直接推喇叭(VOUT)方式。本系統(tǒng)選擇SPI串行CPU方式觸發(fā)，直接驅(qū)動喇叭。而且AP89085工作電壓：2.6-3.6V，靜態(tài)電流小于5uA，芯片外圍線路簡單，特別適合便攜式設(shè)備，所以本系統(tǒng)選擇AP89085作為語音驅(qū)動芯片。

3.4 人機交流電路

為了方便操作，本系統(tǒng)設(shè)計了鍵盤和液晶顯示電路。本系統(tǒng)利用MC9S08LL36的兩個具有中斷喚醒功能的I/O口對按鍵進行處理，能在低功耗模式下快速喚醒，具體電路如圖3所示。

為了方便用戶更直觀的看到血糖濃度值，本系統(tǒng)利用MC9S08LL36內(nèi)置LCD驅(qū)動，采用了斷碼液晶顯示，同時附帶了時鐘日歷和血糖濃度單位的顯示，如圖4。

圖4

4.血糖儀的軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，根據(jù)上述本系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能，其主程序框架如圖5所示。

圖5

對于便攜式設(shè)備，電池壽命至關(guān)重要，所以低功耗是設(shè)計中首要考慮的因素。系統(tǒng)功耗由兩部分組成：單片機本身的功耗和外部電路的功耗。由于外部電路的功耗基本上是固定的，因此選用低功耗的單片機至關(guān)重要。單片機本身的功耗包括正常運行時的功耗和睡眠時的功耗。 在血糖儀的使用中，由于平時大部分時間工作于睡眠狀態(tài)，因此睡眠時的電流至關(guān)重要，MC9S08LL36在睡眠3（STOP3）模式的電流為400nA。而且從睡眠3（STOP3）模式喚醒的時間非常短，只有6uS，當(dāng)單片機檢測到酶電極兩端滴入血液或有按鍵動作時，可以很快的響應(yīng)。在系統(tǒng)完成測量時，啟動定時器倒計時，在倒計時期間若無操作，2分鐘后再次進入睡眠狀態(tài)，降低功耗。

為滿足個性化需要，還增加了時鐘、單位設(shè)置、記憶存儲，平均值和溫度顯示等功能。具備了一機多功能的特點，滿足不同人群的要求。

表1 測試結(jié)果（血糖單位：mmol/L）

5.血糖儀的臨床測試

使用MC9S08LL36設(shè)計的血糖儀在臨床測試中，取得了較好的結(jié)果，實驗對象分為三組，第一組為血糖正常人6名，第二組中輕度糖尿病患者6名，第三組重度糖尿病患者8名。用三臺血糖儀進行測試，并和奧林巴斯AU640全自動生化分析儀進行比對，臨床試驗結(jié)果見表1。

根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，三組血糖儀的測試數(shù)據(jù)與奧林巴斯AU640全自動生化分析儀測試數(shù)據(jù)的相關(guān)性分別達到：血糖A：ρ=0.999469959，血糖B：ρ=0.999542691，血糖C：ρ=0.999835814，完全滿足醫(yī)學(xué)臨床測試的要求。

6.結(jié)束語

該血糖儀能夠準(zhǔn)確測量血糖濃度，并且具備實時時鐘，還具有超低功耗，溫度顯示，鬧鈴提示和語音播報等多種功能，方便用戶使用，以便用戶采用正確的用藥方式。低功耗也是本系統(tǒng)的一個突出優(yōu)點，一節(jié)普通的CR2032電池，能測試血糖次數(shù)達1000次以上，基本上能夠支持用戶長達一年的使用而不用更換電池，真正實現(xiàn)了便攜式設(shè)備。

[1]蔣開偉.基于MSP430F435的血糖儀研究與設(shè)計[D].北京:北京交通大學(xué),2006.

[2]王宜懷,劉曉升.嵌入式技術(shù)基礎(chǔ)與實踐[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007.