基于MC9S08LL36便攜式血糖儀設計

（新鄉金象科技有限責任公司，河南 新鄉 453003）

糖尿病是一種常見的代謝內分泌疾病，是由于人體內缺乏胰島素或其受體異常所致，以高血糖為主要特征，是一種世界范圍內的流行疾病。近年來其發病呈顯著上升趨勢，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的葡萄糖代謝進行調控，臨床治療給藥的重要依據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院甚至家中方便、迅速的檢出結果，使醫師或者患者據此調整治療方案和生活作息。本設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測。本設計采用飛思卡爾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，語音播報等優點，并能儲存多達500個歷史數據，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

血糖儀是根據電生物化學原理——施加一定電壓于經酶反應后的血液產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。

2.血糖儀的整體設計

本文所研究的多功能血糖儀設計要實現以下功能：

（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換成相應的電壓值。采用如圖1所示的電路就能實現這一要求。其中，電阻R2用于放大。

（2）環境溫度測量及溫度補償：MC-9S08LL36單片機內部集成了溫度傳感器，并且對應內部一個12位A/D通道，直接進行A/D轉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單片機內部有鎖頻環（FLL），可以通過軟件進行修整，提高精確度，實時時鐘計數器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，設計更人性化。

3.血糖儀的硬件設計

本系統以飛思卡爾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，內置LCD驅動及豐富的外圍接口。1.8V-3.6V的低工作電壓，內置瑣頻環電路FLL，32K FLASH程序空間，2K字節RAM，實時時鐘計數器TOD，8路12位A/D，內置穩壓源可以省去外加穩壓模塊和電源測量模塊，節省了血糖儀的成本，提高了系統的可靠性，并降低了系統整體功耗，完全滿足本血糖儀的各項功能需求。特別是低功耗，內置LCD驅動和低工作電壓方面具有獨到的優勢，特別適合血糖儀這種便攜式手持式儀表的設計。

3.2 血糖測試電路

在酶電極兩端加上穩定的激勵電壓，該激勵電壓是由內置穩壓源模塊提供的1.2V（VREF）穩壓通過電阻分壓而產生的，大約在245mV左右，它能產生μA級別的定向電流。當酶電極兩端滴入血樣后，會產生自由電子。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轉換模塊測量的是電壓，所以需要將該定向電流轉換成電壓，并且進行一定的放大。本系統采用圖1所示的電路來實現電流到電壓的轉換和放大。

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，經過關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的穩壓通過R1和R3分壓，產生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模塊的轉換范圍內。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。跟據經驗值取20Ω。

根據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，按鍵可以觸發32段，CPU可以觸發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。本系統選擇SPI串行CPU方式觸發，直接驅動喇叭。而且AP89085工作電壓：2.6-3.6V，靜態電流小于5uA，芯片外圍線路簡單，特別適合便攜式設備，所以本系統選擇AP89085作為語音驅動芯片。

3.4 人機交流電路

為了方便操作，本系統設計了鍵盤和液晶顯示電路。本系統利用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，本系統利用MC9S08LL36內置LCD驅動，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.血糖儀的軟件設計

系統軟件采用C語言編寫，根據上述本系統要實現的功能，其主程序框架如圖5所示。

圖5

對于便攜式設備，電池壽命至關重要，所以低功耗是設計中首要考慮的因素。系統功耗由兩部分組成：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，因此睡眠時的電流至關重要，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。在系統完成測量時，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，降低功耗。

為滿足個性化需要，還增加了時鐘、單位設置、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 測試結果（血糖單位：mmol/L）

5.血糖儀的臨床測試

使用MC9S08LL36設計的血糖儀在臨床測試中，取得了較好的結果，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，臨床試驗結果見表1。

根據統計數據分析，三組血糖儀的測試數據與奧林巴斯AU640全自動生化分析儀測試數據的相關性分別達到：血糖A：ρ=0.999469959，血糖B：ρ=0.999542691，血糖C：ρ=0.999835814，完全滿足醫學臨床測試的要求。

6.結束語

該血糖儀能夠準確測量血糖濃度，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。低功耗也是本系統的一個突出優點，一節普通的CR2032電池，能測試血糖次數達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，真正實現了便攜式設備。

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

[2]王宜懷,劉曉升.嵌入式技術基礎與實踐[M].北京:清華大學出版社,2007.