基于C8051F040單片機的動態血糖監測系統的低功耗設計

潘佚

（南華大學 電氣工程學院，湖南 衡陽 421001）

2007-2008年的調查顯示，我國20歲以上人群中男性和女性糖尿病的患病率分別達10.6%和8.8%，總體患病率已達9.7%，同期糖尿病前期的患病率高達15.5%[1]。因此，糖尿病已成為我國面臨的一個重大的公共衛生問題，其防治具有極其重要的意義。糖尿病防治過程中最重要的步驟是進行血糖監測。利用快速血糖儀測血糖，可以很快獲得結果，及時調整治療[2-6]，動態血糖監測則可以提供血糖連續變化的信息。動態血糖儀使用電池供電，在系統設計中功耗問題顯得尤為重要。集成度高、低功耗的微處理器是降低系統功耗的關鍵。本文采用了混合信號片上系統級單片機C8051F040達到了低功耗的目的。

1 血糖儀系統結構

動態血糖監測系統的一般結構如圖1所示，包括模擬模塊和數字模塊。模擬模塊的功能是對生物傳感器（葡萄糖氧化酶電極）的輸出信號進行采集、放大、濾波和模數轉換；數字模塊的核心是微處理器，負責對采集到的數據進行存儲、處理、與上位機通訊、液晶顯示、發現異常信號時報警。系統的外圍器件較多，在滿足設計指標的條件下應選用低功耗特性的產品。動態血糖監測需要在一段長時間內進行間斷的、定時的（如30分鐘）連續測量，意味著微處理器不能同其他設備一樣，為了省電在不工作時完全關斷，而必須一直處于監控狀態，因此微處理器的功耗在系統平均功耗中占有相當大的比例，微處理器本身功耗的大小對系統整體功耗的影響很大[7]。

2 幾種低功耗處理器比較

目前在系統設計中廣泛應用的低功耗單片機已有多種。表1給出了TI、ATMEL和Silabs公司的三種典型的低功耗微處理器的功耗比較[8]。表中正常模式電流消耗數據指MCU工作主頻在1 MHz時，節能模式數據指各廠商微處理器適用于本系統的低功耗模式。

表1 三種常用低功耗微處理器的功耗參數Tab.1 Power consumption parameter of common MCUs

雖然MSP430F16x和ATMEGA16L系列微處理器的功耗也很低，但綜合考慮A/D、D/A轉換器精度、各接口類型和數量、存儲器、PGA等可用資源情況，C8051F040更利于減少外圍器件的數量，減小系統的體積，從而達到降低整個系統功耗的目的。C8051F040采用了流水線處理構架，集成12位ADC和DAC模塊，芯片溫度傳感器，3個史密斯比較器模塊，一個SPI串行外圍設備接口控制器，一個SMBUS總線控制器 （與I2C完全兼容），64K Flash Rom，256 BYTE片內存儲器和4K BYTE外部存儲器，兩個外部事件中斷（中斷源可高達20個），5個定時器。高集成度和多中斷源使得C8051F040在低功耗系統設計中有很大的優勢[8]。本設計中通過對微處理器的工作電壓、晶振頻率和軟件優化實現最大限度地降低功耗。

3 低功耗策略

影響CMOS數字邏輯器件功耗的因素主要有兩方面：供電電壓和系統時鐘（SYSCLK）頻率。其中功耗與系統時鐘的關系用下式來表達：

式中，C為CMOS的負載電容，V是電源電壓，f是系統時鐘頻率。由上式可以看出，CMOS邏輯電路中的電流與電源電壓成正比，功耗與電源電壓的平方成正比，降低器件的供電電壓可以減小功耗。C8051F040所要求的電源電壓為2.7～3.6 V，為了減小功耗，設計中使用3.0 V的穩壓器而不采用3.3 V的穩壓器。外圍器件均使用3 V的電源供電，并具有關斷或待機功能。

C8051F040的系統時鐘可以來自內部振蕩器，也可以來自一個外部時鐘源。內部可編程振蕩器可提供最高24.5 MHz的時鐘頻率；外部時鐘源可以是一個CMOS時鐘、RC電路電容或晶體振蕩器。

動態血糖測量是一種“猝發”操作，即測量要求高速度，但只是在很短的時間間隔發生。對C8051F040來說，SYSCLK頻率可在任何時刻改變，因此器件平時可工作在較低的頻率，直至某個需要高速操作的條件發生（如定時器中斷）。

本設計中，C8051F040使用一個實時時鐘提供時間戳來進行高速數據轉換，一個內部振蕩器和外部晶體的組合是最理想的方案：在采樣和數據處理操作期間使用高速內部振蕩器，操作結束后使用一個外部32 kHz晶體以維持實時時鐘，一旦重新需要高速操作，微處理器將切換到內部振蕩器，如圖2所示。

圖2 內部和外部振蕩器配置方案Fig.2 Configuration scheme of internal and external oscillators

4 低功耗系統的軟件設計與優化

C8051F040的可編程內部振蕩器最高可達24.5 MHz，根據血糖監測的需要，本設計中使用其8分頻作為高速模式已經足夠，外部則使用32 kHz晶振待機。系統時鐘的初始化代碼如下：

C8051F040通過IO口控制各個外圍設備和電源管理芯片；用高速模式進行采樣、計算、存儲和顯示，完成一次測量后，系統進入待機，關閉AD及所有外設，切換到外部晶振，直到下一次被定時器中斷喚醒。C8051F040有5個定時/計數器，在系統設計中用定時器3中斷提供測量所需的時間戳。代碼如下：

在這樣的設計下，可以通過計算平均電流來估算功率需求。微處理器在正常方式（用于采樣、數據轉換、處理）和等待方式（兩個采樣處理操作之間）之間切換。等待方式下，外部時鐘頻率32 kHz，外圍器件關閉。僅考慮微處理器的話，等待方式下的模擬外設被禁止，模擬電流消耗（電源監視模塊）約為0.6 μA；數字部件的電流消耗約為 0.65 mA/MHz，計算可得20.8 μA。微處理器在等待時的總消耗電流約為21 μA。

理論上來說，高速模式運行的時間是ADC跟蹤/轉換時間并將樣本保存到存儲器的時間。C8051F040的ADC模塊在低功耗跟蹤方式下，有3個SAR時鐘用于跟蹤，16個SAR時鐘用于轉換。這19個SAR時鐘在頻率為3 MHz時需要6.3 μs；存儲采樣值需要兩個 SYSCLK 周期即 0.083 μs。進入正常方式需要執行一條MOV指令，消耗3個SYSCLK周期即0.125 μs。因此，在高速模式一次采樣需要的總時間為6.5 μs。

實際情況要復雜得多。微處理器在啟動DC-DC時，往往會出現一個瞬時電流峰值，因此到DC-DC輸出穩定之前系統需要等待幾毫秒；為了提高信噪比，系統需要在每次測量時進行多次采樣和數字濾波；存儲測量結果時，對外圍器件（鐵電）的讀寫也包含較多的等待周期等等，這些都增加了系統實際功耗，計算也比較復雜。雖然如此，本設計中動態血糖監測要求每30分鐘對電極輸出進行一次采樣，系統高速運行時間比等待時間仍然少得多。

在軟件優化上，應用定時中斷的方式減少CPU的工作時間、應用片內定時/計數器的定時計數功能進行定時測量或對信號計數，盡可能不使用查詢或等待方式，有利于減小系統功耗。

表2 動態血糖監測系統電流消耗Tab.2 The current consumption of continuous glucosemonitoring system

通過硬件和軟件的優化設計，測得系統在高速（含采樣）工作態的電流為12 mA左右，在待機模式下工作電流降低至5.4 mA。該系統各部分在不同工作模式下的電流消耗如表2所示。實際測試中，利用2 500 mAh的5號電池供電時，系統可以工作450 h左右，滿足設計要求，便于隨身攜帶。

5 結束語

文中比較了多種低功耗單片機，從動態血糖監測系統需求出發，使用集成度高、功耗低、具備高精度ADC的C8051F040單片機作為微處理器，采用了內部振蕩器和外部晶體組合的系統時鐘，充分利用各種中斷源和低功耗模式，選用低功耗的外圍器件，有效降低了系統總功耗，實現400小時以上的連續血糖監測。各種工作模式均在基于C8051F040的動態血糖監測系統上得到驗證。

[1]YANG Wen-ying，LU Ju-ming，WENG Jian-ping，etal.Prevalence of diabetes among men and women in China[J].N Engl J Med，2010，362:2425-2426.

[2]Rubin R.J.，Altman W M，Mendelson D N.Health Care Expenditures for People with diabetes Mellitus[J].Journal of Clinical Endocrinology and Metabolism，1992（78）:809-809.

[3]Klonoff D C.Benefits and Limitations of Self-Monitoring of Blood Glucose[J].J Diabetes Sci Technol，2007，1（1）:130-132.

[4]Solnica B.Quality Control of SMBG in Clinical Practice[J].Scandinavian Journal of Clinical&Laboratory Investigation，2005，65（s240）:80-85.

[5]Poolsup N，Suksomboon N，Jiamsathit W.Systematic review of the benefits of self-Monitoring of blood glucose on glycemic control in Type 2 diabetes patients[J].Diabetes Technology&Therapeutics，2008，10（s1）:S-51-S-66.

[6]黃華東，郭張軍.彭鵬基于分布式多傳感器融合技術的壩基地下水宏觀動態監測數據分析[J].陜西電力，2011（3）：13-16.

HUANG Hua-dong，GUO Zhang-jun，PENG Peng.Study on macroscopic regime of groundwater under dam section based on distributed multi-sensor data fusion theory[J].Shaanxi Electric Power，2011（3）：13-16.

[7]童長飛.C8051F系列單片機開發與C語言編程[M].北京:北京航空航天大學出版社，2005.

[8]周樂川，葉樹明，蔣春躍，等.基于MSP430F1611的自容式葉綠素儀的采集控制電路的低功耗設計[J].電子器件，2008，31（3）:864-867.

ZHOU Le-chuan，YE Shu-ming，JIANG Chun-yue，et al.Lowpower design of the acquisition and control circuit for selfcontained chlorophyll detection device based on MSP430F1611[J].Journal of Electron Devices，2008，31（3）:864-867.