帶9S08LH微控制器的血糖儀和血壓計應用

摘要：本文將介紹使用飛思卡爾產(chǎn)品，實施高性價比的血糖儀和血壓計的基本知識。該技術有助于預防和檢測這類疾病癥狀，以便對它們導致的并發(fā)癥進行早期治療。

關鍵詞：血糖儀；MCU；9S08LH

DOI：10.3969／j.issn.1005-5517.2010.09.002

近年來。醫(yī)療保健取得了快速發(fā)展，尤其是心臟病等領域。兩大學科的合作是取得這一重大發(fā)展的原因：即醫(yī)藥和工程學的結(jié)合。該演變包括采用新的治療方法和在診斷工具中采用普通人可以訪問的先進傳感器和微控制器(MCU)技術。如今，糖尿病和高血壓等慢性疾病日益成為全球公共衛(wèi)生難題。因為人們尚不具備足夠的癥狀控制經(jīng)驗和知識，無法找到讓我們事先了解身體狀況不佳的方式。血糖儀即測量血液中葡萄糖含量水平的儀器。血糖儀有助于確定血糖水平，通常在家中用來對糖尿病病人進行監(jiān)測。

高血壓是動脈血壓長期居高不下的一種表現(xiàn)癥狀。血壓計即測量血液從心臟出來時的動脈血壓的一種儀器。血壓計能夠檢測患有或可能患有高血壓的病人的血壓收張情況及心率。最近公布的研究提醒我們，高血壓是導致幾類嚴重的糖尿病并發(fā)癥的重要原因，控制高血壓幾乎與控制血糖具有同樣的重要性。部分證據(jù)表明。高血糖本身可能導致高血壓。

血糖檢測

血糖檢測是從血液中取得血糖濃度值的一種技術。測量血液中葡萄糖含量的第一步，就是將血液轉(zhuǎn)變成電流或電壓。這可能需要使用傳感器，通過電流測定法來完成。電流測定法即測量電極對之間的電流，正是該電極對推動著電解反應的產(chǎn)生。這些反應電極是電流測量型傳感器。該方法在使用電流測量型傳感器時非常有用，因為它在電壓和電流測量中的可靠性與在化學反應中一樣。生成的電流應當轉(zhuǎn)變成電壓，供MCu處理時使用。最后，MCU利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)模塊檢測并處理該信號。

血壓計

通常情況下，血壓計包括一個限制血液流動的充氣氣囊和一個測量血壓的壓力表。它由電源、電機、存儲器、壓力傳感器和用戶界面。以及顯示屏、鍵盤／觸摸板、USB或無線通訊接口組成。

飛思卡爾MPXV$0SOGP壓力傳感器具有下列特性：適用壓力范圍：0—300 mmHg(MindeU s－1000)和個案材料(醫(yī)療，v類核定)。它對電機控制十分重要。因為根據(jù)檢測到的壓力。無論電機電源是打開還是關閉。空氣壓縮機都應由電機閥門控制，以獲得壓力測量值。壓力傳感器提供兩種壓力來源，一種不帶濾波器，另一種帶濾波器(可消除噪音)。過濾后的信號有助于捕獲更高的心率精度。電機應當連接到小型氣泵閥上，以便生成氣室空氣和血壓。同時，將小型氣泵連接到袖口、空氣基準(air reference)和閥門上。因此，當電機關閉、閥門打開時，袖口就開始緊縮。另外壓力傳

飛思卡爾9S08LH超低功率平臺

飛思卡爾9S08m采用創(chuàng)新技術，將便攜式醫(yī)療設備的功耗降至很低。該S08LH包括多種操作模式。每種模式針對特定功能級量身定制。以便使性能／功耗達到最佳平衡。該操作?？芍С值椭?50fA的功耗，并且使醫(yī)療應用能夠以最高能效實現(xiàn)蓮續(xù)運行。

低功率晶體振蕩器經(jīng)過優(yōu)化，以低功率驅(qū)動晶體，同時還提供了低增益或高增益模式選項。借助該晶體振蕩器，當醫(yī)療設備同時處于待機狀態(tài)時可以保證精確的時間。S08LH包括兩種低功耗停止模式。在該停止模式期間，系統(tǒng)時鐘停止，穩(wěn)壓器處于待機狀態(tài)，所有內(nèi)部電路都上電以進行快速恢復，同時RAM內(nèi)容和LCD寄存器得以保存。

內(nèi)部時鐘(ICS)外設具有提高或降低設備操作頻率的功能。更高的工作頻率導致更高的操作模式功耗。在9s08LH中，ICS避免使用外部振蕩器，可以產(chǎn)生高達40MHz的MCU速率或20 MHz的總線速率。為了進一步降低操作模式功耗，低功耗平臺的每個外設都配有時鐘門控功能。使用該系統(tǒng)，您可以啟用或禁用時鐘源的每個外設的總線時鐘，從而將整體運行和等待模式的電流降低近三分之一左右。

Mc9s08Dz60系列包括一個防止低電壓狀態(tài)的低功率檢測(LVD)系統(tǒng)，以便在電源電壓不穩(wěn)期間保護存儲器內(nèi)容，控制MCU系統(tǒng)狀態(tài)。該系統(tǒng)由加電復位(poR)電路和帶脫扣電壓的LVD電路組成。這是醫(yī)療設備的一個重要特性，因為當電源電壓不足以保證工作條件，LVD系統(tǒng)有助于防止設備的異常操作。

用戶界面技術(包括液晶顯示器)，能夠滿足便攜式醫(yī)療設備不斷增長的需求。在McgS08LH系列中，液晶顯示器(LCD)模塊控制44個液晶引腳，以生成驅(qū)動液晶顯示器所需的波形。9S08LH系列包括8×36或4×40 LCD驅(qū)動器，并帶有一個內(nèi)部電荷泵和一個提供內(nèi)部調(diào)節(jié)LCD參考選項，該參考選項可以根據(jù)對比度控制進行修整。該S08LH增加了在任意MCU引腳上分配前面板或背板功能的功能。憑借該性能，它允許實現(xiàn)閃爍模式(在停止模式時讓顯示器閃爍的功能)，并且可以將便攜式醫(yī)療設計的功耗降低百分之七十。

ADC的目標應用是便攜式醫(yī)療設備，它充當模擬信號和數(shù)字處理系統(tǒng)之間的接口，因此非常重要。通常，由于功耗低、速度和分辨率合適，最通用的一種ADc架構(gòu)是逐次逼近寄存器(SAR)ADc。MC9S08LH系列的特殊功能包括4×16位SAR ADC，專門設計用于片上集成微控制器內(nèi)的操作。16位ADC支持差分輸入和標準單端信道，而12位ADc只支持單端通道。16位ADC可配置為右對齊12位、10位或8位結(jié)果，提供與12位ADc的后向兼容性。但是，16位ADc具備其他特性，如平均化、可選電壓基準、校準功能。這些功能可以配置來保持與12位ADC的向后兼容性。飛恩卡爾S08LH對該ADC功能的片上集成，提供諸如低電壓檢測等功能，并且能夠通過與ADC信道內(nèi)部相連的片上溫度傳感器來測量模具溫度，從而實現(xiàn)溫度補償。因此，S08LH ADC模塊分辨率是在選擇MCU作為醫(yī)療設計時，需要考慮的一個關鍵參數(shù)和重要因素。此外，ADC精度也同樣重要(如果不是更重要的話)。關于飛思卡爾部分最新產(chǎn)品中的16位ADc產(chǎn)品，它們能夠減少偏移誤差，并通過自校準實現(xiàn)增益。S08LH系歹UADc模塊的其他重要特性包括：多達24個模擬輸入，將轉(zhuǎn)換和采樣時間減至最少：2.5us，最低電源電壓：1.8V，輸入電壓范圍：-100mV至3.6 v，帶硬件通道選項的可選異步硬件轉(zhuǎn)換，可選電壓基準(內(nèi)部，外部和任何一個)。

模擬比較器是9S08LH的一個重要特性，可用于下列目的。

(a)監(jiān)測電池電壓(或直流電壓)。

(b)滯后實施在任何應用，特別是在醫(yī)療應用中產(chǎn)生的偽象噪音信號。由于信號穿過閾值區(qū)，噪聲通過開環(huán)增益放大，導致輸出短暫地來回反彈。這是醫(yī)療應用所不允許的，但引進滯后通?？梢越鉀Q該問題。滯后是通過在比較器上提供積極反饋來實現(xiàn)的。

(c)消除直流偏移。在串行數(shù)據(jù)傳輸中，由于噪音或其他原因?qū)е碌臏囟茸兓?，可能導致?shù)據(jù)發(fā)生直流偏移。

(d)脈寬測量。

(e)電壓倍增器。電壓倍增器是一個電子電路，通過將電容器和二極管組合到服務網(wǎng)絡的方式，把較低電壓的交流電源轉(zhuǎn)換成更高的直流電壓。這是將片上模擬比較器當作方波發(fā)生器來實施，在該過程中二極管和電容的組合實現(xiàn)了倍增器的作用。

血糖儀的設計

監(jiān)測儀在進行葡萄糖測量時需要進行復雜的計算，靈活的操作模式和ICS可以提高S08LH性能，縮短處理時間。進而提高您的使用體驗。通過時鐘門控技術，還可以節(jié)省更多功率。將所有低功率技術同時使用，該血糖儀使用單個電池的工作時間可以更長，并且它支持使用更小型的電池，從而增強便攜性和使用體驗。

圖3是血糖儀實施的軟件流程圖。其中一個分析階段是識別生物傳感器電力輸出的峰值。利用模擬比較器(ACMP)，飛思卡爾9S08LH微控制器可配置為在達到高峰觸發(fā)中斷操作。下一階段要求將血糖儀腕帶的線性衰減輸出進行定時模數(shù)轉(zhuǎn)換。最后，樣本(血液)和血糖儀腕帶之間的化學反應會產(chǎn)生線性衰減信號，這會在幾秒內(nèi)完成。在使用例程或更復雜的IIR過濾期間，該微控制器對輸入信號進行部分過濾。平均值是從輸入信號的線性衰減中取出的幾個點，通過該方法可以計算出線性衰減的斜率。正是這個斜率與代表血糖水平的某個具體值發(fā)生了直接關聯(lián)。至于血糖儀設計，必須提供一個可視屏幕，以便病人讀取計量結(jié)果。借助來自飛恩卡爾的9S08LH，通過單個設備即可實現(xiàn)LCD功能和同類最佳的功耗(小于6uA)。

血壓計

血壓使用的最高值是180mmHg。當MCU發(fā)現(xiàn)這個壓力時，系統(tǒng)就關閉電機，并讓系統(tǒng)穩(wěn)定下來。180mmHg~開始緊縮袖口的最大值。首先，必須從mmHg轉(zhuǎn)換成壓力單位kPa，因為傳感器說明書顯示的是kPa值。然后，將mmHg轉(zhuǎn)換為kPa：1kPa=7.50061505043 mmHg，那么180nliTiHg=24kPa。

根據(jù)壓力傳感器數(shù)據(jù)表提供的圖形和轉(zhuǎn)換功能，當壓力傳感器檢測到180mmHg時就可以知道現(xiàn)在的血壓。然后，用這個血壓值來計算要使用的ADC值。

當血壓達到最大值時，程序就啟動，以便讓該系統(tǒng)穩(wěn)定下來。該算法縮短了電機控制的工作周期，延長了為閥門控制的工作周期。該程序為新定時器設定了時間，同時程序中還實施了增加和減少電機和閥門控制的功能和測量血壓的功能。圖4演示如何實施電機控制。

最后，它同時顯示了兩個壓力：收縮值代表當心臟收縮產(chǎn)生的最大壓力(袖口膨脹)，舒張值代表心臟舒張時產(chǎn)生的動脈壓(袖口放氣)。

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