基于STM 8L單片機(jī)的微型血糖儀設(shè)計與開發(fā)

張曉宇，田 奕

（華北科技學(xué)院 電信學(xué)院，北京 101601）

當(dāng)今儀表及測量技術(shù)日新月異[1-5，9]。糖尿病DM（diabetes mellitus）是一種多病因的代謝疾病，其顯著特點(diǎn)是慢性高血糖，同時伴有因胰島素分泌以及/或者作用缺陷引起的糖、脂肪和蛋白質(zhì)代謝紊亂癥狀。血糖濃度是反映病情的一個重要指標(biāo)，經(jīng)常進(jìn)行血糖測量可及時把握病情變化并及早采取治療措施。因此，血糖監(jiān)測對于糖尿病患者是非常重要的。使用便攜式血糖儀進(jìn)行測定并記錄結(jié)果，可了解一日內(nèi)血糖的波動幅度和平均值，及時發(fā)現(xiàn)和處理異常情況，并可作為調(diào)整藥物治療的依據(jù)。

采用ST公司STM8L系列MCU，設(shè)計了一種新型便攜式血糖儀。血糖檢測電路簡單、有效；有人機(jī)接口；整體方案微型化，滿足低功耗設(shè)計；并且滿足產(chǎn)品體積需求。

1 工作原理及系統(tǒng)方案

1.1 血糖微創(chuàng)檢測原理

血糖檢測從有創(chuàng)到微創(chuàng)的發(fā)展過程，也是血漿糖測定到毛細(xì)血管全血糖測定的發(fā)展，目前大多使用葡萄糖生物傳感器來檢測血糖濃度，按工作原理可分為電化學(xué)型、壓電型、熱電型、光學(xué)型等，其中電化學(xué)型是血糖檢測的主流。大多數(shù)上市的血糖儀都是電化學(xué)型的測電流葡萄糖傳感器。1962年，Clark就提出了葡萄糖生物傳感器的原理，他們預(yù)示用一薄層葡萄糖氧化酶（GOD）覆蓋在氧電極表面，通過氧電極檢測溶液中溶解氧的消耗量可以間接測定葡萄糖的含量，如圖1所示。

圖1 葡萄糖氧化酶電極的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of glucose oxidase electrode

1968年Updike和Hikcs根據(jù)此原理成功地制成了第一支葡萄糖生物傳感器。從此以后，基于酶電極的電流型生物傳感器得到了迅速的發(fā)展。

根據(jù)生物電化學(xué)原理設(shè)計的便攜式血糖儀是采用一次性使用的葡萄糖氧化酶印刷電極（即血糖試條）作為傳感器，將被測血樣滴在試條上，電極上的氧化酶促使血樣中的葡萄糖與氧發(fā)生氧化還原反應(yīng)，相關(guān)化學(xué)反應(yīng)式為

該反應(yīng)所產(chǎn)生的電子被導(dǎo)電介質(zhì)轉(zhuǎn)移給電極，電極在恒定的工作電壓（0.5 V或其它）作用下便產(chǎn)生電流。經(jīng)過一段時間后，酶電極的電流值的大小與血樣中葡萄糖濃度呈一定的線性關(guān)系，通過檢測電流變化與葡萄糖濃度的線性關(guān)系達(dá)到檢測血糖濃度的目的。簡單地說就是“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”。通過精確測量這些微弱電流，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。值得注意的是：即使是某一濃度的血糖在試條產(chǎn)生的電流也會隨著時間的變化而變化，一般會隨著時間的增加而增加并逐漸趨向穩(wěn)定；而對于不同濃度的血糖來說，在同一時間點(diǎn)上，電流也隨著濃度的增加而增加。所以，在權(quán)衡時間和穩(wěn)定性后，確定某個時間點(diǎn)上的電流值和血糖濃度之間的關(guān)系是問題核心。然而，電流值與葡萄糖濃度之間的這種關(guān)系并非理想的線性關(guān)系，要受到多方面因素影響。影響因子如所加電壓的大小及其穩(wěn)定性、所選用的試紙條、采集的血液量，甚至是采血部位都會影響二者之間的關(guān)系。因此，需通過做大量實(shí)驗(yàn)，才能得出比較準(zhǔn)確的定量關(guān)系。因此，在設(shè)備開發(fā)過程中，借助了大量血糖儀廠家的經(jīng)驗(yàn)公式。

1.2 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)分為血糖檢測電路、人機(jī)接口電路、USB通信接口電路、電源電路等。控制核心選為意法半導(dǎo)體的STM8L151，它是意法最新推出的超低功耗八位微控制器，采用130 nm工藝及最新超低漏電流工藝，極大的改善包括動態(tài)和靜態(tài)的功耗。運(yùn)行模式可低到150μA，低功耗模式可低至350 nA。最高運(yùn)行頻率16M，內(nèi)置4 k～32 k閃存，片內(nèi)集成12位ADC、DAC、UART、RTC 等外設(shè)豐富[6-8]。

系統(tǒng)方案簡圖如圖2所示。血糖檢測電路需要MCU輸出給葡萄糖氧化酶印刷電極的一個測量電壓，然后通過模擬開關(guān)控制測量電壓加在電極上的時間。測量電路還需要MCU內(nèi)部1.224 V電壓基準(zhǔn)輸出，經(jīng)過放大2倍后再送給MCU作為ADC和DAC的參考電壓。MCU采用4線SWIM接口進(jìn)行在線調(diào)試或燒寫程序。

圖2 系統(tǒng)整體方案簡圖Fig.2 System diagram of the overall scheme

為了使設(shè)備能在上位機(jī)指令下工作以及測試數(shù)據(jù)能夠方便傳出，設(shè)計了UART到USB的通信轉(zhuǎn)換接口。利用MCU的UART信號轉(zhuǎn)成USB信號能和PC機(jī)連接。人機(jī)接口方案采用2個獨(dú)立按鍵及COG液晶顯示。選用WLO-0088A型號的COG字符型液晶顯示器，可顯示16×2個5×8點(diǎn)陣的字符。它主要采用動態(tài)驅(qū)動原理由行驅(qū)動控制器和列驅(qū)動器兩部分組成了90（列）×16（行）的全點(diǎn)陣液晶顯示。此顯示器采用了COG的軟封裝方式，通過FPC連接LCD，連接可靠，工作電壓為3.3 V，與CPU接口采用I2C串行方式。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計中，重點(diǎn)介紹血糖檢測電路原理、電源設(shè)計及USB通信電路設(shè)計。

2.1 血糖檢測電路

血糖檢測電路如圖3所示。其中U2是雙運(yùn)放，5、6、7 腳與 R1，R3組成 2 倍放大，把 MCU 輸出的參考電壓放大為2.448 V后，用來給R2，RT組成的溫度測量電路供電，同時再輸出給MCU作為ADC/DAC的參考電壓。這里RT是50 k熱敏電阻，選用型號MF52E-503-3950。

圖3 血糖檢測電路原理圖Fig.3 Blood glucose detection circuit princip le

U2 運(yùn)放的 1、2、3 腳與 R4，C4及 R28組成電流測量電路，是一個電壓跟隨器。運(yùn)放3腳接收來自MCU中DAC輸出的標(biāo)準(zhǔn)測量電壓，此電壓經(jīng)過L1、C3、D1組成的LC濾波后更加平穩(wěn)。MCU用2路ADC分別測量運(yùn)放第2腳電壓及第1腳電壓，二者之電壓差值除以R4的阻值，即流過印刷電極CZ1的電流值。模擬開關(guān)U3，U6受MCU的2個GPIO信號ASC1，ASC2控制。ASC1決定施加給印刷電極電壓的時間，ASC2切換電流測量電阻的阻值。R22是本部分模擬電路經(jīng)磁珠與數(shù)字地共地。

2.2 電源電路

儀器整體為3.3 V供電，有兩路電源，一路是3節(jié)7號電池，另一路是當(dāng)插入USB連接PC機(jī)時USB的5 V電源。使用AS1360用作DC-DC變換器。AS1360是一種靜態(tài)電流極低的LDO，當(dāng)靜態(tài)時僅耗電1.2μA。電源電路原理如圖4所示。用2個三極管9012控制2個電源VDD1和VDD2，基極用MCU的GPIO控制。VDD1是血糖檢測電路供電，VDD2是液晶供電。這樣，當(dāng)設(shè)備睡眠時，通過MCU控制所有外設(shè)都斷電，以使待機(jī)功耗最低。

圖4 電源電路原理圖Fig.4 Princip le diagram of power circuit

2.3 USB通信電路

UART轉(zhuǎn)USB接口電路原理如圖5所示。選用CP2102轉(zhuǎn)換芯片，外圍電路簡單，配置容易。

圖5 USB通信電路原理圖Fig.5 USB communication circuit principle

其中 C15，C16，C17，C18，R20，R21均為芯片電平轉(zhuǎn)換及復(fù)位時需要配置的電阻電容，R30為本部分電路地線經(jīng)磁珠與設(shè)備共地。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 主程序

主程序流程圖如圖6所示。主程序完成系統(tǒng)初始化后，輸出測量電壓，然后進(jìn)入主循環(huán)。主循環(huán)的工作是：掃描按鍵并處理，接收上位機(jī)指令并處理（來自UART口）。然后，如果設(shè)置了檢測類型，則判斷試條是否插入，如果試條已插入，判斷試條是否有效，如果試條有效，判斷試條是否滴血，如果已滴血，則進(jìn)入測試程序。完成測試后，通過UART上傳測試結(jié)果，并關(guān)閉測量電壓，刷新顯示。最后，判斷是否睡眠，如是，退出主循環(huán)，進(jìn)入睡眠狀態(tài)；否則從開始繼續(xù)進(jìn)行主循環(huán)。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Main program flow chart

3.2 中斷服務(wù)程序

設(shè)計中采用了TIM1和TIM2兩個定時器，用TIM1用作1 s準(zhǔn)確定時器，每隔1 s進(jìn)入一次中斷服務(wù)程序。TIM1中斷服務(wù)程序中實(shí)現(xiàn)以下功能：用來在MCU某個GPIO上輸出秒測試脈沖，還用來做睡眠計時，本產(chǎn)品設(shè)計5min無任何操作就進(jìn)入睡眠狀態(tài)。當(dāng)確認(rèn)已經(jīng)滴血，開始測試程序時，TIM2開啟0.1 s定時器，每隔0.1 s進(jìn)入一次中斷服務(wù)程序。TIM2中斷服務(wù)程序中檢測試條插入狀態(tài)，當(dāng)檢測到試條沒有插入，就上報并顯示“試條已拔出”。

串口通信也采用中斷方式，在串口接收中斷服務(wù)程序中把收到來自上位機(jī)的指令存入接收緩沖區(qū)，等待主循環(huán)讀取并處理。

4 產(chǎn)品測試

產(chǎn)品通過研發(fā)后，進(jìn)行組裝測試。選取4個設(shè)備樣品，編號1～4，分別測試其工作電流、睡眠電流、工作電壓、血糖電流結(jié)果（電壓值）。每個樣品測試10次，其中，1～5次為第一種標(biāo)準(zhǔn)試條；6～10次為第二種標(biāo)準(zhǔn)試條，2種試條血糖濃度差2倍。測試結(jié)果如表1所示。

表1 微型血糖儀產(chǎn)品測試數(shù)據(jù)表Tab.1 Testing data table ofportable blood glucosemeters

由測試數(shù)據(jù)可以看出，設(shè)備實(shí)現(xiàn)了超低低功耗，工作狀態(tài)整機(jī)電流不超過6mA，睡眠狀態(tài)整機(jī)工作電流不超過5μA。試條輸出測試電壓穩(wěn)定，波動在1%以下，試條電流（血糖測試值）在2種標(biāo)準(zhǔn)模擬試條下測試值穩(wěn)定，波動在1%以下。

由于篇幅限制，測試電流值（電壓）換算為血糖濃度的算法略。

5 結(jié)語

該血糖儀具有體積小、功耗低、具備通信功能的特點(diǎn)，是原有血糖儀的更新產(chǎn)品?；赟TM8L的設(shè)計充分運(yùn)用了MCU的特色和內(nèi)部資源，電路整體緊湊簡單，軟件編程容易，調(diào)試方便。最后產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了初步投產(chǎn)。

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