具有存储记忆功能的便携式血糖仪的研制
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1 血糖测试原理
近年 ,随着生物传感器技术的迅速发展 ,许多生物量的测量 变得越来越便捷 。生物传感器 ,就是由固定化的生物材料包括 酶 、抗体 、微生物等生物活性物质与适当的换能器件密切接触而 构成的分析工具或系统 。该换能器件可将生化信号转换成可定 量检测的电或光信号 ,从而实现对特定底物浓度的测量 。本文 所涉及的血糖浓度就是通过生物传感器酶电极获取 。酶电极 , 由酶膜和电极结合而成 。在单片机的控制下 ,通过检测酶电极
图 4 使用内建逻辑块观测器 BIBLO 混合 BIT 结构
4 结论
(1) 扫描技术在数字电路测试中取得了巨大的成功 ,而模拟 BIT 设计技术由于模拟电路的复杂性 ,扫描技术还没有得到广 泛的推广和应用 。
(2) 模拟电路 BIT 现在主要的策略是采用 BIT 电路检测功 能的正确性来提高模拟电路的测试性 。混合电路可以利用存在
图 3 是低功耗电源模块原理图 。由两节钮扣电池 CR2032 提供的 6 V 电池电压 ,经过电压转换器件 RN5RL33 输出 3. 3 V 电压 ,作为系统电源 。此 3. 3VD 电压接 PNP 型三极管的 E 极 , 在单片机引脚 PW- CTRL 控制下 ,可在 C 极得到另一 3. 3 V 的电 压 3. 3 VT。两个 3. 3 V 电压各有特点 。由于 3. 3 VD 始终存在 , 所以把该电压分配给始终工作的芯片 ,如单片机和时钟芯片 HT1381 ;而 3. 3 VT 可以受单片机控制 ,在 PW- CTRL 输出 0 电平 时有 3. 3 V 电压 、输出 1 电平时有 0 V 电压 ,所以把该电压分配 给非始终工作的芯片 ,如液晶驱动芯片等 ,就可大大降低系统
图 5 主程序流程图
晶显示驱动模块采用了引脚数目较少的驱动芯片 ,采用串行数 据总线 (SPI 接口) 与 CPU 接口 。这样的硬件设计使引脚总数大 大减少 。另一方面 ,绝大多数芯 片和元器件采用了 SOP 封装 。
3 便携式血糖仪的软件 设计
便携式血糖仪的软件设计遵
循了模块化设计原则 ,设计了主
的 ADC和DAC的优势 ,方便地把模拟部分转换到数字部分进 行 BIT 功能测试 。
(3) 模拟和混合电路 BIT 研究仍处于发展之中 ,在下一步研 究中 ,目标倾向于标准化 、快速化 、易实现和低代价 。 参考文献 : [1 ] 徐永成. BIT 中智能故障诊断理论与方法研究[ D ] . 长沙 :国防科技
2 血糖仪的硬件设计
血糖仪的硬件电路以 EM78P458 这一新型高集成度的单片 机芯片为核心 ,其外围电路模块包括 :恒电位激励和 A/ D 模块 、 按键检测模块 、低功耗电源模块 、电源电压检测模块 、恒电位激 励和 A/ D 模块 、液晶显示驱动模块 、时钟模块 、E2PROM 模块等 。
模拟输出管脚 。模拟输入模块的输入不可访问 。在测试模式 下 ,这些信号可以通过内建 DAC 转换再测量 。一种方法是使用 内建逻辑块观测器 (BIBLO) [7] ,如图 4 所示 。信号存在 BIBLO 寄 存器中可以输出到多输入信号寄存器 (MISR) ,MISR 用信号分析 方法实现数据压缩 。因而 ,模拟测试结果可以在数字域得到评 估 。可以使用同样的方法 ,对数字响应进行测试 ,不过 ,信号分 析不是从模拟模块得到数字响应分析的惟一方法 。响应可以与 事先存在 ROM 中已知的正确响应进行比较 。
这里 重 点 介 绍 存 储 记 忆
E2PROM 子 程 序 的 设 计 。
HT24LC08 有读 、写两类操 作 , 写
操作分为单字节写入模式和页写
入模 式 。单 字 节 写 入 一 次 写 入 图 6 多字节写入程序框图 1B 的 数 据 , 页 写 入 允许 CPU 快
速 、连续地向 E2PROM 写入多个
图 2 是恒电位激励和 A/ D 转换模块原理图 。基准电压源 LM336 提供的 2. 5 V 恒定电压经电阻分压后得到 0. 3 V 工作电 压 ,由运放对酶电极施加恒电位激励 , Rz 代表酶电极 ;由运算放 大器的理想工作特性知道 , Ic≈0 ,所以 ,酶电极在恒电位激励下 电极酶反应的响应电流 Ix = IO ,该电流信号经过采样电阻 Ro 转 换为电压信号输入到串行 AD3201 的差动输入同相端 。串行 AD3201 的差动输入反相端则输入一个与前面的测量电压共地 的恒定电位 ,这样就可以有效消除串行 A/ D 差动输入端的共模 干扰影响 。
关机 子 程 序, 充 分 利 用 了
EM78P458 在睡眠模式下的低功 耗 (1 μA) 特点 ,使血糖仪完成测
试后能在不切断电源的情况下自
动进入睡眠状态 ,再由外部的按
键中断来唤醒 。在历史记录回溯 图 7 立即地址读取程序框图
子程序的设计中 ,使用通用的
(下转第 20 页)
·20 ·
《测控技术》2004 年第 23 卷第 6 期
circuit testing IEEE transaction on circuit and system2II [J ] . Analog and Digital Signal Processing ,1998 ,45 (10) . [5 ] IEEE Std 1149. 1 - 1990 (including IEEE Std 1149. 1a - 1993) Standard Test Access Port and Boundary2Scan Architecture[ S] . IEEE ,1993. [6 ] Ungar L Y,bleeker H ,et al . IEEE 1149. X standards :achievements vs ex2 pections[ A ] . IEEE Systems Reading Technology Conference [ C ] . 2001 -
dase electrode ;low2power
糖尿病是危害人类健康的四大主要疾病之一 ,它表现为血 液和尿液中葡萄糖含量的异常 ,通过调控病人体内的葡萄糖代 谢可以对病情加以控制 。血液葡萄糖含量是决定临床给药的一 个重要指标 。血液葡萄糖含量检测方法由化验师在化验室完 成 。将采得的病人血样经预处理后加入相关化学试剂 ,待反应 完成再用大型生化分析仪进行检测 ,但检测时间长 、需血量大 , 且操作复杂 、不利于病人自我监护 。便携式血糖测试仪能够克 服上述缺陷 ,它将生物传感器技术 、微机控制技术以及微电子技 术相结合 ,可完成血糖浓度快速简便的检测 ,而且用血量极少 , 可由病人进行自我监测 。
(上海交通大学 自动化系 ,上海 200030) 唐日泉 , 郭 琛 , 邱宪波 , 袁景淇
摘要 :介绍了一种便携式血糖仪的设计 。其电子线路以单片机 EM78P458 为核心 ,采用葡萄糖氧化酶电极作为测试传感器 ,能 精确快速完成血糖浓度检测信号的数据处理 ,用户界面方便 、友 好 、快捷 。给出了血糖仪的硬件 、软件设计方案和模拟测试结 果。 关键词 :便携式血糖仪 ;单片机 ;酶电极 ;低功耗 中图分类号 : TP216 文献标识码 :A
大学机电工程及自动化学院 ,1999. [2 ] 刘冠军. 基于边界扫描的智能板级 BIT 技术研究[ D ] . 长沙 :国防科
技大学机电工程及自动化学院 ,2000. [3 ] 曾天翔. 电子设备测试性及诊断技术[M] . 北京 :航空工业出版社 ,
1996. [4 ] Milor L S. A tutorial introduction to research on analog and mixed2signal
收稿日期 :2003 - 11 - 04 作者简介 :唐日泉 (1979 —) ,男 ,福建漳平人 ,硕士生 ,主要研究 方向为生物医疗器械控制器 。
对血样响应电流的大小快速测定血糖浓度 。便携式血糖测试仪 所用的葡萄糖氧化酶印刷电极如图 1 所示 。
图 1 葡萄糖氧化酶电极的结构 酶电极的测试原理如下 :在印刷电极两端施加一定的恒定 电压 ,当被测血样滴在电极的测试区后 ,电极上的固定化葡萄糖 氧化酶与血样中的葡萄糖发生酶反应 。经过一定的滞后期 (约 20 s) ,酶电极的响应电流将与被测血样中葡萄糖浓度呈线性关 系 。酶电极的响应电流为μA 级 。血糖仪就是根据这一对应关 系来计算并显示血样葡萄糖浓度值的 。
化了硬件设计 ,同时降低
了成本 。为了增强单片
图 4 E2PROM 模块的原理图
机 I/ O 口的驱动能力 ,增加了上拉电阻 ,其阻值 RI/ O ≥3. 3 V/ Imax ,
其中 Imax为 I/ O 口的最大输入电流。由于单片机 EM78P458 不具有
I2C 接口 ,所以只能在软件中模拟 ,具体参考软件设计部分。
106使用内建逻辑块观测器biblo混合bit结构扫描技术在数字电路测试中取得了巨大的成功而模拟bit设计技术由于模拟电路的复杂性扫描技术还没有得到广泛的推广和应用上接第15prom芯片ht24lc08保存测试数据和测试时间方便了软件设计模块化结束语将生物传感器技术和微电子技术相结合开发的便携式血糖测试仪具有数据处理精度高功能强90个存储记忆值用便捷的特点
程序和各类子程序 ,其中主程序
的流程图如图 5 所示 。主要子程
序有 :延时子程序 、采样子程序 、
液晶显示子程序 、时钟设置和读
取子 程 序 、测 试 数 据 存 E2PROM
子程序 、历史记 录 回 溯 子 程 序 、
BCD 码转换子程序 、滤波子程序 、
乘法子程序 、除法子程序和关机
处理子程序等 。
据 ,每读取 1B 地址指针 自 动 加
1 。在血糖仪中 ,读写操作分别选
取了页写入模式和当前地址读取
模式 。页写入和当前地址读取数
据的程序框图如图 6 、7 所示 。
考虑到元器件参数的随机分
布和电路稳态波动 ,这里专门设
计了一个软件校准模块 ,可以人
为地对测量结果进行实时校准 。
另外 ,为方便操作 ,设计了特有的
Abstract :Design of the portable blood glucose meter is illustrated. The meter functions based on a microcontroller EM78P458. The glucose con2 centration in blood is detected with a glucose oxidase electrode. Hard2 ware and software configuration is described ,and testing results are giv2 en. Key words :portable blood glucose meter ; microcontroller ; glucose oxi2
为了减小血糖仪体积 ,设计中大量采用了引脚数目较少的
外围芯片 。如 A/ D 转换模块采用了带串行 I2C 接口的 A/ D 转
换器 3201 , 时 钟 模 块 采 用 了 带 串 行 I2C 接 口 的 时 钟 芯 片
HT1381 , E2 PROM模块采用了带串行 I2 C接口的 HT24LC08 ,液
字节 。读操作有当前地址读取模
式 、随机地址读取模式 、序列地址
读取模式 3 种方式 。当前地址读
取靠 内 部 数 据 指 针 获 得 访 问 地
址 ,随 机 地 址 读 取 靠 主 器 件 向
E2PROM 写 入 地 址 进 行 访 问 , 序
列读取方式从某一地址开始顺序
读取 E2PROM 内的一系列单元数
·14 · 文章编号 :1000 - 8829 (2004) 06 - 0014 - 02
《测控技术》2004 年第 23 卷第 6 期
具有存储记忆功能的便携式血糖仪的研制
Develop ment of the Portable Bloo d Gluco se Meter With Data Recording Functio n
具有存储记忆功能的便携式血糖仪的研制
·15 ·
的功耗 ,延长电池的使用寿命 。
图 2 恒电位激励和 A/ D 转换模块
图 3 低功耗电源模块
图 4 是存储记忆的
载 体 ———E2PROM 模 块
的 原 理 图 。HT24LC08
采用标准的 I2C 总线接
口 ,只 需 要 SCL 时钟线
和 SDA 数据线 ,大大简
近年 ,随着生物传感器技术的迅速发展 ,许多生物量的测量 变得越来越便捷 。生物传感器 ,就是由固定化的生物材料包括 酶 、抗体 、微生物等生物活性物质与适当的换能器件密切接触而 构成的分析工具或系统 。该换能器件可将生化信号转换成可定 量检测的电或光信号 ,从而实现对特定底物浓度的测量 。本文 所涉及的血糖浓度就是通过生物传感器酶电极获取 。酶电极 , 由酶膜和电极结合而成 。在单片机的控制下 ,通过检测酶电极
图 4 使用内建逻辑块观测器 BIBLO 混合 BIT 结构
4 结论
(1) 扫描技术在数字电路测试中取得了巨大的成功 ,而模拟 BIT 设计技术由于模拟电路的复杂性 ,扫描技术还没有得到广 泛的推广和应用 。
(2) 模拟电路 BIT 现在主要的策略是采用 BIT 电路检测功 能的正确性来提高模拟电路的测试性 。混合电路可以利用存在
图 3 是低功耗电源模块原理图 。由两节钮扣电池 CR2032 提供的 6 V 电池电压 ,经过电压转换器件 RN5RL33 输出 3. 3 V 电压 ,作为系统电源 。此 3. 3VD 电压接 PNP 型三极管的 E 极 , 在单片机引脚 PW- CTRL 控制下 ,可在 C 极得到另一 3. 3 V 的电 压 3. 3 VT。两个 3. 3 V 电压各有特点 。由于 3. 3 VD 始终存在 , 所以把该电压分配给始终工作的芯片 ,如单片机和时钟芯片 HT1381 ;而 3. 3 VT 可以受单片机控制 ,在 PW- CTRL 输出 0 电平 时有 3. 3 V 电压 、输出 1 电平时有 0 V 电压 ,所以把该电压分配 给非始终工作的芯片 ,如液晶驱动芯片等 ,就可大大降低系统
图 5 主程序流程图
晶显示驱动模块采用了引脚数目较少的驱动芯片 ,采用串行数 据总线 (SPI 接口) 与 CPU 接口 。这样的硬件设计使引脚总数大 大减少 。另一方面 ,绝大多数芯 片和元器件采用了 SOP 封装 。
3 便携式血糖仪的软件 设计
便携式血糖仪的软件设计遵
循了模块化设计原则 ,设计了主
的 ADC和DAC的优势 ,方便地把模拟部分转换到数字部分进 行 BIT 功能测试 。
(3) 模拟和混合电路 BIT 研究仍处于发展之中 ,在下一步研 究中 ,目标倾向于标准化 、快速化 、易实现和低代价 。 参考文献 : [1 ] 徐永成. BIT 中智能故障诊断理论与方法研究[ D ] . 长沙 :国防科技
2 血糖仪的硬件设计
血糖仪的硬件电路以 EM78P458 这一新型高集成度的单片 机芯片为核心 ,其外围电路模块包括 :恒电位激励和 A/ D 模块 、 按键检测模块 、低功耗电源模块 、电源电压检测模块 、恒电位激 励和 A/ D 模块 、液晶显示驱动模块 、时钟模块 、E2PROM 模块等 。
模拟输出管脚 。模拟输入模块的输入不可访问 。在测试模式 下 ,这些信号可以通过内建 DAC 转换再测量 。一种方法是使用 内建逻辑块观测器 (BIBLO) [7] ,如图 4 所示 。信号存在 BIBLO 寄 存器中可以输出到多输入信号寄存器 (MISR) ,MISR 用信号分析 方法实现数据压缩 。因而 ,模拟测试结果可以在数字域得到评 估 。可以使用同样的方法 ,对数字响应进行测试 ,不过 ,信号分 析不是从模拟模块得到数字响应分析的惟一方法 。响应可以与 事先存在 ROM 中已知的正确响应进行比较 。
这里 重 点 介 绍 存 储 记 忆
E2PROM 子 程 序 的 设 计 。
HT24LC08 有读 、写两类操 作 , 写
操作分为单字节写入模式和页写
入模 式 。单 字 节 写 入 一 次 写 入 图 6 多字节写入程序框图 1B 的 数 据 , 页 写 入 允许 CPU 快
速 、连续地向 E2PROM 写入多个
图 2 是恒电位激励和 A/ D 转换模块原理图 。基准电压源 LM336 提供的 2. 5 V 恒定电压经电阻分压后得到 0. 3 V 工作电 压 ,由运放对酶电极施加恒电位激励 , Rz 代表酶电极 ;由运算放 大器的理想工作特性知道 , Ic≈0 ,所以 ,酶电极在恒电位激励下 电极酶反应的响应电流 Ix = IO ,该电流信号经过采样电阻 Ro 转 换为电压信号输入到串行 AD3201 的差动输入同相端 。串行 AD3201 的差动输入反相端则输入一个与前面的测量电压共地 的恒定电位 ,这样就可以有效消除串行 A/ D 差动输入端的共模 干扰影响 。
关机 子 程 序, 充 分 利 用 了
EM78P458 在睡眠模式下的低功 耗 (1 μA) 特点 ,使血糖仪完成测
试后能在不切断电源的情况下自
动进入睡眠状态 ,再由外部的按
键中断来唤醒 。在历史记录回溯 图 7 立即地址读取程序框图
子程序的设计中 ,使用通用的
(下转第 20 页)
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《测控技术》2004 年第 23 卷第 6 期
circuit testing IEEE transaction on circuit and system2II [J ] . Analog and Digital Signal Processing ,1998 ,45 (10) . [5 ] IEEE Std 1149. 1 - 1990 (including IEEE Std 1149. 1a - 1993) Standard Test Access Port and Boundary2Scan Architecture[ S] . IEEE ,1993. [6 ] Ungar L Y,bleeker H ,et al . IEEE 1149. X standards :achievements vs ex2 pections[ A ] . IEEE Systems Reading Technology Conference [ C ] . 2001 -
dase electrode ;low2power
糖尿病是危害人类健康的四大主要疾病之一 ,它表现为血 液和尿液中葡萄糖含量的异常 ,通过调控病人体内的葡萄糖代 谢可以对病情加以控制 。血液葡萄糖含量是决定临床给药的一 个重要指标 。血液葡萄糖含量检测方法由化验师在化验室完 成 。将采得的病人血样经预处理后加入相关化学试剂 ,待反应 完成再用大型生化分析仪进行检测 ,但检测时间长 、需血量大 , 且操作复杂 、不利于病人自我监护 。便携式血糖测试仪能够克 服上述缺陷 ,它将生物传感器技术 、微机控制技术以及微电子技 术相结合 ,可完成血糖浓度快速简便的检测 ,而且用血量极少 , 可由病人进行自我监测 。
(上海交通大学 自动化系 ,上海 200030) 唐日泉 , 郭 琛 , 邱宪波 , 袁景淇
摘要 :介绍了一种便携式血糖仪的设计 。其电子线路以单片机 EM78P458 为核心 ,采用葡萄糖氧化酶电极作为测试传感器 ,能 精确快速完成血糖浓度检测信号的数据处理 ,用户界面方便 、友 好 、快捷 。给出了血糖仪的硬件 、软件设计方案和模拟测试结 果。 关键词 :便携式血糖仪 ;单片机 ;酶电极 ;低功耗 中图分类号 : TP216 文献标识码 :A
大学机电工程及自动化学院 ,1999. [2 ] 刘冠军. 基于边界扫描的智能板级 BIT 技术研究[ D ] . 长沙 :国防科
技大学机电工程及自动化学院 ,2000. [3 ] 曾天翔. 电子设备测试性及诊断技术[M] . 北京 :航空工业出版社 ,
1996. [4 ] Milor L S. A tutorial introduction to research on analog and mixed2signal
收稿日期 :2003 - 11 - 04 作者简介 :唐日泉 (1979 —) ,男 ,福建漳平人 ,硕士生 ,主要研究 方向为生物医疗器械控制器 。
对血样响应电流的大小快速测定血糖浓度 。便携式血糖测试仪 所用的葡萄糖氧化酶印刷电极如图 1 所示 。
图 1 葡萄糖氧化酶电极的结构 酶电极的测试原理如下 :在印刷电极两端施加一定的恒定 电压 ,当被测血样滴在电极的测试区后 ,电极上的固定化葡萄糖 氧化酶与血样中的葡萄糖发生酶反应 。经过一定的滞后期 (约 20 s) ,酶电极的响应电流将与被测血样中葡萄糖浓度呈线性关 系 。酶电极的响应电流为μA 级 。血糖仪就是根据这一对应关 系来计算并显示血样葡萄糖浓度值的 。
化了硬件设计 ,同时降低
了成本 。为了增强单片
图 4 E2PROM 模块的原理图
机 I/ O 口的驱动能力 ,增加了上拉电阻 ,其阻值 RI/ O ≥3. 3 V/ Imax ,
其中 Imax为 I/ O 口的最大输入电流。由于单片机 EM78P458 不具有
I2C 接口 ,所以只能在软件中模拟 ,具体参考软件设计部分。
106使用内建逻辑块观测器biblo混合bit结构扫描技术在数字电路测试中取得了巨大的成功而模拟bit设计技术由于模拟电路的复杂性扫描技术还没有得到广泛的推广和应用上接第15prom芯片ht24lc08保存测试数据和测试时间方便了软件设计模块化结束语将生物传感器技术和微电子技术相结合开发的便携式血糖测试仪具有数据处理精度高功能强90个存储记忆值用便捷的特点
程序和各类子程序 ,其中主程序
的流程图如图 5 所示 。主要子程
序有 :延时子程序 、采样子程序 、
液晶显示子程序 、时钟设置和读
取子 程 序 、测 试 数 据 存 E2PROM
子程序 、历史记 录 回 溯 子 程 序 、
BCD 码转换子程序 、滤波子程序 、
乘法子程序 、除法子程序和关机
处理子程序等 。
据 ,每读取 1B 地址指针 自 动 加
1 。在血糖仪中 ,读写操作分别选
取了页写入模式和当前地址读取
模式 。页写入和当前地址读取数
据的程序框图如图 6 、7 所示 。
考虑到元器件参数的随机分
布和电路稳态波动 ,这里专门设
计了一个软件校准模块 ,可以人
为地对测量结果进行实时校准 。
另外 ,为方便操作 ,设计了特有的
Abstract :Design of the portable blood glucose meter is illustrated. The meter functions based on a microcontroller EM78P458. The glucose con2 centration in blood is detected with a glucose oxidase electrode. Hard2 ware and software configuration is described ,and testing results are giv2 en. Key words :portable blood glucose meter ; microcontroller ; glucose oxi2
为了减小血糖仪体积 ,设计中大量采用了引脚数目较少的
外围芯片 。如 A/ D 转换模块采用了带串行 I2C 接口的 A/ D 转
换器 3201 , 时 钟 模 块 采 用 了 带 串 行 I2C 接 口 的 时 钟 芯 片
HT1381 , E2 PROM模块采用了带串行 I2 C接口的 HT24LC08 ,液
字节 。读操作有当前地址读取模
式 、随机地址读取模式 、序列地址
读取模式 3 种方式 。当前地址读
取靠 内 部 数 据 指 针 获 得 访 问 地
址 ,随 机 地 址 读 取 靠 主 器 件 向
E2PROM 写 入 地 址 进 行 访 问 , 序
列读取方式从某一地址开始顺序
读取 E2PROM 内的一系列单元数
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《测控技术》2004 年第 23 卷第 6 期
具有存储记忆功能的便携式血糖仪的研制
Develop ment of the Portable Bloo d Gluco se Meter With Data Recording Functio n
具有存储记忆功能的便携式血糖仪的研制
·15 ·
的功耗 ,延长电池的使用寿命 。
图 2 恒电位激励和 A/ D 转换模块
图 3 低功耗电源模块
图 4 是存储记忆的
载 体 ———E2PROM 模 块
的 原 理 图 。HT24LC08
采用标准的 I2C 总线接
口 ,只 需 要 SCL 时钟线
和 SDA 数据线 ,大大简