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[原创] Microchip PIC16LF1786低成本血糖仪设计方案

关键词:医疗电子 血糖仪 PIC16LF1786

时间:2015-12-23 11:15:15       作者:Microchip       来源:中电网

糖尿病是一个不断扩大的世界健康问题。幸运的是,现代血糖仪的使用可以实现高品质糖尿病人护理。血糖仪测量血液中葡萄糖的量,因此病人可以决定是否吃药。Microchip低成本血糖仪利用PIC16LF1786器件设计而成。

PIC16LF1786主要特性

高性能RISC CPU
仅49条指令
运行速度:
DC 32MHz时钟输入
DC 125ns指令周期
中断功能和自动上下文保存
具有可选上溢/下溢复位功能的16级深硬件堆栈
直接、间接和相对寻址模式
2个全16位文件选择寄存器(FSR)
FSR可以读取程序和数据存储器
存储器特性
高达8KB的程序闪存
在软件控制下可自编程
可编程代码保护
可编程写保护
256B数据EEPROM
1024B RAM
高性能PWM控制器
3个可编程开关模式控制器(PSMC)模块
PWM频率和脉冲开始/结束时间的数字和/或模拟反馈控制
16位周期、占空比和相位
时钟分辨率:16ns
支持单PWM、互补、推挽和三相操作模式
利用8位计数器实现死区控制
自动关机和重启
前沿和下降沿消隐
突发模式
采用XLP技术的超低功耗管理PIC16LF1784/6/7
睡眠模式:50nA@1.8V,典型值
看门狗定时器:500nA@1.8V,典型值
Timer1振荡器:500nA@32kHz
工作电流
8A@32kHz,1.8V,典型值
32A/MHz@1.8V,典型值
模拟外设特性
模数转换器(ADC)
全差分12位转换器
转换速率高达75ksps
11条单端通道
5条差分通道
正和负参考选择
8位数模转换器(DAC)
从外部提供输出
正和负参考选择
内部连接至比较器、运算放大器、固定电压参考(FVR)和ADC
4个高速比较器
响应时间:50ns@VDD=5V
轨到轨输入
软件可选迟滞
内部连接至运算放大器、FVR和DAC
3个运算放大器
轨到轨输入/输出
高/低可选增益带宽乘积
内部连接至DAC和FVR
固定电压参考(FVR)
输出电平:1.024V、2.048V和4.096V
内部连接至ADC、比较器和DAC
I/O特性
36个I/O引脚和1个仅输入引脚
LED驱动器的大电流宿/源
独立可编程电平变化中断引脚
独立可编程弱上拉
独立输入电平选择
独立可编程转换速率控制
独立可编程开漏输出
数字外设特性
Timer0:具有8位可编程预定标器的8位定时器/计数器
增强型Timer1
具有预定标器的16位定时器/计数器
外部栅极输入模式
专用低功耗32kHz振荡器驱动器
Timer2:具有8位周期寄存器、预定标器和后定标器的8位定时器/计数器
2个采集/比较/PWM模块(CCP)
16位采集,最高分辨率为12.5ns
16位比较,最高分辨率为31.25ns
10位PWM,最高频率为32kHz
主同步串行端口(SSP),具有SPI和I2C以及
7位地址掩码
SMBus/PMBusTM兼容性
增强型通用同步/异步接收器/发射器(EUSART):
RS232、RS485和LIN兼容
自动波特检测
启动自动唤醒
振荡器特性
从精密内部振荡器操作,频率高达32MHz
工厂校准至±1%,典型值
软件可选频率范围:32MHz~31kHz
31kHz低功耗内部振荡器
32.768kHz Timer1振荡器
可用作系统时钟
低功耗RTC
外部振荡器模块,具有
4种晶体/谐振器模式,频率高达32MHz,采用4个PLL
3种外部时钟模式,频率高达32MHz
4个锁相环(PLL)
故障安全时钟监控器:
检测和从外部振荡器故障恢复
双速启动
将代码执行和外部振荡器启动之间的延迟降至最低
通用微控制器特性
节省功率的睡眠模式
加电复位(POR)
上电定时器(PWRT)
振荡器启动定时器(OST)
具有可选跳变点的掉电复位(BOR)
扩展看门狗定时器(WDT)
在线串行编程(ICSP)
在线调试(ICD)
增强型低压编程(LVP)
工作电压范围
1.8V~3.6V(PIC16LF1784/6/7)
2.3V~5.5V(PIC16F1784/6/7)

图1  PIC16LF1784/6/7框图

血糖仪
   
血糖仪是一种用于确定溶液中葡萄糖浓度的医疗器械。根据地区的不同,葡萄糖浓度以毫克/升(mg/dl)或毫摩尔/升(mmol/L)为单位。血糖仪是糖尿病患者使用的家庭血糖监测(HBGM)器件的关键元件。一天可以测量多次。


血糖仪确定溶液中葡萄糖的浓度。本方案重点介绍血糖仪的设计,包括必要的硬件设计和软件开发。

大多数血糖仪基于电化学技术。它们利用电化学试纸来进行测量。将一小滴待测溶液滴到一次性试纸上,血糖仪用其进行葡萄糖测量。最常见的2种葡萄糖电化学测量方法是比色法和安培法。

在比色法中,LED之类的典型传感器或光电传感器构成模拟接口。这些传感器后面是互阻抗放大器(TIA),用于测量溶液中葡萄糖的浓度。在该方法中,利用颜色反射原理,通过光度测定来检测试纸反应层内的颜色强度。血糖仪产生一个数值,也就是说测量溶液中葡萄糖的浓度。

在安培法中,电化学试纸包含一个毛细管,其用于吸入置于试纸一端处的溶液。试纸还包含一个酶电极,其含有葡糖氧化酶之类的试剂。葡萄糖在酶中发生化学反应,化学反应过程中会产生电子。测量这些电子(即通过电极的电荷),它与溶液中葡萄糖的浓度成正比。还进行了环境温度测量,以便抵消温度对反应速度的影响。


图2  血糖仪测试原理图

图3  血糖仪框图

设计指标

葡萄糖测量范围:20mg/dl~600mg/dl(1mmol/l~33mmol/l)
5秒钟内显示测试结果
自动保存最近32次葡萄糖读数及其日期和时间戳
无试纸编码:运行一般回归方程,并且能够根据试纸特性修订方程

硬件设计特性

电路板数量:单板
PIC16LF178X器件:28引脚器件
调试/编程:提供在线串行编程(ICSP)连接
监测/指示:测试点
试纸连接:提供终端/连接器
RTCC(利用内部Timer1):血糖仪的日期和时间戳
内部EEPROM
记录血糖仪最近的32个读数
存储任何与试纸有关的参数或校准数据
LCD
显示溶液的葡萄糖含量(单位:mg/dl或mmol/l)
显示消息:“插入试纸”、“试纸已插入,请放好样品”,“试纸有误”
试纸感应:检测试纸插入
温度感应:考虑到温度变化对葡萄糖计算的影响而采取的预防措施。如果温度和葡萄糖浓度之间的关系已知,那么它可并入回归方程以应对温度变化引起的任何葡萄糖浓度变化
电池电压感应:电池健康感应和电池电量低指示
2个按钮:用于读取以前保存的数据和用于设置日期与时间
电池:CR2032:3V、225mAH锂电池
固件特性
利用PIC16LF178X的内部运算放大器、DAC和ADC检测试纸电流
在试纸插入之后,采集ADC读数,检查高于450mV的增长
试样放到试纸上之后1.5秒内开始读取ADC读数,然后计算平均值
利用回归方程和平均ADC读数计算葡萄糖浓度。固件模块可实现下列特性:
LCD接口和显示器例程
配置运算放大器
配置DAC
将葡萄糖读数保存到内部EEPROM中
读取ADC通道
计算葡萄糖浓度
利用用于时间标记的Timer1实现RTCC

图4  血糖仪演示板外形图(正视图)

图5  血糖仪演示板外形图(底视图)

Microchip的低成本血糖仪利用安培法测量血糖含量

Microchip低成本血糖仪利用PIC16LF1786器件设计而成。PIC16LF1786集成测量引擎的特性包括:

超低功耗操作(XLP)
2个运算放大器(OPAMP)
8位数模转换器(DAC)
12位SAR模数转换器(ADC),通道多达11条
集成式EEPROM
I2C/SPI
PWM

模拟前端嵌入PIC16LF1786之中,采用2个运算放大器、1个精密ADC和1个高精度电压参考。集成式8位DAC用于适当偏置传感器。演示板的实时时钟与日历(RTCC)用于记录测量时间戳,内部EEPROM存储32个读数,供以后参考。该系列器件采用的Microchip超低功耗(XLP)技术有助于满足这个全面集成的血糖仪的低功耗要求。PIC16LF1786 XLP器件具有内部OPAMP、ADC、DAC和EEPROM

本方案有助于开发具有供日常使用的用户接口的低成本/低功耗、手持式、便携式或穿戴式血糖仪。

图6  血糖仪框图

详情请见:
http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/40001637C.pdf
http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/Glucose%20Meter.PDF
http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/00001560A.pdf

 

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