基于MC9S08LL36便携式血糖仪设计

（新乡金象科技有限责任公司，河南 新乡 453003）

糖尿病是一种常见的代谢内分泌疾病，是由于人体内缺乏胰岛素或其受体异常所致，以高血糖为主要特征，是一种世界范围内的流行疾病。近年来其发病呈显著上升趋势，目前全世界约有10%的成年人身患此病。在我国，糖尿病患者约有四千五百万人，目前的治疗方式主要是对病人体内的葡萄糖代谢进行调控，临床治疗给药的重要依据是病人的血液葡萄糖含量，因此通过自我检测血糖仪来追踪、评估糖尿病的控制是很重要的。特别是自我检测血糖仪可以在医院甚至家中方便、迅速的检出结果，使医师或者患者据此调整治疗方案和生活作息。本设计的多功能语音血糖仪可完成对血糖浓度的快速而简便的检测，并且采血量少，超低功耗设计，温度显示，闹铃提示和语音播报等功能，更有利于病人进行自我监测。本设计采用飞思卡尔MC9S08LL36单片机，配以血糖检测电路、语音电路及LCD屏显示，良好的人机界面，具有操作简单、超功耗低、测量迅速，语音播报等优点，并能储存多达500个历史数据，便于病人掌握自己血糖浓度的变化趋势，采用合理的用药方式。

1.血糖测量原理

血糖仪是根据电生物化学原理——施加一定电压于经酶反应后的血液产生的电流会随着血液中的血糖浓度的增加而增加设计的。通过精确测量出这些微弱电流，并根据电流值和血糖浓度的关系，反算出相应的浓度。所以，确定这个关系是问题的核心。但其关系复杂，受多方面因素影响。电压强度、所使用的试条以及检测的血液量都会对其产生影响。理论上需要在所有浓度点上大量实验才能确定最终的关系。在实际操作中，只需在选择若干重要浓度点做大量实验，并确定其与电流值之间的关系。而相邻浓度点之间用简单的线性关系取代。

2.血糖仪的整体设计

本文所研究的多功能血糖仪设计要实现以下功能：

（1）血糖检测功能：MC9S08LL36单片机A/D采样的是电压值，而被检测的是微量的电流值；因而也需要将电流值放大并转换成相应的电压值。采用如图1所示的电路就能实现这一要求。其中，电阻R2用于放大。

（2）环境温度测量及温度补偿：MC-9S08LL36单片机内部集成了温度传感器，并且对应内部一个12位A/D通道，直接进行A/D转换即可完成温度测量，无需再外加温度传感器。

（3）实时时钟功能：MC9S08LL36单片机内部有锁频环（FLL），可以通过软件进行修整，提高精确度，实时时钟计数器TOD，这提供了高可靠性，低成本的时钟源。

（4）闹铃提示功能：了解血糖的趋势对患者治疗非常重要，特别是固定时间测量，所以有闹铃提示更方便患者得使用。

（5）语音功能：方便老年人使用，设计更人性化。

3.血糖仪的硬件设计

本系统以飞思卡尔MC9S08LL36单片机为核心，硬件电路包括微处理器、血糖测试电路、语音播报电路及人机交流电路等。

3.1 微处理器

MC9S08LL36单片机是飞思卡尔基于HCS08核的8位单片机。具有极低功耗，内置LCD驱动及丰富的外围接口。1.8V-3.6V的低工作电压，内置琐频环电路FLL，32K FLASH程序空间，2K字节RAM，实时时钟计数器TOD，8路12位A/D，内置稳压源可以省去外加稳压模块和电源测量模块，节省了血糖仪的成本，提高了系统的可靠性，并降低了系统整体功耗，完全满足本血糖仪的各项功能需求。特别是低功耗，内置LCD驱动和低工作电压方面具有独到的优势，特别适合血糖仪这种便携式手持式仪表的设计。

3.2 血糖测试电路

在酶电极两端加上稳定的激励电压，该激励电压是由内置稳压源模块提供的1.2V（VREF）稳压通过电阻分压而产生的，大约在245mV左右，它能产生μA级别的定向电流。当酶电极两端滴入血样后，会产生自由电子。由于电极两端存在激励电压，就会有定向电流流过电极。由于A/D转换模块测量的是电压，所以需要将该定向电流转换成电压，并且进行一定的放大。本系统采用图1所示的电路来实现电流到电压的转换和放大。

运算放大器的反相端连接血糖试纸上的酶电极，当有血样滴入时，该电极与地之间为等效电阻Rx，流过该电阻的电流正比于血液中的血糖浓度值，经过关系式换算出血糖浓度。

图1

图2

图3

MC9S08LL36的A/D模块输出一输出1.2V的稳压通过R1和R3分压，产生245mV的激励电压，该电压通过运放的正端加到电极两端。R2起到反馈放大的作用，它将运放的输出范围限定在A/D模块的转换范围内。在PCB板布线时，由于运放输出和MC9S08LL36的ADC模块输入I/O口之间的走线可能会比较长而引入干扰，为了确保测量值的准确，需要对测试电压进行滤波，C1就是用来起滤波作用的，从而减少了外来干扰对血糖测试的影响。而运放直接接电容负载容易引起输出震荡，R4的作用就是隔离运放和电容。由于电阻R4上会有电流流过，这样电阻两端就有压降存在，电压信会受此影响而变化，为了不影响血糖测试的精度，R4的值不能取得过大。跟据经验值取20Ω。

根据运算放大器的理想特性：

有式子（1）和（2）可得

其中：V。是运放输入A/D的到得电压；

Vin = 245mV

R2 = 90kΩ

这样就算血糖参与反应的电流I和电阻Rx。

3.3 语音播报电路

AP89085一次性编程(OTP)语音芯片是采用8-bit PCM压缩方式。在6K采样率下时间长度可达到85秒，通过M0和M1可以选择按键或CPU方式触发，按键可以触发32段，CPU可以触发254段，3个输出端可以选择LED、STOP、BUSY不同组合，声音输出可外接三极管放大输出(COUT)或直接推喇叭(VOUT)方式。本系统选择SPI串行CPU方式触发，直接驱动喇叭。而且AP89085工作电压：2.6-3.6V，静态电流小于5uA，芯片外围线路简单，特别适合便携式设备，所以本系统选择AP89085作为语音驱动芯片。

3.4 人机交流电路

为了方便操作，本系统设计了键盘和液晶显示电路。本系统利用MC9S08LL36的两个具有中断唤醒功能的I/O口对按键进行处理，能在低功耗模式下快速唤醒，具体电路如图3所示。

为了方便用户更直观的看到血糖浓度值，本系统利用MC9S08LL36内置LCD驱动，采用了断码液晶显示，同时附带了时钟日历和血糖浓度单位的显示，如图4。

图4

4.血糖仪的软件设计

系统软件采用C语言编写，根据上述本系统要实现的功能，其主程序框架如图5所示。

图5

对于便携式设备，电池寿命至关重要，所以低功耗是设计中首要考虑的因素。系统功耗由两部分组成：单片机本身的功耗和外部电路的功耗。由于外部电路的功耗基本上是固定的，因此选用低功耗的单片机至关重要。单片机本身的功耗包括正常运行时的功耗和睡眠时的功耗。 在血糖仪的使用中，由于平时大部分时间工作于睡眠状态，因此睡眠时的电流至关重要，MC9S08LL36在睡眠3（STOP3）模式的电流为400nA。而且从睡眠3（STOP3）模式唤醒的时间非常短，只有6uS，当单片机检测到酶电极两端滴入血液或有按键动作时，可以很快的响应。在系统完成测量时，启动定时器倒计时，在倒计时期间若无操作，2分钟后再次进入睡眠状态，降低功耗。

为满足个性化需要，还增加了时钟、单位设置、记忆存储，平均值和温度显示等功能。具备了一机多功能的特点，满足不同人群的要求。

表1 测试结果（血糖单位：mmol/L）

5.血糖仪的临床测试

使用MC9S08LL36设计的血糖仪在临床测试中，取得了较好的结果，实验对象分为三组，第一组为血糖正常人6名，第二组中轻度糖尿病患者6名，第三组重度糖尿病患者8名。用三台血糖仪进行测试，并和奥林巴斯AU640全自动生化分析仪进行比对，临床试验结果见表1。

根据统计数据分析，三组血糖仪的测试数据与奥林巴斯AU640全自动生化分析仪测试数据的相关性分别达到：血糖A：ρ=0.999469959，血糖B：ρ=0.999542691，血糖C：ρ=0.999835814，完全满足医学临床测试的要求。

6.结束语

该血糖仪能够准确测量血糖浓度，并且具备实时时钟，还具有超低功耗，温度显示，闹铃提示和语音播报等多种功能，方便用户使用，以便用户采用正确的用药方式。低功耗也是本系统的一个突出优点，一节普通的CR2032电池，能测试血糖次数达1000次以上，基本上能够支持用户长达一年的使用而不用更换电池，真正实现了便携式设备。

[1]蒋开伟.基于MSP430F435的血糖仪研究与设计[D].北京:北京交通大学,2006.

[2]王宜怀,刘晓升.嵌入式技术基础与实践[M].北京:清华大学出版社,2007.