摘要：本文介紹了適合便攜式血糖儀的低功耗SoC芯片結(jié)構(gòu)和性能，完成模擬數(shù)據(jù)采集和信號處理功能。本文還闡述了SoC芯片在血糖儀中的軟硬件設(shè)計，并進一步說明了SoC設(shè)計在實際應(yīng)用中的幾個重要功能，例如低功耗睡眠模式，低噪聲運放與溫度傳感器等。血糖和酶電極反應(yīng)時所產(chǎn)生的微弱電流經(jīng)過放大、濾波、模數(shù)變換后經(jīng)SoC芯片數(shù)據(jù)處理，在液晶顯示器上顯示出測試結(jié)果。本文所提出的SoC設(shè)計整合低噪聲運算放大器轉(zhuǎn)換微弱的血糖信號成電壓信號，測試范圍達1.1-33.3mmol/L，單次采血量僅為3μL，完成一次測試的時間約4秒，片外的EEPROM可以存儲256組歷史記錄，還具有自動溫度補償與校正功能，適合個人、家庭或醫(yī)院使用。
1 引言
糖尿病（DM，Diabetes Mellitus）是一種常見的非傳染卻嚴重危害人類健康的慢性疾病，糖尿病是繼心血管和腫瘤之后的第三大非傳染性疾病，已成為嚴重威脅人類健康的世界性公共衛(wèi)生問題。糖尿病發(fā)生后會引起糖、水、脂肪、蛋白質(zhì)和電解質(zhì)等代謝紊亂，進而導(dǎo)致各種并發(fā)癥，包括糖尿病性心腦血管病、糖尿病性腎病、糖尿病性眼病、糖尿病性神經(jīng)病變等等。因此，我們需要研發(fā)更先進的醫(yī)療設(shè)備來預(yù)防和治療糖尿病及其并發(fā)癥。
現(xiàn)代醫(yī)學(xué)還沒有根治糖尿病的方法，對患者的血糖濃度進行頻繁的測定是延緩糖尿病及其并發(fā)癥的重要方法。目前醫(yī)院中最常用的檢測血糖參數(shù)的方法是通過采集病人的血樣，用大型生化分析儀進行分析與檢測。這種方法準(zhǔn)確性高，但檢測時間太長、需要的血液量過多，還需專業(yè)人員操作儀器，不利于病人的自我監(jiān)護。近年來，醫(yī)院內(nèi)幾乎所以科室均備有便攜式血糖儀，不僅為醫(yī)生和患者提供數(shù)據(jù)，而且可以作為醫(yī)生調(diào)整藥物劑量的依據(jù)。便攜式血糖儀解決了大型生化分析儀檢測方法的缺點，不但方便了糖尿病患者對血糖的控制，還促進了血糖儀的普及。
隨著微電子技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展， 各種便攜式血糖儀的設(shè)計方案不斷涌現(xiàn)。目前市場上的血糖儀種類繁多，在不同程度上滿足臨床醫(yī)療的需求。價格，精度和低功耗（待機時間長）是用戶評價一款血糖儀的3 個重要特性。以往的用于血糖儀的芯片采用分離的模／數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器芯片實現(xiàn)，利用轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出，這種方式的結(jié)果不穩(wěn)定，而且整體實現(xiàn)成本比較高，給市場大量推廣帶來諸多不便。相較之下本文提出的SoC 設(shè)計具有片內(nèi)模擬設(shè)計整合度高，外圍所需器件少，精度高，低功耗等優(yōu)點。
便攜式血糖儀的系統(tǒng)實現(xiàn)對酶生物傳感器檢測的數(shù)據(jù)進行處理并送到LCD顯示器上，另外還需要完成時鐘的計時，數(shù)據(jù)的記錄與存儲等功能。本文介紹一種可廣泛用于家庭和醫(yī)院的新型低功耗醫(yī)用血糖儀的SoC設(shè)計與方案實現(xiàn)，文中說明了SoC芯片主要功能和工作原理，還給出了采用SoC芯片設(shè)計血糖儀的應(yīng)用電路和軟件工作流程。
2 血糖儀的特點
本文介紹的便攜式血糖儀采用電化學(xué)酶電極法，當(dāng)血液樣品滴加在試紙（Test Strip）上時，血糖與感應(yīng)膜反應(yīng)產(chǎn)生電子，在一個工作電壓的作用下，電子會被傳送到電極，所產(chǎn)生的電流與血糖的濃度成一定的比例關(guān)系，通過檢測電流的值就可以得出血糖的濃度。
2. 1 什么是糖尿病
正常情況下，身體會將吃進去的淀粉類食物分解及轉(zhuǎn)變成葡萄糖，提供身體的能源。而胰島素是由胰臟制造的一種荷爾蒙，它可以幫助葡萄糖進入細胞內(nèi)，提供熱能。因為糖尿病患的胰臟制造胰島素不足或功能不良，無法使葡萄糖充分進入細胞利用，而留在血中使血糖濃度升高。長期的高血糖癥狀，有時會引起視網(wǎng)膜病變、腎臟、神經(jīng)病變、心臟和血管、高血壓、性能力減弱，甚至死亡。1997 年美國糖尿病協(xié)會提出了糖尿病診斷的新標(biāo)準(zhǔn)：
1.有糖尿病癥狀，并且任意血糖≥11.1mmol/L；
2.空腹血糖≥7.0mmol/L；
3. 口服葡萄糖耐量試驗（OGTT）2 小時后血糖≥11.1mmol/L。
糖尿病已成為全球矚目的主要慢性病，“早期診斷、適當(dāng)治療”與“患者自我配合”是控制糖尿病的不二法門，除了嚴重者長期注射胰島素外，糖尿病
平日的血糖監(jiān)測亦非常重要，配合用藥、飲食的控制及持續(xù)監(jiān)測，可延緩各種糖尿病并發(fā)癥的發(fā)生以擁有健康的生命。
2. 2 檢測原理簡介
利用測試試紙作為葡萄糖信號的來源，以固定偏壓方式激發(fā)試紙與血液的電化學(xué)反應(yīng)成為電流信號輸出，再經(jīng)由本文所提低功耗SoC 芯片量測電流信號、運算、數(shù)字輸出顯示，如圖1 所示，以最少的器件達成偏壓式電流量測方案。
圖1 模擬與數(shù)字信號轉(zhuǎn)換
血糖儀的檢測原理是基于生物電化學(xué)方法，即用生物傳感器葡萄糖氧化酶電極進行血糖測試。其中酶電極由酶膜和電極結(jié)合而成， 在電極表面固化上葡萄糖氧化酶（GOD， Glucose Oxidase），當(dāng)約3μL 血液滴入血糖測試電極后，發(fā)生了氧化還原反應(yīng)，在反應(yīng)過程中傳輸介質(zhì)中的二價鐵離子失去電子，發(fā)生了氧化還原反應(yīng)，葡萄糖氧化酶氧化葡萄糖生成H2O2和葡萄糖酸，H2O2將二價鐵離子氧化，由化學(xué)反應(yīng)所釋放的電子，所產(chǎn)生的電子被導(dǎo)電介質(zhì)轉(zhuǎn)移給電極，在300mV 電壓的作用下發(fā)生定向流動，約2 秒能形成了0.6~10μA 的氧化電流。通過檢測電流變化與葡萄糖濃度近似線性關(guān)系，從而達到檢測血糖濃度的目的。
由于各家試紙組成成分不同，在方案開發(fā)前，我們可以先設(shè)計試紙的等效電路作試驗，所以必須先了解試紙的等效電路（如圖2 所示）。圖3 說明試紙的電化學(xué)反應(yīng)時間，VR 表示固定偏壓。電流轉(zhuǎn)換公式如公式（1）所示：
Glucose=I×F（code）×T（t）（1）
I：電流（μA）
F（code）：不同試紙會有不同的值呈現(xiàn)
T（t）：溫度系數(shù)
圖2 試紙等效電路（A）單通道電阻（B）雙通道電阻
圖3 電化學(xué)反應(yīng)時間
2. 3 血糖儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
一般常見血糖儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。它是由信號采集單元， 顯示與控制單元組成。儀器的硬件部分主要包括酶生物傳感器、信號檢測、微控制器、LCD 顯示器與通信模塊組成。顯示與控制單元是由LCD顯示器、按鍵電路、微控制器和其他外圍模塊組成。設(shè)計血糖儀的關(guān)鍵在于酶電極電流信號的獲取，即酶電極電流信號的采集；另外，該系統(tǒng)屬于便攜式應(yīng)用，要求系統(tǒng)為低功耗設(shè)計，通過降低系統(tǒng)的功耗，可以延長電池的使用壽命，而且有助于環(huán)境保護和節(jié)約能源。
圖4 血糖儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
3 SoC芯片的硬件設(shè)計
SoC芯片的功能主要在量測電壓信號， 數(shù)據(jù)的計算，信號的控制與結(jié)果的顯示。本文所提出的低功耗SoC 芯片具有芯片面積小、模擬IP 集成度高可以減少外掛芯片、方便芯片應(yīng)用等特點。本文會以這款低功耗SoC 芯片為核心， 再輔之以較少的外圍芯片設(shè)計一款便攜式血糖儀。
3. 1 SoC芯片特點
SoC 芯片選擇0.18um 工藝節(jié)點， 內(nèi)部模塊如圖5 所示，內(nèi)置EEPROM與4K 字（Word）一次性可編程（OTP） 程序存儲器，256 字節(jié)（Byte）數(shù)據(jù)存儲器。上電及掉電檢測（Brownout detector），用于檢測電源電壓的降低， 并將處理器完全復(fù)位?？撮T狗（Watch dog Timer ）主要用于產(chǎn)生喚醒事件，可防止程序的跑飛。芯片內(nèi)還有8 位定時器A，16 位定時器B 具Capture/Compare 功能，16 位定時器C 具PWM/PFD 波形產(chǎn)生功能。串行通信SPI 模塊可以用來外掛器件。
內(nèi)置絕對溫度傳感器與18 位全差動輸入ΣΔADC 類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置可編程增益放大器（PGA， Programmable Gain Amplifier）及可有1/4、1/2、1……128 倍10 種輸入信號放大倍率選擇。內(nèi)置輸入零點調(diào)整，可針對不同應(yīng)用增加其量測范圍。內(nèi)置高阻抗輸入緩沖器（32 以上輸入倍率不適用）。超低輸入噪聲（<1uVpp）運算放大器， 可提供高輸出阻抗小信號的放大及小電流的電壓轉(zhuǎn)換。1.2V 低溫飄系數(shù)參考電壓源輸出，具有推挽式（Push- Pull） 驅(qū)動能力，可提供傳感器驅(qū)動電壓。LVD 低電壓檢測功能可配置14 段檢測電壓。模擬電壓源VDDA 具10mA 穩(wěn)壓電壓源輸出能力，可有4 種不同輸出電壓選擇。4×20 LCD 液晶驅(qū)動器。1/4 占空（Duty）、1/3 偏置（Bias）。內(nèi)建電荷泵（Charge Pump）穩(wěn)壓線路，可提供4 種LCD 偏置電壓。
3. 2 硬件乘法器
SoC 芯片負責(zé)信號的處理、控制和顯示功能，采用先進的CMOS 標(biāo)準(zhǔn)工藝生產(chǎn)制造。整合一個具有69 個操作指令的8 位加強型精簡指令集處理器，包括8x8 硬件乘法指令與16 位的查表指令。8x8 硬件乘法器的處理指令“MULF 和MULL”，硬件乘法的運算結(jié)果會放到乘法器寄存器PRODH [7：0]與PRODL[7：0]內(nèi)，而且不會改變STATUS[7：0]狀態(tài)寄存器中的任何標(biāo)志。PRODH[7：0]與PRODL[7：0]為只讀緩存器，硬件乘法器可進行有號數(shù)與無號數(shù)運算。
圖5 SoC芯片內(nèi)部模塊
3. 3 低功耗模式
2.0V~3.6V 工作電壓范圍，-40~85℃工作溫度范圍。內(nèi)置高精度RC 振蕩器，6 種CPU 工作時鐘切換選擇，可以達到最佳省電規(guī)劃。具體測試條件見表1，其中OSC_CY 是外部振蕩器頻率，OSC_HAO 是內(nèi)置的高精度振蕩器頻率，CPU_CK 是處理器內(nèi)核的操作頻率。
表1 不同時鐘條件下的電流值
活動模式主要指CPU 根據(jù)時鐘源依序處理所有發(fā)生的事件，此時芯片所有外設(shè)皆可正常運作，而且功率消耗在同頻率下處于最大的狀態(tài)。待機模式是透過軟件下達IDLE 指令后，處理器進入待機模式，也就是處理器進入節(jié)能的狀態(tài)，芯片停止運作等待喚醒，并將PSTATUS 復(fù)位緩存器的IDLEB [0]旗標(biāo)位置<1>。在此模式下芯片外設(shè)仍正常運作，當(dāng)外設(shè)產(chǎn)生中斷事件時將會喚醒處理器。處理器透過SLP 指令進入休眠模式中，主要是指芯片處于停止運作狀態(tài)，處理器、內(nèi)部振蕩器（HAO 與LPO）與外部振蕩器（XT）將停止工作，外設(shè)使用HAO、LPO、XT 等相關(guān)時鐘源也停止運作，并將PSTATUS 復(fù)位緩存器的PD 旗標(biāo)位置<1>。在此模式下，芯片將處于等待中斷事件進行喚醒，因為部分外設(shè)雖然停止運作，但其功能仍處于開啟狀態(tài)。為了達到休眠模式芯片功耗處于最低的情況下，不用于喚醒芯片的外設(shè)必需進一步關(guān)閉功能。
3. 4 低噪聲運放（LNOP）
檢測酶電極與血液反應(yīng)所產(chǎn)生相當(dāng)微弱的微電流信號，電流信號為μA ~ nA 級別，需要再轉(zhuǎn)換成一個可供處理的電壓信號。然后經(jīng)過放大、濾波等處理使其轉(zhuǎn)變成用于識別的電壓信號，再通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換，成為SoC 芯片能夠處理的數(shù)字信號。低噪聲放大器的功能主要是實現(xiàn)電流到電壓的轉(zhuǎn)換與放大，可單獨使用或搭配Σ-ΔADC，其適用于小電流或高輸出阻抗信號源的量測應(yīng)用。低噪聲放大器還有以下功能：
1. 高輸出阻抗或低輸出電流的量測應(yīng)用。
2. 多通道信號輸入與輸入短路設(shè)計。
3. 可量測引腳漏電流。
4. 輸入信號正相，反相偏移量或Chopper。
5. Push/Pull 驅(qū)動能力。
輸入通道選擇器OPP[1：0]與OPN[2：0]27 可分別選擇低噪聲運放的“+”與“-”端是由哪一個外部引腳輸入，當(dāng)OPN 設(shè)置<11x> 時則呈現(xiàn)高阻抗?fàn)顟B(tài)；信號輸入后，可經(jīng)由輸入通道短路器OPIS[0]將選定的通道進行短路。
輸入處理器OPM[1：0]可設(shè)置對低噪聲運放輸入信號做正向偏移量、反相偏移量或Chopper 處理。低噪聲運放輸入通道具有10GΩ 的輸入阻抗及共模模式下90pF 輸入電容設(shè)計，使用上較為特殊的地方是OPN[2：0]可讓輸入引腳AI0- AI5 或AI1- AI5 組態(tài)化，以實現(xiàn)對類比通道的引腳進行超低的漏電流量測，如圖6 所示。
圖6 低噪聲運算放大器電路模塊
ENOP[0]設(shè)置<1>以啟用低噪聲運放模式。反之，當(dāng)ENOP[0]設(shè)置<0>會關(guān)閉低噪聲運放。低噪聲運放的電源是使用VDDA，并使用ACM為其內(nèi)部共模電壓參考點，故在啟動低噪聲運放前必須先啟用VDDA及ACM。
3. 5 絕對溫度傳感器
由于血糖測試是利用生物電化學(xué)反應(yīng)，而溫度能影響該反應(yīng)，在不同的溫度下葡萄糖氧化酶的活性不同。即使是相同血糖濃度的血液，采用相同的電壓，在不同溫度下，由葡萄糖氧化酶氧化產(chǎn)生的電流大小也不同。所以需要根據(jù)溫度進行補償以獲得正確的血糖濃度值。
我們可以使用芯片內(nèi)部的溫度傳感器（如圖7所示）來測量環(huán)境溫度，當(dāng)溫度過高或過低時，葡萄糖氧化酶就會完全失去活性，根據(jù)測量的環(huán)境溫度，此時血糖儀需要給出報警，提示用戶不能在該溫度下進行操作，以免得出錯誤的檢測值。溫度傳感器同時也需要進行補償。絕對溫度傳感器由二極管（BJT） 組成，其電壓信號對溫度的變化為一通過0°K 曲線，其具以下特色：
1. 溫度傳感器在環(huán)境溫度為0°K 時其輸出的電壓值VTPS@0°K =0V
2. 透過測量方式可使得模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC的偏移電壓（VADC-OFFSET）與BJT 之不對稱性（IS1≠IS2）自動抵消
3. 校正溫度僅需單點校正
圖7 絕對溫度傳感器電路模塊
4 血糖儀的方案設(shè)計
4. 1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計
由本文提出SoC 芯片實現(xiàn)便攜式血糖儀的應(yīng)用電路如圖8 所示，為了方便用戶能隨時查看血糖的變化情況，血糖儀需要具有存儲的功能。用戶不僅能查詢歷史血糖值，還要能夠查詢最近一周內(nèi)血糖值的變化趨勢，醫(yī)生可以根據(jù)變化趨勢制定后續(xù)的用藥方式與劑量，以達到控制血糖濃度的目的。每個歷史數(shù)據(jù)包含血糖值濃度及測試日期這兩個信息，需要8 字節(jié)（Byte）來保存。本系統(tǒng)選取有2048字節(jié)存儲空間的EEPROM（24LC02）芯片，最多能夠存儲256 個歷史數(shù)據(jù)。
圖8 血糖儀的應(yīng)用電路
輸入/ 輸出埠I/O 每八個引腳為一個端口，可作數(shù)字的輸入與輸出以及模擬信號量測通道。每個端口由一組緩存器做控制。芯片可以透過IO 口仿真只需要SCL 時鐘和SDA 數(shù)據(jù)的I2C 總線功能，與24LC02 采用標(biāo)準(zhǔn)的I2C 總線接口通訊，24LC02 的存儲空間可以由使用者決定參數(shù)意義與數(shù)量，再由SoC 芯片的程序設(shè)定與控制需要儲存何種參數(shù)，例如24LC02 也能儲存校正參數(shù)。圖8 的Strip 是應(yīng)用電路上以可變電阻取代試紙，用以仿真試紙的電化學(xué)信號。
血糖試紙所需偏壓往往在0.1V~0.5V 不等，一般來說在0.5V 的工作偏壓電壓下， 對應(yīng)于2~25 mmol/L 的血糖濃度， 酶電極的響應(yīng)電流約3~50μA。芯片有內(nèi)置一個參考基準(zhǔn)電源1.2V 或2.4V 供使用者的使用，但是需要再透過基準(zhǔn)電阻分壓供電給試紙偏壓使用?？删幊淘鲆娣糯笃髋cΣ-Δ ADC 通過參考電阻獲得參考電壓，量測到的電阻值是否精確與參考電阻的精度有關(guān)，所以必須保證參考電阻的精度。
模擬前端電路主要應(yīng)用是要量測低頻的信號，但在真實世界里待測信號會含有許多高頻的噪聲，根據(jù)信號取樣原理超過取樣頻率的高頻噪聲經(jīng)過取樣后會產(chǎn)生零點飄移及低頻噪聲，進而造成量測的誤差。因此建議在芯片差動待測信號及參考電壓端加上10nF~100nF 的濾波電容以加強量測的準(zhǔn)確性。
4. 2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計
軟件采用自上而下的模塊化程序設(shè)計方法， 以主程序為核心構(gòu)建。血糖儀的工作流程如圖9 所示，該血糖儀的測量過程如下：
?。?）進入休眠模式（Sleep）后按下PT1.0喚醒芯片，測量模式下按下PT1.0能鎖定最大值。按下PT2.4進入校正模式，由外部輸入0.2V校正ADC電壓測量值；
（2）進入校正模式后按下PT1.0喚醒芯片，按下PT1.1將校正值200mV增益寫入EEPROM；
?。?）進入量測模式，載入校正增益；
?。?）進行血糖的ADC采樣與轉(zhuǎn)換；
?。?）數(shù)學(xué)計算，顯示電流；
（6）按下PT1.0，進入休眠模式；
圖 9 血糖儀的工作流程
考慮到元器件參數(shù)的分布性差異和電路穩(wěn)定工作狀態(tài)的波動性，這些都可能給測量結(jié)果帶來各種誤差，所以設(shè)計了個軟件校準(zhǔn)模塊，可以人為地對測量結(jié)果進行實時校準(zhǔn)。程序也設(shè)計了關(guān)機子程序，利用了芯片在休眠模式下功耗低小于0.63μA的特點。使血糖僅完成測試后能在不切斷電源的情況下自動進入休眠狀態(tài)，再由外部的按鍵中斷來喚醒。這種通過軟件方法來優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計思想降低了儀器功耗。
圖10 是利用本文所介紹的SoC 芯片所設(shè)計血糖儀的開發(fā)板與樣品。因為SoC 的集成度很高，所以成品可以做到體積小，便于攜帶隨時隨地監(jiān)測血糖。
圖10 利用SoC芯片所設(shè)計血糖儀的開發(fā)板與樣品
血糖儀樣品的規(guī)格如表2 所示， 這里給出應(yīng)用范例計算紐扣電池的使用時間。對血糖而言，電流值會隨著時間的增加而增加，并逐漸趨向穩(wěn)定，穩(wěn)定后的電流值與血糖濃度成正比。因此，需要等待一段時間， 等到達穩(wěn)定后才能測試電流大小， 從而得出所測試的血糖濃度值。這里所需要的時間是試紙的反應(yīng)時間，由試紙的化學(xué)特性決定，非芯片控制，對于開發(fā)板所用的特定試紙而言， 整體量測所需的時間為4秒。如果每天在醫(yī)院使用血糖儀為不同病人量測100 次，成品使用3V 電壓的紐扣電池CR2032， 額定容量為210mAh，經(jīng)過如下公式（2），（3）的計算可以使用5.84 年之久，足可說明本文所介紹的芯片確實達到超低功耗的先進水平。
平均耗電流
=（系統(tǒng)最大操作電流x量測次數(shù)x每次量測時間/1 天時間）+ 休眠電流（2）
=（750uAx100 x4s/ 86400s）+ 0.63uA= 4.1uA
電池壽命= 電池電量/ 平均耗電流（3）
= 210mAh / 4.1uA
= 51219h = 2134 天 = 5.84 年
表2 血糖儀樣品規(guī)格
5 結(jié)論
本文介紹一款為了血糖儀的應(yīng)用而設(shè)計的高集成度，低功耗SoC 芯片。片內(nèi)集成了高精度的Σ-Δ ADC，EEPROM與一次性可編程程序存儲器，所以成本較分離器件的方案低。血糖儀能夠準(zhǔn)確測量血糖濃度，并且具備存儲功能，方便用戶查詢歷史值和近期血糖濃度趨勢， 以便醫(yī)師采用正確的用藥方式。智能血糖儀通過采用不同的時鐘源工作，可以達到降低系統(tǒng)功耗的目的。我們也給出范例說明一節(jié)普通的CR2032 電池， 基本上能夠支持醫(yī)院使用血糖儀長達5 年以上的使用而不用更換電池，具有測量時間短，低功耗等優(yōu)點，可成為一種供糖尿病患者在家庭中自我監(jiān)控血糖濃度的理想儀器。
(審核編輯: 智匯張瑜)
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