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澎湃微PT32x033系列 | 血糖仪专题技术文章连载_01

2022-05-25

 

  概述  

澎湃微基于超低功耗MCU—PT32x033系列，推出血糖仪专题技术文章连载。内容包括：LCD驱动器应用、OPA&ADC&DAC联合应用、NTC、RTC应用、超低功耗应用等课题，以帮助客户快速上手，缩短学习开发周期。

 

 

目前家用医疗仪器越发小巧便携且易于使用，测试的精度也越来越高。在过去的几年中，血糖仪的发展趋势是通过使用更好的试纸、更小型化的电子设备和更先进的算法来减少测试过程中所需的血液样本量，最大限度的提高患者的检测舒适性和便利性，同时能更快速更精准地得到检测结果。

便携式血糖仪分为两种，一种是光电型，一种是电极型。光电血糖仪有一个光电头，但探测头暴露在空气里，很容易受到污染，影响测试结果，使用寿命比较短；电极型的测试原理比较科学，电极口内藏，可以避免污染，并且测试的精度高，寿命长，目前绝大多数血糖仪都是电极型的。

电极型血糖仪的试纸有两个电极，其中一个电极使用数模转换器（DAC）叠加上精准的偏置电压后，血液在试纸条上进行化学反应会产生的微弱电流，该电流与被测血液的葡萄糖浓度成正比例关系，电流通常由跨阻放大电路转换成电压后使用模数转换器（ADC）进行测量并且通过一定的算法推算出血糖浓度（单位：mg/dl或mmol/L）。试纸条的电流测量范围为10~50uA，分辨率小于10nA并且对环境温度敏感，因此测试过程中需要获取环境温度并进行补偿校准。

—— · 电极型血糖仪 · ——

—— · 血糖浓度检测原理 · ——

 

  1.1.1 丨 精准测试
血糖仪对试纸电化学反应所产生电流的分辨率必须是nA级别才能够满足测试精度的要求，因此仪表一旦经过出厂校准过后，精度必须具备极低的温度和电压漂移特性。针对血糖仪应用的精度和准确性的需求，033提供如下的外设能力：
  • 集成超低输入偏置电流（小于1nA）的高性能运算放大器（OPA）用来连接试纸组成跨阻放大电路，具备高线性度和可靠性
  • 集成低温漂的2V内部参考电压（温度系数低于50ppm/℃）
  • 集成12位DAC用于设置试纸条的偏置电压，DAC的输出在内部可直接配置为OPA的正端输入极大地简化了外围电路并提升仪表的抗干扰性；
  • 集成12位低噪声ADC用以获取跨阻放大电路转换出来的电压；
试纸上血液的温度会影响到血糖的测试结果，因此需要测量试纸周围的环境温度来对血糖浓度的测量结果进行补偿，温度测量精度因试纸的类型和化学成分而异，一般要求在±1℃以内。这里使用NTC实现环境温度的检测，033的内部2V参考电压可以输出作为NTC的参考，通过ADC获取温度检测电路的电压实现对温度的检测。


—— · 化学试纸温度检测原理 · ——

—— · 精准测试校准框图 · ——

 

从上文血糖检测原理可知，测试精度除了受DAC提供的偏置电压以及2V参考电压的精度影响之外还受OPA的输出失调电压的影响，除此之外，不同化学试纸对DAC提供的偏置电压大小要求不一样。为了更满足精准测试的需求，提供了一套量产校准方案保障DAC和内部参考的输出误差控制在±1mV以内，利用血糖仪板级联动校准（DAC和OPA组合校准）直接把OPA的输出失调电压补偿掉，进而最大限度地提高测试精准度。校准方案通过033提供的专用校准接口（CI接口），无需用户软件层面干预，极大地提高血糖仪产品的量产效率。

 

 

  1.1.2 丨 人机交互
血糖仪采用段式LCD来显示实时测试结果和历史数据，033内嵌LCD驱动器，低硬件成本高软件效率地实现段式LCD的驱动显示。
  • COM和SEG可编程配置，32个LCD引脚均可配置为COM或者SEG，支持2COMx30SEG、4COMx28SEG、6COMx26SEG、8COMx24SEG四种规格
  • 占空比可编程配置，支持1/2、1/4/、1/6、1/8四种配置
  • 支持两种偏置电压源，电阻型（R型）或电容型（C型），C型的偏置电压可通过配置内部电荷泵升压到1.5VDD
  • 支持A型和B型两种LCD驱动波形，刷新率和对比度可编程配置
  • 支持16页显示缓存，显示模式可编程配置，支持固定页显示、单次轮显后保持、单次轮显后关闭、连续轮显四种模式
血糖仪采用一个简单的无源蜂鸣器来实现声觉上的交互，033内嵌蜂鸣器驱动器，支持高SINK电流（40mA）而无需再额外的电流驱动电路也可以实现多种驱动频率的输出。

—— · 蜂鸣器驱动框图 · ——

 

血糖仪采用纽扣电池供电，随着使用年限的增加，电压逐渐衰减，为了更方便的监控电池电压，033提供一路内部稳定的BG1.0V可供ADC采集，当ADC的参考电压为芯片供电电压（电池电压）时，根据ADC转换的结果即可反推出电池电压，一旦低压则可通过LCD屏幕的低电量图示警示用户更换电池，电池电压换算公式如下：

 

 

  1.1.3 丨 实时时钟
血糖仪的所有历史数据都必须附带时间信息以便用户可以统计血糖的长期变化规律，033内嵌高精度低功耗RTC提供日历和计时的功能，为了满足RTC的低频飘需求，允许外挂的32.768KHz晶体振荡器来提供时钟，同时具备时钟补偿机制来满足高精度计时的要求。
  • 提供秒、分、时、日、月、年时间信息，闰年自动调整
  • 不受任何非上电复位的影响，超低功耗工作（小于1uA）
  • 时钟补偿机制满足高精度计时要求
  • 外部32KHz的Crystal负载电容内置优化板级硬件成本

 

 

  1.1.4 丨 数据安全
血糖仪为了更安全地直接使用FLASH存储数据，033的FLASH预留了4KByte数据空间，只有使用特定的秘钥才可操作，这个机制保障了用户访问血糖仪数据的过程中不会因异常操作而导致代码空间被破坏，同时也保障了血糖仪数据的存储安全。
  • 数据擦写次数超过10万次，数据存储有效时间超过100年
  • 512Byte为一个Page进行擦除，擦除时间6mS
  • 单字编程时间7uS

 

 

  1.1.5 丨 超低功耗
便携式血糖仪由纽扣电池供电，电量要求至少能维持三年的使用寿命，这就要求仪器具备非常好的低功耗管理机制，033在低功耗方面的表现非常优越，在血糖仪的应用方面具备如下特性：
  • 深度睡眠下最低功耗0.8uA（所有外设全部不工作）
  • 深度睡眠下支持多种唤醒源（GPIO、低功耗Timer、RTC）
  • 深度睡眠下支持LCD显示保持
  • RTC和外部32.768KHz晶体振荡器功耗极低（小于1uA）
  • 内部低速RC功耗极低（小于1uA）

 

 

  1.1.6 丨 传输接口
伴随着政府和社会各界对居民的糖尿病防治的关注和投入力度越来越大，网络医疗越来越发达，各种针对医疗数据的网络协议标准也越来越成熟，将便携式血糖仪的数据上传到医疗服务网络平台进行管理、监控和健康预警等行为会成为一种趋势。033在通信上提供了UART、红外、SPI等专用的通信外设接口，可以方便的实现同蓝牙模组、WIFI模组或者GPS模组对接实现血糖数据的实时或者定期上传。

 

 

  1.1.7 丨 静电防护

所有仪表类产品必须通过IEC61000-4-2静电放电抗干扰性测试，033的ESD测试数据如下列表所示：

—— · 表1.033的ESD测试数据 · ——

 

 

  1.1.8 丨 整体方案

综上所述，033涵盖了便携式血糖仪需要的所有外设资源，在极简硬件设计的情况下即可实现便携式血糖仪的方案，在保障精准测试的前提下可最大程度地降低方案成本，基于033的血糖仪解决方案框图如下图所示：

—— · 基于033血糖仪解决方案整体框图 · ——

 

基于033的血糖仪解决方案的血糖仪硬件设计原理图如下图所示，原理图中有预留EEPROM的电路，但是在实际项目过程中已经删减，血糖数据直接存储于033的DATA FLASH区域进一步降低硬件复杂度和成本。

—— · 基于033血糖仪解决方案整体框图 · ——

 

基于033的血糖仪解决方案的血糖仪硬件实体如下图所示 提高血糖仪测试精准度解决方案的校准工装如下图所示

为了更高效率地实现量产烧录，澎湃提供了一套一拖四的烧录方案

血糖仪量产烧录工装如下图