国产便携式血糖仪功能改进及低功耗设计

摘 要 便携式血糖仪在糖尿病诊治中的应用范围越来越广，用户对其功能要求也越来越高。本文在某使用广泛的国产便携式血糖仪系统基础上，改进其设计，实现大容量血糖数据长期存储功能、血糖值曲线直观显示功能以及与PC机便捷连接、进行数据传输存储、维护管理功能，并对系统软硬件进行优化，降低功耗，使现有便携式血糖仪产品具有长期和离线工作能力，满足患者及医务人员的需求。

关键词 糖尿病 血糖仪 低功耗 数据存储 血糖曲线

糖尿病是常见慢性病，2008年调查显示，我国20岁以上人群总体患病率已达9.7%[1]，糖尿病防治具有极其重要意义。在糖尿病防治中，血糖监测可以为患者提供预警信号，指导临床诊治。监测血糖有2种方法：一种是在医院抽取静脉血，测得血糖，此方法费时费力，无法即时获得结果；另一种是利用快速血糖仪测血糖，获得结果迅速，便于及时调整治疗[2～5]。

糖尿病患者需要终身监测血糖，而且需要在空腹和餐后等不同时间进行监测，会产生大量监测数据。现有便携式血糖仪仅部分高档产品带有记忆功能，可存储10～256组数据，且价格昂贵。国产产品所带分段式液晶显示功能，能显示单次血糖值、温度、时间等特定几个数值，而没有用来直观显示血糖变化曲线的功能。绝大部分产品也无法直接与家用计算机连接，进行数据传输及维护管理。

本研究在使用广泛的某国产血糖仪基础上进行改进设计，实现大容量血糖数据存储功能、血糖值曲线直观显示功能、与PC机便捷连接，进行数据传输存储、维护管理功能。通过设计及软件优化，降低功耗，使现有便携式血糖仪具有长期和离线工作能力，满足患者及医务人员需求。

1 血糖检测原理

血糖检测方法有多种。通常是采用一次性葡萄糖氧化酶印刷电极（试纸）作为传感器[6，7]。

被测血样滴在试条上后，电极上所覆的氧化酶促使血样中的葡萄糖与溶液中的氧发生氧化还原反应。

反应所产生的电子经由导电介质转移给酶电极，电极在恒定电压作用下产生电流。经一段反应时间后，酶电极的电流值大小与血样中葡萄糖浓度呈线性关系。通过检测电路测量这些微弱电流的大小，即可计算出血糖浓度值。

2 改进方案设计思路

据实际需要，在国内现有便携式血糖仪系统上实现以下功能：在线血糖曲线显示功能、微机接口以及PC端的血糖数据分析和管理。结合现有系统硬件功能和特点，新设计的扩展功能部分应选用与之相兼容的接口，如LCD控制接口、大容量存储器接口。在器件选择上应选用成熟产品以保证系统可靠性和稳定性（见图1）。

3 软硬件选择及系统设计

3.1 低功耗微控制器

模拟模块实现对血糖信号采集、放大、AD转换以及DA转换，数字模块以微处理器为核心，对采集到的数据进行存储、液晶显示、通讯等功能。整个系统器件较多，为降低功耗必须选择低功耗、集成度高的微处理器和其他元器件，并对系统整体功耗进行有效管理。

对比几种广泛应用的低功耗单片机，结合本系统需求，采用Silabs的C8051F040作为微处理器。C8051F040采用流水线处理构架，高集成度和多中断源使其在低功耗系统设计中有很大优势[8]，集成12位ADC和DAC模块、芯片温度传感器、3个史密斯比较器模块、1个SPI串行设备接口控制器、1个SMBUS总线控制器（与I2C完全兼容）、64K Flash Rom、256BYTE片内存储器和4K BYTE外部存储器、2个外部事件中断（中断源可高达20个）、5个定时器。

3.2 数据存储

为方便医生观察，必须记录每次测量数据（测定血糖频率以每日4次为宜），便携式血糖仪记录条数多已成为一大卖点。目前市场上的血糖仪主要使用EEPROM和Flash大容量存储器，数据结果记录包含日期和时间，多的只能记录300～500组数据。采用I2C或SPI串行通信技术。

FRAM属于新一代非挥发性存储器，由于FRAM在存储单元上采用铁电薄膜，具有高速、高频度重写、低功耗以及非挥发性等优点。FRAM通过外部电场控制铁电电容器的自发性极化，与通过热电子注入或隧道效应而完成写入动作的EEPROM以及Flash相比，FRAM写入速度快1000倍以上；FRAM擦写时不需要高压，写入功耗为EEPROM、Flash的10-3～10-5，尤其适用于低功耗的应用场合。另外，FRAM不需要使用隧道氧化膜，数据重写次数达到flash memory和EEPROM的1012以上[9]。

血糖仪所记录的单条数据包括日期、时间和血糖值，其中血糖值一般在3～30mmol/L，通常保留1位小数。据此考虑2种数据存储方案：方案1是按字节直接存储，每一个时间单位均用1字节、血糖值整数部分和小数部分各占1字节，一共是7字节；方案2是按位压缩存储（见表1），一条数据共5个字节（40bit），比方案1节省30%存储空间。

第2种方案缩小所需存储容量同时也加快数据的存储速度，但是会增加数据存储编程复杂度，需要编写数据压缩函数。实施选择方案2使用FRAM存储器FM24CL64，可存储1600组数据。

便携式血糖仪要求低功耗，高效率。FRAM读写速度快且没有写延时，从单个数据记录来看，减少写2byte的时间意义并不大。但是进行大量数据读取和传输时，FRAM所节省的时间和功耗就很大。

存储器中的数据上传到家用PC、使用专门的软件进行管理也可在仪器自带的液晶屏上进行曲线显示。

3.3 通讯接口

使用USB（Universal Serial Bus）接口，实现血糖仪和家用PC的快速数据交换，可以将患者长年的血糖状况保存起来，作为诊断依据。考虑到各IC兼容性，采用USB外设控制器MAX3420E（SPI接口）。该芯片主要优势在于通过单个IC就能增添USB功能，通信速度达到12Mbps，满足设计需求。

3.4 液晶显示模块及血糖显示曲线

液晶显示模块选择清达光电公司的128×64图形点阵液晶模块，KS0108B作为列驱动器，KS0107B作为行驱动器。KS0107B不与MCU发生联系，只要提供电源就能产生行驱动信号和各种同步信号。液晶模块与CPU的接口采用8位数据总线并行输入输出。通过C8051F040对其进行电源管理，可有效降低显示模块功耗。

以时间为横坐标，血糖值为纵坐标，在液晶模块上绘制数据点的代码如下：

3.5 上位机软件

PC端软件采用Microsoft VC++ 6.0来编写。VC编程可方便地制作友好的界面，增强程序的易操作性；其带有一系列图形、文档操作开发工具，有助于数据存储、分析和管理程序的编制和调试；还带有一系列USB通讯相关的类和函数库，使得血糖仪和PC接口实现更加方便。软件可实现对血糖数值进行保存、绘图、计算均值和数值趋势分析等功能（见图2）。

4 系统的低功耗设计与软件优化

微处理器是电子系统的核心，在本设计中起着采样控制、数字滤波、数据存储和传输、通信、系统低功耗模式控制等诸多作用。血糖仪一般是插入试纸后系统立即启动，意味着微处理器不能同其他设备一样，为省电在不工作时完全关断，而必须一直处于监控状态，因此微处理器本身的功耗大小对系统整体功耗的影响很大[10]。本设计中通过对C8051F040的工作电压、晶振频率和软件优化最大限度地降低功耗。

C8051F040的可编程内部晶振最高可达24.5MHz，本设计中使用其8分频作为高速模式已经足够，外部则使用32768Hz晶振待机。有试纸插入时系统被唤醒，用高速模式进行采样、计算、存储和显示，完成1次测量后，若一段时间没有操作，则系统进入待机，关闭所有外设，切换到外部晶振，直到下一次被唤醒。

系统在高速和低速模式下的电流消耗见表2。若作为动态血糖监测系统使用，每0.5h采集1次数据，使用2500mAh电池供电，可工作300h左右。

5 结果

按照本文设计研制出样机（见图3）。为调试方便，设计3个采样通道，可同时采集数据。

与现有国产血糖仪相比，本设计产品有如下特点：（1）突破现有便携式血糖仪产品中使用分段式LCD或LED单纯显示特定数值功能，实现在线曲线显示功能；（2）大容量血糖数据存储，可存储1600条数据；（3）带有PC通讯端口，并附带PC端血糖数据分析、管理软件；（4）经软、硬件优化后，仪器功耗降低25%，延长连续测量时间。这些功能可方便患者和医生，具有较大实用价值。

参考文献

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