超低功耗混合信号SoC为下一代血糖仪设计提供关键动力

自我管理型血糖仪（BGM）领域的进步，正在为糖尿病患者的生活带来巨大改变。收集、记录及追踪个人数据的能力，以及使用尺寸更小、更易于使用及拥有标准化通信能力的仪表，这些都表示糖尿病患者正在接受更好及更个性化的治疗。与此同时，监管机构也在推动提升精度，以及优化试纸的化学成分（测试药物相互作用，有时可能提供误导性结果）。

某些仪表需要高能效的信号处理，而半导体供应商可以超低功耗系统级芯片（SoC）技术来应对挑战。这些超低功耗SoC技术集成传感器接口及32位处理器内核，功能强大，足以处理新的用户界面、电容性触摸输入及全速通信，同时功率预算符合典型试纸型血糖仪严格的三年电池使用寿命要求。

注重精密性能及灵活性、软件可配置的传感器接口，这些特性预示着能通过软件适应宽范围的试纸化学成分。这也确保试纸化学成分的纯净，应对更高精度要求，并能快速应对诸如药物相互作用等未预料到的问题。支持包括通用串行总线（USB）在内的宽范围接口及集成液晶显示屏（LCD）驱动器，确保此方案可以快速地集成至多种多样的高性价比应用，而且片外元器件数量极少。

采用系统级芯片（SoC）途径

在便携式自我管理型血糖仪中使用SoC微控制器，为设备制造商及终端用户都可以提供诸多优势。

对于制造商而言，在单芯片中集成宽范围模拟及数字功能，减少了元器件总数量及实现设计所要求的供应商数量，还可以提升总体系统成本的经济性。此外，SoC方案简化系统设计及组装，且节省电路板空间，支持减小整体外形因数，并因此提升设计的便携性。对于需要随身携带产品并希望产品对日常生活影响越小越好的终端用户而言，减小尺寸非常重要。

在SoC的基础构建模块之间拥有“硬连线”（hard—wired）互连，而非在印制电路板（P C B）上拥有焊接的连接及走线（就像分立式元器件方案那样），这样提升了系统可靠性及强固性，并可降低电磁干扰（EMI）易受性。芯片内部的互连也受到良好保护，从而抵御在便携应用中可能常见且不可预测的潮湿及震动效应问题。

在单个封装中结合模拟及数字电路要求具有精深的混合信号技术。利用混合信号技术，除了中央微控制器之外，能够加入的功能还包括用于存储用户及程序数据的闪存及静态随机存取存储器（SRAM）、用于将能效提升至最高的电源管理电路、传感器接口及模拟前端、片上脉宽调制（PWM）、时钟，以及包括完备数据及显示接口在内的输入/输出（I/O）。

由于面临将最新产品快速上市并提供极小前期成本和极高灵活性的压力，对于用于像血糖仪等应用的专用集成电路（ASIC）而言，业界标准的可编程内核已经成为首选。像安森美半导体在设计过程中就已经顾及到便携式医疗应用需求的Q32M210微控制器所使用的ARMCortex—M3内核这样的处理器，支持直接的代码移植，从而能够经济快速地重新设计（re—spin）现有产品。提供高精度及可预测的工作

对于血糖仪等这样的病患监测应用的仪表，如果仪表不精确，后果就会很严重，甚至会有致命性风险。为了在葡萄糖等级测量应用中配合精密感测及提供高精度和可重复性，需要基于16位模数转换器（ADC）、带有低噪声和极佳线性度规格的测量引擎。

精确、工厂校准且温度漂移低的电压参考是帮助确保血糖仪应用混合信号微控制器精确工作的进一步前提要求。它为执行每次葡萄糖等级测量之前所要求的自动校准确立了“所有条件下均可信赖的”参考。

血糖仪工作的另一项关键因素是在任何工作条件下均需要高度的可靠性。血糖仪采用一颗或多颗电池供电，电池电压的变化可能影响测量的品质和可靠性。

为了确保血糖仪中运行的应用的完整性始终得到保持，集成型闪存错误检验及校正电路应当是soc的一个嵌入式组成部分。使用这样一种机制时，运行时出现的单比特错误就可以被校正，且在出现多比特错误时触发警报。这种方法降低了应用可靠性较低的通过软件进行的错误检验及校正的需求。

此外，SoC微控制器可以包括一些系统功能，例如“输入欠压检测”、“低电池电量检测电路”等功能。看门狗定时器，亦常称作“计算机正常工作定时器”，确保系统在电池供电电压或其他故障条件下始终恢复到确定性状态。

便携性需要高能效

提供最长电池寿命是众多终端市场设计人员承担的一项长期挑战。在便携式血糖仪应用中，电池使用时间达三年是人们想要但又不容易实现的要求。

确保混合信号微控制器SoC的主要元件具有超高能效，是实现符合便携医疗仪表应用电池寿命需求的设计的第一步。这些元件既包括处理器本身，也包括集成最少一颗16位ADCN一颗或多颗10位数模转换器（DAC）的传感器接口，以及为数众多的运算放大器和电压参考。

另外，采用多种工作模式及智能电源监控可以进一步提升总能效。典型的便携式血糖仪应用每天仅要求处于完整的“导通状态”约5分钟，以安森美半导体的Q32M210为例，这表示ARM Cortex—M3内核的工作频率为2MHz，总能耗约为1.6mA，其中包括ADC、DAC、电压参考及运算放大器的电流消耗。不工作状态下提示微控制器进入“休眠模式”，此模式下的电流消耗仅为700nA。这种方法可以将血糖仪的工作寿命提升至最长。可编程性应对多种试纸化学成分

便携式血糖仪设备通过分析插在仪表上的试纸上的一滴血，测试血液中葡萄糖的浓度（糖血症）；多数系统测量表征试纸化学反应的电气特性以确定葡萄糖等级。在不同制造商试纸之间化学成分存在差异的情况下，重要的是可以快速且简单地重新配置血糖仪。诸如Q32M210这样的SoC微控制器通过使用完全可编程的内核及可配置的模拟前端来实现此目的，能够通过软件来满足配合不同试纸化学成分的特定需求。

结论

先进的SoC技术可以帮助我们能够简单、高精度且可靠地测量糖尿病患者血液中的葡萄糖浓度。对于用户而言，使用小外形、高精度的仪表可以帮助减轻糖尿病负担，同时医疗专业人士能够确信他们的病人正在接受恰当的治疗。