摘要：本文介紹了一種以合泰HT46R54為控制器核心，采用絲網(wǎng)印刷酶電極試紙作為測試生物傳感器，快速精確完成血糖濃度測定的檢測系統(tǒng)。開發(fā)制成的手持式血糖儀，操作簡單、用戶界面方便、友好，采血量少（低于3μl），測試時間短（整個測試過程僅需5s），十分適合糖尿病人在家中實施血糖測試。文中給出了測定儀器的硬件、軟件設(shè)計方案和血糖實測結(jié)果。

　　一、前言

　　我國的糖尿病人總數(shù)已突破4000萬，糖尿病已是繼腫瘤、心、腦血管疾病后位居第四的重大慢性病。據(jù)醫(yī)學(xué)資料統(tǒng)計分析，糖尿病患者54.5%死于失血性心臟病，11.1%死于腦血管病變，7.2%死于腎衰竭，其他則造成失明，截肢等并發(fā)癥，嚴(yán)重威脅病人健康生活。隨著近年糖尿病知識的普及，病人對生活質(zhì)量要求的提高，對手持式家用血糖儀等產(chǎn)品的需求正逐年增加。但由于進(jìn)口產(chǎn)品的高昂價格，使我國目前每年的自我血糖診斷測試市場用品消耗不到10億元人民幣。醫(yī)保和社會福利支出正承受著大量糖尿病人因長期不進(jìn)行血糖監(jiān)控導(dǎo)致并發(fā)癥產(chǎn)生，而必須進(jìn)行重癥醫(yī)治和手術(shù)的巨大負(fù)擔(dān)。手持式家用血糖儀的開發(fā)和普及使用，將在很大程度上減緩病人的并發(fā)癥發(fā)病進(jìn)程，進(jìn)而達(dá)到糖尿病的控制、治療甚至康復(fù)的目的。

　　二、血糖測試原理

　　本文所實施血糖濃度測定，是通過絲網(wǎng)印刷方法制得酶電極試紙，采集約3μl指血，指血中的葡萄糖與電極表面的氧化酶快速反應(yīng)產(chǎn)生氧化電流，在單片機(jī)的控制下檢測血樣響應(yīng)電流的大小，從而計算得出準(zhǔn)確的血糖濃度值。

　　血糖測試儀所使用的絲網(wǎng)印刷酶電極試紙如圖l所示。酶電極試紙的工作原理如下：檢測儀在插入儀器的絲印電極兩端施加一定的恒定電壓如300mV，當(dāng)被測血樣（3μl）吸入電極工作區(qū)后，工作區(qū)內(nèi)的葡萄糖氧化酶與血樣中的葡萄糖發(fā)生氧化還原反應(yīng)。經(jīng)過快速的生化反應(yīng)(約5s)后，酶電極試紙的響應(yīng)電流在0.6~10μA之間，與被測血樣中葡萄糖濃度呈線性關(guān)系。

　　三、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

　　本家用血糖儀的硬件電路主要由合泰HT46R54單片機(jī)和一些外圍電路模塊組成，外圍模塊主要包括恒電位激勵、按鍵檢測、低功耗電源、電源電壓檢測模塊、液晶顯示驅(qū)動、時鐘和等。

　　1、HT46R54單片機(jī)

　　合泰HT46R54單片機(jī)是目前市場上較常用、集成度相對比較高的8位高性能精簡指令集單片機(jī)，具備低功耗的全靜態(tài)CMOS設(shè)計，本身自帶8通道12位A/D轉(zhuǎn)換器，I/O使用靈活，計數(shù)器、振蕩類型可選擇，具脈寬調(diào)制功能、暫停和喚醒功能、看門狗定時器、蜂鳴器輸出等，實現(xiàn)了體積小、功能全、使用方便等特點(diǎn)，適合于需要A/D轉(zhuǎn)換的產(chǎn)品，例如傳感器信號輸入、充電器、電機(jī)控制、工業(yè)控制、消費(fèi)類產(chǎn)品、子系統(tǒng)控制器、手持式家用醫(yī)療電子產(chǎn)品等應(yīng)用中。HT46R54單片機(jī)管腳排列見圖2，引腳功能見表1。由引腳排列可看出HT46R54是一種功能齊全的緊湊型單片機(jī)，包含8路12位A/D轉(zhuǎn)換器，免除了某些單片機(jī)因A/D轉(zhuǎn)換精度不夠需外置A/D轉(zhuǎn)換芯片的麻煩，同時，還具備了大部分測控模塊，減少了外圍電路的設(shè)置，保證了儀器使用的高可靠性。

　　HT46R54單片機(jī)的主要性能參數(shù)如下：

　?。?）工作電壓：2V~5.5V，工作頻率：DC~8MHz；

　　（2）程序存儲器：4K×15位一次性編程ROM；

　　（3）數(shù)據(jù)存儲器：280×8RAM；

　?。?）A/D轉(zhuǎn)換器：12位×8通道；

　?。?）具有外部的A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓輸入引腳；

　?。?）22個雙向輸入/輸出口；

　　（7）1個與輸入/輸出口共用引腳的外部中斷輸入；

　?。?）8位可編程定時/計數(shù)器，具有溢出中斷和7級預(yù)分頻器；

　?。?）內(nèi)置晶體和RC振蕩電路；

　?。?0）6層硬件堆棧；

　?。?1）看門狗定時器；

　?。?2）低電壓復(fù)位功能；

　?。?3）HALT和喚醒功能可降低功耗；

　?。?4）在VDD=5V，系統(tǒng)頻率為8MHz時，指令周期為0.5μs；

　?。?5）8位PWM輸出，與輸入/輸出口共用引腳；

　?。?6）PFD蜂鳴器功能；

　　（17）63條指令指令執(zhí)行時間為1或2個指令周期。

　　表1 HT46R54的引腳功能

　　2、恒電位激勵模塊設(shè)計

　　圖3所示為恒電位激勵模塊原理圖。由圖可見，基準(zhǔn)電壓源LM336提供的2.5V恒定電壓經(jīng)電阻分壓后在電位器W1和W2的連續(xù)輸出可調(diào)端分別得到2.18V和0.3V二個不同的穩(wěn)定電壓。0.3V用作運(yùn)算放大器直接施加到酶電極兩端作為恒電位激勵。圖中Rx代表酶電極。由運(yùn)算放大器的理想工作特性知道Ic≈0，即流向運(yùn)算放大器反向端的電流幾乎為零，故酶電極在恒電位激勵下電極酶反應(yīng)的響應(yīng)電流Ix≈Io，該電流信號經(jīng)過采樣電阻R9轉(zhuǎn)換為電壓信號直接輸入到單片機(jī)的串行A/D轉(zhuǎn)換腳PB0/AN0端，經(jīng)單片機(jī)計算直接在液晶屏上顯示結(jié)果。

　　3、省電低功耗設(shè)計

　　HT46R54單片機(jī)帶有HALT暫停模式，在暫停模式時系統(tǒng)振蕩器停振，所有輸出/輸入口保持原有狀態(tài)，RAM和寄存器保持不變。通過單片機(jī)PA端口8個引腳，根據(jù)輸入電平變化產(chǎn)生中斷可消除上述暫停模式，達(dá)到系統(tǒng)暫時關(guān)閉和啟動而降低整機(jī)功耗的目的。根據(jù)單片機(jī)的這一功能特點(diǎn)，經(jīng)設(shè)計的血糖儀在待機(jī)時處于低功耗休眠狀態(tài)，測試時單片機(jī)被按鍵輸入喚醒中斷進(jìn)入工作狀態(tài)，測試完成后再次進(jìn)入休眠，以此節(jié)省功耗，達(dá)到采用紐扣電池進(jìn)行供電。

　　4、存儲記憶模塊

　　圖4是存儲記憶模塊模塊的原理圖。AT24C02采用標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線接口，只需要SCL時鐘線和SDA數(shù)據(jù)線，大大簡化了硬件設(shè)計，同時降低了成本。由于單片機(jī)本身具備I2C接口，所以可直接連到單片機(jī)接口，減少了外圍輔助電路降低了血糖儀體積。

　　四、血糖儀控制器的軟件設(shè)計

　　手持式血糖儀的軟件設(shè)計也采用模塊設(shè)計，設(shè)計了主程序和各類子程序，其中主程序的流程圖如圖5所示。主要子程序有：A/D轉(zhuǎn)換子程序、液晶顯示子程序、測試數(shù)據(jù)存子程序等。

　　這里重點(diǎn)介紹液晶顯示子程序的設(shè)計。由HT1621的典型應(yīng)用電路可知，顯示模塊由HT46R54單片機(jī)、HT1621和LCD三部分組成。單片機(jī)通過PA5、PA6和PA7與HT1621進(jìn)行通信；寫和數(shù)據(jù)控制分別由PA6和PA7腳完成。若CS=1，HT46R54及HT1621之間發(fā)送的命令應(yīng)首先被禁止，進(jìn)而進(jìn)行初始化。在模式命令或模式轉(zhuǎn)換發(fā)出前，需要一高電平脈沖以初始化HT1621的串行接口，數(shù)據(jù)的讀寫及命令的寫入必須通過數(shù)據(jù)線。一條可選擇的IRQ線也可用作HT46R54及HT1621間的接口。本試驗采用占空比為1／4、偏置比為1／3的典型3位LCD顯示器，可以顯示商標(biāo)、測試數(shù)據(jù)的單位和電池消耗狀況。該LCD顯示器有12個電極，其中背電極3個，段電極9個，它們分別與HT1621的COM0~COM2，SEG0～SEG8相連。由于顯示RAM的每一位均與一個顯示段相對應(yīng)，因此，用戶僅需按照命令格式，依次向顯示RAM中寫入決定顯示段的段碼即可實現(xiàn)LCD顯示。

　　值得注意的是，對RAM中的數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)地址的相同操作時，只需在首操作時使用一次命令識別碼和地址碼，后續(xù)操作的命令識別碼和地址碼均可省略。例如，要在LCD上顯示“10.2mmol／l”，電池電壓正常，需給顯示RAM中COM0和SEG2、COM1和SEG2、COM0和SEG4、COM1和SEG4、COM2和SEG4、COM0和SEG5、COM2和SEG5、COM0和SEG7、COM1和SEG7、COM2和SEG7、COM0和SEG8、COM1和SEG8、COM2和SEG8對應(yīng)的位寫1，其余位寫0即可。根據(jù)命令格式，輸入HT1621的DATA引腳的串行數(shù)據(jù)應(yīng)為101000010110000001010000011101110。

　　五、HT46R54血糖儀的性能特點(diǎn)

　?。?）酶電極試紙反應(yīng)端電壓保持在300±1mV；

　?。?）響應(yīng)電流與儀器顯示數(shù)據(jù)的關(guān)系1/3μA——1.1mmol/l（20mg/dl）10μA——31.9mmol/l（574mg/dl）

　?。?）儀器工作電流<6.2mA，靜態(tài)電流與所選硬件的靜態(tài)電流一致；

　?。?）耗電量：兩粒全新2032型電池能滿足1000次正常測試；

　　（5）當(dāng)測試值小于2.0mmol/l時顯示Lo，當(dāng)測試值大于27.8mmol/l顯示Hi；

　　（6）當(dāng)儀器液晶發(fā)暗或電池的電壓低于4.2V影響儀器精度時，儀器顯示低電池標(biāo)記；

　?。?）具有90個記憶值；

　?。?）檢測時間為5s。

　　六、HT46R54血糖儀的血糖實測

　　在使用HT46R54芯片制成的血糖儀臨床實測中，取得了較好的結(jié)果。試驗對象分為三組；第一組正常人10名，第二組中輕度糖尿病人12名，第三組重度糖尿病人6名。三個HT46R54血糖儀。試驗對照儀器為美國YSI葡萄糖自動分析儀。臨床試驗結(jié)果見表2。

　　表2對比測試結(jié)果

　　根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析,三組HT46R54血糖儀測試數(shù)據(jù)與葡萄糖自動分析儀測試數(shù)據(jù)的相關(guān)性分別達(dá)到:

　　血糖儀1：y=0.9741+0.224 &gamma;=0.992

　　血糖儀2：y=0.997+0.2373 &gamma;=0.995

　　血糖儀3：y=1.0313-0.239 &gamma;=0.997

　　由以上數(shù)據(jù)可以看出，本血糖測試儀完全可以滿足醫(yī)學(xué)臨床血糖測試的要求。

　　七、結(jié)論

　　采用合泰HT46R54芯片的優(yōu)點(diǎn)較多體現(xiàn)在儀器成本和A/D轉(zhuǎn)換的精度上。目前市場上一些低價芯片功能各不相同,有些盡管自帶A/D轉(zhuǎn)換器，但位數(shù)精度達(dá)不到血糖測試儀的要求，而必須采用外部A/D轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換的精度可以達(dá)到，但是提高了成本而且芯片供貨周期很難控制,不利于規(guī)?；a(chǎn)。

　　HT46R54芯片內(nèi)部存儲空間過小，是此款單片機(jī)的缺點(diǎn)之一，外圍電路必須考慮，才能滿足血糖測試儀測試數(shù)據(jù)大量存儲的要求。

　　作者簡介

　　胡軍，上海斯坎生物傳感技術(shù)技術(shù)有限公司CEO,高級工程師。研究方向：遠(yuǎn)程在線醫(yī)學(xué)檢測分析系統(tǒng)、分子生物傳感和酶傳感器、現(xiàn)代醫(yī)療電子器械、智能化醫(yī)學(xué)監(jiān)控軟件和系統(tǒng)。