概述

澎湃微基于超低功耗MCU—PT32x033系列，推出血糖儀專題技術文章連載，內容包括：LCD驅動器應用，OPA ADC DAC聯合應用，NTC、RTC應用，超低功耗應用等場景，以幫助客戶快速上手，縮短學習開發周期。

目前家用醫療儀器越發小巧便攜且易于使用，測試的精度也越來越高。在過去的幾年中，血糖儀的發展趨勢是通過使用更好的試紙、更小型化的電子設備和更先進的算法來減少測試過程中所需的血液樣本量，最大限度的提高患者的檢測舒適性和便利性，同時能更快速更精準地得到檢測結果。

便攜式血糖儀分為兩種，一種是光電型，一種是電極型。光電血糖儀有一個光電頭，但探測頭暴露在空氣里，很容易受到污染，影響測試結果，使用壽命比較短；電極型的測試原理比較科學，電極口內藏，可以避免污染，并且測試的精度高，壽命長，目前絕大多數血糖儀都是電極型的。

—— · 血糖濃度檢測原理 · ——

電極型血糖儀的試紙有兩個電極，其中一個電極使用數模轉換器（DAC）疊加上精準的偏置電壓后，血液在試紙條上進行化學反應會產生的微弱電流，該電流與被測血液的葡萄糖濃度成正比例關系，電流通常由跨阻放大電路轉換成電壓后使用模數轉換器（ADC）進行測量并且通過一定的算法推算出血糖濃度（單位：mg/dl或mmol/L）。試紙條的電流測量范圍為10~50uA，分辨率小于10nA并且對環境溫度敏感，因此測試過程中需要獲取環境溫度并進行補償校準。

1.1.1 丨 精準測試

血糖儀對試紙電化學反應所產生電流的分辨率必須是nA級別才能夠滿足測試精度的要求，因此儀表一旦經過出廠校準過后，精度必須具備極低的溫度和電壓漂移特性。針對血糖儀應用的精度和準確性的需求，033提供如下的外設能力：

集成超低輸入偏置電流（小于1nA）的高性能運算放大器（OPA）用來連接試紙組成跨阻放大電路，具備高線性度和可靠性

集成低溫漂的2V內部參考電壓（溫度系數低于50ppm/℃）

集成12位DAC用于設置試紙條的偏置電壓，DAC的輸出在內部可直接配置為OPA的正端輸入極大地簡化了外圍電路并提升儀表的抗干擾性；

集成12位低噪聲ADC用以獲取跨阻放大電路轉換出來的電壓；

試紙上血液的溫度會影響到血糖的測試結果，因此需要測量試紙周圍的環境溫度來對血糖濃度的測量結果進行補償，溫度測量精度因試紙的類型和化學成分而異，一般要求在±1℃以內。這里使用NTC實現環境溫度的檢測，033的內部2V參考電壓可以輸出作為NTC的參考，通過ADC獲取溫度檢測電路的電壓實現對溫度的檢測。

—— · 化學試紙溫度檢測原理 · ——

從上文血糖檢測原理可知，測試精度除了受DAC提供的偏置電壓以及2V參考電壓的精度影響之外還受OPA的輸出失調電壓的影響，除此之外，不同化學試紙對DAC提供的偏置電壓大小要求不一樣。為了更滿足精準測試的需求，提供了一套量產校準方案保障DAC和內部參考的輸出誤差控制在±1mV以內，利用血糖儀板級聯動校準（DAC和OPA組合校準）直接把OPA的輸出失調電壓補償掉，進而最大限度地提高測試精準度。校準方案通過033提供的專用校準接口（CI接口），無需用戶軟件層面干預，極大地提高血糖儀產品的量產效率。

—— · 精準測試校準框圖 · ——

1.1.2 丨 人機交互

血糖儀采用段式LCD來顯示實時測試結果和歷史數據，033內嵌LCD驅動器，低硬件成本高軟件效率地實現段式LCD的驅動顯示。

COM和SEG可編程配置，32個LCD引腳均可配置為COM或者SEG，支持2COMx30SEG、4COMx28SEG、6COMx26SEG、8COMx24SEG四種規格

占空比可編程配置，支持1/2、1/4/、1/6、1/8四種配置

支持兩種偏置電壓源，電阻型（R型）或電容型（C型），C型的偏置電壓可通過配置內部電荷泵升壓到1.5VDD

支持A型和B型兩種LCD驅動波形，刷新率和對比度可編程配置

支持16頁顯示緩存，顯示模式可編程配置，支持固定頁顯示、單次輪顯后保持、單次輪顯后關閉、連續輪顯四種模式

血糖儀采用一個簡單的無源蜂鳴器來實現聲覺上的交互，033內嵌蜂鳴器驅動器，支持高SINK電流（40mA）而無需再額外的電流驅動電路也可以實現多種驅動頻率的輸出。

—— · 蜂鳴器驅動框圖 · ——

血糖儀采用紐扣電池供電，隨著使用年限的增加，電壓逐漸衰減，為了更方便的監控電池電壓，033提供一路內部穩定的BG1.0V可供ADC采集，當ADC的參考電壓為芯片供電電壓（電池電壓）時，根據ADC轉換的結果即可反推出電池電壓，一旦低壓則可通過LCD屏幕的低電量圖示警示用戶更換電池，電池電壓換算公式如下：

1.1.3 丨 實時時鐘

血糖儀的所有歷史數據都必須附帶時間信息以便用戶可以統計血糖的長期變化規律，033內嵌高精度低功耗RTC提供日歷和計時的功能，為了滿足RTC的低頻飄需求，允許外掛的32.768KHz晶體振蕩器來提供時鐘，同時具備時鐘補償機制來滿足高精度計時的要求。

提供秒、分、時、日、月、年時間信息，閏年自動調整

不受任何非上電復位的影響，超低功耗工作（小于1uA）

時鐘補償機制滿足高精度計時要求

外部32KHz的Crystal負載電容內置優化板級硬件成本

1.1.4 丨 數據安全

血糖儀為了更安全地直接使用FLASH存儲數據，033的FLASH預留了4KByte數據空間，只有使用特定的秘鑰才可操作，這個機制保障了用戶訪問血糖儀數據的過程中不會因異常操作而導致代碼空間被破壞，同時也保障了血糖儀數據的存儲安全。

數據擦寫次數超過10萬次，數據存儲有效時間超過100年

512Byte為一個Page進行擦除，擦除時間6mS

單字編程時間7uS

1.1.5 丨 超低功耗

便攜式血糖儀由紐扣電池供電，電量要求至少能維持三年的使用壽命，這就要求儀器具備非常好的低功耗管理機制，033在低功耗方面的表現非常優越，在血糖儀的應用方面具備如下特性：

深度睡眠下最低功耗0.8uA（所有外設全部不工作）

深度睡眠下支持多種喚醒源（GPIO、低功耗Timer、RTC）

深度睡眠下支持LCD顯示保持

RTC和外部32.768KHz晶體振蕩器功耗極低（小于1uA）

內部低速RC功耗極低（小于1uA）

1.1.6 丨 傳輸接口

伴隨著政府和社會各界對居民的糖尿病防治的關注和投入力度越來越大，網絡醫療越來越發達，各種針對醫療數據的網絡協議標準也越來越成熟，將便攜式血糖儀的數據上傳到醫療服務網絡平臺進行管理、監控和健康預警等行為會成為一種趨勢。033在通信上提供了UART、紅外、SPI等專用的通信外設接口，可以方便的實現同藍牙模組、WIFI模組或者GPS模組對接實現血糖數據的實時或者定期上傳。

1.1.7 丨 靜電防護

所有儀表類產品必須通過IEC61000-4-2靜電放電抗干擾性測試，033的ESD測試數據如下列表所示：

—— · 表1.033的ESD測試數據 · ——

1.1.8 丨 整體方案

綜上所述，033涵蓋了便攜式血糖儀需要的所有外設資源，在極簡硬件設計的情況下即可實現便攜式血糖儀的方案，在保障精準測試的前提下可最大程度地降低方案成本，基于033的血糖儀解決方案框圖如下圖所示：

—— · 基于033血糖儀解決方案整體框圖 · ——

基于033的血糖儀解決方案的血糖儀硬件設計原理圖如下圖所示，原理圖中有預留EEPROM的電路，但是在實際項目過程中已經刪減，血糖數據直接存儲于033的DATA FLASH區域進一步降低硬件復雜度和成本。

—— · 基于033血糖儀解決方案的硬件原理圖 · ——

基于033的血糖儀解決方案的血糖儀硬件實體如下圖所示：

—— · 基于033血糖儀解決方案的硬件實體 · ——

提高血糖儀測試精準度解決方案的校準工裝如下圖所示：

—— · 澎湃微血糖儀校準方案 · ——

為了更高效率地實現量產燒錄，澎湃提供了一套一拖四的燒錄方案，血糖儀量產燒錄工裝如下圖：

—— · 澎湃微血糖儀燒錄工裝 · ——

來源：澎湃微電子
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審核編輯 黃宇