原标题：Microchip PIC16LF1786低成本血糖仪设计方案

　　糖尿病是一个不断扩大的世界健康问题。幸运的是，现代血糖仪的使用可以实现高品质糖尿病人护理。血糖仪测量血液中葡萄糖的量，因此病人可以决定是否吃药。Microchip低成本血糖仪利用PIC16LF1786器件设计而成。

　　PIC16LF1786主要特性

　　高性能RISC CPU

　　仅49条指令

　　运行速度：

　　DC 32MHz时钟输入

　　DC 125ns指令周期

　　中断功能和自动上下文保存

　　具有可选上溢/下溢复位功能的16级深硬件堆栈

　　直接、间接和相对寻址模式

　　2个全16位文件选择寄存器(FSR)

　　FSR可以读取程序和数据存储器

　　存储器特性

　　高达8KB的程序闪存

　　在软件控制下可自编程

　　可编程代码保护

　　可编程写保护

　　256B数据EEPROM

　　1024B RAM

　　高性能PWM控制器

　　3个可编程开关模式控制器(PSMC)模块

　　PWM频率和脉冲开始/结束时间的数字和/或模拟反馈控制

　　16位周期、占空比和相位

　　时钟分辨率：16ns

　　支持单PWM、互补、推挽和三相操作模式

　　利用8位计数器实现死区控制

　　自动关机和重启

　　前沿和下降沿消隐

　　突发模式

　　采用XLP技术的超低功耗管理PIC16LF1784/6/7

　　睡眠模式：50nA@1.8V，典型值

　　看门狗定时器：500nA@1.8V，典型值

　　Timer1振荡器：500nA@32kHz

　　工作电流

　　8A@32kHz，1.8V，典型值

　　32A/MHz@1.8V，典型值

　　模拟外设特性

　　模数转换器(ADC)

　　全差分12位转换器

　　转换速率高达75ksps

　　11条单端通道

　　5条差分通道

　　正和负参考选择

　　8位数模转换器(DAC)

　　从外部提供输出

　　正和负参考选择

　　内部连接至比较器、运算放大器、固定电压参考(FVR)和ADC

　　4个高速比较器

　　响应时间：50ns@VDD=5V

　　轨到轨输入

　　软件可选迟滞

　　内部连接至运算放大器、FVR和DAC

　　3个运算放大器

　　轨到轨输入/输出

　　高/低可选增益带宽乘积

　　内部连接至DAC和FVR

　　固定电压参考(FVR)

　　输出电平：1.024V、2.048V和4.096V

　　内部连接至ADC、比较器和DAC

　　I/O特性

　　36个I/O引脚和1个仅输入引脚

　　LED驱动器的大电流宿/源

　　独立可编程电平变化中断引脚

　　独立可编程弱上拉

　　独立输入电平选择

　　独立可编程转换速率控制

　　独立可编程开漏输出

　　数字外设特性

　　Timer0：具有8位可编程预定标器的8位定时器/计数器

　　增强型Timer1

　　具有预定标器的16位定时器/计数器

　　外部栅极输入模式

　　专用低功耗32kHz振荡器驱动器

　　Timer2：具有8位周期寄存器、预定标器和后定标器的8位定时器/计数器

　　2个采集/比较/PWM模块(CCP)

　　16位采集，最高分辨率为12.5ns

　　16位比较，最高分辨率为31.25ns

　　10位PWM，最高频率为32kHz

　　主同步串行端口(SSP)，具有SPI和I2C以及

　　7位地址掩码

　　SMBus/PMBusTM兼容性

　　增强型通用同步/异步接收器/发射器(EUSART)：

　　RS232、RS485和LIN兼容

　　自动波特检测

　　启动自动唤醒

　　振荡器特性

　　从精密内部振荡器操作，频率高达32MHz

　　工厂校准至±1%，典型值

　　软件可选频率范围：32MHz~31kHz

　　31kHz低功耗内部振荡器

　　32.768kHz Timer1振荡器

　　可用作系统时钟

　　低功耗RTC

　　外部振荡器模块，具有

　　4种晶体/谐振器模式，频率高达32MHz，采用4个PLL

　　3种外部时钟模式，频率高达32MHz

　　4个锁相环(PLL)

　　故障安全时钟监控器：

　　检测和从外部振荡器故障恢复

　　双速启动

　　将代码执行和外部振荡器启动之间的延迟降至最低

　　通用微控制器特性

　　节省功率的睡眠模式

　　加电复位(POR)

　　上电定时器(PWRT)

　　振荡器启动定时器(OST)

　　具有可选跳变点的掉电复位(BOR)

　　扩展看门狗定时器(WDT)

　　在线串行编程(ICSP)

　　在线调试(ICD)

　　增强型低压编程(LVP)

　　工作电压范围

　　1.8V~3.6V(PIC16LF1784/6/7)

　　2.3V~5.5V(PIC16F1784/6/7)

　　图1 PIC16LF1784/6/7框图

　　血糖仪

　　血糖仪是一种用于确定溶液中葡萄糖浓度的医疗器械。根据地区的不同，葡萄糖浓度以毫克/升(mg/dl)或毫摩尔/升(mmol/L)为单位。血糖仪是糖尿病患者使用的家庭血糖监测(HBGM)器件的关键元件。一天可以测量多次。

　　血糖仪确定溶液中葡萄糖的浓度。本方案重点介绍血糖仪的设计，包括必要的硬件设计和软件开发。

　　大多数血糖仪基于电化学技术。它们利用电化学试纸来进行测量。将一小滴待测溶液滴到一次性试纸上，血糖仪用其进行葡萄糖测量。最常见的2种葡萄糖电化学测量方法是比色法和安培法。

　　在比色法中，LED之类的典型传感器或光电传感器构成模拟接口。这些传感器后面是互阻抗放大器(TIA)，用于测量溶液中葡萄糖的浓度。在该方法中，利用颜色反射原理，通过光度测定来检测试纸反应层内的颜色强度。血糖仪产生一个数值，也就是说测量溶液中葡萄糖的浓度。

　　在安培法中，电化学试纸包含一个毛细管，其用于吸入置于试纸一端处的溶液。试纸还包含一个酶电极，其含有葡糖氧化酶之类的试剂。葡萄糖在酶中发生化学反应，化学反应过程中会产生电子。测量这些电子(即通过电极的电荷)，它与溶液中葡萄糖的浓度成正比。还进行了环境温度测量，以便抵消温度对反应速度的影响。

　　图2 血糖仪测试原理图

　　图3 血糖仪框图

　　设计指标

　　葡萄糖测量范围：20mg/dl~600mg/dl(1mmol/l~33mmol/l)

　　5秒钟内显示测试结果

　　自动保存最近32次葡萄糖读数及其日期和时间戳

　　无试纸编码：运行一般回归方程，并且能够根据试纸特性修订方程

　　硬件设计特性

　　电路板数量：单板

　　PIC16LF178X器件：28引脚器件

　　调试/编程：提供在线串行编程(ICSP)连接

　　监测/指示：测试点

　　试纸连接：提供终端/连接器

　　RTCC(利用内部Timer1)：血糖仪的日期和时间戳

　　内部EEPROM

　　记录血糖仪最近的32个读数

　　存储任何与试纸有关的参数或校准数据

　　LCD

　　显示溶液的葡萄糖含量(单位：mg/dl或mmol/l)

　　显示消息：“插入试纸”、“试纸已插入，请放好样品”，“试纸有误”

　　试纸感应：检测试纸插入

　　温度感应：考虑到温度变化对葡萄糖计算的影响而采取的预防措施。如果温度和葡萄糖浓度之间的关系已知，那么它可并入回归方程以应对温度变化引起的任何葡萄糖浓度变化

　　电池电压感应：电池健康感应和电池电量低指示

　　2个按钮：用于读取以前保存的数据和用于设置日期与时间

　　电池：CR2032：3V、225mAH锂电池

　　固件特性

　　利用PIC16LF178X的内部运算放大器、DAC和ADC检测试纸电流

　　在试纸插入之后，采集ADC读数，检查高于450mV的增长

　　试样放到试纸上之后1.5秒内开始读取ADC读数，然后计算平均值

　　利用回归方程和平均ADC读数计算葡萄糖浓度。固件模块可实现下列特性：

　　LCD接口和显示器例程

　　配置运算放大器

　　配置DAC

　　将葡萄糖读数保存到内部EEPROM中

　　读取ADC通道

　　计算葡萄糖浓度

　　利用用于时间标记的Timer1实现RTCC

　　图4 血糖仪演示板外形图(正视图)

　　图5 血糖仪演示板外形图(底视图)

　　Microchip的低成本血糖仪利用安培法测量血糖含量

　　Microchip低成本血糖仪利用PIC16LF1786器件设计而成。PIC16LF1786集成测量引擎的特性包括：

　　超低功耗操作(XLP)

　　2个运算放大器(OPAMP)

　　8位数模转换器(DAC)

　　12位SAR模数转换器(ADC)，通道多达11条

　　集成式EEPROM

　　I2C/SPI

　　PWM

　　模拟前端嵌入PIC16LF1786之中，采用2个运算放大器、1个精密ADC和1个高精度电压参考。集成式8位DAC用于适当偏置传感器。演示板的实时时钟与日历(RTCC)用于记录测量时间戳，内部EEPROM存储32个读数，供以后参考。该系列器件采用的Microchip超低功耗(XLP)技术有助于满足这个全面集成的血糖仪的低功耗要求。PIC16LF1786 XLP器件具有内部OPAMP、ADC、DAC和EEPROM

　　本方案有助于开发具有供日常使用的用户接口的低成本/低功耗、手持式、便携式或穿戴式血糖仪。

　　图6 血糖仪框图