血糖仪和血压计的研究与应用

     近年来，两大学科的合作（医药和工程学的结合）在医疗保健方面取得重大的发展，尤其是心脏病等领域。该演变包括采用新的治疗方法和在诊断工具中采用普通人可以访问的先进传感器和微控制器(MCU)技术。 糖尿病和高血压等慢性疾病日益成为全球公共卫生难题，因为人们尚不具备足够的症状控制经验和知识，无法找到让我们事先了解身体状况不佳的方式。 血糖仪即测量血液中葡萄糖含量水平的仪器。血糖仪有助于确定血糖水平，通常在家中用来对糖尿病病人进行监测。

　　高血压是动脉血压长期居高不下的一种表现症状。血压计即测量血液从心脏出来时的动脉血压的一种仪器。 血压计能够检测患有或可能患有高血压的病人的血压收张情况及心率。最近公布的研究提醒我们，高血压是导致几类严重的糖尿病并发症的重要原因，控制高血压几乎与控制血糖具有同样的重要性。部分证据表明，高血糖本身可能导致高血压。

　　血糖检测

　　血糖检测是从血液中取得血糖浓度值的一种技术。 测量血液中葡萄糖含量的第一步，就是将血液转变成电流或电压。 这可能需要使用传感器，通过电流测定法来完成。 电流测定法即测量电极对之间的电流，正是该电极对推动着电解反应的产生。 这些反应电极是电流测量型传感器。 该方法在使用电流测量型传感器时非常有用，因为它在电压和电流测量中的可靠性与在化学反应中一样。 生成的电流应当转变成电压，供MCU处理时使用。 最后，MCU利用模数转换器(ADC)模块检测并处理该信号。

　　血压计

　　通常情况下，血压计包括一个限制血液流动的充气气囊和一个测量血压的压力表。它由电源、电机、存储器、压力传感器和用户界面，以及显示屏、键盘/触摸板、USB或无线通讯接口组成。

　　飞思卡尔MPXV5050GP压力传感器具有下列特性：适用压力范围： 0–300 mmHg(Mindell S–1000)和个案材料(医疗，V类核定)。它对电机控制十分重要。因为根据检测到的压力，无论电机电源是打开还是关闭，空气压缩机都应由电机阀门控制，以获得压力测量值。 压力传感器提供两种压力来源，一种不带滤波器，另一种带滤波器(可消除噪音)。 过滤后的信号有助于捕获更高的心率精度。电机应当连接到小型气泵阀上，以便生成气室空气和血压。同时，将小型气泵连接到袖口、空气基准(air reference)和阀门上。因此，当电机关闭、阀门打开时，袖口就开始紧缩。 另外压力传感器也与该袖口相连，以便在每次测量到血压时获取该值。图1、2将介绍这些组件如何连接。

　　飞思卡尔9S08LH超低功率平台

　　飞思卡尔9S08LH采用创新技术，将便携式医疗设备的功耗降至很低。 该S08LH包括多种操作模式，每种模式针对特定功能级量身定制，以便使性能/功耗达到最佳平衡。 该操作模可支持低至350nA的功耗，并且使医疗应用能够以最高能效实现连续运行。

　　低功率晶体振荡器经过优化，以低功率驱动晶体，同时还提供了低增益或高增益模式选项。 借助该晶体振荡器，当医疗设备同时处于待机状态时可以保证精确的时间。 S08LH包括两种低功耗停止模式。 在该停止模式期间，系统时钟停止，稳压器处于待机状态，所有内部电路都上电以进行快速恢复，同时RAM内容和LCD寄存器得以保存。

　　内部时钟(ICS)外设具有提高或降低设备操作频率的功能。 更高的工作频率导致更高的操作模式功耗。 在9S08LH中，ICS避免使用外部振荡器，可以产生高达40MHz的MCU速率或20 MHz的总线速率。 为了进一步降低操作模式功耗，低功耗平台的每个外设都配有时钟门控功能。 使用该系统，您可以启用或禁用时钟源的每个外设的总线时钟，从而将整体运行和等待模式的电流降低近三分之一左右。

　　MC9S08DZ60系列包括一个防止低电压状态的低功率检测(LVD)系统，以便在电源电压不稳期间保护存储器内容，控制MCU系统状态。 该系统由加电复位(POR)电路和带脱扣电压的LVD电路组成。 这是医疗设备的一个重要特性，因为当电源电压不足以保证工作条件，LVD系统有助于防止设备的异常操作。

　　用户界面技术(包括液晶显示器)，能够满足便携式医疗设备不断增长的需求。 在MC9S08LH系列中，液晶显示器(LCD)模块控制44个液晶引脚，以生成驱动液晶显示器所需的波形。 9S08LH系列包括8 × 3* × 40 LCD驱动器，并带有一个内部电荷泵和一个提供内部调节LCD参考选项，该参考选项可以根据对比度控制进行修整。 该S08LH增加了在任意MCU引脚上分配前面板或背板功能的功能。 凭借该性能，它允许实现闪烁模式(在停止模式时让显示器闪烁的功能)，并且可以将便携式医疗设计的功耗降低百分之七十。

　　ADC的目标应用是便携式医疗设备，它充当模拟信号和数字处理系统之间的接口，因此非常重要。 通常，由于功耗低、速度和分辨率合适，最通用的一种ADC架构是逐次逼近寄存器(SAR)ADC。MC9S08LH系列的特殊功能包括4 × 16位SAR ADC，专门设计用于片上集成微控制器内的操作。 16位ADC支持差分输入和标准单端信道，而12位ADC只支持单端通道。 16位ADC可配置为右对齐12位、10位或8位结果，提供与12位ADC的后向兼容性。 但是，16位ADC具备其他特性，如平均化、可选电压基准、校准功能。这些功能可以配置来保持与12位ADC的向后兼容性。 飞思卡尔S08LH 对该ADC功能的片上集成，提供诸如低电压检测等功能，并且能够通过与ADC信道内部相连的片上温度传感器来测量模具温度，从而实现温度补偿。 因此， S08LH ADC模块分辨率是在选择MCU作为医疗设计时，需要考虑的一个关键参数和重要因素。 此外，ADC精度也同样重要(如果不是更重要的话)。 关于飞思卡尔部分最新产品中的16位ADC产品，它们能够减少偏移误差，并通过自校准实现增益。 S08LH系列ADC模块的其他重要特性包括： 多达24个模拟输入，将转换和采样时间减至最少： 2.5 μs，最低电源电压: 1.8V，输入电压范围： -100 mV至3.6 V，带硬件通道选项的可选异步硬件转换，可选电压基准(内部，外部和任何一个)。

　　模拟比较器是9S08LH的一个重要特性，可用于下列目的。

　　(a)监测电池电压(或直流电压)。

　　(b)滞后实施 在任何应用，特别是在医疗应用中产生的伪象噪音信号。由于信号穿过阈值区，噪声通过开环增益放大，导致输出短暂地来回反弹。这是医疗应用所不允许的，但引进滞后通常可以解决该问题。滞后是通过在比较器上提供积极反馈来实现的。

　　(c)消除直流偏移。在串行数据传输中，由于噪音或其他原因导致的温度变化，可能导致数据发生直流偏移。

　　(d)脉宽测量 。

　　(e)电压倍增器。电压倍增器是一个电子电路，通过将电容器和二极管组合到服务网络的方式，把较低电压的交流电源转换成更高的直流电压。这是将片上模拟比较器当作方波发生器来实施，在该过程中二极管和电容的组合实现了倍增器的作用。

　　血糖仪的设计

　　监测仪在进行葡萄糖测量时需要进行复杂的计算，灵活的操作模式和ICS可以提高S08LH性能，缩短处理时间，进而提高您的使用体验。 通过时钟门控技术，还可以节省更多功率。 将所有低功率技术同时使用，该血糖仪使用单个电池的工作时间可以更长，并且它支持使用更小型的电池，从而增强便携性和使用体验。

　　图3是血糖仪实施的软件流程图。 其中一个分析阶段是识别生物传感器电力输出的峰值。利用模拟比较器(ACMP)，飞思卡尔9S08LH微控制器可配置为在达到高峰触发中断操作。下一阶段要求将血糖仪腕带的线性衰减输出进行定时模数转换。 最后，样本(血液)和血糖仪腕带之间的化学反应会产生线性衰减信号，这会在几秒内完成。 在使用例程或更复杂的IIR过滤期间，该微控制器对输入信号进行部分过滤。 平均值是从输入信号的线性衰减中取出的几个点，通过该方法可以计算出线性衰减的斜率。正是这个斜率与代表血糖水平的某个具体值发生了直接关联。至于血糖仪设计，必须提供一个可视屏幕，以便病人读取计量结果。 借助来自飞思卡尔的9S08LH，通过单个设备即可实现LCD功能和同类最佳的功耗(小于6mA)。

　　血压计

　　血压使用的最高值是180mm Hg。 当MCU发现这个压力时，系统就关闭电机，并让系统稳定下来。 180mmHg是开始紧缩袖口的最大值。 首先，必须从mmHg转换成压力单位kPa，因为传感器说明书显示的是kPa值。然后，将mmHg转换为kPa： 1 kPa=7.50061505043 mmHg，那么 180 mm Hg=24 kPa。

　　根据压力传感器数据表提供的图形和转换功能，当压力传感器检测到180mmHg时就可以知道现在的血压。 然后，用这个血压值来计算要使用的ADC值。

　　当血压达到最大值时，程序就启动，以便让该系统稳定下来。 该算法缩短了电机控制的工作周期，延长了为阀门控制的工作周期。 该程序为新定时器设定了时间，同时程序中还实施了增加和减少电机和阀门控制的功能和测量血压的功能。图4演示如何实施电机控制。

　　最后，它同时显示了两个压力： 收缩值代表当心脏收缩产生的最大压力(袖口膨胀)，舒张值代表心脏舒张时产生的动脉压(袖口放气)。