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(cè)試生物傳感器，快速精確完成血糖濃度測(cè)定的檢測(cè)系統(tǒng)。開(kāi)發(fā)制成的手持式血糖儀，操作簡(jiǎn)單、用戶界面方便、友好，采血量少（低于3μl），測(cè)試時(shí)間短（整個(gè)測(cè)試過(guò)程僅需5s），十分適合糖尿病人在家中實(shí)施血糖測(cè)試。文中給出了測(cè)定儀器的硬件、軟件設(shè)計(jì)方案和血糖實(shí)測(cè)結(jié)果。

　　一、前言

　　我國(guó)的糖尿病人總數(shù)已突破4000萬(wàn)，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(jì)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(shí)的普及，病人對(duì)生活質(zhì)量要求的提高，對(duì)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(jià)格，使我國(guó)目前每年的自我血糖診斷測(cè)試市場(chǎng)用品消耗不到10億元人民幣。醫(yī)保和社會(huì)福利支出正承受著大量糖尿病人因長(zhǎng)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(kāi)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(cè)試原理

　　本文所實(shí)施血糖濃度測(cè)定，是通過(guò)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(cè)血樣響應(yīng)電流的大小，從而計(jì)算得出準(zhǔn)確的血糖濃度值。

　　血糖測(cè)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(cè)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(cè)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(guò)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(cè)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(lì)、按鍵檢測(cè)、低功耗電源、電源電壓檢測(cè)模塊、液晶顯示驅(qū)動(dòng)、時(shí)鐘和等。

　　1、HT46R54單片機(jī)

　　合泰HT46R54單片機(jī)是目前市場(chǎng)上較常用、集成度相對(duì)比較高的8位高性能精簡(jiǎn)指令集單片機(jī)，具備低功耗的全靜態(tài)CMOS設(shè)計(jì)，本身自帶8通道12位A/D轉(zhuǎn)換器，I/O使用靈活，計(jì)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(shí)器、蜂鳴器輸出等，實(shí)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(hào)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(jiàn)圖2，引腳功能見(jiàn)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(shí)，還具備了大部分測(cè)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：

　　（1）工作電壓：2V~5.5V，工作頻率：DC~8MHz；

　　（2）程序存儲(chǔ)器：4K×15位一次性編程ROM；

　　（3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：280×8RAM；

　　（4）A/D轉(zhuǎn)換器：12位×8通道；

　　（5）具有外部的A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓輸入引腳；

　　（6）22個(gè)雙向輸入/輸出口；

　　（7）1個(gè)與輸入/輸出口共用引腳的外部中斷輸入；

　　（8）8位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器，具有溢出中斷和7級(jí)預(yù)分頻器；

　　（9）內(nèi)置晶體和RC振蕩電路；

　　（10）6層硬件堆棧；

　　（11）看門狗定時(shí)器；

　　（12）低電壓復(fù)位功能；

　　（13）HALT和喚醒功能可降低功耗；

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

　　（15）8位PWM輸出，與輸入/輸出口共用引腳；

　　（16）PFD蜂鳴器功能；

　　（17）63條指令指令執(zhí)行時(shí)間為1或2個(gè)指令周期。

　　表1 HT46R54的引腳功能

　　2、恒電位激勵(lì)模塊設(shè)計(jì)

　　圖3所示為恒電位激勵(lì)模塊原理圖。由圖可見(jiàn)，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(gè)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(lì)。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(lì)下電極酶反應(yīng)的響應(yīng)電流Ix≈Io，該電流信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣電阻R9轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)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(jì)算直接在液晶屏上顯示結(jié)果。

　　3、省電低功耗設(shè)計(jì)

　　HT46R54單片機(jī)帶有HALT暫停模式，在暫停模式時(shí)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(guò)單片機(jī)PA端口8個(gè)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(shí)關(guān)閉和啟動(dòng)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(jì)的血糖儀在待機(jī)時(shí)處于低功耗休眠狀態(tài)，測(cè)試時(shí)單片機(jī)被按鍵輸入喚醒中斷進(jìn)入工作狀態(tài)，測(cè)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(chǔ)記憶模塊

　　圖4是存儲(chǔ)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(shí)鐘線和SDA數(shù)據(jù)線，大大簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)，同時(shí)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(jì)

　　手持式血糖儀的軟件設(shè)計(jì)也采用模塊設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)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(cè)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(jì)。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(guò)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(guò)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(yàn)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(cè)試數(shù)據(jù)的單位和電池消耗狀況。該LCD顯示器有12個(gè)電極，其中背電極3個(gè)，段電極9個(gè)，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(gè)顯示段相對(duì)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(shí)現(xiàn)LCD顯示。

　　值得注意的是，對(duì)RAM中的數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)地址的相同操作時(shí)，只需在首操作時(shí)使用一次命令識(shí)別碼和地址碼，后續(xù)操作的命令識(shí)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(duì)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)

　　（1）酶電極試紙反應(yīng)端電壓保持在300±1mV；

　　（2）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）

　　（3）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；

　　（4）耗電量：兩粒全新2032型電池能滿足1000次正常測(cè)試；

　　（5）當(dāng)測(cè)試值小于2.0mmol/l時(shí)顯示Lo，當(dāng)測(cè)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(shí)，儀器顯示低電池標(biāo)記；

　　（7）具有90個(gè)記憶值；

　　（8）檢測(cè)時(shí)間為5s。

　　六、HT46R54血糖儀的血糖實(shí)測(cè)

　　在使用HT46R54芯片制成的血糖儀臨床實(shí)測(cè)中，取得了較好的結(jié)果。試驗(yàn)對(duì)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(gè)HT46R54血糖儀。試驗(yàn)對(duì)照儀器為美國(guó)YSI葡萄糖自動(dòng)分析儀。臨床試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

　　表2對(duì)比測(cè)試結(jié)果

　　根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析,三組HT46R54血糖儀測(cè)試數(shù)據(jù)與葡萄糖自動(dòng)分析儀測(cè)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(cè)試儀完全可以滿足醫(yī)學(xué)臨床血糖測(cè)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(chǎng)上一些低價(jià)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(cè)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)模化生產(chǎn)。

　　HT46R54芯片內(nèi)部存儲(chǔ)空間過(guò)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(cè)試儀測(cè)試數(shù)據(jù)大量存儲(chǔ)的要求。

　　作者簡(jiǎn)介

　　胡軍，上海斯坎生物傳感技術(shù)技術(shù)有限公司CEO,高級(jí)工程師。研究方向：遠(yuǎn)程在線醫(yī)學(xué)檢測(cè)分析系統(tǒng)、分子生物傳感和酶?jìng)鞲衅鳌F(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)。