摘要：本文介绍了一种以合泰HT46R54为控制器核心，采用丝网印刷酶电极试纸作为测试生物传感器，快速精确完成血糖浓度测定的检测系统。开发制成的手持式血糖仪，操作简单、用户界面方便、友好，采血量少（低于3μl），测试时间短（整个测试过程仅需5s），十分适合糖尿病人在家中实施血糖测试。文中给出了测定仪器的硬件、软件设计方案和血糖实测结果。

　　一、前言

　　我国的糖尿病人总数已突破4000万，糖尿病已是继肿瘤、心、脑血管疾病后位居第四的重大慢性病。据医学资料统计分析，糖尿病患者54.5%死于失血性心脏病，11.1%死于脑血管病变，7.2%死于肾衰竭，其他则造成失明，截肢等并发症，严重威胁病人健康生活。随着近年糖尿病知识的普及，病人对生活质量要求的提高，对手持式家用血糖仪等产品的需求正逐年增加。但由于进口产品的高昂价格，使我国目前每年的自我血糖诊断测试市场用品消耗不到10亿元人民币。医保和社会福利支出正承受着大量糖尿病人因长期不进行血糖监控导致并发症产生，而必须进行重症医治和手术的巨大负担。手持式家用血糖仪的开发和普及使用，将在很大程度上减缓病人的并发症发病进程，进而达到糖尿病的控制、治疗甚至康复的目的。

　　二、血糖测试原理

　　本文所实施血糖浓度测定，是通过丝网印刷方法制得酶电极试纸，采集约3μl指血，指血中的葡萄糖与电极表面的氧化酶快速反应产生氧化电流，在单片机的控制下检测血样响应电流的大小，从而计算得出准确的血糖浓度值。

　　血糖测试仪所使用的丝网印刷酶电极试纸如图l所示。酶电极试纸的工作原理如下：检测仪在插入仪器的丝印电极两端施加一定的恒定电压如300mV，当被测血样（3μl）吸入电极工作区后，工作区内的葡萄糖氧化酶与血样中的葡萄糖发生氧化还原反应。经过快速的生化反应(约5s)后，酶电极试纸的响应电流在0.6~10μA之间，与被测血样中葡萄糖浓度呈线性关系。

　　三、系统结构组成

　　本家用血糖仪的硬件电路主要由合泰HT46R54单片机和一些外围电路模块组成，外围模块主要包括恒电位激励、按键检测、低功耗电源、电源电压检测模块、液晶显示驱动、时钟和等。

　　1、HT46R54单片机

　　合泰HT46R54单片机是目前市场上较常用、集成度相对比较高的8位高性能精简指令集单片机，具备低功耗的全静态CMOS设计，本身自带8通道12位A/D转换器，I/O使用灵活，计数器、振荡类型可选择，具脉宽调制功能、暂停和唤醒功能、看门狗定时器、蜂鸣器输出等，实现了体积小、功能全、使用方便等特点，适合于需要A/D转换的产品，例如传感器信号输入、充电器、电机控制、工业控制、消费类产品、子系统控制器、手持式家用医疗电子产品等应用中。HT46R54单片机管脚排列见图2，引脚功能见表1。由引脚排列可看出HT46R54是一种功能齐全的紧凑型单片机，包含8路12位A/D转换器，免除了某些单片机因A/D转换精度不够需外置A/D转换芯片的麻烦，同时，还具备了大部分测控模块，减少了外围电路的设置，保证了仪器使用的高可靠性。

　　HT46R54单片机的主要性能参数如下：

　　（1）工作电压：2V~5.5V，工作频率：DC~8MHz；

　　（2）程序存储器：4K×15位一次性编程ROM；

　　（3）数据存储器：280×8RAM；

　　（4）A/D转换器：12位×8通道；

　　（5）具有外部的A/D转换器的参考电压输入引脚；

　　（6）22个双向输入/输出口；

　　（7）1个与输入/输出口共用引脚的外部中断输入；

　　（8）8位可编程定时/计数器，具有溢出中断和7级预分频器；

　　（9）内置晶体和RC振荡电路；

　　（10）6层硬件堆栈；

　　（11）看门狗定时器；

　　（12）低电压复位功能；

　　（13）HALT和唤醒功能可降低功耗；

　　（14）在VDD=5V，系统频率为8MHz时，指令周期为0.5μs；

　　（15）8位PWM输出，与输入/输出口共用引脚；

　　（16）PFD蜂鸣器功能；

　　（17）63条指令指令执行时间为1或2个指令周期。

　　表1 HT46R54的引脚功能

　　2、恒电位激励模块设计

　　图3所示为恒电位激励模块原理图。由图可见，基准电压源LM336提供的2.5V恒定电压经电阻分压后在电位器W1和W2的连续输出可调端分别得到2.18V和0.3V二个不同的稳定电压。0.3V用作运算放大器直接施加到酶电极两端作为恒电位激励。图中Rx代表酶电极。由运算放大器的理想工作特性知道Ic≈0，即流向运算放大器反向端的电流几乎为零，故酶电极在恒电位激励下电极酶反应的响应电流Ix≈Io，该电流信号经过采样电阻R9转换为电压信号直接输入到单片机的串行A/D转换脚PB0/AN0端，经单片机计算直接在液晶屏上显示结果。

　　3、省电低功耗设计

　　HT46R54单片机带有HALT暂停模式，在暂停模式时系统振荡器停振，所有输出/输入口保持原有状态，RAM和寄存器保持不变。通过单片机PA端口8个引脚，根据输入电平变化产生中断可消除上述暂停模式，达到系统暂时关闭和启动而降低整机功耗的目的。根据单片机的这一功能特点，经设计的血糖仪在待机时处于低功耗休眠状态，测试时单片机被按键输入唤醒中断进入工作状态，测试完成后再次进入休眠，以此节省功耗，达到采用纽扣电池进行供电。

　　4、存储记忆模块

　　图4是存储记忆模块模块的原理图。AT24C02采用标准的I2C总线接口，只需要SCL时钟线和SDA数据线，大大简化了硬件设计，同时降低了成本。由于单片机本身具备I2C接口，所以可直接连到单片机接口，减少了外围辅助电路降低了血糖仪体积。

　　四、血糖仪控制器的软件设计

　　手持式血糖仪的软件设计也采用模块设计，设计了主程序和各类子程序，其中主程序的流程图如图5所示。主要子程序有：A/D转换子程序、液晶显示子程序、测试数据存子程序等。

　　这里重点介绍液晶显示子程序的设计。由HT1621的典型应用电路可知，显示模块由HT46R54单片机、HT1621和LCD三部分组成。单片机通过PA5、PA6和PA7与HT1621进行通信；写和数据控制分别由PA6和PA7脚完成。若CS=1，HT46R54及HT1621之间发送的命令应首先被禁止，进而进行初始化。在模式命令或模式转换发出前，需要一高电平脉冲以初始化HT1621的串行接口，数据的读写及命令的写入必须通过数据线。一条可选择的IRQ线也可用作HT46R54及HT1621间的接口。本试验采用占空比为1／4、偏置比为1／3的典型3位LCD显示器，可以显示商标、测试数据的单位和电池消耗状况。该LCD显示器有12个电极，其中背电极3个，段电极9个，它们分别与HT1621的COM0~COM2，SEG0～SEG8相连。由于显示RAM的每一位均与一个显示段相对应，因此，用户仅需按照命令格式，依次向显示RAM中写入决定显示段的段码即可实现LCD显示。

　　值得注意的是，对RAM中的数据进行连续地址的相同操作时，只需在首操作时使用一次命令识别码和地址码，后续操作的命令识别码和地址码均可省略。例如，要在LCD上显示“10.2mmol／l”，电池电压正常，需给显示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对应的位写1，其余位写0即可。根据命令格式，输入HT1621的DATA引脚的串行数据应为101000010110000001010000011101110。

　　五、HT46R54血糖仪的性能特点

　　（1）酶电极试纸反应端电压保持在300±1mV；

　　（2）响应电流与仪器显示数据的关系1/3μA——1.1mmol/l（20mg/dl）10μA——31.9mmol/l（574mg/dl）

　　（3）仪器工作电流<6.2mA，静态电流与所选硬件的静态电流一致；

　　（4）耗电量：两粒全新2032型电池能满足1000次正常测试；

　　（5）当测试值小于2.0mmol/l时显示Lo，当测试值大于27.8mmol/l显示Hi；

　　（6）当仪器液晶发暗或电池的电压低于4.2V影响仪器精度时，仪器显示低电池标记；

　　（7）具有90个记忆值；

　　（8）检测时间为5s。

　　六、HT46R54血糖仪的血糖实测

　　在使用HT46R54芯片制成的血糖仪临床实测中，取得了较好的结果。试验对象分为三组；第一组正常人10名，第二组中轻度糖尿病人12名，第三组重度糖尿病人6名。三个HT46R54血糖仪。试验对照仪器为美国YSI葡萄糖自动分析仪。临床试验结果见表2。

　　表2对比测试结果

　　根据统计数据分析,三组HT46R54血糖仪测试数据与葡萄糖自动分析仪测试数据的相关性分别达到:

　　血糖仪1：y=0.9741+0.224 &gamma;=0.992

　　血糖仪2：y=0.997+0.2373 &gamma;=0.995

　　血糖仪3：y=1.0313-0.239 &gamma;=0.997

　　由以上数据可以看出，本血糖测试仪完全可以满足医学临床血糖测试的要求。

　　七、结论

　　采用合泰HT46R54芯片的优点较多体现在仪器成本和A/D转换的精度上。目前市场上一些低价芯片功能各不相同,有些尽管自带A/D转换器，但位数精度达不到血糖测试仪的要求，而必须采用外部A/D转换器,转换的精度可以达到，但是提高了成本而且芯片供货周期很难控制,不利于规模化生产。

　　HT46R54芯片内部存储空间过小，是此款单片机的缺点之一，外围电路必须考虑，才能满足血糖测试仪测试数据大量存储的要求。

　　作者简介

　　胡军，上海斯坎生物传感技术技术有限公司CEO,高级工程师。研究方向：远程在线医学检测分析系统、分子生物传感和酶传感器、现代医疗电子器械、智能化医学监控软件和系统。