摘要：本文介绍了适合便携式血糖仪的低功耗SoC芯片结构和性能，完成模拟数据采集和信号处理功能。本文还阐述了SoC芯片在血糖仪中的软硬件设计，并进一步说明了SoC设计在实际应用中的几个重要功能，例如低功耗睡眠模式，低噪声运放与温度传感器等。血糖和酶电极反应时所产生的微弱电流经过放大、滤波、模数变换后经SoC芯片数据处理，在液晶显示器上显示出测试结果。本文所提出的SoC设计整合低噪声运算放大器转换微弱的血糖信号成电压信号，测试范围达1.1-33.3mmol/L，单次采血量仅为3μL，完成一次测试的时间约4秒，片外的EEPROM可以存储256组历史记录，还具有自动温度补偿与校正功能，适合个人、家庭或医院使用。

　　1 引言

　　糖尿病（DM，Diabetes Mellitus）是一种常见的非传染却严重危害人类健康的慢性疾病，糖尿病是继心血管和肿瘤之后的第三大非传染性疾病，已成为严重威胁人类健康的世界性公共卫生问题。糖尿病发生后会引起糖、水、脂肪、蛋白质和电解质等代谢紊乱，进而导致各种并发症，包括糖尿病性心脑血管病、糖尿病性肾病、糖尿病性眼病、糖尿病性神经病变等等。因此，我们需要研发更先进的医疗设备来预防和治疗糖尿病及其并发症。

　　现代医学还没有根治糖尿病的方法，对患者的血糖浓度进行频繁的测定是延缓糖尿病及其并发症的重要方法。目前医院中最常用的检测血糖参数的方法是通过采集病人的血样，用大型生化分析仪进行分析与检测。这种方法准确性高，但检测时间太长、需要的血液量过多，还需专业人员操作仪器，不利于病人的自我监护。近年来，医院内几乎所以科室均备有便携式血糖仪，不仅为医生和患者提供数据，而且可以作为医生调整药物剂量的依据。便携式血糖仪解决了大型生化分析仪检测方法的缺点，不但方便了糖尿病患者对血糖的控制，还促进了血糖仪的普及。

　　随着微电子技术和信息技术的发展， 各种便携式血糖仪的设计方案不断涌现。目前市场上的血糖仪种类繁多，在不同程度上满足临床医疗的需求。价格，精度和低功耗（待机时间长）是用户评价一款血糖仪的3 个重要特性。以往的用于血糖仪的芯片采用分离的模／数（A/D）转换器芯片实现，利用转换器将模拟信号转换成数字信号输出，这种方式的结果不稳定，而且整体实现成本比较高，给市场大量推广带来诸多不便。相较之下本文提出的SoC 设计具有片内模拟设计整合度高，外围所需器件少，精度高，低功耗等优点。

　　便携式血糖仪的系统实现对酶生物传感器检测的数据进行处理并送到LCD显示器上，另外还需要完成时钟的计时，数据的记录与存储等功能。本文介绍一种可广泛用于家庭和医院的新型低功耗医用血糖仪的SoC设计与方案实现，文中说明了SoC芯片主要功能和工作原理，还给出了采用SoC芯片设计血糖仪的应用电路和软件工作流程。

　　2 血糖仪的特点

　　本文介绍的便携式血糖仪采用电化学酶电极法，当血液样品滴加在试纸（Test Strip）上时，血糖与感应膜反应产生电子，在一个工作电压的作用下，电子会被传送到电极，所产生的电流与血糖的浓度成一定的比例关系，通过检测电流的值就可以得出血糖的浓度。

　　2. 1 什么是糖尿病

　　正常情况下，身体会将吃进去的淀粉类食物分解及转变成葡萄糖，提供身体的能源。而胰岛素是由胰脏制造的一种荷尔蒙，它可以帮助葡萄糖进入细胞内，提供热能。因为糖尿病患的胰脏制造胰岛素不足或功能不良，无法使葡萄糖充分进入细胞利用，而留在血中使血糖浓度升高。长期的高血糖症状，有时会引起视网膜病变、肾脏、神经病变、心脏和血管、高血压、性能力减弱，甚至死亡。1997 年美国糖尿病协会提出了糖尿病诊断的新标准：

　　1.有糖尿病症状，并且任意血糖≥11.1mmol/L；

　　2.空腹血糖≥7.0mmol/L；

　　3. 口服葡萄糖耐量试验（OGTT）2 小时后血糖≥11.1mmol/L。

　　糖尿病已成为全球瞩目的主要慢性病，“早期诊断、适当治疗”与“患者自我配合”是控制糖尿病的不二法门，除了严重者长期注射胰岛素外，糖尿病
平日的血糖监测亦非常重要，配合用药、饮食的控制及持续监测，可延缓各种糖尿病并发症的发生以拥有健康的生命。

　　2. 2 检测原理简介

　　利用测试试纸作为葡萄糖信号的来源，以固定偏压方式激发试纸与血液的电化学反应成为电流信号输出，再经由本文所提低功耗SoC 芯片量测电流信号、运算、数字输出显示，如图1 所示，以最少的器件达成偏压式电流量测方案。

　　图1 模拟与数字信号转换

　　血糖仪的检测原理是基于生物电化学方法，即用生物传感器葡萄糖氧化酶电极进行血糖测试。其中酶电极由酶膜和电极结合而成， 在电极表面固化上葡萄糖氧化酶（GOD， Glucose Oxidase），当约3μL 血液滴入血糖测试电极后，发生了氧化还原反应，在反应过程中传输介质中的二价铁离子失去电子，发生了氧化还原反应，葡萄糖氧化酶氧化葡萄糖生成H2O2和葡萄糖酸，H2O2将二价铁离子氧化，由化学反应所释放的电子，所产生的电子被导电介质转移给电极，在300mV 电压的作用下发生定向流动，约2 秒能形成了0.6~10μA 的氧化电流。通过检测电流变化与葡萄糖浓度近似线性关系，从而达到检测血糖浓度的目的。

　　由于各家试纸组成成分不同，在方案开发前，我们可以先设计试纸的等效电路作试验，所以必须先了解试纸的等效电路（如图2 所示）。图3 说明试纸的电化学反应时间，VR 表示固定偏压。电流转换公式如公式（1）所示：

　　Glucose=I×F（code）×T（t）（1）

　　I：电流（μA）

　　F（code）：不同试纸会有不同的值呈现

　　T（t）：温度系数

　图2 试纸等效电路（A）单通道电阻（B）双通道电阻

　　图3 电化学反应时间

　　2. 3 血糖仪的系统结构

　　一般常见血糖仪的系统结构如图4 所示。它是由信号采集单元， 显示与控制单元组成。仪器的硬件部分主要包括酶生物传感器、信号检测、微控制器、LCD 显示器与通信模块组成。显示与控制单元是由LCD显示器、按键电路、微控制器和其他外围模块组成。设计血糖仪的关键在于酶电极电流信号的获取，即酶电极电流信号的采集；另外，该系统属于便携式应用，要求系统为低功耗设计，通过降低系统的功耗，可以延长电池的使用寿命，而且有助于环境保护和节约能源。

　　图4 血糖仪的系统结构

　　3 SoC芯片的硬件设计

　　SoC芯片的功能主要在量测电压信号， 数据的计算，信号的控制与结果的显示。本文所提出的低功耗SoC 芯片具有芯片面积小、模拟IP 集成度高可以减少外挂芯片、方便芯片应用等特点。本文会以这款低功耗SoC 芯片为核心， 再辅之以较少的外围芯片设计一款便携式血糖仪。

　　3. 1 SoC芯片特点

　　SoC 芯片选择0.18um 工艺节点， 内部模块如图5 所示，内置EEPROM与4K 字（Word）一次性可编程（OTP） 程序存储器，256 字节（Byte）数据存储器。上电及掉电检测（Brownout detector），用于检测电源电压的降低， 并将处理器完全复位。看门狗（Watch dog Timer ）主要用于产生唤醒事件，可防止程序的跑飞。芯片内还有8 位定时器A，16 位定时器B 具Capture/Compare 功能，16 位定时器C 具PWM/PFD 波形产生功能。串行通信SPI 模块可以用来外挂器件。

　　内置绝对温度传感器与18 位全差动输入&Sigma;&Delta;ADC 类比数位转换器，内置可编程增益放大器（PGA， Programmable Gain Amplifier）及可有1/4、1/2、1&hellip;&hellip;128 倍10 种输入信号放大倍率选择。内置输入零点调整，可针对不同应用增加其量测范围。内置高阻抗输入缓冲器（32 以上输入倍率不适用）。超低输入噪声（<1uVpp）运算放大器， 可提供高输出阻抗小信号的放大及小电流的电压转换。1.2V 低温飘系数参考电压源输出，具有推挽式（Push- Pull） 驱动能力，可提供传感器驱动电压。LVD 低电压检测功能可配置14 段检测电压。模拟电压源VDDA 具10mA 稳压电压源输出能力，可有4 种不同输出电压选择。4&times;20 LCD 液晶驱动器。1/4 占空（Duty）、1/3 偏置（Bias）。内建电荷泵（Charge Pump）稳压线路，可提供4 种LCD 偏置电压。

　　3. 2 硬件乘法器

　　SoC 芯片负责信号的处理、控制和显示功能，采用先进的CMOS 标准工艺生产制造。整合一个具有69 个操作指令的8 位加强型精简指令集处理器，包括8x8 硬件乘法指令与16 位的查表指令。8x8 硬件乘法器的处理指令&ldquo;MULF 和MULL&rdquo;，硬件乘法的运算结果会放到乘法器寄存器PRODH [7：0]与PRODL[7：0]内，而且不会改变STATUS[7：0]状态寄存器中的任何标志。PRODH[7：0]与PRODL[7：0]为只读缓存器，硬件乘法器可进行有号数与无号数运算。

　　图5 SoC芯片内部模块

　　3. 3 低功耗模式

　　2.0V~3.6V 工作电压范围，-40~85℃工作温度范围。内置高精度RC 振荡器，6 种CPU 工作时钟切换选择，可以达到最佳省电规划。具体测试条件见表1，其中OSC_CY 是外部振荡器频率，OSC_HAO 是内置的高精度振荡器频率，CPU_CK 是处理器内核的操作频率。

　　表1 不同时钟条件下的电流值

　　活动模式主要指CPU 根据时钟源依序处理所有发生的事件，此时芯片所有外设皆可正常运作，而且功率消耗在同频率下处于最大的状态。待机模式是透过软件下达IDLE 指令后，处理器进入待机模式，也就是处理器进入节能的状态，芯片停止运作等待唤醒，并将PSTATUS 复位缓存器的IDLEB [0]旗标位置<1>。在此模式下芯片外设仍正常运作，当外设产生中断事件时将会唤醒处理器。处理器透过SLP 指令进入休眠模式中，主要是指芯片处于停止运作状态，处理器、内部振荡器（HAO 与LPO）与外部振荡器（XT）将停止工作，外设使用HAO、LPO、XT 等相关时钟源也停止运作，并将PSTATUS 复位缓存器的PD 旗标位置<1>。在此模式下，芯片将处于等待中断事件进行唤醒，因为部分外设虽然停止运作，但其功能仍处于开启状态。为了达到休眠模式芯片功耗处于最低的情况下，不用于唤醒芯片的外设必需进一步关闭功能。

　　3. 4 低噪声运放（LNOP）

　　检测酶电极与血液反应所产生相当微弱的微电流信号，电流信号为&mu;A ~ nA 级别，需要再转换成一个可供处理的电压信号。然后经过放大、滤波等处理使其转变成用于识别的电压信号，再通过模/数转换，成为SoC 芯片能够处理的数字信号。低噪声放大器的功能主要是实现电流到电压的转换与放大，可单独使用或搭配&Sigma;-&Delta;ADC，其适用于小电流或高输出阻抗信号源的量测应用。低噪声放大器还有以下功能：

　　1. 高输出阻抗或低输出电流的量测应用。

　　2. 多通道信号输入与输入短路设计。

　　3. 可量测引脚漏电流。

　　4. 输入信号正相，反相偏移量或Chopper。

　　5. Push/Pull 驱动能力。

　　输入通道选择器OPP[1：0]与OPN[2：0]27 可分别选择低噪声运放的&ldquo;+&rdquo;与&ldquo;-&rdquo;端是由哪一个外部引脚输入，当OPN 设置<11x> 时则呈现高阻抗状态；信号输入后，可经由输入通道短路器OPIS[0]将选定的通道进行短路。

　　输入处理器OPM[1：0]可设置对低噪声运放输入信号做正向偏移量、反相偏移量或Chopper 处理。低噪声运放输入通道具有10G&Omega; 的输入阻抗及共模模式下90pF 输入电容设计，使用上较为特殊的地方是OPN[2：0]可让输入引脚AI0- AI5 或AI1- AI5 组态化，以实现对类比通道的引脚进行超低的漏电流量测，如图6 所示。

　　图6 低噪声运算放大器电路模块

ENOP[0]设置<1>以启用低噪声运放模式。反之，当ENOP[0]设置<0>会关闭低噪声运放。低噪声运放的电源是使用VDDA，并使用ACM为其内部共模电压参考点，故在启动低噪声运放前必须先启用VDDA及ACM。

　　3. 5 绝对温度传感器

　　由于血糖测试是利用生物电化学反应，而温度能影响该反应，在不同的温度下葡萄糖氧化酶的活性不同。即使是相同血糖浓度的血液，采用相同的电压，在不同温度下，由葡萄糖氧化酶氧化产生的电流大小也不同。所以需要根据温度进行补偿以获得正确的血糖浓度值。

　　我们可以使用芯片内部的温度传感器（如图7所示）来测量环境温度，当温度过高或过低时，葡萄糖氧化酶就会完全失去活性，根据测量的环境温度，此时血糖仪需要给出报警，提示用户不能在该温度下进行操作，以免得出错误的检测值。温度传感器同时也需要进行补偿。绝对温度传感器由二极管（BJT） 组成，其电压信号对温度的变化为一通过0&deg;K 曲线，其具以下特色：

　　1. 温度传感器在环境温度为0&deg;K 时其输出的电压值VTPS@0&deg;K =0V

　　2. 透过测量方式可使得模拟数字转换器ADC的偏移电压（VADC-OFFSET）与BJT 之不对称性（IS1&ne;IS2）自动抵消

　　3. 校正温度仅需单点校正

　　图7 绝对温度传感器电路模块

　　4 血糖仪的方案设计

　　4. 1 系统的硬件设计

　　由本文提出SoC 芯片实现便携式血糖仪的应用电路如图8 所示，为了方便用户能随时查看血糖的变化情况，血糖仪需要具有存储的功能。用户不仅能查询历史血糖值，还要能够查询最近一周内血糖值的变化趋势，医生可以根据变化趋势制定后续的用药方式与剂量，以达到控制血糖浓度的目的。每个历史数据包含血糖值浓度及测试日期这两个信息，需要8 字节（Byte）来保存。本系统选取有2048字节存储空间的EEPROM（24LC02）芯片，最多能够存储256 个历史数据。

　　图8 血糖仪的应用电路

　　输入/ 输出埠I/O 每八个引脚为一个端口，可作数字的输入与输出以及模拟信号量测通道。每个端口由一组缓存器做控制。芯片可以透过IO 口仿真只需要SCL 时钟和SDA 数据的I2C 总线功能，与24LC02 采用标准的I2C 总线接口通讯，24LC02 的存储空间可以由使用者决定参数意义与数量，再由SoC 芯片的程序设定与控制需要储存何种参数，例如24LC02 也能储存校正参数。图8 的Strip 是应用电路上以可变电阻取代试纸，用以仿真试纸的电化学信号。

　　血糖试纸所需偏压往往在0.1V~0.5V 不等，一般来说在0.5V 的工作偏压电压下， 对应于2~25 mmol/L 的血糖浓度， 酶电极的响应电流约3~50&mu;A。芯片有内置一个参考基准电源1.2V 或2.4V 供使用者的使用，但是需要再透过基准电阻分压供电给试纸偏压使用。可编程增益放大器与&Sigma;-&Delta; ADC 通过参考电阻获得参考电压，量测到的电阻值是否精确与参考电阻的精度有关，所以必须保证参考电阻的精度。

　　模拟前端电路主要应用是要量测低频的信号，但在真实世界里待测信号会含有许多高频的噪声，根据信号取样原理超过取样频率的高频噪声经过取样后会产生零点飘移及低频噪声，进而造成量测的误差。因此建议在芯片差动待测信号及参考电压端加上10nF~100nF 的滤波电容以加强量测的准确性。

　　4. 2 系统的软件设计

　　软件采用自上而下的模块化程序设计方法， 以主程序为核心构建。血糖仪的工作流程如图9 所示，该血糖仪的测量过程如下：

　　（1）进入休眠模式（Sleep）后按下PT1.0唤醒芯片，测量模式下按下PT1.0能锁定最大值。按下PT2.4进入校正模式，由外部输入0.2V校正ADC电压测量值；

　　（2）进入校正模式后按下PT1.0唤醒芯片，按下PT1.1将校正值200mV增益写入EEPROM；

　　（3）进入量测模式，载入校正增益；

　　（4）进行血糖的ADC采样与转换；

　　（5）数学计算，显示电流；

　　（6）按下PT1.0，进入休眠模式；

　　图 9 血糖仪的工作流程

　　考虑到元器件参数的分布性差异和电路稳定工作状态的波动性，这些都可能给测量结果带来各种误差，所以设计了个软件校准模块，可以人为地对测量结果进行实时校准。程序也设计了关机子程序，利用了芯片在休眠模式下功耗低小于0.63&mu;A的特点。使血糖仅完成测试后能在不切断电源的情况下自动进入休眠状态，再由外部的按键中断来唤醒。这种通过软件方法来优化系统的设计思想降低了仪器功耗。

　　图10 是利用本文所介绍的SoC 芯片所设计血糖仪的开发板与样品。因为SoC 的集成度很高，所以成品可以做到体积小，便于携带随时随地监测血糖。

　　图10 利用SoC芯片所设计血糖仪的开发板与样品

　　血糖仪样品的规格如表2 所示， 这里给出应用范例计算纽扣电池的使用时间。对血糖而言，电流值会随着时间的增加而增加，并逐渐趋向稳定，稳定后的电流值与血糖浓度成正比。因此，需要等待一段时间， 等到达稳定后才能测试电流大小， 从而得出所测试的血糖浓度值。这里所需要的时间是试纸的反应时间，由试纸的化学特性决定，非芯片控制，对于开发板所用的特定试纸而言， 整体量测所需的时间为4秒。如果每天在医院使用血糖仪为不同病人量测100 次，成品使用3V 电压的纽扣电池CR2032， 额定容量为210mAh，经过如下公式（2），（3）的计算可以使用5.84 年之久，足可说明本文所介绍的芯片确实达到超低功耗的先进水平。

　　平均耗电流

　　=（系统最大操作电流x量测次数x每次量测时间/1 天时间）+ 休眠电流（2）

　　=（750uAx100 x4s/ 86400s）+ 0.63uA= 4.1uA

　　电池寿命= 电池电量/ 平均耗电流（3）

　　= 210mAh / 4.1uA

　　= 51219h = 2134 天 = 5.84 年

　　表2 血糖仪样品规格

　　5 结论

　　本文介绍一款为了血糖仪的应用而设计的高集成度，低功耗SoC 芯片。片内集成了高精度的&Sigma;-&Delta; ADC，EEPROM与一次性可编程程序存储器，所以成本较分离器件的方案低。血糖仪能够准确测量血糖浓度，并且具备存储功能，方便用户查询历史值和近期血糖浓度趋势， 以便医师采用正确的用药方式。智能血糖仪通过采用不同的时钟源工作，可以达到降低系统功耗的目的。我们也给出范例说明一节普通的CR2032 电池， 基本上能够支持医院使用血糖仪长达5 年以上的使用而不用更换电池，具有测量时间短，低功耗等优点，可成为一种供糖尿病患者在家庭中自我监控血糖浓度的理想仪器。