原理

血糖儀是根據(jù)電生物化學(xué)原理－－施加一定電壓與經(jīng)酶反應(yīng)后的血液產(chǎn)生的電流會隨著血液中的血糖濃度的增加而增加－－設(shè)計的。通過精確測量出這些微弱電流，并根據(jù)電流值和血糖濃度的關(guān)系，反算出相應(yīng)的濃度。所以，確定這個關(guān)系是問題的核心，但其關(guān)系復(fù)雜，受多方面因素影響，如電壓強度，所使用的試條以及檢測的血液量等，理論上需要在所有濃度點上做大量實驗才能確定最終的關(guān)系，在實際操作中，只需要在選擇若干重要濃度點是做大量實驗，并確定其與電流值之間的關(guān)系，而相鄰濃度點之間用簡單的線性關(guān)系取代。

系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)血糖儀功能的實際需求，結(jié)合MSP430系列單片機特點，采用型號為MSP430F435的單片機作為控制核心，其他模塊還有電流檢測，按鍵輸入和電源、顯示、揚聲器及串口通信等，如圖1所示。

MSP430F435單片機

本系統(tǒng)選用的單片機MSP430F435具有16Kb Flash存儲器、512BRAM、多達160段LCD驅(qū)動器，8通道/12位ADC及大量的I/O端口等，完全滿足本血糖儀的各項功能需求。

主要端口設(shè)置如圖2所示，其中COM0－COM3、S16－S39、R03－R33用于實現(xiàn)LCT顯示， Port74和Port75用于串行通信，Port79－Port81為按鍵的輸入端，Port76和POrt77分別為運算放大器和RS－232芯片提供供電電壓，Port78連接蜂鳴器，Port2和Port3為ADC輸入，Port7參考電壓輸出，XOUT和XIN連接32KHz的晶振，這是系統(tǒng)的時鐘源。

LCD顯示

MSP430F435具有液晶驅(qū)動功能，最大能支持160段LCD，并且具有功耗低等特點，本采用中文界面的LCD顯示，這也是本款血糖儀的一大特點，此LCD有96碼，內(nèi)容豐富、功能強大、極大地方便了病人的使用。

血糖檢測

從原理中已經(jīng)知道，測量血糖時需要在相應(yīng)的電極上施加一定的電壓，而電壓的穩(wěn)定性將直接影響測量結(jié)果，因此，考慮從相對穩(wěn)定的參考電壓得到，而不是直接從供電電源中得到。

MSP430單片機A/D采樣的是電壓值，而被檢測的是微量的電流值，因而也需要將電流值放大并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓值，采用如圖3所示的電路就能實現(xiàn)這一要求，其中，電阻R用于放大，此外，過少的血液量也將造成結(jié)果偏差，所以有必要生產(chǎn)設(shè)計一個用于檢測血液是否足量的簡單電路，而此電路完全可以用與圖3相同的電流來代替，因此，采用兩個這樣的電路就可以實現(xiàn)血糖測量。

其他模塊

本系統(tǒng)的供電電壓為3V，采用兩塊電池，其中一塊是主供電源，另一塊為備用，以便設(shè)備在換電池時仍能正常工作。

按鍵采用三個，分別是左鍵、右鍵，和OK鍵；OK鍵主要用于開、關(guān)機和確認等，左鍵用于數(shù)字減或選項左移等，而右鍵用則與左鍵相反。

由于血糖儀中存有大量的測量結(jié)果，因此有必要增加串口通信功能，將這些結(jié)果上傳到PC作進一步處理，而單片機本身就具有串行通信接口，只需將TTL電平轉(zhuǎn)化為RS232電平即可。這里SP3232芯片來實現(xiàn)這一功能。SP3232芯片所需的供電電壓低，適合便攜式設(shè)備應(yīng)用，其外圍電路的連接簡單，僅需幾個0.1μF的電容即可。值得注意的是其供電電壓是由單片機端口控制輸出的，以達到省電的目的。

系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，其主程序框架如圖4所示。

對于便攜式設(shè)備，電池壽命至關(guān)重要，設(shè)計使應(yīng)盡量降低功耗，使系統(tǒng)盡可能長時間地停留在低功耗狀態(tài)，因此，考慮設(shè)備在適當(dāng)?shù)臅r候自動關(guān)機。這里采用了一個定時器。當(dāng)定時器大于0時，系統(tǒng)處于開機狀態(tài)，當(dāng)定時器倒數(shù)到0時，系統(tǒng)自動關(guān)機，這個定時器是由單片機中的Basic Timer實現(xiàn)的，通過軟件對Basic Timer控制寄存器進行設(shè)置，將信號源設(shè)為輔助時鐘，大小為32KHz，并進行256分頻，再對中斷定時間隔控制位進行設(shè)置，使得中斷每秒進行一次，并且每次到來時都對定時器減1，這樣就實現(xiàn)了定時器每秒減1的功能，具體操作過程為：開始時，對定時器初始化一個大于0的值比如30，并且每按一次有效鍵時，系統(tǒng)重新初始化這個值。因此，當(dāng)沒有按任何有效鍵時，30秒后就會自動關(guān)機，從而實現(xiàn)省電的目的。

系統(tǒng)也具有實時時鐘功能，它的實現(xiàn)方式與上述的定時器類似，只是將“每秒減1”改為“每秒加1”，具體操作為：每次中斷時都對秒變量加1，當(dāng)秒變量的值變?yōu)?0時，就對分鐘變量加1，而秒變量又重新從0開始計數(shù)。同樣，當(dāng)分鐘變量累加到60時，就對小時變量加1，而自身又從0開始計數(shù)。依次類推，就可以實現(xiàn)實時時鐘和日期功能。

為滿足個性化需要，還增加和時鐘和單位設(shè)置，平均值和溫度顯示等功能，這里就不在贅述了。下面主要介紹一下測量模塊，首先，初始化各個端口以及ADC寄存器，然后等待滴血。當(dāng)檢測到足量血時，斷電并等待若干秒，使之與試條上的酶充分反應(yīng)，隨后加電并在一秒后迅速讀取。

計算公式

這部分無疑是本設(shè)計的關(guān)鍵，表1是使用本設(shè)計的樣機測得的部分?jǐn)?shù)據(jù)，由表中的數(shù)據(jù)不難看出，血糖儀和血糖試條的測量重復(fù)性較好－－CV＜3％，遠遠高于國家標(biāo)準(zhǔn)＜7.5％的要求。

通過對數(shù)據(jù)進行3次曲線擬合，就可以得到血糖和電流值之間的關(guān)系曲線圖，圖5是原始數(shù)據(jù)分段曲線和擬合曲線的對比圖，容易看出兩跳曲線很溫和，因此，實際操作中可以用一個公式代替分段函數(shù)，這里的曲線公式為：

Y＝0.0397×X3－0.6779×X2＋17.3271×1.0462

其中，X是電流值，單位為μA，Y是對應(yīng)的血糖值，單位為mg/dl。在實際驗證過程中，上述公式具有良好的精度。

結(jié)語

此款血糖儀采用MSP430F435作為其核心控制單元，它具有12位A/D轉(zhuǎn)換，采樣精度達到1/4096，除了基本功能外，系統(tǒng)還增加了鬧鈴提示和串口通信功能，使用戶不僅可以定時測量，而且還可以通過串口將測量結(jié)果保存到PC，再通過相應(yīng)的軟件，對數(shù)據(jù)作進一步處理，本文總結(jié)的公式經(jīng)臨床證明具有良好的精度，此外，中文字符界面也極大地方便了用戶使用。