超低功耗安全MCU在血糖仪上的应用方案及项目需求

【导读】随着中国医疗器械行业的发展和糖尿病患者的增多，血糖仪行业快速发展。截至目前，血糖测量技术共经历了五个发展阶段。前三个阶段基本采用光反射法测试血糖浓度，第四和第五阶段主要采用电化学法。目前国内主流血糖仪均采用电化学法进行血糖测量。市场上的血糖仪通过精度、连接性、LCD显示屏和数据管理功能选项实现了差异化。对血糖仪设计来说，像低功耗和医疗软件支持等关键特性非常重要。推荐使用集成了数字和模拟功能，并且合理平衡了成本的微控制器，以实现小型、低功耗和高性能的血糖仪设备。

系统设计要素

系统的一个基本组件是测量引擎，它是一组模拟和数字IP模块，用于与传感器相互作用，然后向微控制器提供电压，再由微控制器处理测量结果。将所有测量引擎嵌入微控制器具有一定的优势。一些8位微控制器和32位微控制器都有片上测量引擎，可降低成本，并使器件数量最少。推荐的测量引擎由以下元件组成：

（1）数模转换器（DAC）

提供信号偏置，DAC输出特殊的电压到偏置传感器(测试条)。DAC的关键参数是稳定时间，在大功耗模式下必须小于或等于1ms，在低功耗模式下必须小于或等于5μs。必须保证单一性，以便采用正确的波形偏置生物传感器。

（2）跨导放大器

用于将电流输入转换成ADC能读取的电压，并完成信号调整。其关键参数是偏置电流，必须小于500pA(常温25℃时)，以便测量化学反应期间生物传感器产生的微小变化。

（3）运算放大器

针对“超出范围”设置的比较模式用于启动测量算法。针对“内部范围”设置的比较模式能够很容易识别化学反应的尖峰。通用放大器的一个关键参数是偏置电流，必须小于或等于2μA(常温25℃时)，以允许正确地设计单位增益缓冲器、低通滤波器、增益放大器、反相器和同相可编程增益放大器(PGA)。

（4）模数转换器(ADC)

ADC的关键参数是精度，应大于或等于13.5位有效位数(ENOB)，以方便测量生物传感器中产生的小信号。信号强度和值取决于制造商规范和技术。测量技术(用户知识产权)影响精度值。

（5）附加模块(VREF，可编程时延模块和日期时间模块)

VREF是一种可微调的参考电压，可用作模拟外设的参考；可编程时延模块是一种胶连逻辑，用于控制ADC和DAC模块的时序和触发器。可编程时延模块和ADC一起用来以预设时间间隔执行测试并计算葡萄糖浓度；日期时间模块用于保持对时间的跟踪，并记录测量发生时间。

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方案：基于华大CIU32L0系列超低功耗安全MCU的血糖仪解决方案

基于CIU32L0系列（CIU32L041、CIU32L061）超低功耗安全MCU的血糖仪解决方案对血糖的测量采用电化学分析的三电极体系，由内部参考电压源VREFBUF向血糖试纸施加稳定偏置电压，血糖试纸在该偏置电压的作用下产生微电流，经运算放大器放大后输出至内部12位高精度ADC进行血糖信号采集。

血氧仪解决方案硬件框图

该血糖仪解决方案采用两节干电池直接对系统供电，供电电压VDD会随电池电量减少而下降，为解决VDD下降导致的LCD屏幕显示对比度变差的问题，CIU32L0系列超低功耗安全MCU的LCD控制器内部集成了电荷泵，可向LCD提供高于VDD且不随VDD变化的VLCD电压，确保在VDD电压变化时依然保持良好的显示效果。

该系列MCU集成了多个高精度Timer，可使用LXTAL作为其计时时钟源，满足了血糖测量算法对计时稳定性的要求，极大提高了血糖仪产品的测量精度。

CIU32L0系列超低功耗安全MCU Stop模式+RTC走时的功耗低至1.25μA，极大地延长了血糖仪产品的待机时长。同时，该系列MCU优秀的运行功耗特性，满足了单个供电周期内的测量次数的要求。

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