原创技术干货 | 晶华微电子SD93F115血糖仪方案

 2021-10-27 13:44  4797 15 15 分类: 模拟

一、概述

血糖仪又称血糖计，从工作原理上分为光化学和电化学两种。目前市场上主流的血糖仪产品都是采用的电化学型。通过专门针对血糖仪型号和制造商而设计的试纸条与血液之间产生的化学反应来测量人体内的血糖水平。

二、血糖检测原理

血糖仪试纸由两片含有敏感化学成分的薄片组成，利用试纸充当葡萄糖信号的载体，当血液中的葡萄糖遇到试纸条表面的葡萄糖氧化酶和铁氰化钾时，就会产生葡萄糖酸和亚铁氰化钾。血糖仪以固定偏压方式向试纸条施加一恒定的工作电压，使得亚铁氰化钾氧化转换为铁氰化钾，并产生氧化电流，如图1所示。通过本文介绍的SoC精确测量出这些微弱的电流信号，并根据电流值和血糖浓度的关系，运算输出相应的血糖浓度值，如图2所示。

图1 葡萄糖氧化酶血糖仪工作原理

图2 模拟与数字信号转换

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 μA ~ nA 级别，需要运算放大器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能够处理的数字信号，有关原理如下图3、图4。固定偏压(VR，一般通过数模转换器产生)施于试纸上，运算放大器OPA把电流转成电压讯号，不同电流量程可以切换参考电阻(R1，R2等)取样得出。而另一运算放大器OPB判断血液是否滴满。

图3 电流电压转换

图4 试纸测量原理

由于血糖测试是利用生物电化学反应，温度是影响该反应的重要因素。在不同的温度下，葡萄糖氧化酶的活性不同。即使是相同的血糖浓度血液，采用相同的激励电压，在不同温度下，葡萄糖氧化酶氧化产生的电流大小也是不同的。当温度过高或者过低时，葡萄糖氧化酶就会完全失去活性，此时血糖仪需要给出报警提示，提示用户不能在该温度下进行测量，避免出现错误的检测值。温度检测可使用本文介绍的SoC内部自带的温度传感器来测量环境温度，根据测量温度值进行相应的补偿以获得正确的血糖浓度值。有关血糖值计算公式如下：

血糖值=电流(I) x F(code) x T(temp)

其中电流由芯片测出; F(code)跟试纸及其批次有关，需用户输入试纸代号；T系数跟环温(temp)有关。

三、基于SD93F115 的血糖仪应用开发方案

本文将重点介绍基于晶华微SD93F115芯片的血糖仪应用。如图5所示，SD93F115芯片资源丰富，具有8bits DAC产生试纸偏压；2个OP作电流电压转换；13通道高精度ADC能准确测量出电流信号；自带LCD驱动不需要专门的LCD驱动芯片便可实现血糖仪的显示；自带温度传感器，不需要外部测温电路便可实现温度检测功能；可分频的正弦波发生器；自带电压检测，不需要低压检测芯片便可实现电池电量检测功能，并且检测电压2.0~5.3V可调整；有120k Bytes FLASH存储用户程序和数据，并且有额外1k Bytes的用户数据区，不需要外部的数据存储器便可实现用户数据存储，非常契合血糖仪的方案。硬件方面，只需要很少的外围元器件就可以实现血糖仪应用方案。软件方面，SD93F115芯片可使用C语言进行软件开发，同时还提供完整的SDK和库函数，方便软件工程师开发，并且有强大的技术团队提供技术支持，有效降低产品研发门槛，可大大缩短项目开发周期。