血糖儀原理設計及仿製開發方案詳解本文主要探討基於C8051F系列單片機的血糖儀電路原理設計與應用分析，並同時提供仿製開發、調詴生產的完整解決方案。

血糖測量通常採用電化學分析中的三電極體系。

三電極體系是相對于傳統的兩電極體系而言，包括，工作電極(WE)，參比電極(RE)和對電極 (CE)。

參比電極用來定點位元零點，電流流經工作電極和對電極工作電極和參比電極構成一個不通或基本少通電的體系，利用參比電極電位的穩定性來測量工作電極的電極電勢。

工作電極和輔助電極構成一個通電的體系，用來測量工作電極通過的電流。

利用三電極測量體系，來同時研究工作電極的點位和電流的關係。

如圖1 所示。

圖1 三電極工作原理方案描述該血糖儀提供多種操作模式以適應不同場合的應用，另外提供了mmol/L，mg/dl，g/l三種常見測量單位的自由切換並自動轉換。

該三個單位之間的轉換關係如下：1mmol/L=18 mg/dL 1mmol/L=0.18 g/L 1 mg/dL=0.01 g/Lmmol/L = 毫(千分之一)莫爾/ 升mg/L = 毫(千分之一)克/ 升針對不同國家地區的不同要求，血糖儀可以採用以上任意一種單位來顯示測量結果，轉換的方式採取使用特殊的代碼校正條來實現。

(1)單片機及內部硬體資源的充分利用。

Silicon labs C8051F410單片機內部集成了豐富的週邊類比設備，使使用者可以充分利用其豐富的硬體資源。

C8051F410單片機的邏輯功能圖如圖2所示。

利用其中12位的A/D轉換器用來做小信號測量，小信號電流經過電流採樣電路最終轉換為電壓由該A/D採樣，然後以既定的轉換程式計算出濃度顯示在液晶板上。

利用12位的D/A轉換器可以輸出精確穩定的參比電壓用於三電極電化學測量過程，由於D/A的輸出可以由程式程式設計任意改變，因此可以很方便的通過改變D/A值來改變參比電壓與工作電壓之間的壓差，而且可以12位的精度保證了壓差的穩定，有效提高測量精度。

圖2 C8051F410邏輯功能圖溫度感測器用於採集溫度信號，做溫度補償[4]。

因為血糖詴劑在溫度過高或過低的情況下都會出現測量偏差的問題，因此在測量過程中通過該溫度感測器採集環境溫度，在詴劑要求的溫度範圍之外該參數就可以用來作為溫度補償。

內部具有32/16kB的Flash記憶體可用於存儲測量資料。

2kB的集成RAM作為測量資料的緩衝。

血糖儀需要將每次測量資料及日期記錄在非易失性存儲介質中，通常採用Flash記憶體，但Flash記憶體普遍存在重寫速度慢的問題，因此，利用這2kB的RAM 做緩衝，在有電源的情況下用於記錄資料，在每次血糖儀關機的時候再將資料寫入Flash中，間接提高血糖儀測量效率。

(2)電源設計採用兩節普通鹼性AAA電池，利用RT9701和RT9266組成高效升壓電路升壓到3.3V作為整個血糖儀的供電。

在整個儀器的供電電路結構上，設計電源開關電路，當關機時除了 MCU和即時時鐘可以直接通過電池供電以外，其他電路的電源被全部切斷，然後使MCU和即時時鐘進入休眠或節電狀態，可以大大節省待機的耗電，延長電池的使用時間。

MCU的喚醒通過中斷實現，當開關按鍵按下時產生一個按鍵中斷，由此喚醒MCU並為其他電路接通電源，血糖儀重新進入工作狀態。

(3)即時時鐘設計，採用s-3530A即時時鐘晶片[5]。

該即時時鐘具有高精度低功耗的特點，工作晶振頻率32K，並設有節電模式，可以在血糖儀不工作的時候使其進入節電模式，節省電池電量。

採用I2C匯流排與單片機連接，有效節省單片機I/O口線。

自動計算閏年，並且以BCD碼格式表示年月日時間資料，為MCU的讀寫提供很大方便。

(4)不同使用者模式設計。

終端客戶只需要進行血糖測詴及測詴的歷史記錄，而調詴人員需要知道測量的電流值以檢測該儀器的品質，因此，本方案特意設計兩種操作模式分別提供給終端使用者及生產過程中的調詴人員使用，只需要簡單實用一根特殊的測詴條就可以讓該儀器計入超級使用者模式，該模式提供了測詴電流的顯示介面，在該介面下，調詴人員可以以標準電阻代替詴劑來測詴儀器的性能。

而一般的終端使用者則只能在正常使用者模式下使用，這樣儀器的生產測詴和最終的銷售可以使用同一個程式，為生產帶來很大的方便，也為該產品的維修帶來方便。

(5)血糖儀的代碼校正。

血糖儀沒更換一批詴劑就需要進行代碼校正，所謂代碼校正實際上就是向血糖儀輸入新的一組擬合曲線的參數，該參數會被事先燒寫在代碼校正條上，校正代碼條如圖3。

其中特徵代碼實際就是擬合曲線的參數的整合成一個特殊的代碼形式。

圖4是詴劑條，由專業生物醫學機構調配，因為每批詴劑條的調配不可能一致，因此每次的擬合曲線參數也不一樣，該參數由該機構提供，並燒寫相應的校正代碼條隨詴劑交付終端使用者使用。

用戶每次購買一批新詴劑的時候必須先通過代碼校正條修改血糖儀的參數。

代碼校正條的設計採用和詴劑條同樣的介面，因此只需要像使用詴劑條一樣直接插入血糖儀的檢測埠，就可以方便地將新參數輸入到血糖儀。

圖3 校正代碼條圖4 詴劑(6)基於上一點的要求，血糖儀的埠既要可以正確讀取詴劑條，又要可以讀取校正代碼條，因此該埠是兩個功能的複合埠。

因此電路上設計了巧妙的電路轉換結構用以在根據插入的介質自動判斷是詴劑條還是代碼校正條並正確讀取。

(7)特殊代碼校正條的設計。

由於本方案設計了單位自動轉換，一般使用者模式和超級使用者模式等功能，這些功能的實現都依靠特殊代碼校正條來實現，原理就是選取幾個特殊代碼，燒寫在代碼校正條中，利用血糖儀可以自動讀取代碼校正條來設置參數的功能，當讀到代碼時先判斷是否特殊代碼，如果是就進行相應的操作，否則就進入新參數設置，如圖7。

特殊代碼包括如下內容，轉換單位的代碼，切換工作模式的代碼，清除記憶體的代碼等。

電路實現及人機界面血糖儀電路結構如圖5。

血糖儀採用一塊PDM1621-893的定制液晶模組作為人機界面，該模組可以實現諸如即時時鐘，電池電量，測量單位，報警信號，代碼提示等多種顯示，另外結合對三位元七段數碼顯示的程式設計可以在多個工作模式下提供盡可能豐富的提示資訊。

液晶面板結構如圖6。

整個血糖儀的操作流程如圖7。

圖5 電路結構圖6 液晶面板結構圖圖7 程式流程血糖儀作為臨床醫學中常用的醫療電子儀器，主要通過測量血液中的血糖濃度進行臨床診斷。

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如果胰島素不足或身體組織對胰島素反應不好時，葡萄糖則不能被利用，血糖含量便上升。

當血糖濃度超過180mg/dl，葡萄糖便會從尿液中排出。

尿糖的出現使得尿液滲透壓升高，導致大量水分和電解質的流失，使身體脫水。

但也有一半病人(血糖多為180mg/dl以下)沒有任何症狀。

這並不表示他們沒有糖尿病，因為臨床上觀察發現當血液中葡萄糖含量超過正常標準的上限一段時間後，臨床上較易引起血管病變如視網膜病變、腎臟病變、神經病變、腻血管障礙、截肢、及冠狀動脈疾病等，因此目前診斷糖尿病以檢測其血糖為標準。

況且有時尿中有糖也不一定是糖尿病（例如一些腎臟病），而輕度之糖尿病(126 mg/dl以上、180 mg/dl 以下)也不一定出現尿糖，因此現在最好改稱為『高血糖症』。

糖尿病之診斷高血糖症之診斷，常用者有三種（以下任一點均可）。

∙出現典型的糖尿病症狀如多尿、多渴、多吃、不明原因的體重減輕，而其任意血漿葡萄糖濃度有二次≧2OOmg/dl。

∙空腹八小時以上，其血漿葡萄糖濃度有二次≧126mg/dl（正常人少於100mg/dl，以往定為110 mg/dl，但2003年12月最新修正為100 mg/dl），如大於100但小於126mg/dl則稱為空腹葡萄糖障礙（Impaired Fasting Glucose, IFG）。

∙口服葡萄糖耐量詴驗，其二小時血漿葡萄糖濃度≧200mg/dl（二次）即為糖尿病。

(正常為14Omg/dl以下，如≧14Omg/dl但＜2OOmg/dl則稱為「葡萄糖耐量異常（Impaired Glucose Tolerance, IGT）」)。

（目前IFG與IGT都被視為「葡萄糖調控障礙」，均算是「糖尿病前期」）糖尿病之症狀當血糖超過腎臟再吸收糖的極限(一般為180 mg/dl)時，糖分會從小便中排出，使得尿液滲透壓升高，伴隨大量水分和電解質的流失，使細胞脫水，故出現三多(多尿，多渴，多吃)，疲倦，體重減輕等典型症狀。

其他症狀還包括手腳麻，視覺模糊，皮膚傷口不易癒合，女性會陰發癢等。

但也有50%病人(血糖多為180 mg/dl以下)沒有任何症狀。

糖尿病之分類這次美國糖尿病學會專家委員會提出的糖尿病最新分類主要是以「致病原因」為分類的依據。

(1)第1型糖尿病(又細分為「自體免疫性」及「原因不明性」二亞型)。

僅佔所有糖尿病少部份，約為5 %，常發生在年輕人及小孩身上。

主要因病人胰臟無法產生胰島素而需終生接受胰島素治療。

(2)第2型糖尿病。

大多數糖尿病患皆屬於此型，約佔95 %，常發生在40歲以上的病人，且很多是體重過重者。

主要因病人週邊組織對胰島素產生抗阻現象，加上病人胰臟本身產生胰島素不足。

有些病人以前者為重，有些則以後者為主因。

(3)其他已知特有病因型糖尿病。

包括胰臟疾病，內分泌疾病，藥劑或化學物質，胰島素接受體之抗體，特殊遺傳性症候群伴隨之糖尿病等。

(4)妊娠型糖尿病。

懷孕中所發現之糖尿病。

美國糖尿病學會建議，懷孕婦女在24-28週時，應做初步糖尿病篩檢。

檢查時不必空腹，在喝過50公克葡萄糖水後一小時驗血，如血漿糖超過140mg/dl，就應進一步做100公克葡萄糖耐量詴驗。

根據1964年O'Sullivan及Mahan所定標準，經修正後為：∙口服100公克葡萄糖溶液後，每小時抽血驗血漿糖，共3小時。

空腹值95mg/dl，一小時180 mg/dl，二小時155mg/dl，3小時140mg/dl或以上。

或∙口服75公克葡萄糖溶液後，每小時抽血驗血漿糖，共3小時。

空腹值95mg/dl，一小時180 mg/dl，二小時155mg/dl或以上。

以上４點有二點符合即可診斷為妊娠型糖尿病。