一文讀懂血糖監(jiān)測(cè)儀高精度測(cè)量的秘密

據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)的估計(jì)，2014年全球的成年糖尿病患者達(dá)到4.22億人。這相當(dāng)于18歲以上成年人口的8.5%，比1980年的4.7%增加了幾乎一倍。對(duì)于糖尿病患者而言，為了控制病情和潛在的并發(fā)癥，頻繁且持續(xù)監(jiān)測(cè)血糖是日常生活中的重要內(nèi)容。為了做到這一點(diǎn)，便攜式血糖監(jiān)測(cè)儀已經(jīng)被廣泛使用。此外，通過一臺(tái)監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)施多種測(cè)量功能(如血糖和血紅蛋白)已成為行業(yè)趨勢(shì)。但是，這些功能需要更復(fù)雜的系統(tǒng)配置、更高的測(cè)量精度以及更長(zhǎng)的電池續(xù)航時(shí)間。

瑞薩電子RL78/L1A系列低功耗16位微控制器是專為醫(yī)療應(yīng)用中使用的電池供電型感應(yīng)設(shè)備，如血糖監(jiān)測(cè)儀、乳酸鹽分析儀、膽固醇分析儀和其它配備生物化學(xué)傳感器的設(shè)備而設(shè)計(jì)的。它采用80和100引腳的LFQFP封裝，配備液晶顯示器(LCD)驅(qū)動(dòng)器和增強(qiáng)型模擬外設(shè)，如12位A/D轉(zhuǎn)換器、12位D/A轉(zhuǎn)換器、比較器、高精度軌至軌運(yùn)算放大器和開關(guān)結(jié)構(gòu)，閃存容量最高可達(dá)128KB。通過使用直接傳送控制(DTC)和事件鏈路控制器(ELC)等智能功能，可以在內(nèi)部連接許多外圍設(shè)備，以減少CPU工作量，并可節(jié)省整體功耗。

RL78/L1A單片機(jī)性能方框圖

考慮到系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員將利用RL78/L1A來制造緊湊、輕質(zhì)且電池續(xù)航時(shí)間更長(zhǎng)的醫(yī)療設(shè)備，瑞薩電子對(duì)內(nèi)置的模擬前端(AFE)生物感應(yīng)電路進(jìn)行了各種電路改進(jìn)，低功耗(1.7mA@ 24MHz , 3V RUN;1.1μA@HALT模式 LCD+RTC:ON;0.41μA@HALT模式RTC:ON;0.22μA@ STOP模式)和大幅降低供電電壓就是其中之一。例如，之前的模擬電路最低只能以2.4V電壓運(yùn)行，而這些新產(chǎn)品可以在2.0V的電壓下運(yùn)行，ADC/DAC的工作電壓甚至低于2.0V。這些改進(jìn)可使血糖監(jiān)測(cè)儀主要功能的測(cè)量電路一直運(yùn)行到系統(tǒng)有效電池續(xù)航時(shí)間的最后一刻。

RL78/L1A工作電壓低至2.0V

在醫(yī)療領(lǐng)域，測(cè)量各種生命體征時(shí)，提高微控制器內(nèi)模擬功能和數(shù)字處理性能的效率非常重要。因此，瑞薩電子將原先作為外部組件提供的模擬和數(shù)字元件集成到一塊芯片上，從而減小了電路板的尺寸并降低最終產(chǎn)品的成本，集成高精度24MHz +/-1%片上振蕩器就是很好的例證。

RL78/L1A內(nèi)置豐富的模擬和數(shù)字功能

RL78/L1A系列采用了之前在微控制器AFE中不常用的模擬開關(guān)，將開關(guān)與內(nèi)置的數(shù)模轉(zhuǎn)換器相結(jié)合，可以在目標(biāo)更改時(shí)切換測(cè)量電路(包括軟件中的外部電路)。例如，在血糖監(jiān)測(cè)儀等設(shè)備中，根據(jù)血液成分的差異調(diào)整測(cè)量精度已經(jīng)成為一個(gè)問題，交替測(cè)量血紅蛋白和血糖水平等靈活方法可以解決這些問題。另一方面，瑞薩電子提供的參考軟件可使用內(nèi)部AFE功能，從而更輕松地提高精度。除了提高設(shè)備精度以外，該軟件還能提供更高的穩(wěn)定性，有助于提高用戶系統(tǒng)中模擬功能的精度。

RL78/L1A模擬前端框圖

具體而言，就是設(shè)計(jì)人員在RL78/L1A的模擬前端中內(nèi)置跨阻放大器做電流/電壓轉(zhuǎn)換，利用反饋回路外部電阻集成式模擬開關(guān)，客戶可以獲得覆蓋多個(gè)傳感器(比如試紙)的通用平臺(tái)降低生產(chǎn)成本。在這一過程中，反饋電阻可通過軟件切換，一個(gè)含有可能阻值的通用PCB可覆蓋多個(gè)系統(tǒng)。

前文提到的12位DAC則可用作傳感器偏置電壓，兩個(gè)雙通道DAC有專用輸出管腳支持使用兩個(gè)OPA一個(gè)DAC共享，這樣有助于客戶同步偏置電壓，利用兩個(gè)結(jié)果之差消除偏差。同時(shí)，RL78/L1A還內(nèi)置了參考電壓源(Vref)。在實(shí)際應(yīng)用中，片上帶隙參考(BGR)可生成具有四個(gè)電壓電平選項(xiàng)(2.5V,2.048V,1.8V,1.5V)的內(nèi)部參考電壓源，不必再使用額外的外部組件。

為使系統(tǒng)開發(fā)人員可以立即評(píng)估RL78/L1A的功能，瑞薩電子還同步推出了推廣演示板(Renesas Promotional Board, RPB)。該RPB采用RL78/L1A LCD器件以及豐富的模擬功能，包括12位ADC和DAC、比較器和R2R OPAMP多路復(fù)用器功能，超低功耗模式并通過DTC和ELC等智能功能降低CPU負(fù)載，128 x 128彩色點(diǎn)陣PMOD顯示器用作GUI控制和演示顯示器，用戶還可在網(wǎng)站上找到相關(guān)軟件和文檔。