美信血糖仪参考设计

一、概述

现在的血糖仪以及其它家用医疗设备均要求小巧、便携、易于使用。一台好的医疗设备标志是患者可以日常使用，并返回精准的结果。过去几年间，血糖仪的发展趋势是通过减少所需的血液样本最大程度地提高患者的舒适度和便捷性。目前设备的采血样本非常小，可以从不同部位采血。无需从手指采血，从而大大减缓了日常测试带来的痛苦。通过使用更好的血糖试纸、电子器件和高级测量算法，测试结果的精准性得到了提高。其它便捷性包括：快速获得结果、边缘填充试纸和试纸口照明等等。

1、血糖仪类型

现在，市场上存在连续和离散(单次)测试两种仪器，植入式和无创式仪器正在推进。连续测试血糖仪只能凭处方使用，利用皮下电化学传感器设置测试间隔。单次测试血糖仪使用电化学或光学反射法测量血糖水平，单位为mg/dL或mmol/L。绝大多数血糖仪为电化学仪器。电化学测试试纸具有电极，在数 /模转换器(DAC)提供精确偏压，利用试纸的电化学反应测量与血糖成正比的电流。可能存在一路或多路通道，通常互阻放大器(TIA)将电流转换为电压，然后利用模/数转换器(ADC)进行测量。试纸的满幅电流测量值为10μA至50μA，分辨率小于10nA。由于试纸对温度敏感，所以需要测量环境温度。

光学反射试纸利用颜色确定血液的血糖浓度。经过校准的电流通常流过两个发光二极管(LED)，该发光二极管交替照射彩色试纸。一个光电二极管监测反射光强度，由试纸颜色确定，而试纸的颜色取决于血液的血糖含量。光电二极管电流通过TIA转换为电压，以利用ADC进行测量。光电二极管的满量程电流范围为 1μA至5μA，分辨率低于5nA。此方法需要测量环境温度。

2、试纸校准

试纸通常需要根据血糖仪进行校准，以便适应试纸的制造差异。通过手动输入编码或插入一包试纸的储存器进行校准。EPROM或EEPROM存储器传送更多信息，与手动输入编码相比具有显著优势。1-Wire®存储器非常适合此类应用，因为每个1-Wire器件所独有的识别码确保使用正确的试纸。

一些血氧仪使用的试纸不要求用户编码。有三种方式完成这种“自校准”：严格的生产控制、每个试纸内置校准或在加载仪器的试纸组上进行校准。血糖仪内部的一组试纸还有助于测试，连续测试时无需用户处理和插入。

二、系统设计

现代血糖仪越来越多地采用触摸屏，提供友好的图形用户界面(GUI)，使得编程过程更加直观。对用户输入的视觉、听觉和触觉响应帮助设计人员改善用户体验。Maxim的高级触摸屏控制器提供触觉反馈、触摸处理以降低总线流通量，自主模式实现精确的手势识别。

血糖仪系统框图

1、准确度和精度

光学反射法和电化学血糖仪需要解析几纳安范围的电流。如果血糖仪要求在生产过程中校准，为了满足血糖仪的误差指标，器件必须具有极低的漏电流和电源电压、温度以及时间漂移。运算放大器的主要技术指标为连接电容式电化学试纸时应具有极低的输入偏置电流(《 1nA)、高线性度和稳定性。对于两种类型的血糖仪，运算放大器通常均配置为TIA。电压基准的主要技术指标包括：温度系数低于50ppm/°C、低时间漂移和良好的线性、负载调节。10位或12位DAC用于设置电化学试纸的偏压并设置光反射法试纸的LED电流。有时，电化学试纸采用比较器，以探测血液何时加入试纸。以节省等待采血期间的功耗，确保反应区域填满血液。血糖仪类型不同，ADC要求也不同，但是大多数要求分辨率不低于14位，并要求低噪声，以实现可重复测试结果。有些应用在ADC前增加可编程增益级，以扩展动态范围，这种情况下可使用12位分辨率。

2、温度测量

理想情况下，应测量试纸上的血液温度，但是通常测量的是试纸周围的环境温度。温度测量精度随指示类型和化学成分的不同而变化，典型为±1°C 至±2°C之间。利用独立的温度传感器IC或远程热敏电阻或带有PN结的ADC进行温度测量。利用与ADC具有相同参考驱动的半桥配置热敏电阻将提供更准确的结果，因为这种设计消除了所有电压基准误差。远程或内置PN结可利用高精度集成模拟前端(AFE)进行测量。

3、电化学试纸配置

大多数试纸均为专用配件，且不同血糖仪制造商的试纸有所不同。差异包括试剂配方、电机数量、通道数量和试剂的偏置方式。最简单的配置是自偏置试纸(图1)，这种试纸具有两个电极，测量工作电极处的电流，通用电极接地。

图1. 自偏置配置的电化学试纸

一个试纸上可以存在多路通道;附加通道用于基准测量、初始血液检测或确保血液已经填满反应区域。另一种配置采用有源驱动两个电极并在共用电极处测量。另一种更先进的设计是计数器配置(图2)。

图2. 计数器配置的电化学试纸

此处有三个电极，测量工作电极处的电流，而加载-感应电路驱动公共和基准电极。这种配置有一个重要优势：测量过程中可以更加准确地控制和维持试纸上反映区域的偏压。这种设计的劣势在于更加复杂，并且需要更高的裕量以允许加载-感应放大器的负摆幅，以维持电流流动期间的偏压。

4、集成模拟前端 (AFE)

Maxim的高精度AFE集成了上文提及的所有功能，满足血糖仪要求的技术指标和性能。AFE还适合于类似应用，例如凝血仪和胆固醇仪。

5、显示和背光

大多数血糖仪均使用简单的约100段液晶显示(LCD)，可由集成至微处理器的LED驱动器驱动。一些血糖仪具有更复杂的点阵LCD，通常要求使用玻璃、偏压和驱动器组装而成的模块。点阵显示器还要求附加存储器以储存显示内容。还存在彩色显示器，要求比段式或点阵LCD更多、更高的电压。可通过使用两个白光LED(WLED)或电致发光源来添加背光照明。

6、数据接口

向计算机加载测试结果的功能已经存在了多年，但使用数据接口的仪器却寥寥无几。最初，为了降低仪器成本，这种功能增加的成本被设计到专有电缆中。现在，仪器已经从专有数据接口过度到工业标准接口，例如USB和Bluetooth®。这些开放接口增加的成本转移到仪器中，由Continua健康联盟(Continua Health Alliance)发起的移动驱动部件可以方便地将患者数据传递到康复中心。

7、音频

可闻指示器可以是简单的蜂鸣器或是便于视力受损者使用的高级语音设备。简单的蜂鸣器可以由具有脉宽调制(PWM)功能的一个或二个微处理器端口控制。通过添加音频编解码器以及扬声器和麦克风放大器，可实现更高级的语音指示，甚至是测试结果音频记录。

8、电源和电池管理

带有简单显示器的血糖仪可以直接由一节纽扣锂电池或两节AAA碱性电池供电。为了最大程度地延长电池寿命，血糖仪要求使用纽扣锂电池时，电子器件能够工作在3.6V至2.2V;使用AAA碱性电池时，能够在1.8V下运行。如果电子器件要求较高或经过稳压的电源，则可以使用开关型升压转换器。休眠模式下关断开关调节器，直接由电池供电可以延长电池寿命，休眠电路可以在较低电池电压下运行。添加背光照明或更高级的显示器要求更高电压，有时要求附加电压。此时需要更高级的电源管理方案。通过添加电池充电器和电量计电路，可以使用可充电电池，例如一个锂离子(Li+)纽扣电池。对于用户来说，如果仪器提供 USB，则USB充电无疑是方便的选项。如果电池可拆卸，则可能要求安全认证以实现安全和售后控制。

9、静电放电

所有血糖仪均须满足61000-4-2静电放电(ESD)要求。使用内置有ESD保护的电子器件或在裸露的走线上添加ESD线路保护器可帮助满足上述要求。

10、功能扩展

如果采用精密的AFE完成血糖仪的核心电路设计，随后需要增添其它功能时，则不需要重新设计这一部分电路。而采用针对便携式医疗设备设计的、具有单一功能的标准部件时，增添新功能时对原电路的破坏最小。“破坏最小”意味着风险较低，易于获得FDA认证，可以更快地将产品推向市场，也意味着可以提供更多满足患者需求的功能。为了保障个人健康，将血糖控制在正常水准，人们对血糖测试的需求也越来越频繁。

三、部分相关器件

1、MAX1358B：16位数据采集系统，带有ADC、DAC、UPIO、RTC、电压监测器和温度传感器

MAX1358B智能数据采集系统(DAS)基于16位、Σ-Δ模数转换器(ADC)，系统支持的功能使其非常适合基于微处理器(µP)的系统。器件在单个芯片中集成了ADC、DAC、运算放大器、内部可选电压基准、温度传感器、模拟开关、32kHz振荡器、带闹钟功能的实时时钟(RTC)、高频锁频环 (FLL)时钟、四个用户可编程I/O、中断发生器以及1.8V和2.7V电压监测器。

MAX1358B功能框图

应用：电池供电和便携式设备、数据采集系统、电化学与光传感器、工业控制、医疗仪器

2、MAX1329：12/16位DAS，具有ADC、DAC、DPIO、APIO、基准、电压监测器和温度传感器

MAX1329/MAX1330是基于逐次逼近型(SAR)模/数转换器(ADC)的智能型数据采集系统(DAS)。该器件具有极高的集成度，单芯片内集成了ADC、数/模转换器(DAC)、运算放大器(op amp)、电压基准、温度传感器以及模拟开关。

MAX1329：典型工作电路

应用：电池供电和便携式设备、数据采集系统、电化学与光传感器、低成本编解码器、医疗仪器

3、MAXQ2010：16位混合信号微控制器，提供LCD接口

MAXQ2010微控制器是一款低功耗、16位器件，包含高性能12位多路ADC和液晶显示器(LCD)接口。配合高性能、低功耗混合信号集成电路，MAXQ2010可理想用于各种系统。

MAXQ2010：典型应用电路

应用：电池供电和便携式设备、消费类电子、数据采集系统和数据记录仪、电化学与光传感器、气体及化学传感器、家用产品、HVAC、工业控制、医疗仪表、便携式医疗设备、安全检测、智能发送器、温度监控器/湿度传感器

4、MAXQ612：具有红外模块和USB (可选)功能的16位微控制器

MAXQ612/MAXQ622低功耗、16位MAXQ®微控制器设计用于通用遥控器、消费类电子和白色家电等低功耗产品。两款器件均采用低功耗、高吞吐率、16位RISC微控制器。串行外设包括两个通用同步/异步接收-发送器(USART)、两个SPI™主/从通信端口和一个内部集成电路(I²C)总线。器件还包含能够产生载波频率的IR模块和灵活的复用键盘控制I/O。MAXQ622还增加了带有集成物理接口(PHY)的通用串行总线(USB)。