基于單片機的血糖數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)

1、血糖數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)設計design of blood glucose data acquisition and control system總 計： 畢業(yè)設計（論文）27頁表 格： 3 個插 圖： 24幅血糖數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)設計 摘 要 本文設計了一種新型的血糖數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)。系統(tǒng)以msp430單片機為核心控制芯片，以微創(chuàng)的方式對糖尿病患者的血糖進行連續(xù)的檢測并利用lcd12864實時顯示數(shù)據(jù)；然后通過nrf905無線通信模塊,將測量得到的血糖數(shù)據(jù)傳送給胰島素注射系統(tǒng)；最后，胰島素注射系統(tǒng)根據(jù)當前接收到血糖值得出適當?shù)囊葝u素劑量，驅(qū)動微型電機并進行胰島素注射，并將低功耗設計思想融入其

2、中。系統(tǒng)利用iar430 embedded workbench對軟件進行了調(diào)試,實現(xiàn)了血糖數(shù)據(jù)采集與控制設計的預期功能目標，在醫(yī)用工程中具有很好的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞 血糖檢測；單片機；無線通信；電機驅(qū)動design of blood glucose data acquisitionand control systemelectronic and information engineering specialty liu hai-yanabstract: this paper designs a new type of blood glucose data acquisition and cont

3、rol system, which is based on msp430 mcu as the core controller, and is a minimally invasive manner in patients with diabetes continuous glucose monitoring, then the data can be displayed on lcd12864 with real-time. whats more, based on the nrf905 wireless communication module, the measured blood su

4、gar data can be transmitted to the insulin injection system; last, according to the received blood glucose data, insulin injection system can be obtained the proper insulin dose, then drive the miniature motor and control insulin pump injection, lowpower design also thinking into this system.this sy

5、stem has debugged the software through iar430 embedded workbench, and realizes the expected goal of blood glucose data acquisition and control design. it has a better prospect in the medical engineering.keywords: blood glucose testing; microcontroller; wireless communication; motor drive目 錄1 前言11.1課

6、題研究的背景及意義11.2胰島素泵和血糖檢測技術(shù)的介紹12系統(tǒng)的整體方案研究與設計22.1 研究目標22.2 系統(tǒng)總體實驗方案22.2.1 血糖采集系統(tǒng)總體方案設計22.2.2 胰島素注射系統(tǒng)總體方案設計32.2.3 無線數(shù)據(jù)通信的總體方案設計33系統(tǒng)硬件設計43.1 血糖檢測系統(tǒng)的硬件總體設計43.1.1 mcu處理器模塊設計43.1.2弱電流檢測模塊設計53.1.3 無線通信模塊設計63.1.4電源模塊設計83.1.5 lcd模塊設計93.2 胰島素泵控制系統(tǒng)硬件設計93.2.1 mcu模塊設計103.2.2 電源模塊設計103.2.3 無線通信模塊設計113.2.4 檢測模塊設計113.

7、2.5 電機驅(qū)動模塊113.2.6 lcd 顯示模塊124 系統(tǒng)軟件設計124.1 血糖檢測模塊軟件設計124.1.1 血糖數(shù)據(jù)采集模塊設計流程134.1.2血糖測量模塊設計流程144.1.3 無線數(shù)據(jù)發(fā)送軟件設計流程164.2 胰島素注射系統(tǒng)的軟件設計174.2.1系統(tǒng)主程序設計流程184.2.2無線數(shù)據(jù)接收設計流程184.2.3電機控制程序設計194.3 軟件設計環(huán)境與開發(fā)工具205 系統(tǒng)低功耗設計分析21結(jié)束語22參考文獻23附錄 msp430與nrf905通信部分源程序24致謝27 1 前言1.1課題研究的背景及意義 糖尿病是一種內(nèi)分泌疾病，而且是終生疾病，目前在全世界的發(fā)病率很高。自

8、從加拿大人f.g.班廷和c.h.貝斯特于1921年首先發(fā)現(xiàn)胰島素，在其后的很長一段時間，人工注射胰島素被認為是一種有效治療糖尿病的方法。但由于分次注射胰島素存在不足，上世紀60年代初出現(xiàn)了連續(xù)胰島素輸注的概念。70年代后期，胰島素理想輸注的概念被進一步提出，即應符合正常人體胰島素分泌的生理特征。如果要進行胰島素的定量注射，必須事先測知患者體內(nèi)的血糖濃度，血糖監(jiān)測對于糖尿病患者是非常重要的，血糖儀也便在此背景下應運而生了。使用血糖儀進行測定并記錄結(jié)果，而僅僅有血糖的連續(xù)監(jiān)測，對于頻繁的、需要定量的胰島素注射來說還是不夠的，因為從檢測血糖濃度到胰島素注射這一環(huán)節(jié)，完全處于一個開環(huán)的狀態(tài)，期間不僅需

9、要繁瑣的計算，而且實時性會大打折扣，最終會給糖尿病患者帶來諸多不便和安全隱患。為了解決這種開環(huán)式胰島素注射系統(tǒng)的缺陷，一種閉環(huán)胰島素注射系統(tǒng)的概念就被提了出來：將血糖儀采集到的血糖濃度數(shù)據(jù)以無線通信方式傳送給胰島素泵，胰島素泵接收到信號后，根據(jù)血糖值進行計算得出胰島素注射量并自動給患者注射(期間胰島素泵還可以把接收到得錯誤信息及自身狀態(tài)參數(shù)反饋給血糖儀，便于人為修正) 1。這樣可以極大程度地給患者提供安全的、適當?shù)?、精確的胰島素注射，提高其生活質(zhì)量。1.2胰島素泵和血糖檢測技術(shù)的介紹從胰島素注射系統(tǒng)的發(fā)展來看，胰島素泵研制成功并用于糖尿病治療已有30余年的歷史。胰島素泵是在持續(xù)皮下胰島素輸注（

10、csii）這一概念下產(chǎn)生的新型胰島素輸注裝置。持續(xù)性胰島素輸注法的概念最早在20世紀60年代初期出現(xiàn)的，美國arnold kadish博士在洛杉磯發(fā)明了胰島素泵（標志著第一臺胰島素泵誕生了），它可以連續(xù)輸注胰島素，由于該裝置十分笨重，無法廣泛使用。1978年，英國科學家研制出了便攜式胰島素泵。1980年開發(fā)的閉環(huán)式胰島素泵沒有應用于臨床，而是用于藥物研究。1997年便攜式胰島素泵開始在美國應用于臨床治療并進入我國2。 醫(yī)院中檢測血糖濃度的方法一般分為檢查血清葡萄糖和全血葡萄糖2種口副血清葡萄糖，是臨床生化檢驗中的重要指標，其含量會因病態(tài)的不同而有所變動。常用的檢測方法主要有氧化酶一偶聯(lián)比色法、

11、微電流法、氧速率法、葡萄糖脫氫酶法、氣相色譜同位素稀釋質(zhì)譜法等。全血葡萄糖檢查是在手指上刺取一滴血，滴在特殊的試紙上，再放入小型的血糖儀內(nèi)測得血糖值，該方法操作方便、準確，但需要定期與醫(yī)院的數(shù)據(jù)比較以便作儀器校正，以確保數(shù)據(jù)的準確性。本文血糖的數(shù)據(jù)采集就是采用該針刺采血型血糖儀來測定血糖檢測的方法。2系統(tǒng)的整體方案研究與設計2.1 研究目標本文的研究目標是設計一種基于無線通信的血糖數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)，用于血糖采集系統(tǒng)和胰島素注射控制系統(tǒng)，從而在二者之間建立一個無線數(shù)據(jù)通信及控制系統(tǒng)，為后續(xù)的全閉環(huán)胰島素注射系統(tǒng)提供一個可靠的平臺。為達到這個目標，需要對整個系統(tǒng)進行整體的規(guī)劃。本章在充分分析系統(tǒng)

12、設計要求的基礎(chǔ)上，設計了系統(tǒng)的整體方案。2.2 系統(tǒng)總體實驗方案總體設計是全面考慮系統(tǒng)的總體目標，進行硬件初步選型，然后確定一個系統(tǒng)的草案，同時考慮軟硬件實現(xiàn)的可行性，本系統(tǒng)分為血糖檢測系統(tǒng)和胰島素注射系統(tǒng)設計。本系統(tǒng)設計的整體框圖如圖1所示， 圖1 整體設計框圖2.2.1 血糖采集系統(tǒng)總體方案設計一般說，血糖采集系統(tǒng)至少有如下圖2所示的過程組成，其中傳感器就是使用血糖試條將血糖值轉(zhuǎn)換成對應的電流信號，然后通過信號放大和a/d轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換為可以被cpu處理的數(shù)字信號，最后將處理后的數(shù)據(jù)結(jié)果通過射頻無線模塊發(fā)送出去。 圖2 血糖檢測系統(tǒng)設計框圖本系統(tǒng)的設計思路是采用酶電極法對血糖進行采集

13、，在測試電極兩端加0.5v的電壓，這個電壓要保持恒定，不能隨葡萄糖濃度的變化而變化。當?shù)稳胙獦又?，血液中的葡萄糖在氧化酶的作用下與氧反應產(chǎn)生微電流信號，由于此信號非常小，不便于測量，所以通過硬件電路將其轉(zhuǎn)換為電壓信號，該電壓信號通過放大器進行放大和硬件濾波處理，再通過ad轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)換為可以被cpu處理的數(shù)字信號，cpu并對其進行軟件濾波，進而對讀取的數(shù)據(jù)進行處理、轉(zhuǎn)換，換算成血糖含量數(shù)據(jù)3。其中，濾波的目的是去除干擾信號(主要是來自電源和各種因素產(chǎn)生的系統(tǒng)噪聲)，使得測試更加精確。2.2.2 胰島素注射系統(tǒng)總體方案設計本論文中的胰島素注射系統(tǒng)是以微控制器為核心的電路，包括無線通信模塊，

14、微型直流電機及驅(qū)動螺桿，胰島素儲藥器，電源等幾部分組成，如圖3所示。對于整個胰島素注射系統(tǒng)，首先由無線通信模塊接收血糖檢測系統(tǒng)發(fā)送來的血糖采樣數(shù)據(jù)，然后經(jīng)mcu 分析處理，得到需要注射的胰島素劑量，最后通過mcu 控制直流電機轉(zhuǎn)動，使其帶動驅(qū)動螺桿做直線運動，推進儲藥器活塞，將內(nèi)部的胰島素精確輸注出去4。 圖3 胰島素注射系統(tǒng)設計框圖2.2.3 無線數(shù)據(jù)通信的總體方案設計 無線射頻模塊是整個無線通信模塊單元的核心部件，它的選擇的成功與否將將直接關(guān)系到整個無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能、成本和開發(fā)周期。射頻芯片的正確選擇可以使研發(fā)過程少走彎路，降低成本，更快地將產(chǎn)品推向市場?；诒鞠到y(tǒng)的實際需求，應該選

15、用成本低、體積小、功耗低、集成度高、兼容性強、外圍元件少、抗干擾能力強、接口簡單、開發(fā)方便的無線射頻收發(fā)一體芯片。經(jīng)過市場分析，選用了nordic公司的nrf905芯片，其無線射頻收發(fā)一體芯片功耗低、數(shù)據(jù)傳輸速率最快，所需外圍元器件最少，輸出功率最大，并且采用了比fsk調(diào)制抗干擾能力更強的gfsk調(diào)制，數(shù)據(jù)傳輸更加穩(wěn)定可靠。另外，它還有自動處理字頭和crc校驗的優(yōu)點，因而選用nrf905作為本系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)傳輸芯片5。本文選用的 nrf905 無線收發(fā)器，分別與主控制器msp430f437 通過同步串行接口(spi)連接，實現(xiàn)血糖檢測系統(tǒng)和胰島素注射系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)無線傳輸。總體設計思路即是首先

16、將msp430f437 得到的血糖數(shù)據(jù)通過nrf905 發(fā)送出去，然后由另一端的nrf905接收該血糖數(shù)據(jù)，再由msp430f437讀取，同時通過串行接口將該數(shù)據(jù)傳送msp430f437，最后由msp430f437通過分析、判斷，將血糖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為需要注射的胰島素劑量，再控制直流電機進行注射。具體的電路設計將在下章硬件模塊設計時詳細介紹。3系統(tǒng)硬件設計本章利用模塊化思想，較為詳細地介紹在血糖采集與控制的設計中使用到的各個模塊的工作原理以及如何實現(xiàn)，為后續(xù)的軟件設計提供基礎(chǔ)。3.1 血糖檢測系統(tǒng)的硬件總體設計血糖檢測系統(tǒng)的硬件模塊包括mcu模塊、電流檢測、電源模塊、數(shù)據(jù)處理與存儲模塊、信號的傳輸和

17、放大模塊、顯示模塊以及無線通訊模塊等，其硬件方框圖如圖4所示。 圖4 血糖檢測系統(tǒng)硬件設計框圖3.1.1 mcu處理器模塊設計微處理器是該系統(tǒng)的核心，信號的采集、處理和外設的控制都是由它來完成的。合當今血糖儀的實際功能要求，本設計采用型號為msp430f437的單片機作為核心控制器，其最小系統(tǒng)圖如圖5所示。 圖5 msp430f437最小系統(tǒng)圖其具有如下資源特點：有兩種不同的系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)：基本時鐘系統(tǒng)和增強型鎖頻環(huán)(fll)時鐘系統(tǒng)。（1）工作電壓低(1.8v3.6v)，電流小(280a/1mhz)，5種低功耗模式lmp0lmp4；（2）16位risc架構(gòu)，27條精簡指令，125ns指令周期；

18、（3）豐富的中斷源并可任意嵌套，用中斷請求將系統(tǒng)喚醒僅需6s；（4）片內(nèi)看門狗及上電復位電路，可選時鐘源(xtal1、xtal2或內(nèi)部dco)；（5）片內(nèi)自帶1k字節(jié)ram及在線可擦除編程32k字節(jié)主flash+256字節(jié)信息flash；（6）具有中斷功能的內(nèi)部比較器a；（7）通用串行通信模塊usart0，軟件可選同步/異步方式；（8）具有自動循環(huán)采集功能的8通道12位adc12，自帶采樣保持器和可選電壓基準；（9）兩個16位定時器a、b，均各帶3個比較/捕獲模塊，每個模塊可獨立編程，用于產(chǎn)生定時脈沖，捕獲外部事件；（10）具有可編程電平檢測的供電電壓管理器/監(jiān)視器；（11）大量的i/o端口，

19、其中具有雙向并行i/o口p1和p2（有中斷功能）及p3p6口，多數(shù)端口有復用功能。這些資源恰到好處地滿足了本設計的各項功能需求，特別是低功耗的需求。3.1.2弱電流檢測模塊設計（1）設計原理分析從第一章我們知道，血糖是通過試條上的酶轉(zhuǎn)換為能導電的物質(zhì)并在其上施加一定的電壓來產(chǎn)生相應的電流，然后檢測出這個電流值，最后通過相應的計算換算成血糖值。然而，僅僅實現(xiàn)弱電流檢測顯然是不夠的，因為無法確定被測血量是否足夠，不知道何時開始倒計時。對于電流值檢測的精確與否會直接影響測量結(jié)果，而測量結(jié)果則是本設計中數(shù)據(jù)采集的重要環(huán)節(jié)。如何判斷是否有血進來以及血是否足量是實現(xiàn)本課題數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵。那么可以設計兩個如

20、圖6所示的電路便能實現(xiàn)上面的判斷。其中一個的測量電極接電極1，另一個接電極2。當?shù)谝粋€弱電流檢測電路檢測到有電流時，表示有血進來；當?shù)诙€弱電流檢測電路也檢測到電流時，則表示血足量，同時開始倒計時6。 圖6 酶試條檢測示意圖在實際的操作中是比較弱電流檢測電路中的輸出電壓vout和運放的反相端上的電vin ，當vout大于vin 時，表示相應的電極有血液。則在設計中也需要檢測vin 的電壓。（2）弱電流檢測電路設計如下圖7所示為弱電流檢測電路。 圖7 弱電流檢測電路當要求血糖檢測時，cpu內(nèi)部參考電壓輸出端port7經(jīng)r8和r9分壓，再經(jīng)rc濾波，一端連a/d的輸入口port6，一端輸入到三輸入

21、三與門74hc11的1和2引腳；連port6的目的是通過a/d轉(zhuǎn)換知道實際輸入到74hc11的1和2引腳的電壓值。cpu的port1連74hc11的13引腳，控制74hc11的輸出引腳12。于是便能控制運放(mcp601)的同相輸入端的通斷，即能控制在電極上加電與否?，F(xiàn)以測量電極為例，當測量電極要求加電，只有port1輸出高電平，v1in就是port6上輸入的電壓；而通過負反饋，運放處于放大狀態(tài)，測量電極上的電壓就等于v1in，于是加電成功。同樣當測量電極要求斷電，只要port6為低電平，v1in等于0，測量電極上的電壓也會迅速變?yōu)?，斷電成功。檢測電極也是以同樣的原理實現(xiàn)。其中port1為c

22、pu可編程i/o口。兩個運放的輸出經(jīng)rc濾波分別輸入到cpu的兩個a/d轉(zhuǎn)換端口port2、port3。cpu就是通過操port1、port2、port3及port6這些端口來實現(xiàn)電流檢測的。另外，由于加在血糖上的電壓一般要求比較穩(wěn)定，因此，加在運算放大器的同相輸入端上的電壓考慮從相對較穩(wěn)定的msp430f437的內(nèi)部參考電壓上經(jīng)分壓得到，而不是直接從電源上取得。3.1.3 無線通信模塊設計（1）射頻收發(fā)器nrf905介紹nrf905是nordic vlsi公司推出的單片無線收發(fā)一體的芯片，工作電壓為1.9v3.6v，32引腳qfn封裝(5mm5mm)，工作于433/868/915mhz三個i

23、sm(工業(yè)、科學和醫(yī)學)頻道，433mhz開放頻段免許可證使用，125頻道，滿足多點通信和跳頻通信需要，頻道之間的轉(zhuǎn)換時間小于650s。nrf905由頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器組成，不需外加聲表面濾波器。其使用spi接口便與微控制器通信，shockbursttm工作模式，自動處理字頭和crc(循環(huán)冗余碼校驗)，配置非常方便。該模塊可軟件設地址，只有收到本機地址時才會輸出數(shù)據(jù)（提供中斷指示)，軟件編程非常方便。此外，其功耗非常低，工作于接收模式時電流為12.5ma，待機模式下僅為2.5a，內(nèi)建空閑模式與關(guān)機模式，易于實現(xiàn)節(jié)能。nrf905的最高工作速率為100kbps

24、，高效gfsk調(diào)制，抗干擾能力強，非常適合無線數(shù)據(jù)通信的工業(yè)及民用控制場合7。（2）nrf905 的工作模式及設置如下表1所示，nrf905有兩種工作模式和兩種節(jié)能模式，分別為shockbursttm接收模式、shockbursttm發(fā)送模式、掉電模式和待機模式。這幾種模式由外界mcu通過控制nrf905的3個引腳pwr_up、trx_ce和tx_en的高低電平來決定。外界mcu通過spi總線配置nrf905的內(nèi)部寄存器，讀寫數(shù)據(jù)時必須把其置為待機或掉電模式。 表1 nrf905的工作模式及設置 pwr_up trx_ce tx_cn 工作模式 0 x x 掉電與spi編程 1 0 x 待機與

25、spi編程 1 1 0 shockburst接收 1 1 1 shockburst發(fā)射nrf905有3個引腳用于狀態(tài)輸出，分別是：cd(載波檢測)、am(地址匹配)和dr(數(shù)據(jù)就緒)，均為高電平有效。當nrf905處于接收模式時，若檢測到接收頻率段的載波，則將cd置為高電平，接著檢測載波數(shù)據(jù)中的地址字節(jié)；若與本身已配置的接收地址相同，則將am置高；若檢測到接收數(shù)據(jù)中的crc正確，則存儲有效數(shù)據(jù)字節(jié)，置dr為高。此外，nrf905還有一個時鐘輸出引腳upclk，通過配置內(nèi)部寄存器，可改變其頻率輸出，這一點在調(diào)試時很有用?？梢酝ㄟ^修改nrf905的寄存器，用示波器觀察upclk輸出是否變化的方法，

26、來判斷硬件電路和mcu操作nrf905的程序是否正確，從而可以判斷該設備是否工作正常7。（3）nrf905 的數(shù)據(jù)接口及其與微處理器的通信 mcu通過spi總線配置nrf905的內(nèi)部寄存器和收發(fā)數(shù)據(jù)。nrf905的spi總線包括4個引腳：csn(spi使能)、sck(spi時鐘)、miso(主入從出)和mosi(主出從入)。本文nrf905為從機，其spi的時鐘范圍很寬，可以從1hz10mhz，因此mcu在寫控制程序時不必苛求時間的準確度。spi總線的每次操作都必須在csn的下降沿開始，csn低電平有效，總線上的數(shù)據(jù)在時鐘的上升沿有效。mcu對spi總線的操作有兩種方式：讀和寫。在進行讀操作時

27、，先把csn置低，然后在mosi數(shù)據(jù)線上輸出一個表示讀命令的字節(jié)，與此同時，nrf905會在miso數(shù)據(jù)線上輸出一字節(jié)表示狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)，隨后輸出一地址字節(jié)，后面跟隨有效數(shù)據(jù)；在進行寫操作時，mcu先把csn拉低，然后在mosi線上輸出寫命令字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)即可，nrf905與msp430f437的接口電路如圖8所示。 圖8 nrf905與msp430f437的接口電路圖nrf905的硬件連接電路圖如圖9所示，msp430的usart模塊可通過寄存器配置為通用異步串行口或spi模塊功能，這里配置為spi模塊。在硬件設計時把msp430f437的spi接口和nrf905的spi接口相連即可，另外再

28、選幾個i/o口連接nrf905的輸入輸出信號。 圖9 nrf905模塊的硬件連接電路圖 3.1.4電源模塊設計由于本系統(tǒng)的其中一個目標是實現(xiàn)低功耗及便攜性，所以電源模塊采用1.5v的干電池通過max1797dc/dc轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為3.3v作為電源。max1797是一款高效的升壓dc-dc轉(zhuǎn)換器，它的輸入電壓范圍在0.7v5.5v之間。在本系統(tǒng)中實現(xiàn)一節(jié)干電池在輸出固定電壓3.3v情況下，最少能提供400ma的輸出電流，轉(zhuǎn)換效率達95%以上。當關(guān)斷功能輸入端shdn為高電平時，芯片處于關(guān)斷模式，輸出為高阻態(tài)，此時不影響電池檢測比較輸入端lbi和輸出端lbo的功能，當lbi低于內(nèi)部電壓門限0.85v

29、，輸出lbo為低；當shdn端接地，處于正常工作模式。當輸出3.3v電壓時，電路連接圖如圖10所示。 圖10 電源輸出電路圖3.1.5 lcd模塊設計此外，系統(tǒng)需要提供人機信息交換平臺，所以需要通過lcd顯示提示和結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息，msp430f437的端口可以直接驅(qū)動lcd顯示，不需要外加其他的驅(qū)動電路，使電路簡單，所以通過msp430f437的i/o接口很容易實現(xiàn)對lcd的端口控制。其接口圖如圖11所示。 圖11 lcd與msp430接口電路圖結(jié)合本論文的信息內(nèi)容的多少，選用128*64lcd顯示數(shù)據(jù)信息，由于lcd128*64是常用的原件，限于篇幅，不再對lcd12864做介紹。3.2 胰島

30、素泵控制系統(tǒng)硬件設計該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖12所示。下面介紹各個模塊的功能及硬件設計 圖12 胰島素控制系統(tǒng)的硬件框圖3.2.1 mcu模塊設計微處理器是該系統(tǒng)的核心，信號的采集、處理和外設的控制都是由它來完成的。結(jié)合當今血糖儀的實際功能要求，本胰島素泵控制設計采用型號仍然采用msp430f437的單片機作為核心控器，來完成各個外圍設備模塊的控制。3.2.2 電源模塊設計胰島素注射系統(tǒng)采用一節(jié)1.5v電池供電，理論上不能很精確的控制電機的轉(zhuǎn)速。考慮到電機正常啟動時對電源干擾很大，若只用一組電源會影響單片機為核心的主電路，造成電路工作不穩(wěn)定。此外主電路中一些芯片的工作電壓在2v5v之間，電池在有

31、效使用期內(nèi)輸出的電壓可能不在這些芯片所要求的供電范圍，因此該系統(tǒng)選用雙電源供電。一組給單片機和外圍控制電路供電，另外一組給電機供電8。如上圖10所示，本電源模塊采用max1797dc/dc轉(zhuǎn)換器，將1.5v電壓分別轉(zhuǎn)換為3.3v輸出給數(shù)字電路（含mcu等）供電和3v輸出給電機電路(含檢測電路等)。 圖 13 電源模塊設計結(jié)構(gòu)框圖當要求輸出3.3v電壓時，電路連接圖如圖10，限于篇幅，不再敷述。當要求電路輸出3v電壓時，連接電路圖如下圖14所示，關(guān)斷功能輸入端 shdn 由msp430f437的p1.0端口控制，當電機處于停轉(zhuǎn)狀態(tài)下，關(guān)斷此部分電源。節(jié)約電能分壓電阻計算公式如公式(1)所示r1=

32、r2(vout/vfb)-1 (1)其中電阻r2250 k，vfb = +1.245v，通過查閱常用電阻阻值表，當取r2=100 k，計算出r1=140k，此時對應此時輸出為2.988v，對應3v 誤差最小。 圖14 max1797輸出3v電路連接圖 3.2.3 無線通信模塊設計mcu通過spi總線配置nrf905的內(nèi)部寄存器和收發(fā)數(shù)據(jù)，本節(jié)具體的模塊設計同3.1.3節(jié)一樣，具體連接電路圖如圖8、9所示。3.2.4 檢測模塊設計檢測模塊分為兩部分，一部分為傳動裝置絲杠螺母的復位檢測，一部分為胰島素儲藥器剩余藥量檢測。前者由硬、軟件共同實現(xiàn)，后者完全可由軟件實現(xiàn)。 圖15 胰島素泵電機與注射器的

33、連接圖對于傳動裝置的復位檢測，如上圖15所示，絲杠螺母與減速箱軸連接處有類似開關(guān)的兩個彈片，在輸注過程中，兩個彈片是分離的，只有儲藥器全部排光，絲杠螺母恢復到原來位置，兩個彈片才會閉合9。本設計中，由msp430f437的一個電平變化中斷端口p2.0來控制檢測，首先由軟件置高p2.0.端口電平，當兩彈片閉合，電平被拉低，形成中斷，蜂鳴器響，證明絲杠螺母完全復位。3.2.5 電機驅(qū)動模塊本設計由 msp430f437的內(nèi)外設timer_a0 (ccr0)模塊的pwm模式輸出一個脈寬可調(diào)的方波信號(由軟件設定不同的占空比)來實現(xiàn)直流電機的調(diào)速。通過專用電機控制集成芯片l9110作為驅(qū)動器驅(qū)動max

34、on 直流電機，由電機帶動精密絲杠螺母，把旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)樽⑸淦骰钊闹本€位移，將胰島素推進患者體內(nèi)。maxon 直流電機在正常工作狀態(tài)下消耗的電流很小，只是上電時啟動電流很大，在3v工作電壓下，啟動電流為103ma，l9110 具有較大的電流驅(qū)動能力，每通道能通過750800ma 的持續(xù)電流，峰值電流能力可達1.5a2.0a，完全可以滿足要求。電機驅(qū)動模塊的具體電路連接示意圖如圖16 所示。oa1vcc2vcc3ob4gnd5ia6ib7gnd8u2l9110p1.1/ta086p1.2/ta185msp430f437gndm+-motor servovcc 圖16 電機驅(qū)動模塊電路連接圖考慮到

35、注射器實際的推進速度很低，為了滿足設計要求，電機必須輸出很低的轉(zhuǎn)速、同時輸出更大的力矩，在電機選型過程，配備了相應的行星齒輪減速箱。它特別適合高轉(zhuǎn)矩的傳遞。傳動裝置選用精密絲杠螺母，螺距為p=1mm。減速箱受轉(zhuǎn)矩和速度的限制，工作轉(zhuǎn)矩必須低于減速箱的連續(xù)工作轉(zhuǎn)矩。減速箱選用 gp8b 行星齒輪減速箱，最大連續(xù)輸出轉(zhuǎn)矩為0.030nm，瞬間允許輸出轉(zhuǎn)矩為0.060nm，最大效率為52%，受泵體空間和實際轉(zhuǎn)速的限制，最終選定減速比i=853。與減速箱配套的電機選用re8系列的13390 型號電機，其額定電壓為6v，標稱功率0.5w，最大允許轉(zhuǎn)速為22000r/min，最大連續(xù)轉(zhuǎn)矩為0.616mnm

36、10，此電機可以滿足論文要求。3.2.6 lcd 顯示模塊 液晶顯示模塊可以顯示當前胰島素注射系統(tǒng)工作時的各種信息，包括剩余藥量和剩余電量的顯示畫面、正常工作模式的顯示畫面等。顯示模塊仍然選用128*64lcd顯示數(shù)據(jù)信息。msp430f437有s0-s38的端口直接可以驅(qū)動lcd顯示模塊，控制電路的設計比較簡單，其原理圖如圖11所示，這里不再敷述。4 系統(tǒng)軟件設計軟件設計中一個重要的思想就是采用模塊化設計，把一個大的任務分解成若干個小任務，分別編制實現(xiàn)這些小任務的子程序，然后將子程序按照總體要求組裝起來，就可以實現(xiàn)這個大任務了。4.1 血糖檢測模塊軟件設計該系統(tǒng)的操作主要有：參數(shù)設置、血糖濃

37、度測量、數(shù)據(jù)信息處理和無線數(shù)據(jù)發(fā)送。本系統(tǒng)將參考市面上已有血糖儀的操作流程并結(jié)合自身的特點來設計操作流程，盡量符合實際的操作過程。4.1.1 血糖數(shù)據(jù)采集模塊設計流程a/d模塊部分是血糖檢測模塊的核心部分，故本節(jié)對其原理及應用做詳細的介紹。（1) a/d模塊特性介紹adc12是12位精度的a/d轉(zhuǎn)換模塊，是msp43of437單片機內(nèi)部自帶的a/d轉(zhuǎn)換模塊。adc12模塊由輸入的16路模擬開關(guān)，adc內(nèi)部電壓參考源，adc12內(nèi)核，adc時鐘源部分，采集與保持/觸發(fā)源部分，adc數(shù)據(jù)輸出部分，adc控制寄存器部分等組成。輸入的16路模擬開關(guān)由8路外部模擬信號、4路內(nèi)部電壓、1路內(nèi)部溫度傳感器和

38、avcc-avss/2電壓源組成。8路可選模擬輸入通道經(jīng)多路切換進入轉(zhuǎn)換器的輸入電路，可以在任意時刻對任一通道進行轉(zhuǎn)換。4路內(nèi)部通道用于溫度測量、 vcc 測量、正參考電平vref+ 測量及負參考電平測量。adc12工作時可以用內(nèi)部參考電平，或者外部參考電平，也可以是兩者的組合。adc12具有較好的采樣/保持電路，采用不同的設置有著靈活的應用。采樣時序可以通過控制位用軟件直接控制，也可以用3種內(nèi)部或外部的信號來控制。通常，內(nèi)部時序信號來自于msp430的定時器。adc12有4種工作模式?？梢栽趩瓮ǖ郎蠈崿F(xiàn)單次轉(zhuǎn)換或多次轉(zhuǎn)換，在序列通道上實現(xiàn)單次轉(zhuǎn)換或重復轉(zhuǎn)換。單通道多次轉(zhuǎn)換是對選定的通道作多次

39、轉(zhuǎn)換，直到關(guān)閉該功能或enc=o。轉(zhuǎn)換結(jié)果保存在16個轉(zhuǎn)換存儲寄存器中。每個寄存器有各自的相應的配置及控制寄存器，讓用戶為準備存儲的轉(zhuǎn)換結(jié)果的選擇采樣通道和轉(zhuǎn)換所需的參考電平。（2）a/d模塊 的工作原理該adc內(nèi)核可將一個模擬輸入信號轉(zhuǎn)換為12位的數(shù)字信號，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果存入轉(zhuǎn)換存儲器中。該內(nèi)核用兩個可編程/可選擇的參考電平(vr+和vr)定義轉(zhuǎn)換范圍的上下限。當輸入信號大于等于vr+時，數(shù)字輸出(nadc)為滿量程值(0fffh)；當輸入信號小于等于vr 時，數(shù)字輸出為“0”。在轉(zhuǎn)換控制存儲器中定義了輸入通道和參考電平。在實際應用中，參考電平和輸入模擬信號不應高于供電電壓和低于vss11。a

40、dc的轉(zhuǎn)換結(jié)果公式（2）所示nadc=4095（vin-vr-）/(vr+-vr-) （2）adc12模塊有2個控制寄存器adc12ctl0和adc12ctl1。adc12on是該模塊的使能位。adc12不使用時可以關(guān)閉，以減少耗電。在電極檢測中使用的a/d采樣的程序流程圖如圖17所示，首先對adc12進行初始化：選擇轉(zhuǎn)換通道、轉(zhuǎn)換時鐘源、轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)的存儲寄存器以及參考電壓等。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采樣使用了三個采樣通道：a3、a4和a7。采用單通道多次轉(zhuǎn)換的模式。為了使系統(tǒng)在lpm3狀態(tài)下正常工作，換時鐘源選擇aclk，參考電壓選擇1.5v的內(nèi)部參考電壓。初始化后置位adc12on，開啟a/d轉(zhuǎn)換。為

41、了降低功耗，在轉(zhuǎn)的過程中讓系統(tǒng)在lpm3下等待。采樣數(shù)據(jù)的讀取是在相應的中斷程序中完成的。當完成一次轉(zhuǎn)換時，adc會產(chǎn)生一次中斷，中斷程序讀取采樣數(shù)據(jù)，并判斷采樣次數(shù)是否足夠。若不足夠，則在讀取數(shù)據(jù)后返回lpm3，等待下一次轉(zhuǎn)換，然后重復上面的過程，直到讀取到預定次數(shù)的數(shù)據(jù)，才在中斷響應函數(shù)中停止轉(zhuǎn)換，并退出lpm3，最后對所得數(shù)據(jù)進行處理，包括軟件濾波和降低噪聲帶的干擾。 圖17 a/d采樣的程序流程圖4.1.2血糖測量模塊設計流程在檢測試條上滴血后，將試條與電流檢測模塊的電極接觸，若一切正常，若干秒后顯示結(jié)果；若不正常，將顯示出錯信息，要求重新進行測量。下面詳細介紹測量模塊的程序流程。當屏

42、幕出現(xiàn)滴血提示后，就進入如圖18的操作流程所示。首先系統(tǒng)不斷地檢測電極1，檢測是否有血滴進?？紤]到節(jié)電，在這個檢測過程中倘若30秒內(nèi)始終沒有檢測到有血進來就自動退出，即timeout從30逐漸減到0后關(guān)機。當系統(tǒng)檢測到電極1有血時，表示有血進入試條，然后再不斷地檢測電極2，判斷血是否足量，若10秒內(nèi)系統(tǒng)始終檢測不到電極2有血，就判斷所進血不足量，然后屏幕提示出錯信息，并迅速結(jié)束測量。若10秒檢測到血，則表示一切正常，繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)的過程。倒計時的目的是讓血糖和試條中的酶作用充分，按照實驗所使用的試條的要求，要求血糖和酶作用5秒后再加一定大小的電壓，然后再過2秒后測量血糖中所加電壓下產(chǎn)生的電流。因

43、此整個倒計時過程可以是這樣：進入倒計時前，系統(tǒng)首先撤掉加在兩電極上的電壓(之前用于檢測是否有血和血是否足量)，從7開始倒計時，每過一秒減1，當減到2時，在電極l上加電，檢測電極1上產(chǎn)生的電流(系統(tǒng)最后只檢測電極1，因此電極2上的電壓無需再加)。 圖18 血糖測量模塊流程圖如下圖19所示就是系統(tǒng)中使用的倒計時程序流程圖。進入lpm3等待這條語句是為了達到節(jié)電的功能。對于撤電壓和加電壓操作，根據(jù)前面的硬件設計知道，只需在對相應的i/0復位和置位即可。電極檢測是否有血的原理在硬件設計時己經(jīng)提到：當與相應電極相連的運放的輸出vo大于運放的同相輸入端所加的電壓vin時，就認為此電極上有血。理論上當沒有血

44、液到達電極時，不產(chǎn)生電流，即vo 等于vin 。但在實際中由于噪聲的存在以及運放本身的問題，在沒有血液時，vo不一定等于vin ，因此在實際的判斷時需要比vin稍大一些的門限，即當vo大于vin +v 時，才判斷有血液。v 不宜大也不宜小，因為過小的v 有可能在噪聲的影響下即使實際沒有血進來也越過上述的門限，造成誤判；若過大會造成檢測不靈敏，使得判斷是否有血進來、是否開始倒計時的變得遲緩。經(jīng)過反復調(diào)試，v取采樣值11(11/409515004.0mv)左右比較合適12。由于電極1的運放輸出vo1 的采樣通道是a4，電極2上的運放輸出vo2 的通道是a3，vin的通道是a7；因此判斷電極1是否有

45、血就可以通過比較a4通道上得到的采樣值和a7通道上的采樣值。同樣電極2就通過比較a3通道和a7通道的采樣值。 圖19 倒計時程序流程圖在倒計時的最后，還要分別對通道a4、a7進行采樣，用于得到流過電極1的血糖電流。與之前對此通道的采樣次數(shù)是不同的。為了提高檢測靈敏度，此時對a4通道采樣的次數(shù)為22次。然后通過軟件濾波：去掉所有采得的數(shù)中的最大值和最小值，再求平均這樣就得到比較理想的采樣結(jié)果，得到最終的血糖電流值的公式13如公式（3）所示i=(|v1out|-v1in)vref/4095/a （3）其中，vref是參考電壓，a是運放放大倍數(shù)。得到電流后，再通過最后血糖值轉(zhuǎn)換公式將電流值轉(zhuǎn)換成血糖

46、值。4.1.3 無線數(shù)據(jù)發(fā)送軟件設計流程首先，進行初始化設置。對msp430的spi接口進行設置：msp430的異步串行接口和spi接口用同一個usart模塊，這里需要用軟件配置為spi功能。本設計中spi配置為主機模式、3線制和8位數(shù)據(jù)。初始化nrf905的射頻配置寄存器：本設計中nrf905外接16mhz晶體，“xof”應配置為“011”；“pa_pwr”為發(fā)射功率，”rx_red_pwr”為接收靈敏度，可根據(jù)需要配置；另外還有發(fā)送地址、接收地址、發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的長度(字節(jié)數(shù))，可根據(jù)實際應用配置。注意這組寄存器中還有接收時的實際地址，而發(fā)送地址在其他的單獨寄存器中。配置nrf905的

47、發(fā)送地址，最多4個字節(jié)(32位)，發(fā)送端的發(fā)送地址應與接收端設備的接收地址相同。在實際工作中，nrf905可以自動濾除地址不相同的數(shù)據(jù)，只有地址匹配且校驗正確的數(shù)據(jù)才會被接收，并存儲在接收數(shù)據(jù)寄存器中。nrf905發(fā)射模式流程如圖20所示。圖20 nrf905發(fā)送模式其次，當msp430f437準備發(fā)送數(shù)據(jù)時，先檢測載波檢測引腳cd端口的電平是否為高(遵循發(fā)射前先監(jiān)聽的原則)，如果是低電平，則表示沒有載波出現(xiàn)，此時將接收設備地址和所要發(fā)送的數(shù)據(jù)通過spi接口寫入nrf905，spi傳輸速率由初始化設置。置trx_ce、tx_en后就激活了nrf905的shockbursttm發(fā)送模式。nrf9

48、05自動完成數(shù)據(jù)打包(加入前導碼和crc校驗)，包經(jīng)過gfsk調(diào)制以100kbit/s發(fā)送，當傳輸完畢dr置位。若射頻配置寄存器中的自動重發(fā)位(auto_retran)設為有效，數(shù)據(jù)包就會重復不斷地一直向外發(fā)，直到mcu把trx_ce拉低，退出發(fā)送模式為止。當trx_ce引腳被設置為低時，nrf905結(jié)束發(fā)送模式，并進入standby空閑模式。shockbursttm工作模式保證,一旦發(fā)送數(shù)據(jù)的過程開始，無論trx_en和tx_en引腳是高或低，發(fā)送過程都會被處理完。在數(shù)據(jù)發(fā)送過程中無論trx_ce、tx_en怎樣設置，nrf905都會完成此次發(fā)送而不受影響，此后，進入所設置的工作模式。在發(fā)送

49、時nrf905的相關(guān)管腳狀態(tài)如表2所示。表2 發(fā)送時nrf905的相關(guān)管腳狀態(tài) nrf905管腳 狀態(tài) 說明 cd 低電平 不影響發(fā)射 am 低電平 不影響發(fā)射 dr 周期性正脈沖 數(shù)據(jù)送人天線模塊 vdd_pa 周期性正脈沖 信號正確發(fā)出 uclk 周期信號 頻率按配置里設定4.2 胰島素注射系統(tǒng)的軟件設計4.2.1系統(tǒng)主程序設計流程主程序流程圖如圖21所示。 圖21 胰島素注射系統(tǒng)主程序流程圖上電后對系統(tǒng)進行初始化：設置標志位、變量的初值、中斷和各接口芯片的初始化等。接著，程序進入主循環(huán)：首先進行載波監(jiān)測，等待nrf905接收數(shù)據(jù)；然后當數(shù)據(jù)接收完畢，胰島素注射系統(tǒng)就開始進行檢測處理，若檢

50、測沒有通過，則返回開始狀態(tài)，重新初始化，當檢測系統(tǒng)通過時，就控制電機的轉(zhuǎn)速進行胰島素的注射，完成閉環(huán)控制。4.2.2無線數(shù)據(jù)接收設計流程 接收數(shù)據(jù)時，mcu先在nrf905的待機模式中把射頻配置寄存器中的接收地址寫好，然后置其于接收模式(pwr_up=1、trx_ce=1、tx_en=0)，nrf905就會自動進入接收模式。650s后，nrf905不斷監(jiān)測空中的載波，等待接收數(shù)據(jù)。當nrf905檢測到同一頻段的載波時(本設計中設定的載波頻率為433mhz)，載波檢測引腳cd自動置高，若收到地址匹配和校驗正確的有效數(shù)據(jù)，則地址匹配引腳am會自動置高，mcu在檢測到這個信號后，可以退出接收模式，改

51、其為待機模式(若一直沒有接收到數(shù)據(jù)，待時間到時也退出接收模式)。當一個正確的數(shù)據(jù)包接收完畢，nrf905自動移去字頭、地址和crc校驗位，然后把數(shù)據(jù)準備好引腳dr置高,mcu通過spi總線從接收數(shù)據(jù)寄存器中讀出有效數(shù)據(jù)。接收時，nrf905的相關(guān)管腳狀態(tài)分析如下表3所示。表3 接收時nrf905的相關(guān)管腳狀態(tài)分析 nrf905的管腳 狀態(tài) 說明 cd 周期性脈沖 天線能正常接收 am 周期性脈沖確定地址匹配 dr周期性脈沖確定收到數(shù)據(jù) vdd_pa 無規(guī)則波形 利用發(fā)射機程序測試天線功能 uclk 周期信號頻率按配置字里設定nrf905數(shù)據(jù)接收模式流程如下圖22所示。 圖22 nrf905數(shù)據(jù)

52、接收模式流程圖當所有的數(shù)據(jù)接收完畢后，nrf905把dr引腳和am引腳置低(此時也可以進powerdown關(guān)機模式)。編寫接收部分程序時，應該注意的是mcu在“mosi”信號線上發(fā)出讀命令字節(jié)后，在“miso”信號線上nrf905會自動返回一字節(jié)數(shù)據(jù)，為本身的狀態(tài)寄存器信息，后續(xù)的接收數(shù)據(jù)并不會自動跟著輸出，只有mcu在“mosi”上再輸出一個字節(jié)(可以是隨意值)，nrf905才會在“miso”上返回一個字節(jié)，mcu再發(fā)，nrf905再返回，直到讀完為止。在接收數(shù)據(jù)包的過程中trx_ce或tx_en狀態(tài)改變，則nrf905會立即改變工作模式14。4.2.3電機控制程序設計本設計通過msp430

53、f437單片機的ta0引腳產(chǎn)生12位分辨率的pwm脈沖輸出來控制直流電機的轉(zhuǎn)速， pwm模式根據(jù)msp430的寄存器進行設置，pwm模式流程圖如圖23所示。圖23 pwm模式流程圖4.3 軟件設計環(huán)境與開發(fā)工具目前msp430系列單片機應用比較普遍的開發(fā)工具有iar公司的iar430和quadravox公司的aq430。其中iar430因其界面友好，調(diào)試功能強大得到了廣泛應用。本系統(tǒng)的有源程序代碼均在iar43ov4.11b下調(diào)試通過。其開發(fā)環(huán)境如下圖24所示。 圖24 iar430開發(fā)環(huán)境iar430的編程語言c430是lar公司為msp430系列單片機配備的c程序設計語言，它與標準c語言兼

54、容性好，并在c語言的標準特性上加上了許多為了適應msp430系列單片機的特定硬件特性而設計的擴展功能，因而程序開發(fā)非常方便，在用c430對msp430系列單片機進行開發(fā)前，應先安裝c430集成編譯環(huán)境embedded workbench和c430調(diào)試器c-spy。5 系統(tǒng)低功耗設計分析為了力求接近設備的性能，低功耗是整個系統(tǒng)設計的一個重要環(huán)節(jié)。系統(tǒng)在大部分時間是處于關(guān)機狀態(tài)，其功耗水平直接影響整個設備使用的功耗。因此需要確定關(guān)機狀態(tài)下的低功耗模式，使其功耗盡可能的低。對以msp430為核心設計的微控制系統(tǒng)來說，整個系統(tǒng)的電源消耗由msp430芯片和電路板上其它電路能耗組成。由于msp430芯片內(nèi)部集成很多外圍模擬模塊(如adc、svs等)，因此片內(nèi)外設的工作狀態(tài)對整個系統(tǒng)的能耗有很大的影響，而模擬部件和數(shù)字部件功耗之和則是構(gòu)成整個器件的總功耗。供電電壓和系統(tǒng)時鐘頻率對功率消耗有很大影響，二者的關(guān)系，降低msp430系統(tǒng)的功耗，首要的就應該從降低系統(tǒng)頻率、降低工作電壓和采用多種工作模式組合著手。一般來說，這些條件中的多數(shù)都可以用軟件實現(xiàn)或控制。因此，系統(tǒng)時鐘頻率的控制是低功耗的關(guān)鍵因素。為了節(jié)省功耗，需要根據(jù)各個外圍模塊的實際需要、最高要求的處理器速度以及時鐘精