血糖仪模拟前端系统论文和设计-黄钊

全文摘要

本实用新型属于血糖检测技术领域，公开一种血糖仪模拟前端系统，包括被测试条、与被测试条连接的电流检测电路和与电流检测电路相连的控制器，被测试条包括与电流检测电路连接的工作电极WE以及与地连接的参考电极RE；电流检测电路包括反相端与被测试条工作电极WE相连的电流检测运放、与电流检测运放同相端相连的参考电压源及相互并联在电流检测运放反相端和输出端两端的电阻Riv、电容Ccomp以及开关Sshunt，电流检测运放输出端与控制器的ADC采样模块相连。增设模拟开关Sshunt可避免运放失稳；在开关Swe与电压监测运放的基础上增加参考电压运放的设置，系统可根据实测电压大小，闭环调节工作电极WE的电位，实现工作电极WE恒电位控制，确保检测结果的精确性。

主设计要求

1.一种血糖仪模拟前端系统，其特征在于，包括被测试条、与被测试条连接的电流检测电路和与电流检测电路相连的控制器，被测试条包括与电流检测电路连接的工作电极WE以及与地连接的参考电极RE；电流检测电路包括反相端与被测试条工作电极WE相连的电流检测运放、与电流检测运放同相端相连的参考电压源及相互并联在电流检测运放反相端和输出端两端的电阻Riv、电容Ccomp以及开关Sshunt，电流检测运放输出端与控制器的ADC采样模块相连。

设计方案

2.根据权利要求1所述的血糖仪模拟前端系统，其特征在于，被测试条工作电极WE还连接有电压监测电路，电压监测电路包括同相端通过开关Swe与工作电极WE相连的电压监测运放，电压监测运放的反相端与输出端相连，电压监测运放的输出端与控制器的ADC采样模块连接。

3.根据权利要求2所述的血糖仪模拟前端系统，其特征在于，参考电压源包括输出端与电流检测运放同相端相连的参考电压运放，参考电压运放的输出端与反相端直接连接、同相端与控制器的DAC模块相连。

4.根据权利要求1～3任意一项所述的血糖仪模拟前端系统，其特征在于，被测试条工作电极WE还连接有误差消除电路，误差消除电路包括串联的开关Scal和电阻Rcal，开关Scal与工作电极WE相接，电阻Rcal另一端接地。

5.根据权利要求4所述的血糖仪模拟前端系统，其特征在于，开关Sshunt、开关Swe、开关Scal均由控制器控制开闭。

6.根据权利要求1～3和5任意一项所述的血糖仪模拟前端系统，其特征在于，电流检测电路中的开关Sshunt为延时开关。

7.根据权利要求4所述的血糖仪模拟前端系统，其特征在于，电流检测电路中的开关Sshunt为延时开关。

8.根据权利要求4所述的血糖仪模拟前端系统，其特征在于，电阻Rcal为低温漂高精度金属膜电阻。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及血糖检测技术领域，具体地，涉及一种血糖仪模拟前端系统。

背景技术

目前市场上血糖仪的试条模拟前端电路如附图1所示，一般是利用运放虚短，通过对运放的同相端施加+300mV恒定电压的方式，在试条工作电极WE施加同样的电压，经过运放转换后，系统可通过ADC模块采集血糖检测过程中电化学反应电流信号计算出被血液的血糖浓度。但该模拟前端电路尚存在以下问题：

1)血样滴样时，被测试条的工作电极WE与参考电极RE之间由于血样电容效应，瞬间电流较大，因此在加载瞬间工作电极WE的电位不稳定，导致运放失稳定，进而影响血糖测量结果；

2)运放同相端的激励电压由仪器出厂时调校固化，仪器元器件受环境温度、湿度影响变化，不可避免地存在漂移，以及仪器长期使用，器件可能老化、性能下降或失效，仪器无法实现故障自诊断、自适应调整，进而影响血糖测量结果；

3)试条的工作电极WE在加压过程中，血糖浓度大小以及血细胞压积比大小将导致电流变化范围大，由于激励电压稳定不可调整，导致酶电极实际电位将随电流大小变化，进而影响电化学反应进程，导致血糖测量结果出现偏差；

4)测试过程中，系统可能受到干扰，如静电影响，系统只采集单通道电流信号，仪器无法全面有效识别异常信号，剔除影响测量的异常信号。

发明内容

本实用新型解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷，提供一种避免运放失稳、检测稳定可靠的血糖仪模拟前端系统。

本实用新型的目的通过以下技术方案实现：

一种血糖仪模拟前端系统，包括被测试条、与被测试条连接的电流检测电路和与电流检测电路相连的控制器，被测试条包括与电流检测电路连接的工作电极WE以及与地连接的参考电极RE；电流检测电路包括反相端与被测试条工作电极WE相连的电流检测运放、与电流检测运放同相端相连的参考电压源及相互并联在电流检测运放反相端和输出端两端的电阻Riv、电容Ccomp以及开关Sshunt，电流检测运放输出端与控制器的ADC采样模块相连。

进一步地，被测试条工作电极WE还连接有电压监测电路，电压监测电路包括同相端通过开关Swe与工作电极WE相连的电压监测运放，电压监测运放的反相端与输出端相连，电压监测运放的输出端与控制器的ADC采样模块连接。

进一步地，参考电压源包括输出端与电流检测运放同相端相连的参考电压运放，参考电压运放的输出端与反相端直接连接、同相端与控制器的DAC模块相连。

进一步地，被测试条工作电极WE还连接有误差消除电路，误差消除电路包括串联的开关Scal和电阻Rcal，开关Scal与工作电极WE相接，电阻Rcal另一端接地。

更进一步地，开关Sshunt、开关Swe、开关Scal均由控制器控制开闭。

再进一步地，电流检测电路中的开关Sshunt为延时开关。

进一步地，电阻Rcal为低温漂高精度金属膜电阻。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

1)增设模拟开关Sshunt可有效实现电路的稳定，在血样滴样过程中，利用该开关的低导通阻抗，为血样的电容效应提供大电流通道，避免运放失稳；

2)开关Swe与电压监测运放可实时监测工作电极WE的真正电位，通过由电压监测运放构成的高输入阻抗电压跟随电路，实时检测试条的工作电极WE的电位；

3)在由开关Swe与电压监测运放组成的电压监测电路的基础上增加参考电压运放的设置，系统可根据电压监测电路的实测值，调整参考电压运放的电位，即系统赋予了血糖仪自诊断功能，可闭环调节试条工作电极WE的电位，消除试条中血样的电化学反应电流的影响，实现工作电极WE恒电位控制，确保检测结果的精确性；

4)误差消除电路可实现实时校准系统的电流测量部分的增益和零点；每有效试条插入，仪器开机测量之前，闭合开关Scal，可对电流增益、零点分别校准，以消除采样电流电路的漂移误差。

附图说明

图1为现有技术中血糖仪的试条模拟前端电路；

图2为实施例1所述的血糖仪模拟前端系统的电路示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本实用新型作进一步的说明，其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本实用新型的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

提供一种血糖仪模拟前端系统，其电路示意图如图2所示，包括被测试条、与被测试条连接的电流检测电路和与电流检测电路相连的控制器，被测试条包括与电流检测电路连接的工作电极WE以及与地连接的参考电极RE；电流检测电路包括反相端与被测试条工作电极WE相连的电流检测运放、与电流检测运放同相端相连的参考电压源及相互并联在电流检测运放反相端和输出端两端的电阻Riv、电容Ccomp以及开关Sshunt，电流检测运放输出端与控制器的ADC采样模块相连。

电流检测电路对工作电极WE产生的电流实现流压转换以及实现对试条工作电极WE的电位加载与稳定。

具体地，开关Sshunt起到稳定电路的作用，在血样滴样过程中，开关Sshunt闭合，电流检测运放的输出端与反相端导通阻抗低，该运放的输出端可通过开关Sshunt为血样的电容效应提供大电流，直至血样的等效电容充电完成，才断开开关Sshunt。这样实现血样滴样过程中试条工作电极WE电位的稳定，可避免运放失稳。

更具体地，开关Sshunt优选为延时开关，保证血样的等效电容充满电，才断开开关。

本实施例的血糖仪模拟前端系统在确保试条工作电极WE加压稳定的同时，还可进一步实现加压恒定，具体地，被测试条工作电极WE还连接有电压监测电路，电压监测电路包括同相端通过开关Swe与工作电极WE相连的电压监测运放，电压监测运放的反相端与输出端相连，电压监测运放的输出端与控制器的ADC采样模块连接；参考电压源包括输出端与电流检测运放同相端相连的参考电压运放，参考电压运放的输出端与反相端直接连接、同相端与控制器的DAC模块相连。

具体地，电压监测电路用于在血糖的全测试过程中检测试条工作电极WE的真实电位，因此电压监测运放支路相当于参考电压源的负反馈通路，控制器可根据参考电压目标值以及ADC采样模块采集的电压监测电路输出电压AIN_V_ADC之前的差值，调整DAC模块的输出电压WE_DAC，从而通过参考电压运放的高阻跟随，实现试条工作电极WE电位的恒定控制以及血糖仪的故障自诊断和自适应调整。在本实施例中参考电压目标值为+300mV。

血糖仪的模拟前端检测系统在温度、湿度等环境因素以及器件老化等因素，会影响检测电阻Riv的阻值以及电流检测运放的零漂大小等影响血糖检测精度的情况，为确保检测结果的精确性，每次测试之前需要对电流检测电路进行自校准，因此被测试条工作电极WE还连接有误差消除电路，误差消除电路包括串联的开关Scal和电阻Rcal，开关Scal与工作电极WE相接，电阻Rcal另一端接地。

具体地，电阻Rcal为低温漂高精度金属膜电阻，作为增益和零点校准时的参考电阻，开关Scal为低泄露模拟开关。每有效试条插入，仪器开机测量之前，闭合开关Scal，对电流检测电路的检测增益、零点进行校准，消除漂移误差，保障血糖浓度检测的精确性。

为提升整个电路的自动控制，开关Sshunt、开关Swe、开关Scal均由控制器控制开闭，提高血糖仪工作的可靠性与自动化程度。

本血糖仪模拟前端系统的检测过程如下：

1.唤醒启机：被测试条插入时，血糖仪检测到试条插入时，由待机状态进入工作状态，控制器将电路中所有开关均断开。

2.加压：控制器控制开关Swe闭合，控制器通过ADC采样模块不断采样电压监测电路的网络节点AIN_V_ADC电压，即被测试条工作电极WE的电压值，根据参考电压目标值与工作电极WE的实际电压值计算出参考电源运放的同相端电位，并启动DAC模块，调整参考电源电路的网络节点WE_DAC电压，使工作电极WE电压大小达到预定电压，实现工作电极WE电压的闭环恒压控制。

3.零点校准：控制器通过ADC采样模块采样电流检测电路的网络节点AIN_I_ADC电压，并与同时采样的网络节点AIN_V_ADC电压进行比较，其差值ΔV即为电流检测电路的零点。

即：

ΔV＝AIN_V_ADC-AIN_I_ADC (式1)

4.增益校准：控制器控制开关scal闭合，控制器通过ADC采样模块采电流检测电路的网络节点AIN_I_ADC电压，完成对电流检测电路增益电阻的校准。具体过程如下所示：

根据运放的“虚短”与“虚断”，有：

得到电流检测运放实际的反馈电阻R_{IV<\/sub>为：}

5.运放维稳：控制器控制开关Scal断开，同时控制开关Sshunt闭合，并指示用户，滴加血样，控制器采集网络节点AIN_I_ADC电压，同时监测血样进样电流，当进样完成后，控制器指示断开开关Sshunt；

6.电流采样：控制器以一定的间隔通过ADC采样模块采集电流检测电路的网络节点AIN_I_ADC电压来监控血样电化学反应过程的电流大小，同时采集节点AIN_V_ADC电压，监测被测血样试条工作电极WE电压，并根据需要实时调整DAC模块的输出电压，使工作电极WE恒定，确保最终检测结果精确。

设定工作电压WE的电位恒定为VT，根据运放的“虚短”与“虚断”，血样的电化学反应电流Ic如下所示：

根据式(1)、式(3)以及式(4)，即可得到血样在反应过程中的电流，进行得到被测血样中的血糖浓度。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型的技术方案所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

设计图

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