基于sm8l單片機(jī)的便攜式微型血糖儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于sm8l單片機(jī)的便攜式微型血糖儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0超運(yùn)行模塊stm8l對(duì)電池系統(tǒng)的年能耗是一個(gè)非常重要的指標(biāo)。通常,要求系統(tǒng)的平均功耗小于某個(gè)目標(biāo)值來(lái)保證一個(gè)適當(dāng)?shù)碾姵乩m(xù)航時(shí)間。這意味著系統(tǒng)可以在短時(shí)間內(nèi)功耗較大,而把平均功耗維持在目標(biāo)值以下。近年應(yīng)用較多的微功耗控制器有TI公司的MSP430及意法的STM8.意法半導(dǎo)體公司(ST)推出基于8位STM8內(nèi)核的超低功耗微控制器STM8L。它采用了全新的超低漏電工藝和優(yōu)化的體系結(jié)構(gòu),集合了高性能與超低功耗于一身。STM8L系列有三個(gè)子系列,可以滿足對(duì)低功耗有特殊要求的多種應(yīng)用。STM8L系列微控制器有以下主要特點(diǎn):1)最大工作頻率16MHz,4~32K字節(jié)閃存,最多2K字節(jié)SRAM,供電電壓1.8V至3.6V(斷電時(shí)降至1.65V)。2)最多四種低功耗工作模式。3)特有的130nm工藝的超低功耗技術(shù),高級(jí)和靈活的時(shí)鐘系統(tǒng)(多種內(nèi)部和外部時(shí)鐘源)。4)低于1uA的硬件RTC和自動(dòng)喚醒單元。5)從低功耗模式極快的喚醒時(shí)間;6)模擬功能可以在低至1.8V下工作,編程電壓低至1.65V。本文采用ST公司STM8L系列MCU,以一種新型便攜式血糖儀為應(yīng)用背景,進(jìn)行系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)。提出了以此為背景的低功耗方案,然后進(jìn)行了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn),有效發(fā)揮其STM8L微控制器的低功耗優(yōu)勢(shì),整體方案微型化,滿足產(chǎn)品低功耗技術(shù)指標(biāo)。1效率低下系統(tǒng)1.1stm8l微控制器性能特點(diǎn)一般MCU功耗主要受以下因素影響:1)MCU的芯片封裝、面積,所采用的工藝,集成晶體管的數(shù)量,片上集成和使用的模擬功能/外設(shè)數(shù)量等。2)MCU電源電壓:CMOS邏輯電路中消耗的電流與電源電壓的平方成正比。因此,可以通過(guò)降低供電電壓來(lái)降低功耗。3)時(shí)鐘頻率:在不要求進(jìn)行高速處理的應(yīng)用中,降低時(shí)鐘頻率可以降低功耗。4)激活的外設(shè)數(shù)目或使用的MCU功能數(shù)目(CSS、BOR、PVD等):激活的外設(shè)數(shù)目越多,或使用的MCU功能數(shù)目越多,則功耗越大。5)工作模式:功耗會(huì)隨著應(yīng)用所處不同模式而改變(CPU開啟/關(guān)閉,晶振開啟/關(guān)閉等)。STM8L微控制器有4種超低功耗工作模式:1)低功耗運(yùn)行(Low-powerrun)模式:CPU仍在工作,低速振蕩器(RTC或內(nèi)部振蕩器)驅(qū)動(dòng),代碼在RAM中運(yùn)行,功耗典型值小于6uA。2)低功耗等待(Low-powerwait)模式:保持RTC和少量外設(shè)工作,在運(yùn)行模式下執(zhí)行WFI指令進(jìn)入此模式。當(dāng)內(nèi)部或外部中斷產(chǎn)生時(shí),CPU從等待模式喚醒并恢復(fù)工作。功耗典型值小于5μA。3)停機(jī)(Halt)模式:主時(shí)鐘停止,由fMASTER提供時(shí)鐘的CPU及所有外設(shè)均被關(guān)閉。MCU通過(guò)執(zhí)行HALT指令進(jìn)入停機(jī)模式,外部中斷可將MCU從停機(jī)模式喚醒。功耗典型值小于1.5μA。4)活躍停機(jī)(Activehalt)模式:CPU、主時(shí)鐘和外設(shè)全部關(guān)閉,RTC仍能工作?？赏ㄟ^(guò)外設(shè)中斷喚醒。此模式與停機(jī)模式類似,但它不需要外部中斷喚醒。它使用AWU,在一定的延時(shí)后產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)部喚醒事件,延遲時(shí)間是用戶可編程的。四種STM8L低功耗模式的主要特性如表1。詳細(xì)敘述請(qǐng)參看STM8L數(shù)據(jù)手冊(cè)。1.2測(cè)量及具體電路微型血糖儀項(xiàng)目設(shè)計(jì)目標(biāo)功耗是運(yùn)行模式電流消耗不超過(guò)6mA,睡眠模式電流不超過(guò)6μA,以最大限度節(jié)省電池待機(jī)功耗。這里最大難點(diǎn)是整機(jī)待機(jī)功耗不超過(guò)6μA。根據(jù)上述功耗要求,系統(tǒng)分為血糖檢測(cè)電路、人機(jī)接口電路、USB通信接口電路、電源電路等?？刂坪诵倪x用STM8L151,最高運(yùn)行頻率16M,內(nèi)置16K閃存,片內(nèi)集成12位ADC、DAC、UART、RTC等外設(shè)豐富。系統(tǒng)方案簡(jiǎn)圖如圖1所示。血糖檢測(cè)電路需要MCU輸出給葡萄糖氧化酶印刷電極的一個(gè)測(cè)量電壓,然后通過(guò)模擬開關(guān)控制測(cè)量電壓加在電極上的時(shí)間。測(cè)量電路還需要MCU內(nèi)部1.224V電壓基準(zhǔn)輸出,經(jīng)過(guò)放大2倍后再送給MCU作為ADC和DAC的參考電壓。MCU采用4線SWIM接口進(jìn)行在線調(diào)試或燒寫程序。為了使設(shè)備能在上位機(jī)指令下工作以及測(cè)試數(shù)據(jù)能夠方便傳出,設(shè)計(jì)了UART到USB的通信轉(zhuǎn)換接口。利用MCU的UART信號(hào)轉(zhuǎn)成USB信號(hào)能和PC機(jī)連接。人機(jī)接口方案采用2個(gè)獨(dú)立按鍵及COG液晶顯示。選用WLO-0088A型號(hào)的COG字符型液晶顯示器,可顯示16×2個(gè)5×8點(diǎn)陣的字符。它主要采用動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)原理由行驅(qū)動(dòng)—控制器和列驅(qū)動(dòng)器兩部分組成了90(列)×16(行)的全點(diǎn)陣液晶顯示。此顯示器采用了COG的軟封裝方式,通過(guò)FPC連接LCD,連接可靠,工作電壓為3.3V,與CPU接口采用I2C串行方式。為了實(shí)現(xiàn)低功耗目標(biāo),2節(jié)3V干電池首先直接給控制核心供電,保證MCU一直有電,其他外設(shè)電路如液晶、模擬開關(guān)、血糖測(cè)量電路等采用PNP三極管控制供斷電。為了達(dá)到6uA超低功耗,當(dāng)測(cè)量需要時(shí)供給外設(shè)電源,測(cè)量不需要(睡眠)時(shí)給外設(shè)斷電。其中獨(dú)立按鍵和USB通信接口電路不需要電池供電。整個(gè)供電如圖1細(xì)線箭頭所示。為了控制整機(jī)睡眠電流,需要對(duì)STM8L151進(jìn)行詳細(xì)的低功耗設(shè)計(jì)如下。1)睡眠時(shí)低功耗模式選為Halt,以獲得最低CPU靜態(tài)電流。2)睡眠時(shí)關(guān)斷液晶、模擬開關(guān)及測(cè)量電路供電。3)睡眠時(shí)關(guān)閉通信接口,將所有MCU的IO口設(shè)置至最低功耗狀態(tài)。4)睡眠時(shí)對(duì)MCU內(nèi)部進(jìn)行合理設(shè)置。2睡眠時(shí)接地及供電硬件電路設(shè)計(jì)均圍繞設(shè)備功耗為主要問(wèn)題展開。其中,人機(jī)接口、血糖檢測(cè)及通信接口供電由CPU控制,睡眠時(shí)斷電。下面給出血糖檢測(cè)電路及供電電路設(shè)計(jì)原理。2.1印刷電極的測(cè)量血糖檢測(cè)電路如圖3所示。其中U2是雙運(yùn)放,5、6、7腳與R1,R3組成2倍放大,把MCU輸出的參考電壓放大為2.448V后,用來(lái)給R2,RT組成的溫度測(cè)量電路供電,同時(shí)再輸出給MCU作為ADC/DAC的參考電壓。這是RT是50K熱敏電阻,選用型號(hào)MF52E-503-3950。U2運(yùn)放的1、2、3腳與R4,C4及R28組成電流測(cè)量電路,是一個(gè)電壓跟隨器。運(yùn)放3腳接收來(lái)自MCU中DAC輸出的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量電壓,此電壓經(jīng)過(guò)L1、C3、D1組成的LC濾波后更加平穩(wěn)。MCU用2路ADC分別測(cè)量運(yùn)放第2腳電壓及第1腳電壓,二者之電壓差值除以R4的阻值,即流過(guò)印刷電極CZ1的電流值。模擬開關(guān)U3,U6受MCU的2個(gè)GPIO信號(hào)ASC1,ASC2控制。ASC1決定施加給印刷電極電壓的時(shí)間,ASC2切換電流測(cè)量電阻的阻值。R22是本部分模擬電路經(jīng)磁珠與數(shù)字地共地。2.2dc-dc變換器儀器整機(jī)為3.3V供電,有兩路電源,一路是3節(jié)7號(hào)電池,另一路是當(dāng)插入U(xiǎn)SB連接PC機(jī)時(shí)USB的5V電源。使用AS1360用作DC-DC變換器。AS1360是一種靜態(tài)電流極低的LDO,當(dāng)靜態(tài)時(shí)僅耗電1.2μA。電源電路原理如圖4所示。用2個(gè)三極管9012控制2個(gè)電源VDD1和VDD2,基極用MCU的GPIO控制。VDD1是血糖檢測(cè)電路供電,VDD2是液晶供電。這樣,當(dāng)設(shè)備睡眠時(shí),通過(guò)MCU控制所有外設(shè)都斷電,以使待機(jī)功耗最低。3halt模式的實(shí)現(xiàn)低功耗程序設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)考慮系統(tǒng)設(shè)置如下:1)在本系統(tǒng)應(yīng)用中,由于MCU進(jìn)入Halt模式,喚醒后重啟。因此AL位置0。2)當(dāng)進(jìn)入睡眠后,無(wú)用的GPIO全部設(shè)置為推免輸出低電平,以使功耗最低。3)本應(yīng)用中,外設(shè)時(shí)鐘包括比較器、ADC、DAC、UART、TIM1,TIM2,TIM3,TIM4(所有TIM)、Beep、內(nèi)部電源PVD(低電壓檢測(cè)器)全部關(guān)閉。4)本應(yīng)用中進(jìn)入Halt前,清除所有中斷。5)本應(yīng)用中喚醒為2路:插入試條中斷喚醒和開關(guān)機(jī)按鍵喚醒。兩種喚醒均為外部中斷,下降沿有效。喚醒時(shí)鐘源選擇CLK_ICKCR寄存器的FHW位置0,即系統(tǒng)仍然以睡眠之前的時(shí)鐘重啟。本系統(tǒng)進(jìn)入Halt流程如圖5所示。進(jìn)入Halt模式對(duì)應(yīng)StepIntoHalt()子函數(shù),功能是先設(shè)置電源管理寄存器,再設(shè)置GPIO,再關(guān)RTC時(shí)鐘,執(zhí)行halt()指令,進(jìn)入Halt模式。這里特別指出需要關(guān)RTC時(shí)鐘,不能讓RTC工作,否則整機(jī)功耗降不到6μA以下。主程序主循環(huán)中執(zhí)行以下代碼。先判斷是否滿足睡眠條件,若滿足,先給MCU芯片以外設(shè)備斷電,再關(guān)閉MCU中外設(shè),再把系統(tǒng)時(shí)鐘切換至LSI最后執(zhí)行StepIntoHalt()子函數(shù)系統(tǒng)進(jìn)入睡眠。4硬件設(shè)備測(cè)量經(jīng)過(guò)開發(fā)調(diào)試,重點(diǎn)測(cè)試了整機(jī)工作電流,獲得如表2數(shù)據(jù)。共選用4臺(tái)整機(jī)設(shè)備,每