基于澎湃微PT32x033系列的NTC應(yīng)用：血糖儀環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方案

一、引言

血糖儀作為現(xiàn)代醫(yī)療診斷的重要工具，其準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性對(duì)病患的健康管理至關(guān)重要。血糖儀的工作原理是通過電化學(xué)原理，測(cè)試血糖試紙反應(yīng)區(qū)內(nèi)的生化酶與血液中的葡萄糖產(chǎn)生的微電流，再轉(zhuǎn)化成葡萄糖濃度讀數(shù)。這一過程對(duì)于測(cè)試環(huán)境的溫度有著較高的要求，適宜血糖儀運(yùn)作的溫度一般來說在10℃~40℃之間，太冷或者太熱的環(huán)境均會(huì)影響其測(cè)試準(zhǔn)確性。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)有效的環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)血糖儀的測(cè)試精度和可靠性具有重大意義。

本文基于澎湃微PT32x033系列MCU，提出了一種基于NTC電阻（負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻）的血糖儀環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方案。通過詳細(xì)闡述主控芯片的型號(hào)、功能及其在設(shè)計(jì)中的具體作用，旨在為血糖儀的環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)提供一種高效、可靠的解決方案。

二、主控芯片型號(hào)及功能

2.1 主控芯片型號(hào)

本方案采用的主控芯片為澎湃微PT32x033系列MCU。該系列MCU以其低功耗和豐富的外設(shè)模塊著稱，特別適用于血糖儀等便攜式醫(yī)療設(shè)備。

具體來說，PT32x033系列MCU包括多個(gè)型號(hào)，如PT32L033等。這些型號(hào)在功能和外設(shè)上略有差異，但均具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和低功耗特性，能夠滿足血糖儀環(huán)境監(jiān)測(cè)的需求。

2.2 主控芯片功能

PT32x033系列MCU的主要功能包括：

1. 低功耗設(shè)計(jì)：

• 提供正常工作模式和低功耗模式，其中低功耗模式又分為普通休眠低功耗模式和深度休眠低功耗模式。

• 一顆紐扣電池至少能保障儀器正常工作3年。

• 可以通過失能未被使用的時(shí)鐘源、外設(shè)，以及配置GPIO為輸入同時(shí)做下拉處理等方式進(jìn)一步降低功耗。

2. 高性能外設(shè)：

• 內(nèi)嵌LCD驅(qū)動(dòng)器，支持多種復(fù)用技術(shù)，可用于驅(qū)動(dòng)液晶顯示屏。

• 集成兩路高性能的OPA（運(yùn)算放大器），用于小信號(hào)放大。

• 集成一路12位的ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）和一路12位的DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器），用于信號(hào)的采集和轉(zhuǎn)換。

3. 實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）：

• 提供高精度的實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能，可用于記錄血糖測(cè)試的時(shí)間。

4. 靈活的電源管理：

• 提供多種電源管理策略，包括電源調(diào)整器部分（Power Regulator），用于產(chǎn)生LCD驅(qū)動(dòng)所需的最高直流電平。

5. 豐富的接口：

• 提供多種通信接口，如UART、SPI、I2C等，便于與其他外設(shè)或上位機(jī)進(jìn)行通信。

三、NTC電阻在血糖儀中的應(yīng)用

3.1 NTC電阻概述

NTC電阻，即負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，指的是阻值隨溫度上升而呈指數(shù)關(guān)系減小的現(xiàn)象和材料。NTC熱敏電阻一般以錳、鈷、鎳和銅等金屬氧化物為主要材料，采用陶瓷工藝制造而成。這些金屬氧化物在導(dǎo)電方式上完全類似鍺、硅等半導(dǎo)體材料：溫度越低，這些氧化物材料的載流子（電子和空穴）數(shù)目減少，其電阻增大；溫度越高，氧化物材料的載流子數(shù)目增多，其電阻減小。NTC電阻以其成本低、精度高的特性，被越來越廣泛地應(yīng)用在各種場(chǎng)合。

3.2 NTC電阻在血糖儀中的應(yīng)用

血糖儀采用電化學(xué)原理，測(cè)試血糖試紙反應(yīng)區(qū)內(nèi)的生化酶與血液中的葡萄糖產(chǎn)生的微電流，再轉(zhuǎn)化成葡萄糖濃度讀數(shù)。這一過程對(duì)于測(cè)試環(huán)境的溫度有著較高的要求。使用NTC電阻檢測(cè)溫度并對(duì)結(jié)果進(jìn)行溫度補(bǔ)償，可以避免測(cè)試結(jié)果因外界溫度產(chǎn)生偏差，耽誤病患的治療。

四、基于PT32x033的NTC應(yīng)用方案

4.1 NTC電路設(shè)計(jì)

NTC常規(guī)的應(yīng)用是將熱敏電阻和普通電阻器串聯(lián)連接，并施加以恒定電壓VIN，再將端點(diǎn)電壓VNTC接入到ADC中采樣。使用這種電路，熱敏電阻此時(shí)的阻值可以通過相應(yīng)的公式計(jì)算得出。

在血糖儀應(yīng)用中，PT32x033提供了幾種配置策略來提供恒定的電壓源VIN，如通過AVREF+引腳或間接通過DVREF+引腳接入BG2v0作為恒壓源。

4.2 ADC配置與采樣

PT32x033內(nèi)部集成了一個(gè)12bit分辨率的高精度ADC，提供了多個(gè)可選的參考源，如VDDA、BG2V0、AVREF+等。在血糖儀應(yīng)用中，選擇BG2v0以提供成本和精度間的最佳平衡。

ADC的采樣率可支持到500KSPS，能夠滿足血糖儀對(duì)環(huán)境溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求。通過ADC采樣得到的VNTC電壓值，可以進(jìn)一步通過計(jì)算得出NTC電阻的阻值。

4.3 溫度算法實(shí)現(xiàn)

NTC的溫度算法常見的有三種：B值法、查表法和線性擬合法。其中，B值法需要占用較大的計(jì)算資源，但其得出的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度較高。血糖儀Demo板上使用的就是這種方法。

B值法根據(jù)一條公式，僅需要代入NTC電阻值和B值這兩個(gè)變量，即可獲取溫度值。公式中的TN為常量，表示25℃的開爾文溫度單位（298.15K），B為變量，指NTC電阻的B值。血糖儀Demo板上使用的NTC電阻B值為3380。

通過PT32x033的MCU內(nèi)部處理器，可以實(shí)時(shí)計(jì)算并得出環(huán)境溫度值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)血糖儀測(cè)試環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和補(bǔ)償。

五、低功耗設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

5.1 低功耗模式配置

PT32x033提供兩種低功耗模式：普通休眠低功耗模式和深度休眠低功耗模式。在正常工作模式下，可以通過失能未被使用的時(shí)鐘源、外設(shè)，以及配置GPIO為輸入同時(shí)做下拉處理等方式進(jìn)一步降低功耗。

使用ARM Cortex-M0的Wait for Interrupt (WFI)和wait for Event (WFE)兩條指令可以使芯片進(jìn)入休眠模式或深度睡眠模式。當(dāng)執(zhí)行WFI或WFE指令后，芯片進(jìn)入哪種低功耗模式，由系統(tǒng)控制寄存器(SCR)的SLP位決定。

5.2 超低功耗設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

在超低功耗模式下，需要注意以下幾點(diǎn)：

• PB9管腳由于作為Crystal_OUT管腳內(nèi)部存在下拉反饋電阻，因此休眠過程不能存在外部或者內(nèi)部上拉電阻導(dǎo)致漏電。

• 超低功耗模式下，不相關(guān)的模擬外設(shè)軟件需要主動(dòng)關(guān)閉，比如內(nèi)部2V參考以及OPA。

• 超低功耗模式下，不相關(guān)的引腳復(fù)用功能全部清除并且軟件做下拉處理。

• WFE為事件喚醒方式，那么只需要配置NVIC以及中斷類型（無需響應(yīng)中斷）即可產(chǎn)生喚醒；如配置為WFI中斷喚醒方式，那么需要使能中斷（需要響應(yīng)中斷）才可產(chǎn)生喚醒。

六、軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

6.1 軟件架構(gòu)

軟件設(shè)計(jì)采用模塊化架構(gòu)，主要包括以下幾個(gè)模塊：

• 初始化模塊：負(fù)責(zé)系統(tǒng)初始化、時(shí)鐘配置、外設(shè)初始化等。

• ADC采樣模塊：負(fù)責(zé)NTC電阻電壓的采樣和轉(zhuǎn)換。

• 溫度計(jì)算模塊：根據(jù)采樣得到的電壓值，通過B值法計(jì)算得出環(huán)境溫度值。

• LCD顯示模塊：將環(huán)境溫度值顯示在液晶顯示屏上。

• 低功耗管理模塊：負(fù)責(zé)低功耗模式的配置和切換。

6.2 關(guān)鍵代碼實(shí)現(xiàn)

以下是部分關(guān)鍵代碼的實(shí)現(xiàn)示例：

// ADC初始化配置  

void ADC_Init(void)  

{

// 配置ADC控制寄存器  

ADC_CR = ...;

// 配置ADC狀態(tài)寄存器  

ADC_STAU = ...;

// 配置ADC數(shù)據(jù)寄存器  

ADC_DATA = ...;

// 配置ADC采樣時(shí)間寄存器  

ADC_SAMPLE = ...;

// 啟動(dòng)ADC  

ADC_CR |= ADC_CR_EN;

}



// 溫度計(jì)算函數(shù)  

float CalculateTemperature(uint16_t adcValue)  

{

// 根據(jù)NTC電阻的阻值和B值計(jì)算溫度  

// 公式：TN = (B * T * ln(R/R0)) / (B + T * ln(R/R0)) + T0  

// 其中，TN為溫度（K），T為常數(shù)（298.15K），R為NTC電阻阻值，R0為NTC電阻在25℃時(shí)的阻值，B為NTC電阻的B值  

// adcValue為ADC采樣得到的電壓值，需要通過公式轉(zhuǎn)換為NTC電阻的阻值  

float R = ...; // 根據(jù)adcValue計(jì)算得到的NTC電阻阻值  

float TN = (B * 298.15 * log(R / R0)) / (B + 298.15 * log(R / R0)) + 298.15;

return TN - 273.15; // 將開爾文溫度轉(zhuǎn)換為攝氏度  

}



// LCD顯示函數(shù)  

void LCD_DisplayTemperature(float temperature)  

{

// 將溫度值顯示在LCD上  

// 具體實(shí)現(xiàn)依賴于LCD驅(qū)動(dòng)器的配置和顯示邏輯  

...

}



// 低功耗管理函數(shù)  

void LowPowerMode_Enter(void)  

{

// 配置系統(tǒng)控制寄存器，準(zhǔn)備進(jìn)入低功耗模式  

SCR = ...;

// 執(zhí)行WFI或WFE指令，

進(jìn)入低功耗模式。

// 對(duì)于WFI指令，芯片會(huì)等待中斷喚醒；

// 對(duì)于WFE指令，芯片會(huì)等待特定事件喚醒。

__WFI(); // 或者使用 __WFE() 根據(jù)具體需求選擇。



// 注意：在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的低功耗需求和喚醒條件，

// 配置相應(yīng)的中斷和事件，以確保在低功耗模式下能夠正確喚醒。

}

// 主函數(shù)
int main(void)
{
// 系統(tǒng)初始化
System_Init();

// ADC初始化

ADC_Init();



// 無限循環(huán)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度

while (1)

{

// 采集NTC電阻的電壓值

uint16_t adcValue = ADC_Sample();



// 計(jì)算環(huán)境溫度

float temperature = CalculateTemperature(adcValue);



// 顯示環(huán)境溫度

LCD_DisplayTemperature(temperature);



// 如果沒有其他任務(wù)需要處理，進(jìn)入低功耗模式

LowPowerMode_Enter();

}



// 注意：在實(shí)際應(yīng)用中，通常不會(huì)直接在這里進(jìn)入低功耗模式，

// 因?yàn)闀?huì)有其他任務(wù)（如按鍵掃描、通信處理等）需要處理。

// 這里只是為了演示低功耗模式的進(jìn)入方式。



return 0; // 雖然對(duì)于嵌入式系統(tǒng)來說，main函數(shù)通常不會(huì)返回。

}

// ADC采樣函數(shù)（示例）
uint16_t ADC_Sample(void)
{
// 啟動(dòng)ADC采樣
ADC_CR |= ADC_CR_START;

// 等待采樣完成（可以通過查詢狀態(tài)寄存器或中斷方式實(shí)現(xiàn)）

// 這里為了簡(jiǎn)化示例，使用簡(jiǎn)單的延時(shí)等待（不推薦在實(shí)際應(yīng)用中使用）

for (volatile int i = 0; i < 1000000; i++);



// 讀取ADC數(shù)據(jù)

uint16_t adcValue = ADC_DATA;



// 停止ADC采樣（如果需要）

ADC_CR &= ~ADC_CR_START;



return adcValue;

}

// 系統(tǒng)初始化函數(shù)（示例）
void System_Init(void)
{
// 配置系統(tǒng)時(shí)鐘
SystemClock_Config();

// 初始化GPIO

GPIO_Init();



// 初始化LCD

LCD_Init();



// 其他初始化操作...

}

// 系統(tǒng)時(shí)鐘配置函數(shù)（示例）
void SystemClock_Config(void)
{
// 根據(jù)具體需求配置系統(tǒng)時(shí)鐘
// 這里只是一個(gè)示例，具體實(shí)現(xiàn)依賴于具體的MCU型號(hào)和時(shí)鐘源
...
}

// GPIO初始化函數(shù)（示例）
void GPIO_Init(void)
{
// 根據(jù)具體需求配置GPIO
// 這里只是一個(gè)示例，具體實(shí)現(xiàn)依賴于具體的MCU型號(hào)和GPIO配置需求
...
}

// LCD初始化函數(shù)（示例）
void LCD_Init(void)
{
// 根據(jù)具體需求初始化LCD
// 這里只是一個(gè)示例，具體實(shí)現(xiàn)依賴于具體的LCD型號(hào)和驅(qū)動(dòng)方式
...
}