基于C8051F040单片机的动态血糖监测系统的低功耗设计

潘佚

（南华大学 电气工程学院，湖南 衡阳 421001）

2007-2008年的调查显示，我国20岁以上人群中男性和女性糖尿病的患病率分别达10.6%和8.8%，总体患病率已达9.7%，同期糖尿病前期的患病率高达15.5%[1]。因此，糖尿病已成为我国面临的一个重大的公共卫生问题，其防治具有极其重要的意义。糖尿病防治过程中最重要的步骤是进行血糖监测。利用快速血糖仪测血糖，可以很快获得结果，及时调整治疗[2-6]，动态血糖监测则可以提供血糖连续变化的信息。动态血糖仪使用电池供电，在系统设计中功耗问题显得尤为重要。集成度高、低功耗的微处理器是降低系统功耗的关键。本文采用了混合信号片上系统级单片机C8051F040达到了低功耗的目的。

1 血糖仪系统结构

动态血糖监测系统的一般结构如图1所示，包括模拟模块和数字模块。模拟模块的功能是对生物传感器（葡萄糖氧化酶电极）的输出信号进行采集、放大、滤波和模数转换；数字模块的核心是微处理器，负责对采集到的数据进行存储、处理、与上位机通讯、液晶显示、发现异常信号时报警。系统的外围器件较多，在满足设计指标的条件下应选用低功耗特性的产品。动态血糖监测需要在一段长时间内进行间断的、定时的（如30分钟）连续测量，意味着微处理器不能同其他设备一样，为了省电在不工作时完全关断，而必须一直处于监控状态，因此微处理器的功耗在系统平均功耗中占有相当大的比例，微处理器本身功耗的大小对系统整体功耗的影响很大[7]。

2 几种低功耗处理器比较

目前在系统设计中广泛应用的低功耗单片机已有多种。表1给出了TI、ATMEL和Silabs公司的三种典型的低功耗微处理器的功耗比较[8]。表中正常模式电流消耗数据指MCU工作主频在1 MHz时，节能模式数据指各厂商微处理器适用于本系统的低功耗模式。

表1 三种常用低功耗微处理器的功耗参数Tab.1 Power consumption parameter of common MCUs

虽然MSP430F16x和ATMEGA16L系列微处理器的功耗也很低，但综合考虑A/D、D/A转换器精度、各接口类型和数量、存储器、PGA等可用资源情况，C8051F040更利于减少外围器件的数量，减小系统的体积，从而达到降低整个系统功耗的目的。C8051F040采用了流水线处理构架，集成12位ADC和DAC模块，芯片温度传感器，3个史密斯比较器模块，一个SPI串行外围设备接口控制器，一个SMBUS总线控制器 （与I2C完全兼容），64K Flash Rom，256 BYTE片内存储器和4K BYTE外部存储器，两个外部事件中断（中断源可高达20个），5个定时器。高集成度和多中断源使得C8051F040在低功耗系统设计中有很大的优势[8]。本设计中通过对微处理器的工作电压、晶振频率和软件优化实现最大限度地降低功耗。

3 低功耗策略

影响CMOS数字逻辑器件功耗的因素主要有两方面：供电电压和系统时钟（SYSCLK）频率。其中功耗与系统时钟的关系用下式来表达：

式中，C为CMOS的负载电容，V是电源电压，f是系统时钟频率。由上式可以看出，CMOS逻辑电路中的电流与电源电压成正比，功耗与电源电压的平方成正比，降低器件的供电电压可以减小功耗。C8051F040所要求的电源电压为2.7～3.6 V，为了减小功耗，设计中使用3.0 V的稳压器而不采用3.3 V的稳压器。外围器件均使用3 V的电源供电，并具有关断或待机功能。

C8051F040的系统时钟可以来自内部振荡器，也可以来自一个外部时钟源。内部可编程振荡器可提供最高24.5 MHz的时钟频率；外部时钟源可以是一个CMOS时钟、RC电路电容或晶体振荡器。

动态血糖测量是一种“猝发”操作，即测量要求高速度，但只是在很短的时间间隔发生。对C8051F040来说，SYSCLK频率可在任何时刻改变，因此器件平时可工作在较低的频率，直至某个需要高速操作的条件发生（如定时器中断）。

本设计中，C8051F040使用一个实时时钟提供时间戳来进行高速数据转换，一个内部振荡器和外部晶体的组合是最理想的方案：在采样和数据处理操作期间使用高速内部振荡器，操作结束后使用一个外部32 kHz晶体以维持实时时钟，一旦重新需要高速操作，微处理器将切换到内部振荡器，如图2所示。

图2 内部和外部振荡器配置方案Fig.2 Configuration scheme of internal and external oscillators

4 低功耗系统的软件设计与优化

C8051F040的可编程内部振荡器最高可达24.5 MHz，根据血糖监测的需要，本设计中使用其8分频作为高速模式已经足够，外部则使用32 kHz晶振待机。系统时钟的初始化代码如下：

C8051F040通过IO口控制各个外围设备和电源管理芯片；用高速模式进行采样、计算、存储和显示，完成一次测量后，系统进入待机，关闭AD及所有外设，切换到外部晶振，直到下一次被定时器中断唤醒。C8051F040有5个定时/计数器，在系统设计中用定时器3中断提供测量所需的时间戳。代码如下：

在这样的设计下，可以通过计算平均电流来估算功率需求。微处理器在正常方式（用于采样、数据转换、处理）和等待方式（两个采样处理操作之间）之间切换。等待方式下，外部时钟频率32 kHz，外围器件关闭。仅考虑微处理器的话，等待方式下的模拟外设被禁止，模拟电流消耗（电源监视模块）约为0.6 μA；数字部件的电流消耗约为 0.65 mA/MHz，计算可得20.8 μA。微处理器在等待时的总消耗电流约为21 μA。

理论上来说，高速模式运行的时间是ADC跟踪/转换时间并将样本保存到存储器的时间。C8051F040的ADC模块在低功耗跟踪方式下，有3个SAR时钟用于跟踪，16个SAR时钟用于转换。这19个SAR时钟在频率为3 MHz时需要6.3 μs；存储采样值需要两个 SYSCLK 周期即 0.083 μs。进入正常方式需要执行一条MOV指令，消耗3个SYSCLK周期即0.125 μs。因此，在高速模式一次采样需要的总时间为6.5 μs。

实际情况要复杂得多。微处理器在启动DC-DC时，往往会出现一个瞬时电流峰值，因此到DC-DC输出稳定之前系统需要等待几毫秒；为了提高信噪比，系统需要在每次测量时进行多次采样和数字滤波；存储测量结果时，对外围器件（铁电）的读写也包含较多的等待周期等等，这些都增加了系统实际功耗，计算也比较复杂。虽然如此，本设计中动态血糖监测要求每30分钟对电极输出进行一次采样，系统高速运行时间比等待时间仍然少得多。

在软件优化上，应用定时中断的方式减少CPU的工作时间、应用片内定时/计数器的定时计数功能进行定时测量或对信号计数，尽可能不使用查询或等待方式，有利于减小系统功耗。

表2 动态血糖监测系统电流消耗Tab.2 The current consumption of continuous glucosemonitoring system

通过硬件和软件的优化设计，测得系统在高速（含采样）工作态的电流为12 mA左右，在待机模式下工作电流降低至5.4 mA。该系统各部分在不同工作模式下的电流消耗如表2所示。实际测试中，利用2 500 mAh的5号电池供电时，系统可以工作450 h左右，满足设计要求，便于随身携带。

5 结束语

文中比较了多种低功耗单片机，从动态血糖监测系统需求出发，使用集成度高、功耗低、具备高精度ADC的C8051F040单片机作为微处理器，采用了内部振荡器和外部晶体组合的系统时钟，充分利用各种中断源和低功耗模式，选用低功耗的外围器件，有效降低了系统总功耗，实现400小时以上的连续血糖监测。各种工作模式均在基于C8051F040的动态血糖监测系统上得到验证。

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