【应用】一文读懂血糖监测仪高精度测量的秘密：RL78/L1A系列低功耗16位微控制器

时间： 2019-02-15 来源：RENESAS

据世界卫生组织(WHO)的估计，2014年全球的成年糖尿病患者达到4.22亿人。这相当于18岁以上成年人口的8.5%，比1980年的4.7%增加了几乎一倍。对于糖尿病患者而言，为了控制病情和潜在的并发症，频繁且持续监测血糖是日常生活中的重要内容。为了做到这一点，便携式血糖监测仪已经被广泛使用。此外，通过一台监测设备实施多种测量功能(如血糖和血红蛋白)已成为行业趋势。但是，这些功能需要更复杂的系统配置、更高的测量精度以及更长的电池续航时间。

瑞萨电子RL78/L1A系列低功耗16位微控制器是专为医疗应用中使用的电池供电型感应设备，如血糖监测仪、乳酸盐分析仪、胆固醇分析仪和其它配备生物化学传感器的设备而设计的。它采用80和100引脚的LFQFP封装，配备液晶显示器(LCD)驱动器和增强型模拟外设，如12位A/D转换器、12位D/A转换器、比较器、高精度轨至轨运算放大器和开关结构，闪存容量最高可达128KB。通过使用直接传送控制(DTC)和事件链路控制器(ELC)等智能功能，可以在内部连接许多外围设备，以减少CPU工作量，并可节省整体功耗。

图1.RL78/L1A单片机性能方框图

考虑到系统设计人员将利用RL78/L1A来制造紧凑、轻质且电池续航时间更长的医疗设备，瑞萨电子对内置的模拟前端(AFE)生物感应电路进行了各种电路改进，低功耗(1.7mA@ 24MHz , 3V RUN；1.1μA@HALT模式 LCD+RTC:ON；0.41μA@HALT模式RTC:ON；0.22μA@ STOP模式)和大幅降低供电电压就是其中之一。例如，之前的模拟电路最低只能以2.4V电压运行，而这些新产品可以在2.0V的电压下运行，ADC/DAC的工作电压甚至低于2.0V。这些改进可使血糖监测仪主要功能的测量电路一直运行到系统有效电池续航时间的最后一刻。

图2.RL78/L1A工作电压低至2.0V

在医疗领域，测量各种生命体征时，提高微控制器内模拟功能和数字处理性能的效率非常重要。因此，瑞萨电子将原先作为外部组件提供的模拟和数字元件集成到一块芯片上，从而减小了电路板的尺寸并降低最终产品的成本，集成高精度24MHz +/-1%片上振荡器就是很好的例证。

图3.RL78/L1A内置丰富的模拟和数字功能

RL78/L1A系列采用了之前在微控制器AFE中不常用的模拟开关，将开关与内置的数模转换器相结合，可以在目标更改时切换测量电路(包括软件中的外部电路)。例如，在血糖监测仪等设备中，根据血液成分的差异调整测量精度已经成为一个问题，交替测量血红蛋白和血糖水平等灵活方法可以解决这些问题。另一方面，瑞萨电子提供的参考软件可使用内部AFE功能，从而更轻松地提高精度。除了提高设备精度以外，该软件还能提供更高的稳定性，有助于提高用户系统中模拟功能的精度。

图4.RL78/L1A模拟前端框图

具体而言，就是设计人员在RL78/L1A的模拟前端中内置跨阻放大器做电流/电压转换，利用反馈回路外部电阻集成式模拟开关，客户可以获得覆盖多个传感器(比如试纸)的通用平台降低生产成本。在这一过程中，反馈电阻可通过软件切换，一个含有可能阻值的通用PCB可覆盖多个系统。

前文提到的12位DAC则可用作传感器偏置电压，两个双通道DAC有专用输出管脚支持使用两个OPA一个DAC共享，这样有助于客户同步偏置电压，利用两个结果之差消除偏差。同时，RL78/L1A还内置了参考电压源(Vref)。在实际应用中，片上带隙参考(BGR)可生成具有四个电压电平选项(2.5V,2.048V,1.8V,1.5V)的内部参考电压源，不必再使用额外的外部组件。

为使系统开发人员可以立即评估RL78/L1A的功能，瑞萨电子还同步推出了推广演示板(RENESAS Promotional Board, RPB)。该RPB采用RL78/L1A LCD器件以及丰富的模拟功能，包括12位ADC和DAC、比较器和R2R OPAMP多路复用器功能，超低功耗模式并通过DTC和ELC等智能功能降低CPU负载，128 x 128彩色点阵PMOD显示器用作GUI控制和演示显示器。

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