一种血糖仪的交流阻抗测量电路、方法及装置与流程

本发明涉及电子技术领域，特别是涉及一种血糖仪的血液全血交流阻抗测量电路、方法及装置。

背景技术：

血糖仪又称血糖计，是一种测量人体血液全血中葡萄糖水平的电子仪器。血糖仪从工作原理上分为光化学型和电化学型两种。目前市场上主流的血糖仪产品为电化学型。人体血液全血中含有红细胞，红细胞占全血的容积比被称为红细胞压积。使用电化学法测量血糖，其准确度会受到红细胞压积的影响。红细胞压积可通过测量血液全血的交流阻抗来确定，进而根据红细胞压积的大小来校正血糖测量值。因此在使用电化学法测量血糖中，交流阻抗测量是一项重要的内容。

现有技术中，对于血液的交流阻抗的测量，需要使用正弦波作为激励信号，因此需要正弦波发生器。由于正弦波发生器成本较高，导致整个测量电路成本昂贵。

由此可见，如何降低交流阻抗测量电路的成本是本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种血糖仪的交流阻抗测量电路、方法及装置，用于降低交流阻抗测量电路的成本。

为解决上述技术问题，本发明提供一种血糖仪的交流阻抗测量电路，包括第一运算放大器、第二运算放大器、方波发生器、反馈电阻和模数转换器；

所述方波发生器与所述第二运算放大器的同相输入端连接，所述第二运算放大器的反相输入端和所述第二运算放大器的输出端连接；

所述第一运算放大器的同相输入端接地，所述第一运算放大器的输出端与所述反馈电阻的第一端和所述模数转换器连接，所述第一运算放大器的反相输入端与所述反馈电阻的第二端连接；

其中，在测量过程中，所述第一运算放大器的反相输入端与待测阻抗的第一端连接，所述第二运算放大器和反向输入端与所述待测阻抗的第二端连接。

优选地，所述模数转换器的采样频率fs≥4f；

其中，f为所述方波发生器输出的方波的频率。

优选地，所述模数转换器为二阶Sigma-Delta型。

为解决上述技术问题，本发明提供一种血糖仪的交流阻抗测量方法，基于上述所述的血糖仪的交流阻抗测量电路，包括：

获取方波发生器的正峰值和所述方波发生器的负峰值，并得到所述正峰值与所述负峰值的电压差值；

获取模数转换器采集到的第一电压值和第二电压值；

根据所述第一电压值得到流过反馈电阻的第一电流值，根据所述第二电压值得到流过所述反馈电阻的第二电流值，并计算所述第一电流值和所述第二电流值的电流差值；

计算所述电压差值与所述电流差值的比以得到所述待测阻抗的阻值。

优选地，还包括：计算采样点对应的电流相位与电流达到峰值时的相位的差值以得到相位偏移值；

计算所述模数转换器中的抽样滤波器在所述相位偏移值下的误差；

根据所述误差对所述第一运算放大器的输出端的电压进行误差补偿。

为解决上述技术问题，本发明提供一种血糖仪的交流阻抗测量装置，基于上述所述的血糖仪的交流阻抗测量电路，包括：

第一获取单元，用于获取方波发生器的正峰值和所述方波发生器的负峰值，并得到所述正峰值与所述负峰值的电压差值；

第二获取单元，用于获取模数转换器采集到的第一电压值和第二电压值；

电流差值计算单元，用于根计算采样点对应的电流相位与电流达到峰值时的相位的差值以得到相位偏移值；

阻值计算单元，用于计算所述电压差值与所述电流差值的比以得到所述待测阻抗的阻值。

优选地，还包括：

相位偏移值计算单元，用于计算所述第一运算放大器的输出端的电压相位与所述第二运算放大器的输出端的电压相位以得到相位偏移值；

误差计算单元，用于计算所述模数转换器中的抽样滤波器在所述相位偏移值下的误差；

误差补偿单元，用于根据所述误差对所述第一运算放大器的输出端的电压进行误差补偿。

本发明所提供的血糖仪的交流阻抗测量电路、方法及装置，其中，血糖仪的交流阻抗测量电路包括第一运算放大器、第二运算放大器、方波发生器、反馈电阻和模数转换器。方波发生器与第二运算放大器的同相输入端连接，第二运算放大器的反相输入端和第二运算放大器的输出端连接；第一运算放大器的同相输入端接地，第一运算放大器的输出端与反馈电阻的第一端和模数转换器连接，第一运算放大器的反相输入端与反馈电阻的第二端连接。由此可见，本电路中激励信号的产生无需使用正弦波发生器，而是使用方波发生器，因此，能够降低电路的成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种血糖仪的交流阻抗测量电路图；

图2为本发明提供的一种血糖仪的交流阻抗测量方法的流程图；

图3为本发明提供的一种模数转换器的采样点的布局图；

图4为本发明提供的一种血糖仪的交流阻抗测量装置的结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

本发明的核心是提供一种血糖仪的交流阻抗测量电路、方法及装置。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明提供的一种血糖仪的交流阻抗测量电路图。如图1所示，一种血糖仪的交流阻抗测量电路，包括第一运算放大器OA1、第二运算放大器OA2、方波发生器100、反馈电阻R和模数转换器200。

方波发生器100与第二运算放大器OA2的同相输入端连接，第二运算放大器OA2的反相输入端和第二运算放大器OA2的输出端连接。

第一运算放大器OA1的同相输入端接地，第一运算放大器OA1的输出端与反馈电阻R的第一端和模数转换器200连接，第一运算放大器OA1的反相输入端与反馈电阻R的第二端连接。

其中，在测量过程中，第一运算放大器OA1的反相输入端与待测阻抗Z的第一端连接，第二运算放大器OA2和反向输入端与待测阻抗Z的第二端连接。

在具体实施中，方波发生器100的正峰值和负峰值是已知的，因此，能够并得到正峰值与负峰值的电压差值，记为

模数转换器200能够采集到正峰值和负峰值分别对应的第一电压值和第二电压值，记为V1和V2；

根据第一电压值V1得到流过反馈电阻R的第一电流值I1，根据第二电压值V2得到流过反馈电阻R的第二电流值I2，并计算第一电流值I1和第二电流值I2的电流差值，记为

通过如下公式就能计算电压差值与电流差值的比以得到待测阻抗的阻值。

$|\∂Z|=\left|\frac{\∂v}{\∂i}\right|=\frac{|\∂v|}{|\∂i|}.$

在具体实施中，方波发生器的正峰值和负峰值可以为400mV，但是在实施过程中，可能存在方波发生器不支持负电压输出的特殊情况，此时，可以采用基线平移的方式将负压抬升为正压，例如，将第一运算放大器OA1的同相输入端电压和方波发生器的峰值电压同步抬升，抬升幅度大于400mV，例如方波发生器100的正峰值抬升为1.6V，方波发生器100的负峰值抬升为0.8V，第一运算放大器OA1的同相输入端的电压抬升为1.2V。

可以理解的是，上述具体数字只是一种应用场景，并不代表只有这一种实施方式。

特别地，如果在计算过程中用到单片机的话，针对上述实施例中的方波发生器100可采用单片机中自带的DAC(数模转换器)产生。特别地，针对不支持负压的方案，可以采用基线平移，将负压部分抬升为正压，例如方波幅值为±400mV，则将第一运算放大器OA1的同相输入端电压和方波的峰值电压同步抬升大于400mV。例如上述实施例中的方波发生器100和第一运算放大器OA1的选取方式。

本实施例提供的血糖仪的交流阻抗测量电路，包括第一运算放大器、第二运算放大器、方波发生器、反馈电阻和模数转换器。方波发生器与第二运算放大器的同相输入端连接，第二运算放大器的反相输入端和第二运算放大器的输出端连接；第一运算放大器的同相输入端接地，第一运算放大器的输出端与反馈电阻的第一端和模数转换器连接，第一运算放大器的反相输入端与反馈电阻的第二端连接；其中，在测量过程中，第一运算放大器的反相输入端与待测阻抗的第一端连接，第二运算放大器和反向输入端与待测阻抗的第二端连接。由此可见，本电路中激励信号的产生无需使用正弦波发生器，而是使用方波发生器，因此，能够减小电路的使用成本。

作为优选的实施方式，模数转换器的采样频率fs≥4f；

其中，f为方波发生器输出的方波的频率。

作为优选的实施方式，模数转换器为二阶Sigma-Delta型。

图2为本发明提供的一种血糖仪的交流阻抗测量方法的流程图。血糖仪的交流阻抗测量方法，用于上述实施例所述的血糖仪的交流阻抗测量电路，包括如下步骤：

S10：获取方波发生器的正峰值和方波发生器的负峰值，并得到正峰值与负峰值的电压差值。

S11：获取模数转换器采集到的第一电压值和第二电压值。

模数转换器200的作用是采集第一电压值和第二电压值，本步骤是利用模数转换器得到第一电压值和第二电压值。

S12：根据第一电压值得到流过反馈电阻的第一电流值，根据第二电压值得到流过反馈电阻的第二电流值，并计算第一电流值和第二电流值的电流差值。

本步骤中是根据反馈电阻的阻值以及其两端的第一电压值和第二电压值得到电流差值，记为

S13：计算电压差值与电流差值的比以得到待测阻抗的阻值。

通过如下公式就能计算电压差值与电流差值的比以得到待测阻抗的阻值。

$|\∂Z|=\left|\frac{\∂v}{\∂i}\right|=\frac{|\∂v|}{|\∂i|}.$

为确保模数转换器200的采样频率与方波发生器100的频率同步，本发明提供一种可靠的方法：利用模数转换器200采样时间作为时基单元，例如要产生1kHz的方波信号，激励信号就需要每间隔500us翻转一次，因此，可将模数转换器200的采样周期设置为250us，并将模数转换器200设置为连续采样模式，用模数转换器200每次采样完成时产生的中断信号控制每采样2次完成后翻转方波发生器100的输出电压，从而实现信号的同步。

在具体实施中，由于待测阻抗含有电容性成分和电感性成分，导致采样点的电流相位与电流达到峰值时的相位有偏差，因此，为了保证测量精度，需要进一步获取电流相位的偏移值，具体过程如下：

作为一种优选的实施方式，还包括：

计算采样点对应的电流相位与电流达到峰值时的相位的差值以得到相位偏移值。

图3为本发明提供的一种模数转换器的采样点的布局图。按前述利用模数转换器200采样时间作为时基单元产生方波，则4个采样起点分别分布在信号正半周期的起始点和中点、负半周期的起始点和中点，如图3所示。

分别找到每半个周期内的最值，记为v_max＝v[p]，则定义k能够反映出相位偏移的情况，记相位偏移为P_os＝f(k)。

0相偏时，P_os＝0，刚好为真正的峰值点，此时k＝0；

当P_os逐渐增大，即模数转换器所采样的电流信号与方波发生器100输出的电压信号产生相位延迟时，k＞0，且偏移越大k越大，当偏移至v(p+1)＝v(p)-v(p-1)时，此时的相偏P_os＝p；

当相偏从p继续增大，刚跨过p点，即P_os→p⁺时，k_min＝-2，而此时的v_max＝v[p+1]之后随着P_os增大，k逐渐减小至0；

如此，k呈周期性分布，值域为-2≤k≤2

为便于编程和计算，将P_os进行数字化处理，即[-π，+π]平移、缩放为[0,255]，然后建立P_os-k的关系，通过Matlab对该电路系统进行建模仿真，通过产生不同的P_os，对应的k并绘制出曲线，再建立二者的三阶多项式对曲线进行拟合：

$P_{os}\left(k\right)=\underset{i=0}{\overset{3}{\Σ}}{a}_i{k}^i=a_0+a_{1}k+a_2{k}^2+a_3{k}^3$

a₀＝1.2901×10²，a₁＝-7.7321×10，

a₂＝--9.1894×10^-3，a₃＝3.4742

由此得到相位偏移值。

计算模数转换器中的抽样滤波器在相位偏移值下的误差。

特别地针对二阶Sigma-Delta型模数转换器，其内部数字抽样滤波器(DDF)的阶数必然大于或等于3，而基于上述应用，正半周期或负半周期均只可获得2个采样点，因而无法满足三阶数字抽样滤波器建立稳定，即DDF输出的未建立完全的信号与正常情况下建立完全的稳定信号之间存在误差E。为此我们可以将E进行归一化处理后，建立E与相位偏移P_os的关系：运用Matlab建立DDF的数学模型，通过产生不同相位偏移的输入信号，观察经过DDF后的输出信号并计算误差E，为便于计算可建立二阶多项式对误差E进行拟合。

E(P_os)＝b₀+b₁P_os+b₂P_os²

b₀＝6.6497E-1，b₁＝3.9194E-3，b₂＝-1.5225E-5

根据误差对第一运算放大器的输出端的电压进行误差补偿，即乘以系数S＝1/E。

将DDF的输出信号X乘以该系数S，即可得到误差补偿后的输出Vo(t)，即第一电压值或第二电压值，计算每个周期运放输出电压的峰峰值并做平均处理，再将其还原为电流值，计算阻抗即可。

本实施例提供的血糖仪的交流阻抗测量方法，基于上述实施例所述的血糖仪的交流阻抗测量电路，该电路中激励信号的产生无需使用正弦波发生器，而是使用方波发生器，因此，能够减小电路的使用成本。

此外，考虑到模数转换器的采样频率与方波发生器的频率同步，利用模数转换器采样时间作为时基单元，用模数转换器中断控制每采样2次完成后翻转方波发生器的输出电压，从而实现信号的同步。因此，对于模数转换器的采样频率要求较低，从而进一步减小了血糖仪的交流阻抗测量的测量成本。

图4为本发明提供的一种血糖仪的交流阻抗测量装置的结构图。如图4所示，血糖仪的交流阻抗测量装置，包括：

第一获取单元10，用于获取方波发生器的正峰值和方波发生器的负峰值，并得到正峰值与负峰值的电压差值；

第二获取单元11，用于获取模数转换器采集到的第一电压值和第二电压值；

电流差值计算单元12，用于根据第一电压值得到流过反馈电阻的第一电流值，根据第二电压值得到流过反馈电阻的第二电流值，并计算第一电流值和第二电流值的电流差值；

阻值计算单元13，用于计算电压差值与电流差值的比以得到待测阻抗的阻值。

作为一种优选地实施方式，还包括：

相位偏移值计算单元，用于计算采样点对应的电流相位与电流达到峰值时的相位的差值以得到相位偏移值；

误差计算单元，用于计算模数转换器中的抽样滤波器在相位偏移值下的误差；

误差补偿单元，用于根据误差对第一运算放大器的输出端的电压进行误差补偿。

由于装置部分的实施例与方法部分的实施例相互对应，因此装置部分的实施例请参见方法部分的实施例的描述，这里暂不赘述。

以上对本发明所提供的血糖仪的交流阻抗测量电路、方法及装置进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。