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ON Semiconductors hat den Q32M210 speziell für die Anforderungen tragbarer medizintechnischer Geräte ausgelegt.
Mobile Blutzucker-Messgeräte verbessern die Lebensqualität von Diabetikern.

Die eigenen Blutzuckerwerte über einen längeren Zeitraum protokollieren und die Werte vergleichen – und das mithilfe von Messgeräten, die kleiner, einfacher bedienbar und mit standardisierten Kommunikationsschnittstellen ausgestattet sind: Diese Technik gewährt Diabetikern eine bessere und stärker personalisierte Versorgung. Regulierungsbehörden fordern gleichzeitig eine höhere Genauigkeit und verbesserte Teststreifen, damit Wechselwirkungen mit anderen Medikamenten nicht zu irreführenden Messergebnissen führen.

Teststreifen-basierten Blutzucker-Messgeräte müssen energieeffizient arbeiten, damit ein Satz Batterien die geforderten drei Jahre durchhält. Das stellt Halbleiterhersteller vor die Herausforderung, neue Generationen stromsparender SoC-Technologien (System-on-Chip) zu entwickeln. Diese Bausteine müssen Sensorschnittstellen und 32-Bit-Prozessor-Cores enthalten, die leistungsfähig genug sind, um neue Benutzeroberflächen zu verwalten, kapazitive Berührungseingaben zu verarbeiten und eine schnelle Datenkommunikation durchzuführen.

Programmierbarkeit

Tragbare Blutzucker-Messgeräte ermitteln die Glukose-Konzentration im Blut (Blutzuckerspiegel), indem sie einen Tropfen Blut auf einem Teststreifen analysieren. Die meisten Systeme messen eine elektrische Größe, welche die chemische Reaktion im Teststreifen repräsentiert, und ermitteln daraus den Blutzuckerspiegel.

Da die Zusammensetzung der Teststreifen von Hersteller zu Hersteller und durch den technologischen Fortschritt abweicht, kommt es darauf an, dass sich das Messgerät schnell und einfach rekonfigurieren lässt.

Durch den Fokus auf hohe Genauigkeit und eine flexible software-rekonfigurierbare Sensorschnittstelle kann ein vorhandene Gerätegeneration per Software-Update neue Teststreifen unterstützen. Das ist nötig, da verbesserte Teststreifenzusammensetzung die Genauigkeit erhöhen oder unerwünschte Effekte wie Wechselwirkungen mit anderen Medikamenten beheben können. Ein breites Angebot an Schnittstellen, einschließlich USB und integrierte LCD-Treiber stellen sicher, dass sich die Lösung schnell in verschiedene kosteneffiziente Anwendungen integrieren lässt – und das mit einer minimalen Anzahl zusätzlicher Bauelemente.

Der System-on-Chip-Ansatz

Ein SoC-Ansatz für Mikrocontroller, der in tragbaren, selbstbedienbaren Blutzucker-Messgeräten zum Einsatz kommt, bietet zahlreiche Vorteile für den Hersteller und Endanwender.

Für den Gerätehersteller verringert sich bei der Integration zahlreicher Analog- und Digitalfunktionen in einen einzigen Baustein die Gesamtzahl der erforderlichen Bauelemente sowie die Zahl der Zulieferer. Dazu ergeben sich Einsparungen bei den Gesamtsystemkosten. Eine SoC-Lösung vereinfacht auch das Systemdesign sowie die Fertigung und verringert den Platzbedarf der Leiterplatte, was zu kleineren Formfaktoren führt und die Tragbarkeit des Geräts verbessert. Die geringere Größe ist für Endanwender wichtig, die das Produkt mit sich herumtragen und ihren Blutzuckerwert mehrmals täglich messen müssen.

Mit fest verdrahteten Verbindungen zwischen den einzelnen Funktionsblöcken innerhalb des SoC anstelle gelöteter Verbindungen und Leiterbahnen auf einer Leiterplatte, wie es bei einer Lösung mit diskreten Bauelementen der Fall ist, erhöhen sich die Systemzuverlässigkeit und Robustheit, genauso wie die Widerstandsfähigkeit gegen elektromagnetische Störungen (EMI). Die Verbindungen innerhalb des Baustein sind ebenfalls gut geschützt gegen Feuchtigkeit und Vibration.

Mixed-Signal-Architektur

Die Kombination analoger und digitaler Schaltkreise auf engstem Raum und in einem einzigen Gehäuse erfordert ausgereiftes Mixed-Signal-Wissen und ist entscheidend für einen voll integrierten Ansatz. Zusätzlich zum zentralen Mikrocontroller lassen sich viele Funktionen integrieren, etwa Flash-Speicher und SRAM zur Speicherung von Benutzer- und Programmdaten, Stromversorgungsschaltkreise für maximale Effizienz, die Sensorschnittstelle und ein Analog-Frontend, eine integrierte Pulsweitenmodulation (PWM), Taktaufbereitung und I/Os, einschließlich umfangreicher Daten- und Displayschnittstellen.

Das Blockdiagramm des Q32M210 zeigt, welche zentrale Rolle die Mixed-Signal-Komponenten des SoC spielen.

Das Blockdiagramm des Q32M210 zeigt, welche zentrale Rolle die Mixed-Signal-Komponenten des SoC spielen.On Semiconductor

Die Hersteller wollen neue Produkte so schnell wie möglich auf den Markt bringen, und das zu möglichst geringen Vorlaufkosten und mit maximaler Flexibilität. Standardisierte, programmierbare Cores werden daher gegenüber ASICs immer interessanter – das gilt auch für Mikrocontroller in Blutzucker-Messgeräten. Prozessoren wie der ARM Cortex-M3-Core, der in ON Semiconductors Q32M210 zum Einsatz kommt und speziell für die Anforderungen tragbarer medizintechnischer Geräte geeignet ist, erlauben eine direkte Code-Portierung, womit sich Re-Spins bestehender Produkte schnell und wirtschaftlich durchführen lassen.

Hohe Genauigkeit und vorhersagbares Verhalten

Die Folgen einer ungenauen Messung bei Patientenüberwachungssystemen wie Blutzucker-Messgeräten kann lebensbedrohliche Folgen haben. Um eine präzise Messung sowie Genauigkeit und Wiederholbarkeit bei der Blutzucker-Messung zu garantieren, ist ein Messgerät auf der Basis eines 16-Bit-A/D-Wandlers mit geringem Rauschen und exzellenter Linearität erforderlich.

Eine genaue, werkseitig kalibrierte Spannungsreferenz mit einer geringen Temperaturdrift ist eine weitere Voraussetzung, um den präzisen Betrieb einer Mixed-Signal-MCU in einem Blutzucker-Messgerät zu unterstützen. Damit wird eine „unter allen Umständen“ sichere Referenz bei der automatischen Kalibrierung vorgegeben. Dies ist vor jeder Messung des Blutzuckerspiegels erforderlich.

Ein weiterer wichtiger Faktor beim Betrieb eines Blutzucker-Messgeräts ist die hohe Zuverlässigkeit unter allen Betriebsbedingungen. Ein solches Messgerät wird durch eine oder mehrere Batterien versorgt. Schwankungen der Versorgungsspannung können dabei einen Einfluss auf die Qualität und Zuverlässigkeit der Messungen haben.

Um sicherzustellen, dass die Integrität der Anwendung, die innerhalb des Messgeräts läuft, stets erhalten bleibt, sollte ein Fehlererkennungs- und -korrekturschaltkreis des integrierten Flash-Speichers Teil des SoC sein. Damit lassen sich einzelne Bitfehler korrigieren, die während der Laufzeit auftreten. Zudem wird ein Alarm ausgelöst, falls Multi-Bit-Fehler auftreten. Dieser Ansatz verringert die Notwendigkeit, eine weniger robuste Fehlerüberprüfung und -korrektur durch Software verwenden zu müssen.

Darüber hinaus können SoC-Mikrocontroller Systemfunktionen wie Brown-out-Erkennung enthalten, um die Anwendung gegen Versorgungsspannungseinbrüche zu schützen, die einen zuverlässigen Betrieb beeinträchtigen würden. Eine Erkennung niedriger Batterieladezustände warnt den Anwender, damit dieser die Batterie laden oder austauschen kann. Ein Watchdog-Timer (Computer Operating Properly Timer) gewährleistet, dass das System im Falle eines Batterieausfalls oder eines anderen Fehlers stets in einen definierten Zustand zurückgeführt wird.

Tragbarkeit erfordert Energieeffizienz

Maximale Lebensdauer aus einer Batterie zu erhalten, ist eine ständige Herausforderung, die Entwickler in vielen Bereichen beschäftigt. In tragbaren Blutzucker-Messgeräten ist eine Batterielebensdauer von drei Jahren eine erwünschte, aber auch geforderte Anforderung

Der erste Schritt in einem Design, das die Anforderungen an die Batterielebensdauer in tragbaren medizinischen Messgeräten erfüllen soll, muss sicherstellen, dass die wesentlichen Bestandteile des Mixed-Signal-Mikrocontroller-SoC äußerst energieeffizient sind. Dazu zählen der Prozessor selbst und die Sensorschnittstelle, die zumindest einen 16-Bit-A/D-Wanlder und einen oder mehrere 10-Bit-D/A-Wandler sowie eine Reihe von Operationsverstärkern und Spannungsreferenzen enthält.

Verschiedene Betriebsmodi und eine intelligente Stromversorgungsüberwachung verbessern die Gesamtenergieeffizienz weiter. Ein gängiges tragbares Blutzucker-Messgerät muss nur etwa 5 min pro Tag im voll eingeschalteten Zustand verbringen. Für ON Semiconductors Q32M210 heißt das, dass der ARM Cortex-M3-Core nur dann mit 2 MHz Taktfrequenz betrieben werden muss. Hier beträgt die Gesamtstromaufnahme etwa 1,6 mA, einschließlich des Stromverbrauch für die ADCs, DACs, Spannungsreferenzen und Operationsverstärker. Inaktivität versetzt den Mikrocontroller in den Sleep-Modus mit einer Stromaufnahme von nur noch 700 nA. Damit steigt die Betriebsdauer des Messgeräts.

Schlussbemerkung

Fortschrittliche SoC-Technologie ermöglicht eine einfache aber doch hochgenaue und zuverlässige Messung des Blutzuckerspiegels bei Diabetes-Patienten. Für Anwender kann der Einsatz kleinerer und genauerer Messgeräte bedeuten, dass Diabetes für sie eine geringere Belastung darstellt. Mediziner können sich dann darauf verlassen, dass ihre Patienten eine angemessene Versorgung erhalten.