CS1253榮獲第十七屆“中國(guó)芯”優(yōu)秀技術(shù)創(chuàng)新產(chǎn)品 “中國(guó)芯”評(píng)選是由國(guó)家工信部指導(dǎo)、中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院舉辦的行業(yè)權(quán)威活動(dòng)，自2006年成立以來(lái)，指引及見證了中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。此次芯?？萍糃S1253榮獲“中國(guó)芯”，是公司自2007年以來(lái)累計(jì)第七次、從2019年連續(xù)三屆榮膺“中國(guó)芯”。 2022(第十七屆)中國(guó)芯集成電路產(chǎn)業(yè)促進(jìn)大會(huì)現(xiàn)場(chǎng) 在本屆大會(huì)上，芯?？萍汲讼s聯(lián)“中國(guó)芯”之外，還將會(huì)參加11月18日“2022中國(guó)半導(dǎo)體市場(chǎng)年會(huì)”，并作相關(guān)專題報(bào)告，屆時(shí)將另文詳敘。

后文將為您詳細(xì)介紹CS1253的技術(shù)特征和產(chǎn)品亮點(diǎn)，字?jǐn)?shù)約計(jì)2000字，閱讀約需4分鐘。

01人體成分構(gòu)成測(cè)量方法

為什么需要關(guān)注人體成分呢? 我們知道，通常減肥的人會(huì)認(rèn)為減體重就是減肥。其實(shí)這是個(gè)誤區(qū)，因?yàn)橐粯拥捏w重，卻有不一樣的脂肪含量，其體型區(qū)別很大。同時(shí)，人體成分還與身體健康息息相關(guān)(例如一些慢性病)，因此越來(lái)越多人會(huì)通過持續(xù)監(jiān)測(cè)人體成分的變化來(lái)指導(dǎo)飲食、運(yùn)動(dòng)管理，保持身體的健康狀態(tài)。

人體由水分、蛋白質(zhì)、脂肪和無(wú)機(jī)鹽組成，其中約70%是水分，阻抗較小，主要存在于血液、肌肉等。脂肪導(dǎo)電性差，呈現(xiàn)為高阻抗，單位體積中脂肪含量越高阻抗越大。因此，人體成分分析可根據(jù)人體阻抗的大小，測(cè)量和推斷人體脂肪和水分的含量。

人體成分的主要構(gòu)成圖

人體成分分析有MRI (核磁共振成像)測(cè)量、DEXA (雙能X線吸收測(cè)量)、水中密度測(cè)量、BIA (生物電阻抗測(cè)量)等多種方法。綜合比較起來(lái)，生物電阻抗法是在成本，易用性以及準(zhǔn)確度方面綜合表現(xiàn)比較均衡的方法。

人體成分測(cè)量方法對(duì)比表

02生物電阻抗法(BIA)測(cè)量原理

生物電阻抗法(Bioelectric Impedance Analysis)是一種通過電學(xué)方法測(cè)量人體成分的技術(shù)。將微弱的交流電流信號(hào)輸入人體時(shí)，電流會(huì)隨著電阻小、傳導(dǎo)性能較好的體液流轉(zhuǎn)。水分的多少?zèng)Q定著電流通過的通路的寬窄，這個(gè)可用阻抗值表示。通過檢測(cè)電壓可以獲得生物阻抗值：

生物阻抗可以使用復(fù)阻抗Z=R+jXc表示，其中電阻R為實(shí)部，電抗Xc為虛部。復(fù)阻抗取?？傻茫?/p>

BIA設(shè)備借助置于體表的電極系統(tǒng)向檢測(cè)對(duì)象輸入微小的交流測(cè)量電流，準(zhǔn)確測(cè)量生物電阻抗Z后，代入到獲得科學(xué)驗(yàn)證的算法中，計(jì)算出主要人體成分結(jié)果。

BIA測(cè)量示意圖

03穿戴設(shè)備應(yīng)用BIA的技術(shù)難點(diǎn)

隨著物質(zhì)生活的改善，人們愈發(fā)重視通過持續(xù)的體征監(jiān)測(cè)來(lái)進(jìn)行健康管理。但是，市場(chǎng)上用于人體成分檢測(cè)的高性能設(shè)備(例如智能體脂秤、人體成分分析儀)通常體積、重量較大，不便于隨身攜帶。

因此，在可穿戴領(lǐng)域推動(dòng)生命體征監(jiān)測(cè)的醫(yī)療變革成為趨勢(shì)。目前，在智能手表、手環(huán)等智能穿戴產(chǎn)品中，BIA、PPG、ECG等健康測(cè)量技術(shù)不斷迭代創(chuàng)新，可獲得更加精準(zhǔn)的人體健康數(shù)據(jù)。

可穿戴設(shè)備的人體阻抗測(cè)量可簡(jiǎn)化成節(jié)段模型。IFINGER、IWRIST為激勵(lì)電流端，VFINGER、VWRIST為電壓測(cè)量端(等效電路見 下文圖片)。穿戴設(shè)備產(chǎn)品(例如智能手表)形態(tài)一般是測(cè)量上肢阻抗。

穿戴設(shè)備BIA示意圖

穿戴設(shè)備BIA電極示意圖

人體皮膚主要有表皮、真皮和皮下組織組成。表皮的角質(zhì)層相當(dāng)于一層很薄的絕緣層，類似電容的中間介質(zhì)，真皮和電極片類似電容器的兩極板。

由于汗腺里有少量離子通過，所以可以把表皮模擬為漏電的電容器，類似電容Cs和電阻Rs’的并聯(lián)。真皮和皮下組織可以近似為電阻Rs，因此實(shí)際的人體等效模型會(huì)更加復(fù)雜化。

接觸阻抗等效電路 相較人體成分檢測(cè)的其他設(shè)備，穿戴設(shè)備的特性給應(yīng)用BIA技術(shù)帶來(lái)更多挑戰(zhàn)。 ?電極采用干電極，存在極化電壓的問題。 ?電極接觸面積小，存在接觸阻抗大的問題，尤其是在低溫、干燥環(huán)境下。 ?穿戴設(shè)備體積緊湊，因此要求BIA電路簡(jiǎn)單，且抗干擾能力強(qiáng)。

?穿戴設(shè)備一般為消費(fèi)電子產(chǎn)品，因此要求電路功耗低、成本可控。

04

CS1253的產(chǎn)品性能指標(biāo)

芯海科技CS1253是一款支持可穿戴設(shè)備的生物阻抗測(cè)量的模擬前端(AFE)芯片，結(jié)合人體成分算法，可以實(shí)現(xiàn)高精度的人體成分分析。產(chǎn)品內(nèi)部集成了生物阻抗測(cè)量電路(BIM)和高精度Sigma-delta ADC信號(hào)鏈。生物阻抗測(cè)量電路采用正弦激勵(lì)源，將生物阻抗轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)送到ADC信號(hào)鏈進(jìn)行測(cè)量，可以支持多頻率生物阻抗測(cè)量。

CS1253電路框圖 CS1253的精準(zhǔn)度、集成度、低功耗、易用性等各方面指標(biāo)均達(dá)到國(guó)際先進(jìn)、國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，非常適合于智能穿戴應(yīng)用場(chǎng)景。

準(zhǔn)確度

?支持接觸阻抗測(cè)量;

?支持5種激勵(lì)源幅度設(shè)置;

?內(nèi)置24bit分辨率ADC，輸出速率10Hz~1280Hz 8檔可調(diào);

?支持OTP加載或軟件加載芯片校準(zhǔn)值;

?輸入阻抗>1MΩ@50kHz。

集成度

?支持SPI和IIC數(shù)據(jù)通訊;

?支持IO寬幅電壓1.8V~3.3V;

?支持ECG共用電極，節(jié)省單板模擬開關(guān);

?外圍電阻內(nèi)置，減少單板器件數(shù)量，節(jié)約系統(tǒng)成本。

低功耗

?支持自動(dòng)狀態(tài)機(jī)，減少主控干預(yù);

?FIFO深度達(dá)256Samples，最長(zhǎng)支持25.6s喚醒一次@10Hz;

?支持ADC數(shù)據(jù)通訊中斷方式代替輪詢，降低功耗。

易用性

?支持自動(dòng)狀態(tài)機(jī)，無(wú)需頻繁切換配置;

?支持中斷ADC采集數(shù)據(jù)閾值配置，無(wú)需頻繁讀取數(shù)據(jù);

?支持關(guān)鍵寄存器動(dòng)態(tài)配置，無(wú)需全部刷新;

?靈活的時(shí)序配置，滿足實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景。

CS1253參考電路

在開發(fā)生態(tài)上，CS1253擁有完整的評(píng)估套件，硬件工具、軟件工具、測(cè)量算法、開發(fā)文檔及技術(shù)支持等均已準(zhǔn)備就緒，方便客戶評(píng)估和開發(fā)產(chǎn)品，簡(jiǎn)化開發(fā)周期，加快量產(chǎn)進(jìn)程。

EVK上位機(jī)軟件

EVK評(píng)估板

長(zhǎng)期以來(lái)，芯海科技長(zhǎng)期深耕健康測(cè)量領(lǐng)域，隨著BIA、PPG、ECG產(chǎn)品序列的逐步豐富，正在形成系列化產(chǎn)品組合。

未來(lái)，公司仍將憑藉自身的“模擬信號(hào)鏈+MCU”雙平臺(tái)驅(qū)動(dòng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，持續(xù)構(gòu)建從芯片到結(jié)構(gòu)到算法的系統(tǒng)工程，賦能更多智慧健康領(lǐng)域的終端品牌客戶打造更強(qiáng)產(chǎn)品力。

審核編輯：湯梓紅