11月17日,由工業(yè)和信息化部、安徽省人民政府共同舉辦的“2022世界集成電路大會”在安徽省合肥市隆重開幕,吸引全球業(yè)界矚目。安徽省委書記鄭柵潔、省長王清憲、省政協(xié)主席唐良智、工業(yè)和信息化部副部長王江平、常務(wù)副省長劉惠、合肥市委書記虞愛華等國家部省領(lǐng)導(dǎo)出席活動,眾多國內(nèi)外著名專家學(xué)者、跨國企業(yè)及知名高校匯聚一堂。
2022世界集成電路大會現(xiàn)場
大會以“合作才能共贏”為主題,主要內(nèi)容包括開幕式暨開幕論壇、4場高峰論壇、10場主題論壇等豐富活動。
安徽省委副書記、省長王清憲致辭
國家工業(yè)和信息化部黨組成員、副部長王江平致辭
安徽省人民政府副省長何樹山介紹出席嘉賓
其中,第十七屆“中國芯”集成電路產(chǎn)業(yè)促進(jìn)大會作為本屆大會的重磅細(xì)分活動之一,于當(dāng)日下午揭曉本屆“中國芯”優(yōu)秀產(chǎn)品獲獎榜單。芯海科技(股票代碼:688595)基于人體成分測量的高精度生物傳感AFE芯片 CS1253,在全國227家優(yōu)秀企業(yè)的334款參賽產(chǎn)品中脫穎而出,榮登“中國芯”優(yōu)秀技術(shù)創(chuàng)新產(chǎn)品榜單。
CS1253榮獲第十七屆“中國芯”優(yōu)秀技術(shù)創(chuàng)新產(chǎn)品
“中國芯”評選是由國家工信部指導(dǎo)、中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院舉辦的行業(yè)權(quán)威活動,自2006年成立以來,指引及見證了中國集成電路產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。此次芯海科技CS1253榮獲“中國芯”,是公司自2007年以來累計第七次、從2019年連續(xù)三屆榮膺“中國芯”。
2022(第十七屆)中國芯集成電路產(chǎn)業(yè)促進(jìn)大會現(xiàn)場
在本屆大會上,芯??萍汲讼s聯(lián)“中國芯”之外,還將會參加11月18日“2022中國半導(dǎo)體市場年會”,并作相關(guān)專題報告,屆時將另文詳敘。
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2000字,閱讀約需4分鐘。
01人體成分構(gòu)成測量方法
為什么需要關(guān)注人體成分呢? 我們知道,通常減肥的人會認(rèn)為減體重就是減肥。其實(shí)這是個誤區(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,人體成分還與身體健康息息相關(guān)(例如一些慢性?。?,因此越來越多人會通過持續(xù)監(jiān)測人體成分的變化來指導(dǎo)飲食、運(yùn)動管理,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)測量、DEXA (雙能X線吸收測量)、水中密度測量、BIA (生物電阻抗測量)等多種方法。綜合比較起來,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。
人體成分測量方法對比表
02生物電阻抗法(BIA)測量原理
生物電阻抗法(Bioelectric Impedance Analysis)是一種通過電學(xué)方法測量人體成分的技術(shù)。將微弱的交流電流信號輸入人體時,電流會隨著電阻小、傳導(dǎo)性能較好的體液流轉(zhuǎn)。水分的多少決定著電流通過的通路的寬窄,這個可用阻抗值表示。通過檢測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)阻抗取模可得:
BIA設(shè)備借助置于體表的電極系統(tǒng)向檢測對象輸入微小的交流測量電流,準(zhǔn)確測量生物電阻抗Z后,代入到獲得科學(xué)驗(yàn)證的算法中,計算出主要人體成分結(jié)果。
BIA測量示意圖
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)測來進(jìn)行健康管理。但是,市場上用于人體成分檢測的高性能設(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)域推動生命體征監(jiān)測的醫(yī)療變革成為趨勢。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)備的人體阻抗測量可簡化成節(jié)段模型。IFINGER、IWRIST為激勵電流端,VFINGER、VWRIST為電壓測量端(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更加復(fù)雜化。
接觸阻抗等效電路
相較人體成分檢測的其他設(shè)備,穿戴設(shè)備的特性給應(yīng)用BIA技術(shù)帶來更多挑戰(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。
04CS1253的產(chǎn)品性能指標(biāo)
芯??萍糃S1253是一款支持可穿戴設(shè)備的生物阻抗測量的模擬前端(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量電路(BIM)和高精度Sigma-delta ADC信號鏈。生物阻抗測量電路采用正弦激勵源,將生物阻抗轉(zhuǎn)化為電壓信號送到ADC信號鏈進(jìn)行測量,可以支持多頻率生物阻抗測量。
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)到國際先進(jìn)、國內(nèi)領(lǐng)先水平,非常適合于智能穿戴應(yīng)用場景。
準(zhǔn)確度
?支持接觸阻抗測量;
?支持5種激勵源幅度設(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
?支持自動狀態(tài)機(jī),減少主控干預(yù);
?FIFO深度達(dá)256Samples,最長支持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
?支持自動狀態(tài)機(jī),無需頻繁切換配置;
?支持中斷ADC采集數(shù)據(jù)閾值配置,無需頻繁讀取數(shù)據(jù);
?支持關(guān)鍵寄存器動態(tài)配置,無需全部刷新;
?靈活的時序配置,滿足實(shí)際應(yīng)用場景。
CS1253參考電路
在開發(fā)生態(tài)上,CS1253擁有完整的評估套件,硬件工具、軟件工具、測量算法、開發(fā)文檔及技術(shù)支持等均已準(zhǔn)備就緒,方便客戶評估和開發(fā)產(chǎn)品,簡化開發(fā)周期,加快量產(chǎn)進(jìn)程。
EVK上位機(jī)軟件
EVK評估板
長期以來,芯??萍奸L期深耕健康測量領(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,公司仍將憑藉自身的“模擬信號鏈+MCU”雙平臺驅(qū)動的技術(shù)優(yōu)勢,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。