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、常務副省長劉惠、合肥市委書記虞愛華等國家部省領導出席活動，眾多國內(nèi)外著名專家學者、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)促進大會作為本屆大會的重磅細分活動之一，于當日下午揭曉本屆“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)秀技術創(chuàng)新產(chǎn)品榜單。

CS1253榮獲第十七屆“中國芯”優(yōu)秀技術創(chuàng)新產(chǎn)品 “中國芯”評選是由國家工信部指導、中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院舉辦的行業(yè)權威活動，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中國半導體市場年會”，并作相關專題報告，屆時將另文詳敘。

后文將為您詳細介紹CS1253的技術特征和產(chǎn)品亮點，字數(shù)約計2000字，閱讀約需4分鐘。

01人體成分構成測量方法

為什么需要關注人體成分呢? 我們知道，通常減肥的人會認為減體重就是減肥。其實這是個誤區(qū)，因為一樣的體重，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(例如一些慢性病)，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飲食、運動管理，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)是一種通過電學方法測量人體成分的技術。將微弱的交流電流信號輸入人體時，電流會隨著電阻小、傳導性能較好的體液流轉。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阻抗Z=R+jXc表示，其中電阻R為實部，電抗Xc為虛部。復阻抗取模可得：

BIA設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，準確測量生物電阻抗Z后，代入到獲得科學驗證的算法中，計算出主要人體成分結果。

BIA測量示意圖

03穿戴設備應用BIA的技術難點

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)測來進行健康管理。但是，市場上用于人體成分檢測的高性能設備(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等健康測量技術不斷迭代創(chuàng)新，可獲得更加精準的人體健康數(shù)據(jù)。

可穿戴設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。

穿戴設備BIA示意圖

穿戴設備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，因此實際的人體等效模型會更加復雜化。

接觸阻抗等效電路 相較人體成分檢測的其他設備，穿戴設備的特性給應用BIA技術帶來更多挑戰(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。 ?穿戴設備體積緊湊，因此要求BIA電路簡單，且抗干擾能力強。

?穿戴設備一般為消費電子產(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

芯海科技CS1253是一款支持可穿戴設備的生物阻抗測量的模擬前端(AFE)芯片，結合人體成分算法，可以實現(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，將生物阻抗轉化為電壓信號送到ADC信號鏈進行測量，可以支持多頻率生物阻抗測量。

CS1253電路框圖 CS1253的精準度、集成度、低功耗、易用性等各方面指標均達到國際先進、國內(nèi)領先水平，非常適合于智能穿戴應用場景。

準確度

?支持接觸阻抗測量;

?支持5種激勵源幅度設置;

?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;

?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，減少主控干預;

?FIFO深度達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，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，滿足實際應用場景。

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)文檔及技術支持等均已準備就緒，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)進程。

EVK上位機軟件

EVK評估板

長期以來，芯?？萍奸L期深耕健康測量領域，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)動的技術優(yōu)勢，持續(xù)構建從芯片到結構到算法的系統(tǒng)工程，賦能更多智慧健康領域的終端品牌客戶打造更強產(chǎn)品力。

審核編輯：湯梓紅