2〇18年第4期 安徽电子信息职业技术学院学报 Eo.4 2018第17卷(▲嬉97期） JOURNALOF ANHUI VOCATIONAL COLLEGE OF ELECTRONICS & INFORMATION TECHNOLOGY General No.97 Vol.17
[文章编号]1671-802(2018)04-0033-05
X
低成本生物电阻抗测量模拟前端AFE4300及其应用
张弦
(安徽省食品药品审评认证中心，安徽合肥230051)
摘要：生物电阻抗分析人体健康信息检测方面具有重要的应用价值。利用单芯片模拟前端
AFE4300设
计了一款人体生物电阻抗检测单元，并利用人体阻抗模拟网络对该检测单元进行了验证。验证结果表明，该 系统幅值相对误差不超过1.51，相位角最大误差不超过0.8。,该检测单元硬件结构简单，可用于低成本、小型 化生物电阻抗相关健康检测产品开发。
关键词*生物电阻抗；单芯片；低成本；多频复阻抗中图分类号：806
TP
文献标识码：
B
Low Cost Bioelectrical Impedance Measurement Analog Front End AFE4300
and its Application
(Anhui Food and Drug Evaluation and Certification Center, Hefei 230051, China)
Zhang Xuan
Abstract ： Bioelectrical impedance measurement have an important application value in human health information detection. A human body bioelectrical impedance detection unit is designed by using a single chip analog front end AFE4300, and the detection unit is verified by the human body impedance simulation network. The experimental results show that the relative error of the system is not more than 1.5%, and the maximum error of the phase angle is not more than 0.8 degrees. The detection unit has simple hardware structure and can be applied to the development of low cost and miniaturized bioelectrical impedance related health inspection products.Key words： Bioelectrical impedance; single chip; low cost; multi frequency complex impedance
引言
生物电阻抗信号是人体生物信号中的一个重要 参数，生物电阻抗测量技术具有无创、廉价、功能信 息丰富和操作简单的优点，在生物医学工程上有着 重要的研究和应用价值718(9。目前人们对生物电阻抗 测量技术进行了诸多研究[587]，但大部分采用的是单 频测量技术，且测试电路复杂，生物电阻抗测量研究
向小型化、复阻抗方向发展[8-10]。本文并以集成前端模拟芯片物电阻抗测量。
一、测量方法 (一■)芯片特点
TI公司的
AFE4300为阻抗测量模块，设计
出一种生物电阻抗的检测单元，实现多频激励的生
AFE4300是德州仪器最新推出的一款高精度
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■
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!收稿日期:2018-05-11
作者简介:张弦(1972-)，男，安徽淮南人，研究方向：医疗器械研发与审评。E-mail:81249562@qq.com.
丨技丨术丨应丨用丨
张弦一低成本生物电阻抗测量模拟前端AFE4300及其应用
第4期
低功耗前端解决方案集成芯片，该芯片集成了两个 单独的信号链，一个用来重量测量，另一个则是采用 16位860个
放大模块，解调模块，
(二）芯片工作原理
IQADC模块等多个部分，减少
了生物电阻抗测量系统的外围硬件电路。
sps ADC进行人体成分分析。器件中的三
BCM通路允许对身体手和足间的部分身体阻抗 进行分析(BIA)，从而得出人体成分的全图。器件的 工作电压2 V~3.6 V，主要用于衡器和人体成分测 量。利用AFE4300可以测量手到手、脚到脚、手到脚
之间的电阻抗，它的主要特点有：
精度高，
AFE4300内部主要由DDS信号发生器、差分放
大器、电极开关阵列、IQ解调模块以及ADC模块等
几部分组成，其内部结构框图如图1所示。由图1可 看出
AFE4300的工作过程：
DDS)输出激励源，经
IQ解调、滤
直接数字式频率合成器(
AFE4300的四电极测量技术可以降低
过二阶滤波处理后由电流电极注人待测电阻两端；
将采集的电信号经过放大后进行波、模/数转换(
电极接触阻抗对准确度的影响；
AFE4300的工作电流损耗低于1mA，
电源电压的范围在2V-3.6V之间；
体积小，AFE4300 采用 12mm*12mm TQFP-80
功耗低，
封装，集成了生物电阻抗测量方法的信号发生模块，
IQ选择
|电
压电极|^nuAL
电流电极
I -^1
ADC)后得到电压值；
单片机通过SPI通信的方式可以配置AFE4300
寄存器、读取测量结果。
IQ解调器a
IQ-CLK
分频器
zx
5K
J0.9V
CLK
二阶低通滤
◄波器
(150KHz)DAC (数/模转换器）DDS (直接数字式频率合成器）频率控制寄存器
图1
(三）生物电阻抗计算
AFE4300结构框图
IDI
J
Vx
x
式中为激励电流源，为生物电阻抗两端的 电压，为待测生物电阻抗）的模值，\"为）的相 角。因此，为了计算人体阻抗模型的模值和相角，就 必须测得电压，并进行
RC三元件阻抗模型如图2所示Ri代表细胞外液电阻，Re表示细 胞内液电阻，Cm代表细胞膜电容。
I=Asin(co〇t) (1)V=A|Z |sin(!〇t+\") (2)
图2
人体
I6
VIQ解调。
解调是通过与电压控制电流源输出信号同
相或有固定相位差的正弦信号解调测得电压信号。 原理图如图3所示，解调将输人信号与参考信号 相乘后，采用截至频率为2!〇的低通滤波器滤波，提 取直流部分，该直流部分与输人信号和参考信号的
IQ
xuebao
WB^
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相位差成比例关系。
输入信号
y
参考信号Vr
图3
IQ解调原理图
令参考信号Vr=sin(!〇t)，将参考信号Vr和米 集的输人信号V相乘后输出Vml:
Vml=A!Z I [cos(6)-cos(2w〇t+6)]
(3)
Vml在通过低通滤波器后得出Voutl:Vm!=AlZ!C〇S(e)
⑷
将参考信号进行90°时延，再与输人信号V相 乘后输出Vm2:
Vm2=—LL[sin(0) sin(2w0t+0)]
(50
Vm2在通过低通滤波器后得出Vout2:$$ out2== A|Z 2~
sin(0)(60
由式(4)(6)得出：| Z | = t ! Voutl2+Vout22
(700
;arc tan VVoouutt2
l
(80
为了获得输出电压Vout与待测电阻Z?的关 系，需要在AFE4300外部接入校准电阻Rl、R2,阻
抗的计算过程如下：
对IQ选择寄存器进行设置，使测量系统工作
在I模式，分别测量Rl、R2,分别得到电压值为Vi!、VI2 ;
对IQ选择寄存器进行更改设置，使测量系统 工作在Q模式，分别测量Rl、R2,分别得到电压值为 VQl、VQ2 ;
设待测电阻抗R与采集电压V之间的线性关
系为R：
=MxV+0
(9)
其中M为斜率，0为偏移量。
由AFE4300芯片电压计算方法可得:
vi=Vv„2+Vqi2(0)V 2= ! VI22+V Q22
(
联立式(l0)(ll)(lll)2)可得：
M=$R+1-_$R2
2
(l
2 )0=Rl_MxYl
(3)
测出电压值后，便可由上式计算出生物电阻抗
的模值
IZI。
假设校准电阻Rl的相角为l，测得的生物组织
的相角为0，则生物电阻抗的相角为：
0=0〇_0 +
(4)
再通过式(8)(l
4)计算得出相角\"。二、电路设计(一)稳压电源设计
电源部分设计的目的是给各部分提供稳定的电 源，为系统各部分电路的稳定运行提供有力的保障。 本电路是5V供电，采用
LMlll7芯片输出3.3V电
压，电路图如图4所示。
图4 电源5
V转换3.3V电路图
(二)控制电路设计
本系统单片机采用的是
RSTM32系列的
STM32Fl038T6芯片，该芯片具有32位RSCI内 核，时钟频率最高可达72MHz，内置K的Flash、 20USARTK的RAM、l2位AD、4个l6位定时器、3路 通讯口等多种资源，具有极高的性价比。采 用STM32Fl03R8T6单片机实现对AFE4300的控制
STM32
图5
AFE4300控制电路连接图
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气连接如图5所示。
(三)串口通信电路设计
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以及与上位机的通信。STM32与AFE4300芯片的电采用芯片CP2102实现USB到串行UART的转 换，该芯片价格便宜，开发简单。芯片CP2102是一 种高度集成的USB转UART桥接器，它包含
USB2.0全速功能的控制器，USB收发器，时钟， EEPROM和异步串行数据总线(UART)全部信号解
USB接口单元用来实现单片机与上位机的通
信，通过USB通信可以利用串口调试来获取
AFE4300所测得的阻抗。USB通信单元电路图如图 6所示。
制。CP2102与其他型号的同类芯片相比还具有 功耗更低、体积更小、集成度更高、价格更低等优点。 因此选用该芯片来完成单片机与上位机之间的通 信。
三、控制软件设计
STM32F103R8T6芯片程序开发中使用的是标
准的IAR Embedded Workbench集成开发环境。
IAR Embedded Workbench是瑞典IAR公司出品的 STM32系列兼容单片机C语言软件开发系统，信号
控制软件是模块化的集成软件，包括系统时钟配置、 外设配置、数据读取与计算、数据上传几个模块。具 体软件流程图如图7所示。
图7控制软件流程图
表1 人体阻抗模拟测试结果
四、实验验证
为验证该测量单元的准确性，按照人体阻抗模 型搭建人体阻抗模拟器，如图2取Ri=150!，Re=
50!，并用千分之一精度电阻模拟，取Cm=34880PF，
频率/
理论计算值幅值/!
199.871.63174.5156.71151.87150.48
实际测量值幅值/!
199.45187.3172.8154.8150.7149.2
误差幅值
%0.211.220.971.210.770.85
kHz
5501002505001000
相位()
0.786.388.215.923.331.72
相位()
0.836.528.496.413.682.01
相位差（）
0.070.180.310.0.440.35
并用千分之五精密电容模拟，构成人体阻抗模拟验 证单元，根据公式（15)(16)(17)，计算在不同频率f 下对应的理论复阻抗幅值与相位值，见表1理论计 算值。本系统测量单元测试人体模拟阻抗，测试复 阻抗结果见表1中的实际测量值。
Z=Re2( l+\"2Cm2Ri2)l+\"2Cm2(Re+Ri) (15)
\"CmRe21 +\"2Cm2 (Re +Ri)2Re +\"2Cm2ReRi
(Re+Ri)1+\"2Cm2(Re+Ri)2)
其中f为频率
XUEBAO^M
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（17)
测试结果表明在5kH-1MHz范围内，幅值相对 误差不超过1.5%，相位角最大误差不超过0.8°，测
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成的。赵进创等^人用6.25
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4838.
第4期
试误差可能主要是测量线缆残余的寄生电容影响造
FFT法测量模拟阻抗在
kHz~400kHz的幅度误差最大为1.7%，相位误
Wang ZH， Yang ZP， Wang XJ， Dong YH， Jun MA.
Comparative Analysis of the Multi -Frequency Bio -impedance [4] 差最大为0.9$，测试精度与本系统相当，但本系统测 试电路简单更适合小型化、低成本测试场景。
五、总结
本文基于模拟测量前端芯片
AFE4300,进行芯
片外围硬件与控制软件开发，实现了生物电阻抗测 试。搭建了人体阻抗模拟网络，对该测试单元进行 了充分验证，结果表明该测试单元与其它公开测试 技术精度相当，满足生物电阻抗测试要求。本系统 结构简单、成本低廉，可应用于家用便携式人体健康 信息测量产品，具有广阔的应用前景。参考文献：
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(责任编辑:袁媛）
2018.8.20
