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）

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[1-4]。目前人们对生物电阻抗测量技术进行了诸多研究[5-7]，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TI公司的集成前端模拟芯片AFE4300为阻抗测量模块，设计出一种生物电阻抗的检测单元，实现多频激励的生物电阻抗测量。

一、测量方法

（一）芯片特点

AFE4300是德州仪器最新推出的一款高精度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860sps ADC进行人体成分分析。器件中的三个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的四电极测量技术可以降低电极接触阻抗对准确度的影响；

功耗低，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封装，集成了生物电阻抗测量方法的信号发生模块，放大模块，IQ解调模块，ADC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。

（二）芯片工作原理

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：

直接数字式频率合成器（DDS）输出激励源，经过二阶滤波处理后由电流电极注入待测电阻两端；

将采集的电信号经过放大后进行IQ解调、滤波、模/数转换（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。

图1 AFE4300结构框图

（三）生物电阻抗计算

图2 人体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。

式中I为激励电流源，V为生物电阻抗两端的电压，|Z|为待测生物电阻抗Zx的模值，θ为Zx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V，并进行IQ解调。

IQ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，IQ解调将输入信号与参考信号相乘后，采用截至频率为2ω0的低通滤波器滤波，提取直流部分，该直流部分与输入信号和参考信号的相位差成比例关系。

图3 IQ解调原理图

令参考信号 Vr＝sin（ω0t），将参考信号 Vr和采集的输入信号V相乘后输出Vm1：

Vm1在通过低通滤波器后得出Vout1：

将参考信号进行90°时延，再与输入信号V相乘后输出Vm2：

Vm2在通过低通滤波器后得出Vout2：

由式（4）（6）得出：

为了获得输出电压Vout与待测电阻Zx的关系，需要在AFE4300外部接入校准电阻R1、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R1、R2，分别得到电压值为VI1、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R1、R2，分别得到电压值为 VQ1、VQ2;

设待测电阻抗R与采集电压V之间的线性关系为：

其中M为斜率，O为偏移量。

由AFE4300芯片电压计算方法可得：

联立式（10）（11）（12）可得：

测出电压值后，便可由上式计算出生物电阻抗的模值|Z|。

假设校准电阻R1的相角为1，测得的生物组织的相角为0，则生物电阻抗的相角为：

再通过式（8）（14）计算得出相角 θ。

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LM1117芯片输出3.3V电压，电路图如图4所示。

图4 电源5V转换3.3V电路图

（二）控制电路设计

本系统单片机采用的是STM32系列的STM32F103R8T6芯片，该芯片具有32位RSCI内核，时钟频率最高可达72MHz，内置64K的Flash、20K 的 RAM、12位 AD、4个 16位定时器、3路USART通讯口等多种资源，具有极高的性价比。采用STM32F103R8T6单片机实现对AFE4300的控制以及与上位机的通信。STM32与AFE4300芯片的电气连接如图5所示。

图5 AFE4300控制电路连接图

（三）串口通信电路设计

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。

图6 串口通信电路连接图

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)全部信号解调控制。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

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=150Ω，Re=50Ω，并用千分之一精度电阻模拟，取Cm=34880pF，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。

表1 人体阻抗模拟测试结果

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°，测试误差可能主要是测量线缆残余的寄生电容影响造成的。赵进创等[6]人用FFT法测量模拟阻抗在6.25kHz～400kHz的幅度误差最大为1.7%，相位误差最大为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。