技术干货 | 晶华微SD93F115八电极体脂秤方案

        1、概述

        目前市面上的体脂秤按电极数分类主要为四电极、八电极。八电极体脂秤如图1所示，能结合基于大数据日益优化的人体体征数据模型，更准确地测出不同身体部位的体脂。

        图1 八电极体脂秤

        2、八电极体脂秤的基本功能

        1、 体重测量：站上秤面，稳定后能准确显示体重数据；

        2、 脂肪率测量：光脚站上秤面，脚部与秤面电极保持良好接触，手部握住带电极的手柄，体脂秤便可测量出人体阻抗，通过算法分析得到体脂率；

        3、 电压检测：电池电量不足时，会有电量不足的提示；

        4、 用户数据存储：测量体脂率需要性别，年龄，身高等用户数据，体脂秤一般都带有用户数据保存功能，方便用户使用。

        3、八电极体脂秤测量体脂的原理

        近几年，测量体脂最为常见的生物电阻测量法（Bioimpedance analysis，简称BIA），在很短的时间内就能获得比较准确的测量值。

        BIA测量法的主要原理是将身体简单分为导体的体液、肌肉等，以及不导电的脂肪组织，测量时由电极片发出极微小交流电流经过身体，若脂肪比率高，所测得的生物阻抗较大，若脂肪比率低，所测得的生物阻抗较小。

        BIA方法的本质是测量人体阻抗，体脂秤一般是通过秤体表面的电极或者ITO导电玻璃测试人体阻抗。因此，八电极的体脂秤需双手和双下肢都接触电极，当接触电极之后，芯片内部产生微弱交流电压信号分不同通路及不同频率测量出四肢和躯干的阻抗值，人体阻抗测量方案如图2所示。

        结合被测者的身高、体重、年龄、性别等数据，拟合计算出体脂率等人体健康参数，如图3所示。

       

pYYBAGEkt2GAYGlWAACxENpHq78758.png (55.82 KB )

下载附件

2021-8-25 09:59 上传

        图2 阻抗测量方案示意图

       

poYBAGEkt2qAbvdDAAL8CWmas3M510.png (193.58 KB )

下载附件

2021-8-25 09:59 上传

       
        图3 人体成分的细分模型示意图

        4、基于SD93F115八电极体脂秤方案

        本文将重点介绍基于晶华微SD93F115芯片的八电极体脂秤应用。如图4所示，SD93F115芯片资源丰富，具有高精度ADC，能准确测量出体重数据；自带LCD驱动和可分频的正弦波发生器，不需要专门的LCD驱动芯片和交流整流电路便可实现八电极体脂秤的显示和体脂测量功能，并且带有8路ADC单端通道，足够八电极体脂秤分段测量人体四肢和躯干的体脂率；自带电压检测，不需要低压检测芯片便可实现电池电量检测功能，并且检测电压2.0~5.3V可调整；有120k Bytes FLASH存储用户程序和数据，并且有额外1k Bytes的用户数据区可用于用户数据存储，非常契合八电极体脂秤的方案。硬件方面，只需要很少的外围元器件就可以实现八电极体脂秤应用方案。软件方面，SD93F115芯片可使用C语言进行软件开发，同时还提供完整的SDK和库函数，方便软件工程师开发，并且有强大的技术团队提供技术支持，有效降低产品研发门槛，可大大缩短项目开发周期。

       

poYBAGEkt3-ASd6pAADDIKyrTJI799.png (57.04 KB )

下载附件

2021-8-25 09:59 上传

        图4 八电极体脂秤方案框图

        5、基于SD93F115的八电极体脂秤原理图

       

pYYBAGEkt4iAE-qjAAKKPNdXqhA995.png (161.69 KB )

下载附件

2021-8-25 09:59 上传

        图5 基于SD93F115的八电极体脂秤原理图

        6、SD93F115芯片性能特点

        SD93F115是由杭州晶华微推出的带有丰富外围资源的32位MCU芯片，主要应用于血压计、脂肪秤、血糖仪、红外测温等领域，有以下特点：

        ADC

•                 高精度ADC，ENOB = 18.2bits@8sps （Gain = 256），4个差分通道或者8个单端通道。
•                 低噪声高输入阻抗前置放大器，1、4、8、16、32、64、128和256倍增益可选，带offset校正功能。
•                 内置12位SAR ADC，带自校准功能，采样时间及工作模式可选。
  

        存储器

•                 120k Bytes FLASH，8k Bytes Boot，8k Bytes SRAM。
  

        系统时钟

•                 内置24MHz高频RC振荡器和32kHz低频RC振荡器，并且支持8~24MHz晶体振荡器做系统时钟。
  

        LCD驱动

•                 带LCD驱动模块，支持4COM x 44SEG、5COM x 43SEG、6COM x 42SEG和8COM x 40SEG四种驱动模式；具有超低功耗和大驱动能力设计，内含程控升压模块，可以在低压条件下维持高亮显示；驱动电压可选，2.7~5.2V。
  

        正弦波发生器

•                 内置正弦波发生器，输出频率可选：5kHz、50kHz、100kHz、200kHz，支持八电极BIA测脂。
  

        电源管理系统

•                 内置低压检测电路，包括一个8 bits DAC和一个rail to rail 输入的比较器，以实现灵活的电池检测和触摸按键检测等功能。电压检测范围2.0~5.3V。
•                 内置传感器激励输出，输出电压可选，2.4~4.5V，步长为0.3V。
  

        通信

•                 内置2路UART通信接口，待机时RXD0/RXD1下降沿自动唤醒MCU。
•                 内置1路I2C通信接口。
•                 内置1路SPI通信接口。
  

        温度传感器

•                 内置硅温度传感器，可以单点校正，支持自动正反测。
  

        低功耗

•                 典型工作电流：400A/MIPS@3.3V，休眠电流3A，待机状态下加RTC低于6A。
  

        7、总结

        SD93F115与其他通用MCU相比，在八电极体脂秤应用上可节省大部分外围元器件，加之高效的软件技术支持，价格和时间成本上具有较大的优势。