CN109171722B - 一种生物阻抗测量电路、生物阻抗测量方法及可穿戴设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种生物阻抗测量电路，包括：处理器、差分放大器、第一电阻、第二电阻、第一单刀双掷模拟开关、第二单刀双掷模拟开关、第一电极、第二电极、第三电极、第四电极。本发明还提供一种生物阻抗测量方法和一种可穿戴设备。本发明通过测量同一条线路上的第一电阻两端的电压、第二电阻与测试人员并联后两端的电压，由于第一电阻和第二电阻的阻值已知，便可以计算出测试人员的阻抗，十分方便。
Description
技术领域
本发明涉及可穿戴技术领域，尤其涉及一种生物阻抗测量电路、生物阻抗测量方法及可穿戴设备。
背景技术
目前获得人体成分的主流方法就是通过检测人体的生物阻抗，再通过生物阻抗的相关计算式计算得出。人体成分主要包括脂肪、肌肉、水分、蛋白质等信息，通过这些信息加上身高、年龄、体重，基本可以了解到一个人的体型状况。
能准确的测量人体生物阻抗大多采用的是八电极法，即将电极与双手、双脚分别接触，每只手脚各两个电极。其中每只手或脚的两个电极中，一个电极用于信号的输入，另一个电极是电压测试点。这样通过两两不重复的组合，可测出6组电压值，再通过测试人体的电流，即可得到6组阻抗值。专业的八电极法可测出人体的四肢和躯干的生物阻抗，测量人体成分更为准确和全面。
市面上出现的体脂秤同样可以检测出人体成分，它们采用的是四电极法，即只将电极与双脚接触，每只脚的前脚掌和后脚跟各接一个电极。其中，同一只脚上的一个电极作为信号输入，另一个电极用于电压测试点，再通过欧姆定律I=U/R，串联电路电流相等，建立方程式，得到待求阻抗值。市面上的体脂秤需要设置独立的电流测试元件来测量电流。
然而，以上两类产品并不属于智能穿戴领域的产品，在穿戴电子产品设计中，在测试者说话、移动等情况下，会对测试结果造成影响，精度无法保证。在这智能穿戴市场的热潮下，将测量人体生物阻抗方法，即检测人体成分的功能做到智能手环或智能手表上，并能保证测试精度的情况下，无疑又将是一股新的热潮。
因此，现有技术存在缺陷，需要改进。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种生物阻抗测量电路、生物阻抗测量方法及可穿戴设备，方便穿戴、使测量简单方便。
本发明的技术方案如下：提供一种生物阻抗测量电路，包括：处理器、差分放大器、第一电阻、第二电阻、第一单刀双掷模拟开关、第二单刀双掷模拟开关、第一电极、第二电极、第三电极、第四电极；所述处理器接地，所述处理器与所述第一电阻的第一端电性连接；所述第一电阻的第二端与所述第二电阻的第一端电性连接，所述第二电阻的第二端接地；所述第一电极与所述第一电阻的第二端电性连接，所述第二电极与所述第二电阻的第一端电性连接，所述第三电极与所述第二电阻的第二端电性连接，所述第四电极接地；所述第一单刀双掷模拟开关的第一不动端与所述第一电阻的第一端电性连接，所述第一单刀双掷模拟开关的第二不动端与所述第二电阻的第一端电性连接，所述第一单刀双掷模拟开关的动端与所述差分放大器的一个输入端电性连接；所述第二单刀双掷模拟开关的第一不动端与所述第一电阻的第二端电性连接，所述第二单刀双掷模拟开关的第二不动端与所述第二电阻的第二端电性连接，所述第二单刀双掷模拟开关的动端与所述差分放大器的另一个输入端电性连接；所述第一单刀双掷模拟开关的控制端、第二单刀双掷模拟开关的控制端与所述处理器电性连接；所述差分放大器的输出端与所述处理器电性连接。
将第一电极、第二电极与测试人员的一只手或脚接触，第三电极、第四电极与测试人员的另一只手或脚接触，处理器发出正弦波激励信号，正弦波激励信号经过所述第一电阻、测试人员、第二电阻；测试人员与第二电阻并联，第一电阻与并联的第二电阻、测试人员串联。处理器控制第一单刀双掷模拟开关的动端与第一单刀双掷模拟开关的第一不动端连接，处理器控制第二单刀双掷模拟开关的动端与第二单刀双掷模拟开关的第一不动端连接，处理器便可以获取第一电阻两端的第一电压，由于第一电阻的阻值已知，便可以获知整条线路的电流。处理器控制第一单刀双掷模拟开关的动端与第一单刀双掷模拟开关的第二不动端连接，处理器控制第二单刀双掷模拟开关的动端与第二单刀双掷模拟开关的第二不动端连接，处理器便可以获取第二电阻与测试人员并联后的两端的第二电压，由于第二电阻的阻值、整条线路的电流已知，便可以计算出测试人员的阻抗。所述差分放大器用于获取两点之间的电压差并将信号传送给处理器。所述第二电阻可用于判断是否在进行测试，当没有进行测试时，第二电阻的两端会有较大的电阻。采用同一个差分放大器来分别获取第一电阻两端的第一电压、第二电阻与测试人员并联后两端的第二电压，可消除电子元器件自身的误差，提升测试精度，且可减少硬件成本。
进一步地，所述生物阻抗测量电路，还包括：第一电压跟随器，第二电压跟随器，第三电压跟随器；所述第一电阻通过所述第一电压跟随器与所述处理器电性连接，所述第一电压跟随器的输入端与所述处理器电性连接，所述第一电压跟随器的输出端与所述第一电阻的第一端电性连接；所述第一单刀双掷模拟开关的动端通过所述第二电压跟随器与所述差分放大器电性连接，所述第二电压跟随器的输入端与所述第一单刀双掷模拟开关的动端电性连接，所述第二电压跟随器的输出端与所述差分放大器的一个输入端电性连接；所述第二单刀双掷模拟开关的动端通过所述第三电压跟随器与所述差分放大器电性连接，所述第三电压跟随器的输入端与所述第二单刀双掷模拟开关的动端电性连接，所述第三电压跟随器的输出端与所述差分放大器的另一个输入端电性连接。所述第一电压跟随器用于提升正弦波激励信号发生源的负载能力，所述第二电压跟随器、第三电压跟随器的输入阻抗很高，远大于皮肤与电极片之间的接触阻抗，所以能忽略皮肤和电极片的接触阻抗对测量带来的影响。
进一步地，所述第一单刀双掷模拟开关、第二单刀双掷模拟开关为一个双通道单刀双掷模拟开关芯片。
进一步地，所述双通道单刀双掷模拟开关芯片的型号为ADG1636，所述处理器的型号为Cortex-M4。
本发明还提供一种生物阻抗测量方法，采用前述的生物阻抗测量电路，包括以下步骤。
S1：将第一电极、第二电极与测试人员的一只手或脚接触，第三电极、第四电极与测试人员的另一只手或脚接触。
S2：处理器发出正弦波激励信号，正弦波激励信号经过所述第一电压跟随器、第一电阻、测试人员、第二电阻；该步骤中，测试人员与第二电阻并联，第一电阻与并联的第二电阻、测试人员串联；所述正弦波激励信号的频率为50Hz。
S3：将第一单刀双掷模拟开关的第一不动端与第一单刀双掷模拟开关的动端连接、第二单刀双掷模拟开关的第一不动端与第二单刀双掷模拟开关的动端连接，获取第一电阻两端的第一电压。
S4：将第一单刀双掷模拟开关的第二不动端与第一单刀双掷模拟开关的动端连接、第二单刀双掷模拟开关的第二不动端与第二单刀双掷模拟开关的动端连接，获取第二电阻与测试人员串联后两端的第二电压。
S5：根据串联电路电流相等的原则，第一电阻的阻值和第二电阻的阻值已知，算出测试人员的阻抗。
本发明还提供一种可穿戴设备，包括：前述的生物阻抗测量电路、与所述处理器连接的显示屏。
进一步地，所述可穿戴设备为智能手表或智能手环，所述第一电极和第二电极设置在所述可穿戴设备的外壳的正面，所述第三电极和第四电极设置在所述可穿戴设备的外壳的背面，所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极外露于所述可穿戴设备的外壳。
采用上述方案，本发明提供一种生物阻抗测量电路，通过测量同一条线路上的第一电阻两端的电压、第二电阻与测试人员并联后两端的电压，由于第一电阻和第二电阻的阻值已知，便可以计算出测试人员的阻抗，十分方便。本发明还提供一种生物阻抗测量方法和一种可穿戴设备。
附图说明
图1为本发明的生物阻抗测量电路的电路原理图；
图2为本发明的生物阻抗测量电路测量测试人员阻抗时的电路原理图；
图3为本发明的生物阻抗测量方法的流程图；
图4为本发明的可穿戴设备的电路原理图；
图5和图6分别为本发明的可穿戴设备的正面和背面的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。
请参阅图1和图2，本发明提供一种生物阻抗测量电路，包括：处理器10、差分放大器20、第一电阻30、第二电阻40、第一单刀双掷模拟开关、第二单刀双掷模拟开关、第一电极71、第二电极72、第三电极73、第四电极74；所述处理器10接地，所述处理器10与所述第一电阻的第一端31电性连接；所述第一电阻的第二端32与所述第二电阻的第一端41电性连接，所述第二电阻的第二端42接地；所述第一电极71与所述第一电阻的第二端32电性连接，所述第二电极72与所述第二电阻的第一端41电性连接，所述第三电极73与所述第二电阻的第二端42电性连接，所述第四电极74接地；所述第一单刀双掷模拟开关的第一不动端51与所述第一电阻的第一端31电性连接，所述第一单刀双掷模拟开关的第二不动端52与所述第二电阻的第一端41电性连接，所述第一单刀双掷模拟开关的动端53与所述差分放大器20的一个输入端电性连接；所述第二单刀双掷模拟开关的第一不动端61与所述第一电阻的第二端32电性连接，所述第二单刀双掷模拟开关的第二不动端62与所述第二电阻的第二端42电性连接，所述第二单刀双掷模拟开关的动端63与所述差分放大器20的另一个输入端电性连接；所述第一单刀双掷模拟开关的控制端、第二单刀双掷模拟开关的控制端与所述处理器10电性连接；所述差分放大器20的输出端与所述处理器10电性连接。
将第一电极71、第二电极72与测试人员的一只手或脚接触，第三电极73、第四电极74与测试人员的另一只手或脚接触，处理器10发出正弦波激励信号，正弦波激励信号经过所述第一电阻30、测试人员、第二电阻40；测试人员与第二电阻40并联，第一电阻30与并联的第二电阻40、测试人员串联。处理器10控制第一单刀双掷模拟开关的动端53与第一单刀双掷模拟开关的第一不动端51连接，处理器10控制第二单刀双掷模拟开关的动端63与第二单刀双掷模拟开关的第一不动端61连接，处理器10便可以获取第一电阻30两端的第一电压，由于第一电阻30的阻值已知，便可以获知整条线路的电流。处理器10控制第一单刀双掷模拟开关的动端53与第一单刀双掷模拟开关的第二不动端52连接，处理器10控制第二单刀双掷模拟开关的动端63与第二单刀双掷模拟开关的第二不动端62连接，处理器10便可以获取第二电阻30与测试人员并联后的两端的第二电压，由于第二电阻30的阻值、整条线路的电流已知，便可以计算出测试人员的阻抗。所述差分放大器20用于获取两点之间的电压差并将信号传送给处理器10。所述第二电阻30可用于判断是否在进行测试，当没有进行测试时，第二电阻30的两端会有较大的电阻。采用同一个差分放大器20来分别获取第一电阻30两端的第一电压、第二电阻30与测试人员并联后两端的第二电压，可消除电子元器件自身的误差，提升测试精度，且可减少硬件成本。
第一电阻30两端的第一电压为U1，第二电阻40与测试人员并联后两端的第二电压为U2，第一电阻30用R1替代，第二电阻40用R2替代、测试人员的阻抗用Rb替代。由于整条线路的电流相同，U1/R1 = U2/((R2*Rb)/(R2+Rb))，可以计算出Rb=(U2*R1*R2)/(U1*R2-U2*R1)。在图1和图2中，Rx1为第一电极71与第二电极72之间的电阻、Rx2为第三电极73与第四电极74之间的电阻，Rb1和Rb2为电极与测试人员之间的接触阻抗。
所述生物阻抗测量电路，还包括：第一电压跟随器81，第二电压跟随器82，第三电压跟随器83；所述第一电阻30通过所述第一电压跟随器81与所述处理器10电性连接，所述第一电压跟随器81的输入端与所述处理器10电性连接，所述第一电压跟随器81的输出端与所述第一电阻的第一端31电性连接；所述第一单刀双掷模拟开关的动端53通过所述第二电压跟随器82与所述差分放大器20电性连接，所述第二电压跟随器82的输入端与所述第一单刀双掷模拟开关的动端53电性连接，所述第二电压跟随器82的输出端与所述差分放大器20的一个输入端电性连接；所述第二单刀双掷模拟开关的动端63通过所述第三电压跟随器83与所述差分放大器20电性连接，所述第三电压跟随器83的输入端与所述第二单刀双掷模拟开关的动端63电性连接，所述第三电压跟随器83的输出端与所述差分放大器20的另一个输入端电性连接。所述第一电压跟随器81用于提升正弦波激励信号发生源的负载能力，所述第二电压跟随器82、第三电压跟随器83的输入阻抗很高，远大于皮肤与电极之间的接触阻抗，所以能忽略皮肤和电极的接触阻抗对测量带来的影响。
所述第一单刀双掷模拟开关、第二单刀双掷模拟开关为一个双通道单刀双掷模拟开关芯片。
所述双通道单刀双掷模拟开关芯片的型号为ADG1636，所述处理器的型号为Cortex-M4。
请参阅图3，本发明还提供一种生物阻抗测量方法，采用前述的生物阻抗测量电路，包括以下步骤。
S1：将第一电极71、第二电极72与测试人员的一只手或脚接触，第三电极73、第四电极74与测试人员的另一只手或脚接触。
S2：处理器10发出正弦波激励信号，正弦波激励信号经过所述第一电压跟随器81、第一电阻30、测试人员、第二电阻40；该步骤中，测试人员与第二电阻40并联，第一电阻30与并联的第二电阻40、测试人员串联；所述正弦波激励信号的频率为50Hz。
S3：将第一单刀双掷模拟开关的第一不动端51与第一单刀双掷模拟开关的动端连接53、第二单刀双掷模拟开关的第一不动端61与第二单刀双掷模拟开关的动端63连接，获取第一电阻30两端的第一电压U1。
S4：将第一单刀双掷模拟开关的第二不动端52与第一单刀双掷模拟开关的动端53连接、第二单刀双掷模拟开关的第二不动端62与第二单刀双掷模拟开关的动端63连接，获取第二电阻20与测试人员串联后两端的第二电压。
S5：根据串联电路电流相等的原则，第一电阻30的阻值和第二电阻40的阻值已知，算出测试人员的阻抗。
请参阅图4、图5和图6，本发明还提供一种可穿戴设备，包括：前述的生物阻抗测量电路、与所述处理器连接的显示屏90。
在本实施例中，所述可穿戴设备为智能手表，所述第一电极71和第二电极72设置在所述可穿戴设备的外壳的正面，所述第三电极73和第四电极74设置在所述可穿戴设备的外壳的背面，所述第一电极71、第二电极72、第三电极73和第四电极74外露于所述可穿戴设备的外壳。
综上所述，本发明提供一种生物阻抗测量电路，通过测量同一条线路上的第一电阻两端的电压、第二电阻与测试人员并联后两端的电压，由于第一电阻和第二电阻的阻值已知，便可以计算出测试人员的阻抗，十分方便。本发明还提供一种生物阻抗测量方法和一种可穿戴设备。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种生物阻抗测量电路，其特征在于，包括：处理器、差分放大器、第一电阻、第二电阻、第一单刀双掷模拟开关、第二单刀双掷模拟开关、第一电极、第二电极、第三电极、第四电极；所述处理器接地，所述处理器与所述第一电阻的第一端电性连接；所述第一电阻的第二端与所述第二电阻的第一端电性连接，所述第二电阻的第二端接地；所述第一电极与所述第一电阻的第二端电性连接，所述第二电极与所述第二电阻的第一端电性连接，所述第三电极与所述第二电阻的第二端电性连接，所述第四电极接地；所述第一单刀双掷模拟开关的第一不动端与所述第一电阻的第一端电性连接，所述第一单刀双掷模拟开关的第二不动端与所述第二电阻的第一端电性连接，所述第一单刀双掷模拟开关的动端与所述差分放大器的一个输入端电性连接；所述第二单刀双掷模拟开关的第一不动端与所述第一电阻的第二端电性连接，所述第二单刀双掷模拟开关的第二不动端与所述第二电阻的第二端电性连接，所述第二单刀双掷模拟开关的动端与所述差分放大器的另一个输入端电性连接；所述第一单刀双掷模拟开关的控制端、第二单刀双掷模拟开关的控制端与所述处理器电性连接；所述差分放大器的输出端与所述处理器电性连接。
2.根据权利要求1所述的一种生物阻抗测量电路，其特征在于，还包括：第一电压跟随器，第二电压跟随器，第三电压跟随器；所述第一电阻通过所述第一电压跟随器与所述处理器电性连接，所述第一电压跟随器的输入端与所述处理器电性连接，所述第一电压跟随器的输出端与所述第一电阻的第一端电性连接；所述第一单刀双掷模拟开关的动端通过所述第二电压跟随器与所述差分放大器电性连接，所述第二电压跟随器的输入端与所述第一单刀双掷模拟开关的动端电性连接，所述第二电压跟随器的输出端与所述差分放大器的一个输入端电性连接；所述第二单刀双掷模拟开关的动端通过所述第三电压跟随器与所述差分放大器电性连接，所述第三电压跟随器的输入端与所述第二单刀双掷模拟开关的动端电性连接，所述第三电压跟随器的输出端与所述差分放大器的另一个输入端电性连接。
3.根据权利要求1所述的一种生物阻抗测量电路，其特征在于，所述第一单刀双掷模拟开关、第二单刀双掷模拟开关为一个双通道单刀双掷模拟开关芯片。
4.根据权利要求3所述的一种生物阻抗测量电路，其特征在于，所述双通道单刀双掷模拟开关芯片的型号为ADG1636，所述处理器的型号为Cortex-M4。
5.一种生物阻抗测量方法，其特征在于，采用权利要求1-4任一项所述的生物阻抗测量电路，包括以下步骤；
S1：将第一电极、第二电极与测试人员的一只手或脚接触，第三电极、第四电极与测试人员的另一只手或脚接触；
S2：处理器发出正弦波激励信号，正弦波激励信号经过第一电阻、测试人员、第二电阻；该步骤中，测试人员与第二电阻并联，第一电阻与并联的第二电阻、测试人员串联；
S3：将第一单刀双掷模拟开关的第一不动端与第一单刀双掷模拟开关的动端连接、第二单刀双掷模拟开关的第一不动端与第二单刀双掷模拟开关的动端连接，获取第一电阻两端的第一电压；
S4：将第一单刀双掷模拟开关的第二不动端与第一单刀双掷模拟开关的动端连接、第二单刀双掷模拟开关的第二不动端与第二单刀双掷模拟开关的动端连接，获取第二电阻与测试人员串联后两端的第二电压；
S5：根据串联电路电流相等的原则，第一电阻的阻值和第二电阻的阻值已知，算出测试人员的阻抗。
6.根据权利要求5所述的一种生物阻抗测量方法，其特征在于，在步骤S2中，所述正弦波激励信号还经过所述第一电压跟随器。
7.根据权利要求6所述的一种生物阻抗测量方法，其特征在于，在步骤S2中，所述正弦波激励信号的频率为50Hz。
8.一种可穿戴设备，其特征在于，包括：权利要求1-4任一项所述的生物阻抗测量电路、与所述处理器连接的显示屏。
9.根据权利要求8所述的一种可穿戴设备，其特征在于，所述可穿戴设备为智能手表或智能手环，所述第一电极和第二电极设置在所述可穿戴设备的外壳的正面，所述第三电极和第四电极设置在所述可穿戴设备的外壳的背面，所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极外露于所述可穿戴设备的外壳。
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