CN209048139U - 一种单芯片人体阻抗传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种单芯片人体阻抗传感器，包括信号处理芯片、保护电路、外接电极接口J2、稳压电路、状态切换按键SW1、正弦波选择按键SW2以及电源模块以及电源；信号处理芯片内部集成设置有运算放大单元、A/D采集单元、正弦波输出单元以及MCU单元；在信号处理芯片上设有与正弦波输出单元的输出端电连接的正弦波输出引脚以及与运算放大单元的输入端电连接的数据采集引脚；保护电路包括四组双二极管单元，四组双二极管单元均由两个二极管的正向串接构成。该人体阻抗传感器的系统架构简单，单芯片完成阻抗测量和必要的应用逻辑；通过单芯片和若干分立元件构成，最大限度降低印刷电路板面积，且最大功耗仅500mW，特别适合应用于移动式应用。

Description

一种单芯片人体阻抗传感器

技术领域

本实用新型涉及一种传感器，尤其是一种单芯片人体阻抗传感器。

背景技术

现有人体阻抗测量的主流方法是电桥法和集成阻抗转换器法。电桥法的缺陷是电路复杂，集成度低，分别采用双臂电桥和单臂电桥测量小值电阻(100Ω以下)和大值电阻(102～106Ω)，并且对驱动电源电压稳定度及检流表的精度要求较高，且测量出来的数据难以数字化呈现，实用性低；集成阻抗转换器法使用专用的阻抗转换器芯片作为核心器件，使用单片机驱动该芯片完成阻抗测量动作。集成阻抗转换器法的技术背景是交流阻抗法，控制通过电化学系统的电流或电势在小振幅的条件下随时间按正弦规律变化，同时测量相应的系统电势或电流随时间的变化，此时电极系统的频响函数就是电化学阻抗。阻抗转换器芯片内部集成了带有12位，采样率高达1MSPS的AD转换器的频率发生器。这个频率发生器可以产生特定的频率来激励外部电阻，电阻上得到的响应信号被ADC采样，并通过片上的DSP进行离散的傅立叶变换。傅立叶变换后返回在这个输出频率下得到的实部值R和虚部值I，这样就可以计算出在每个扫描频率下的傅立叶变换的模和电阻的相角。这种测量方法实质上是一种软测量方法，即在待测变量难于直接测量的情况下，进行与之相关的易测变量的测量，并依据易测变量与待测变量之间的数学关系，建立数学模型，运用各种数学计算和估计方法，实现待测变量的测量。这种测量方法利用一个单片机(MCU)作为主控芯片，通过片上外设的串行总线连接阻抗转换器芯片。一般的，阻抗转换器芯片会提供一组内部寄存器用于配置工作状态，寄存器的访问方式通过串行数据协议来实现。现有的集成阻抗转换器法的缺点是：(1)专用的阻抗转换器芯片目前市场上选择余地较小，并且因为此类芯片的应用场合较窄，导致芯片的价格昂贵；(2)该方案必须通过外围单片机(MCU)的配置才能完成预定动作，也一定程度增加了成本，同时在系统设计时，单片机在保证主要应用的基础上才可以考虑其他应用逻辑，如人机界面、上位机通讯等，这样对于不同的应用场合，单片机的选择反而成为了设计难点；(3)阻抗转换器芯片通过一组内部寄存器以及串行通讯协议来保证其工作状态，本身不具备任何应用逻辑，单片机侧的软件设计复杂，不但要专门设计通讯协议，还要设计合适的算法，按特定是时序设定DDS激励频率，扫描阻抗转换器外围的参考电阻，以保证不超出芯片内部ADC的测量范围，对于不了解交流阻抗法的软件设计人员来说开发难度极高，其测量结果的稳定性难以保证。

发明内容

实用新型目的：提供一种单芯片人体阻抗传感器，在满足人体阻抗测量要求的同时解决现有传感器的结构复杂且成本高的问题。

技术方案：本实用新型所述的单芯片人体阻抗传感器，包括信号处理芯片、保护电路、外接电极接口J2、稳压电路、状态切换按键SW1、正弦波选择按键SW2以及电源模块；信号处理芯片内部集成设置有运算放大单元、A/D采集单元、正弦波输出单元以及MCU单元；在信号处理芯片上设有与正弦波输出单元的输出端电连接的正弦波输出引脚、与运算放大单元的输入端电连接的数据采集引脚、与MCU单元的状态切换I/O端口电连接的状态输入引脚以及与MCU单元的参数切换I/O端口电连接的参数调节输入引脚；外接电极接口J2设有两路通信线路，且一路通信线路与信号处理芯片的数据采集引脚电连接，另一路通信线路通过隔离电路与正弦波输出引脚电连接；运算放大单元的输出端与A/D采集单元的输入端电连接；A/D采集单元的输出端与MCU单元的I/O端口相连；电源模块通过稳压电路为信号处理芯片以及保护电路提供VDD电压源；保护电路包括四组双二极管单元，四组双二极管单元均由两个二极管的正向串接构成；四组双二极管单元的正极端均接地，四组双二极管单元的负极端均与VDD电压源电连接；四组双二极管单元的正向串接线引出后构成四个保护连接端；外接电极接口J2的一路通信线路与两个保护连接端电连接，另一路通信线路与另两个保护连接端电连接；状态切换按键SW1与状态输入引脚电连接；正弦波选择按键SW2与参数调节输入引脚电连接。

进一步地，在外接电极接口J2上接插有两个分别与两路通信线路电连接的电极片。通过电极片与人体接触导电，从而实现正弦波信号的发送和采集。

进一步地，隔离电路包括电阻R13和电容C19；电容C19和电阻R13串接在正弦波输出引脚与外接电极接口J2的通信线路之间。采用隔离电路能够确保直接与人体接触的正弦波信号的安全性。

进一步地，在信号处理芯片上还设有两个参考信号输入引脚；在两个参考信号输入引脚上分别电连接有精密电阻R10和精密电阻R11；精密电阻R10和精密电阻R11均与电阻R13的另一端电连接；两个参考信号输入引脚分别与运算放大单元的另外两路输入端电连接。采用两个精确电阻能够满足人体阻抗的比较计算需要，同时也能够提高计算的精度。

进一步地，精密电阻R10的阻值为1000欧姆，误差小于1％；精密电阻R11的阻值为200欧姆，误差小于1％。

进一步地，在信号处理芯片上还设有两个与MCU单元通信端口电连接的串口通信引脚；串口通信引脚电连接在四针插座J1上。采用四针插座J1能够与上位机进行串口通信，完成传感器的数据通信和控制。

进一步地，在信号处理芯片上还设有八个与MCU单元通信端口电连接的数码管控制引脚；数码管控制引脚电连接在八针插座J3上，用于与数码管电连接。利用八针插座J3能够便于扩展数码管显示控制。

进一步地，外接电极接口J2由两个T形接插件构成，在一个T形接插件的垂直交叉处固定设置有连接轴；连接轴的另一端旋转式安装在另一个T形接插件的垂直交叉处；在T形接插件的其中两个端部均设有接插孔，在T形接插件的另一端部连接有用于连接电极片的电缆；在接插孔的孔壁上设有限位槽；在限位槽中嵌入式安装有弹簧导电片；弹簧导电片的中部弧形凸起至接插孔内；两个接插孔内的弹簧导电片均通过导电铜片与电缆电连接。

本实用新型与现有技术相比，其有益效果是：系统架构简单，单芯片完成阻抗测量和必要的应用逻辑；主芯片成本低廉，价格仅集成阻抗转换器方案的1/20；易于实施，上位机通过的串口协议就可以操作传感器，使用5V/3.3V电源即可驱动；测量范围覆盖100Ω～10MΩ，精度1％，满足绝大部分应用；系统通过单芯片和若干分立元件构成，最大限度降低印刷电路板面积，且最大功耗仅500mW，特别适合应用于移动式应用；利用状态切换按键SW1能够实现阻抗测试的启停控制；利用正弦波选择按键SW2能够根据需要切换正弦波的输出参数。

附图说明

图1为本实用新型的信号处理芯片电路原理图；

图2为本实用新型的保护电路原理图；

图3为本实用新型的稳压电路原理图；

图4为本实用新型的四针插座J1电路原理图；

图5为本实用新型的八针插座J3电路原理图；

图6为本实用新型的外接电极接口J2侧面结构示意图；

图7为本实用新型的外接电极接口J2俯视结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型技术方案进行详细说明，但是本实用新型的保护范围不局限于所述实施例。

实施例1：

如图1-5所示，本实用新型公开的单芯片人体阻抗传感器包括：信号处理芯片、保护电路、外接电极接口J2、稳压电路、状态切换按键SW1、正弦波选择按键SW2以及电源模块；信号处理芯片内部集成设置有运算放大单元、A/D采集单元、正弦波输出单元以及MCU单元；在信号处理芯片上设有与正弦波输出单元的输出端电连接的正弦波输出引脚、与运算放大单元的输入端电连接的数据采集引脚、与MCU单元的状态切换I/O端口电连接的状态输入引脚以及与MCU单元的参数切换I/O端口电连接的参数调节输入引脚；外接电极接口J2设有两路通信线路，且一路通信线路与信号处理芯片的数据采集引脚电连接，另一路通信线路通过隔离电路与正弦波输出引脚电连接；运算放大单元的输出端与A/D采集单元的输入端电连接；A/D采集单元的输出端与MCU单元的I/O端口相连；电源模块通过稳压电路为信号处理芯片以及保护电路提供VDD电压源；保护电路包括四组双二极管单元，四组双二极管单元均由两个二极管的正向串接构成；四组双二极管单元的正极端均接地，四组双二极管单元的负极端均与VDD电压源电连接；四组双二极管单元的正向串接线引出后构成四个保护连接端；外接电极接口J2的一路通信线路与两个保护连接端电连接，另一路通信线路与另两个保护连接端电连接；状态切换按键SW1与状态输入引脚电连接；正弦波选择按键SW2与参数调节输入引脚电连接。

进一步地，在外接电极接口J2上接插有两个分别与两路通信线路电连接的电极片。隔离电路包括电阻R13和电容C19；电容C19和电阻R13串接在正弦波输出引脚与外接电极接口J2的通信线路之间。在信号处理芯片上还设有两个参考信号输入引脚；在两个参考信号输入引脚上分别电连接有精密电阻R10和精密电阻R11；精密电阻R10和精密电阻R11均与电阻R13的另一端电连接；两个参考信号输入引脚分别与运算放大单元的另外两路输入端电连接。精密电阻R10的阻值为1000欧姆，误差小于1％；精密电阻R11的阻值为200欧姆，误差小于1％。在信号处理芯片上还设有两个与MCU单元通信端口电连接的串口通信引脚；串口通信引脚电连接在四针插座J1上。在信号处理芯片上还设有八个与MCU单元通信端口电连接的数码管控制引脚；数码管控制引脚电连接在八针插座J3上，用于与数码管电连接。

本实用新型公开的单芯片人体阻抗传感器中，信号处理芯片U2是核心器件，该芯片集成了交流驱动信号，即具备正弦波输出单元，交流信号通过电极片让信号通过人体，利用芯片内部的运算放大单元将信号放大，并由A/D采集单元转换后读取相对应的值，测出人体阻抗值。A/D采集单元为内置的多通道20-bit Delta-Sigma型A/D(ΔΣA/D)转换器，专门为需要具有低噪声和高准确度的A/D转换的产品而设计。

本实用新型公开的单芯片人体阻抗传感器在工作时，将两块电极片放置于人体的待测位置，启动传感器，由正弦波输出单元通过电极片输出正弦波信号，再由另一个电极片接收，并依次通过运算放大单元、A/D采集单元处理后送入MCU单元，与此同时，精密电阻R10和精密电阻R11同样经过正弦波信号，同样依次通过运算放大单元、A/D采集单元处理后送入MCU单元，MCU单元根据精密电阻R10和精密电阻R11的参考AD值与实时采集的人体阻抗AD值进行比较运算，从而计算出人体阻抗值。

该测量阻抗设计可以实现共用设备治疗输出线缆，不用单独配置阻抗测量电极；测量阻抗时不影响设备输出线缆工作状态，可以实现实时阻抗监控测量，在与治疗仪进行共线测试时，只需要按下状态切换按键SW1，由MCU单元接收到按键信号，从而控制正弦波输出单元输出状态的启停切换控制，另外可根据实际检测需要利用正弦波选择按键SW2调节正弦波的输出参数，正弦波的输出参数包括频率和幅值，在调节时频率和幅值是同步循环变换的，共设置有三种输出，每种输出的频率都是逐渐变大，幅值也是逐渐变大的。

如图2所示，正是由于设计了图2的保护电路，从而保障了当测量电极(通过J2引出)上加上了较高的电压时(在医用电刺激治疗仪中很常见)信号处理芯片不会被击穿，确保电路不会被损坏。因此在J2与医用电刺激治疗仪共线组合测试时，可以直接借用治疗仪的输出电极(线缆)作为阻抗测量电极。在医用电刺激治疗仪输出的同时同步采集治疗区域的人体阻抗变化情况更具备临床意义，治疗仪作为主设备，阻抗检测作为从设备，可在治疗过程的起、停阶段或配合治疗信号时序，在空闲阶段(或信号0点)启动阻抗测量。

如图6和7所示，外接电极接口J2由两个T形接插件1构成，在一个T形接插件1的垂直交叉处固定设置有连接轴7；连接轴7的另一端旋转式安装在另一个T形接插件1的垂直交叉处；在T形接插件1的其中两个端部均设有接插孔2，在T形接插件1的另一端部连接有用于连接电极片的电缆6；在接插孔2的孔壁上设有限位槽3；在限位槽3中嵌入式安装有弹簧导电片4；弹簧导电片4的中部弧形凸起至接插孔2内；两个接插孔2内的弹簧导电片4均通过导电铜片5与电缆6电连接。利用两个T形接插件1能够实现治疗仪的连接线与本阻抗测试共线测试，具有较好的实用性能；利用连接轴7使得两个T形接插件1可相对旋转，从而满足不同方向连接线的接插需要，具有较好的适应性；利用弹簧导电片4和导电铜片5能够实现较好的导电性能。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本实用新型，但其不得解释为对本实用新型自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本实用新型的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (8)

1.一种单芯片人体阻抗传感器，其特征在于：包括信号处理芯片、保护电路、外接电极接口J2、稳压电路、状态切换按键SW1、正弦波选择按键SW2以及电源模块；信号处理芯片内部集成设置有运算放大单元、A/D采集单元、正弦波输出单元以及MCU单元；在信号处理芯片上设有与正弦波输出单元的输出端电连接的正弦波输出引脚、与运算放大单元的输入端电连接的数据采集引脚、与MCU单元的状态切换I/O端口电连接的状态输入引脚以及与MCU单元的参数切换I/O端口电连接的参数调节输入引脚；外接电极接口J2设有两路通信线路，且一路通信线路与信号处理芯片的数据采集引脚电连接，另一路通信线路通过隔离电路与正弦波输出引脚电连接；运算放大单元的输出端与A/D采集单元的输入端电连接；A/D采集单元的输出端与MCU单元的I/O端口相连；电源模块通过稳压电路为信号处理芯片以及保护电路提供VDD电压源；保护电路包括四组双二极管单元，四组双二极管单元均由两个二极管的正向串接构成；四组双二极管单元的正极端均接地，四组双二极管单元的负极端均与VDD电压源电连接；四组双二极管单元的正向串接线引出后构成四个保护连接端；外接电极接口J2的一路通信线路与两个保护连接端电连接，另一路通信线路与另两个保护连接端电连接；状态切换按键SW1与状态输入引脚电连接；正弦波选择按键SW2与参数调节输入引脚电连接。

2.根据权利要求1所述的单芯片人体阻抗传感器，其特征在于：在外接电极接口J2上接插有两个分别与两路通信线路电连接的电极片。

3.根据权利要求1所述的单芯片人体阻抗传感器，其特征在于：隔离电路包括电阻R13和电容C19；电容C19和电阻R13串接在正弦波输出引脚与外接电极接口J2的通信线路之间。

4.根据权利要求3所述的单芯片人体阻抗传感器，其特征在于：在信号处理芯片上还设有两个参考信号输入引脚；在两个参考信号输入引脚上分别电连接有精密电阻R10和精密电阻R11；精密电阻R10和精密电阻R11均与电阻R13的另一端电连接；两个参考信号输入引脚分别与运算放大单元的另外两路输入端电连接。

5.根据权利要求4所述的单芯片人体阻抗传感器，其特征在于：精密电阻R10的阻值为1000欧姆，误差小于1％；精密电阻R11的阻值为200欧姆，误差小于1％。

6.根据权利要求1所述的单芯片人体阻抗传感器，其特征在于：在信号处理芯片上还设有两个与MCU单元通信端口电连接的串口通信引脚；串口通信引脚电连接在四针插座J1上。

7.根据权利要求1所述的单芯片人体阻抗传感器，其特征在于：在信号处理芯片上还设有八个与MCU单元通信端口电连接的数码管控制引脚；数码管控制引脚电连接在八针插座J3上，用于与数码管电连接。

8.根据权利要求1所述的单芯片人体阻抗传感器，其特征在于：外接电极接口J2由两个T形接插件(1)构成，在一个T形接插件(1)的垂直交叉处固定设置有连接轴(7)；连接轴(7)的另一端旋转式安装在另一个T形接插件(1)的垂直交叉处；在T形接插件(1)的其中两个端部均设有接插孔(2)，在T形接插件(1)的另一端部连接有用于连接电极片的电缆(6)；在接插孔(2)的孔壁上设有限位槽(3)；在限位槽(3)中嵌入式安装有弹簧导电片(4)；弹簧导电片(4)的中部弧形凸起至接插孔(2)内；两个接插孔(2)内的弹簧导电片(4)均通过导电铜片(5)与电缆(6)电连接。