芯海科技CS1253问鼎“中国芯”

大会以“合作才能共赢”为主题，主要内容包括开幕式暨开幕论坛、4场高峰论坛、10场主题论坛等丰富活动。

其中，第十七届“中国芯”集成电路产业促进大会作为本届大会的重磅细分活动之一，于当日下午揭晓本届“中国芯”优秀产品获奖榜单。芯海科技（股票代码：688595）基于人体成分测量的高精度生物传感AFE芯片 CS1253，在全国227家优秀企业的334款参赛产品中脱颖而出，荣登“中国芯”优秀技术创新产品榜单。

CS1253荣获第十七届“中国芯”优秀技术创新产品“中国芯”评选是由国家工信部指导、中国电子信息产业发展研究院举办的行业权威活动，自2006年成立以来，指引及见证了中国集成电路产业的快速发展。此次芯海科技CS1253荣获“中国芯”，是公司自2007年以来累计第七次、从2019年连续三届荣膺“中国芯”。2022（第十七届）中国芯集成电路产业促进大会现场在本届大会上，芯海科技除了蝉联“中国芯”之外，还将会参加11月18日“2022中国半导体市场年会”，并作相关专题报告，届时将另文详叙。

后文将为您详细介绍CS1253的技术特征和产品亮点，字数约计2000字，阅读约需4分钟。

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人体成分构成测量方法

为什么需要关注人体成分呢? 我们知道，通常减肥的人会认为减体重就是减肥。其实这是个误区，因为一样的体重，却有不一样的脂肪含量，其体型区别很大。同时，人体成分还与身体健康息息相关（例如一些慢性病），因此越来越多人会通过持续监测人体成分的变化来指导饮食、运动管理，保持身体的健康状态。

人体由水分、蛋白质、脂肪和无机盐组成，其中约70%是水分，阻抗较小，主要存在于血液、肌肉等。脂肪导电性差，呈现为高阻抗，单位体积中脂肪含量越高阻抗越大。因此，人体成分分析可根据人体阻抗的大小，测量和推断人体脂肪和水分的含量。

人体成分的主要构成图

人体成分分析有MRI (核磁共振成像）测量、DEXA (双能X线吸收测量)、水中密度测量、BIA (生物电阻抗测量）等多种方法。综合比较起来，生物电阻抗法是在成本，易用性以及准确度方面综合表现比较均衡的方法。

人体成分测量方法对比表

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生物电阻抗法（BIA）测量原理

生物电阻抗法（Bioelectric Impedance Analysis）是一种通过电学方法测量人体成分的技术。将微弱的交流电流信号输入人体时，电流会随着电阻小、传导性能较好的体液流转。水分的多少决定着电流通过的通路的宽窄，这个可用阻抗值表示。通过检测电压可以获得生物阻抗值：

生物阻抗可以使用复阻抗Z=R+jXc表示，其中电阻R为实部，电抗Xc为虚部。复阻抗取模可得：

BIA设备借助置于体表的电极系统向检测对象输入微小的交流测量电流，准确测量生物电阻抗Z后，代入到获得科学验证的算法中，计算出主要人体成分结果。

BIA测量示意图

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穿戴设备应用BIA的技术难点

随着物质生活的改善，人们愈发重视通过持续的体征监测来进行健康管理。但是，市场上用于人体成分检测的高性能设备（例如智能体脂秤、人体成分分析仪）通常体积、重量较大，不便于随身携带。

因此，在可穿戴领域推动生命体征监测的医疗变革成为趋势。目前，在智能手表、手环等智能穿戴产品中，BIA、PPG、ECG等健康测量技术不断迭代创新，可获得更加精准的人体健康数据。

可穿戴设备的人体阻抗测量可简化成节段模型。IFINGER、IWRIST为激励电流端，VFINGER、VWRIST为电压测量端（等效电路见下文图片）。穿戴设备产品（例如智能手表）形态一般是测量上肢阻抗。

穿戴设备BIA示意图

穿戴设备BIA电极示意图

人体皮肤主要有表皮、真皮和皮下组织组成。表皮的角质层相当于一层很薄的绝缘层，类似电容的中间介质，真皮和电极片类似电容器的两极板。

由于汗腺里有少量离子通过，所以可以把表皮模拟为漏电的电容器，类似电容Cs和电阻Rs’的并联。真皮和皮下组织可以近似为电阻Rs，因此实际的人体等效模型会更加复杂化。

接触阻抗等效电路相较人体成分检测的其他设备，穿戴设备的特性给应用BIA技术带来更多挑战。➢电极采用干电极，存在极化电压的问题。➢电极接触面积小，存在接触阻抗大的问题，尤其是在低温、干燥环境下。➢穿戴设备体积紧凑，因此要求BIA电路简单，且抗干扰能力强。

➢穿戴设备一般为消费电子产品，因此要求电路功耗低、成本可控。

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CS1253的产品性能指标

芯海科技CS1253是一款支持可穿戴设备的生物阻抗测量的模拟前端（AFE）芯片，结合人体成分算法，可以实现高精度的人体成分分析。产品内部集成了生物阻抗测量电路（BIM）和高精度Sigma-delta ADC信号链。生物阻抗测量电路采用正弦激励源，将生物阻抗转化为电压信号送到ADC信号链进行测量，可以支持多频率生物阻抗测量。

CS1253电路框图CS1253的精准度、集成度、低功耗、易用性等各方面指标均达到国际先进、国内领先水平，非常适合于智能穿戴应用场景。

准确度

➢支持接触阻抗测量；

➢支持5种激励源幅度设置；

➢内置24bit分辨率ADC，输出速率10Hz~1280Hz 8档可调；

➢支持OTP加载或软件加载芯片校准值；

➢输入阻抗>1MΩ@50kHz。

集成度

➢支持SPI和IIC数据通讯；

➢支持IO宽幅电压1.8V~3.3V；

➢支持ECG共用电极，节省单板模拟开关；

➢外围电阻内置，减少单板器件数量，节约系统成本。

低功耗

➢支持自动状态机，减少主控干预；

➢FIFO深度达256Samples，最长支持25.6s唤醒一次@10Hz；

➢支持ADC数据通讯中断方式代替轮询，降低功耗。

易用性

➢支持自动状态机，无需频繁切换配置；

➢支持中断ADC采集数据阈值配置，无需频繁读取数据；

➢支持关键寄存器动态配置，无需全部刷新；

➢灵活的时序配置，满足实际应用场景。

CS1253参考电路

在开发生态上，CS1253拥有完整的评估套件，硬件工具、软件工具、测量算法、开发文档及技术支持等均已准备就绪，方便客户评估和开发产品，简化开发周期，加快量产进程。

EVK上位机软件

EVK评估板

长期以来，芯海科技长期深耕健康测量领域，随着BIA、PPG、ECG产品序列的逐步丰富，正在形成系列化产品组合。

未来，公司仍将凭藉自身的“模拟信号链+MCU”双平台驱动的技术优势，持续构建从芯片到结构到算法的系统工程，赋能更多智慧健康领域的终端品牌客户打造更强产品力。