低價(jià)的歐姆龍HBF-306人體脂肪儀的設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

在我居住地區(qū)的藥妝店Walgreen里，似乎總有某些能吸引人們好奇目光的醫(yī)療儀器。這次，我們選擇拆解的電子裝置，就是現(xiàn)在在藥妝店或量販百貨中隨處可見的人體脂肪測量計(jì)。此次選擇的產(chǎn)品是歐姆龍(Omron)公司的50美元(或不到50美元)HBF-306體脂計(jì)。

這不是一個(gè)讓人們用來玩樂的普通儀器，嚴(yán)格來說，它的主要用途在于醫(yī)療方面，因?yàn)樗芸焖俚馗嬖V被測者身體內(nèi)所含脂肪的比例。不過，隨著這種儀器在操作時(shí)所呈現(xiàn)的神奇效果，我想它或許能很好地持續(xù)檢查我在維持體重方面的進(jìn)展。這個(gè)儀器可在相當(dāng)簡單的前提下執(zhí)行，并通過相對簡單的電子器件(絕大多數(shù)為模擬器件)所實(shí)現(xiàn)。

HBF-306外形類似于手持式游戲控制器，具有兩個(gè)方便受測者在測量過程中緊握的手柄，而用來測量的電子器件則放置于中間的夾盒內(nèi)。每個(gè)手柄有兩個(gè)電極，它們由塑料外殼圍住的金屬簧片組成。受測者在測試時(shí)手握把手，與電極發(fā)生接觸。該儀器使用7號電池供電，進(jìn)一步證明內(nèi)部的電子器件極至簡單。

由于零售價(jià)有可能低至30美元，因此沒有多余的預(yù)算可用來實(shí)現(xiàn)精致的醫(yī)療級監(jiān)控功能。傳統(tǒng)上，精確的人體組成成份測量主要仰賴雙能X光能量

吸收儀(dual X-ray absorptiometry)或流水靜力學(xué)秤重法(hydrostatic weighing)，這種方法可以記錄水下的被測對象在肺部排出空氣時(shí)的視重(apparent weight)。另外，體褶(body fold)和其它實(shí)體特征的測量也十分常見。不過，在這款低價(jià)且外形設(shè)計(jì)相對簡單的歐姆龍儀器中，顯然缺少X光、測試池或是測徑器，因此它必須仰賴別的裝置或是技術(shù)來進(jìn)行測量。

通過搜尋歐姆龍的網(wǎng)站和專利研究文獻(xiàn)，我們發(fā)現(xiàn)HBF-306主要采用的技術(shù)是生物電阻抗分析(BIA)。BIA測量被測對象的人體阻抗，在精密控制的測量條件下將之記錄下來，并將該結(jié)果與用戶輸入的資料，以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)室的收集資料加以整合，以評估人體的脂肪含量。

測量阻抗本身就是一件復(fù)雜的事情。人體傳導(dǎo)同時(shí)擁有電阻和電抗成分，電阻部分由含水組織驅(qū)動(dòng)，容抗則源自每個(gè)細(xì)胞周圍的絕緣隔膜。鑒于脂肪和骨頭中流體和電解液的保持力較低，因此它們是較差的導(dǎo)體，而瘦肉肌的電阻特性則相對較低。精確的人體模仿RC模型的確定是一個(gè)備受爭議的主題，但首要的是，阻抗似乎可以模擬成一個(gè)并行的RC電路。

測量開始時(shí)，先由受測者輸入性別、身高、體重和年齡。儀器針對影響阻抗和與人體脂肪百分比有最終對比的變量進(jìn)行調(diào)整。據(jù)我所知，歐姆龍采用上述傳統(tǒng)精準(zhǔn)方法收集了大批不同受測群體的脂肪百分比數(shù)據(jù)庫。通過了解每個(gè)人的實(shí)驗(yàn)室級數(shù)字并測量每個(gè)案例相應(yīng)的阻抗，歐姆龍的開發(fā)工程師創(chuàng)建了這個(gè)數(shù)據(jù)庫。這種假設(shè)是HBF-306的任意結(jié)果都可以指定一個(gè)人體脂肪百分比與更加精確的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)(根據(jù)用戶的特定輸入修正過)相對應(yīng)。

這個(gè)方法并不理想，并且受其它變量的影響。測量過程中手的接觸必須保持穩(wěn)定，歐姆龍的專利技術(shù)可實(shí)現(xiàn)在一個(gè)較短的時(shí)延讀數(shù)范圍內(nèi)顯示阻抗，否則測試將終止。用法說明還指示用戶須在站立且兩腳稍微分開的情況下將雙臂屈曲成90度。這些要求完全是滿足可預(yù)測人體幾何學(xué)的需要，這樣就不會(huì)引起電路分流而使測量和對比遭受不良影響。最后，由于人體的阻抗是隨著一天過程中的液體攝入和活動(dòng)而變化的，因此歐姆龍總結(jié)出能夠?qū)崿F(xiàn)可靠讀數(shù)的特定時(shí)間和環(huán)境，也可以針對肌肉組織和特定受測條件(運(yùn)動(dòng)員模式)進(jìn)行調(diào)整。

圖1：歐姆龍HBF-306人體脂肪儀器件組成情況。

這個(gè)儀器基本上由一個(gè)簡單的阻抗計(jì)和一個(gè)小數(shù)據(jù)庫組成。由于要測量復(fù)雜的阻抗，因此必須使用交流信號；此時(shí)，他們對四個(gè)電極中的兩個(gè)電極(左手一個(gè)電極，右手一個(gè)電極)施加了一個(gè)500mA、50kHz的恒流信號。余下的兩個(gè)電極充當(dāng)傳感器，從而通過測量由于人體的等效RC電路引起的電壓上升和移相來感應(yīng)阻抗。

模擬計(jì)量前端的電子器件僅是ST的TS924四路運(yùn)放，可能部分用作振蕩器，部分用作被檢測的電壓放大器以確定電阻值，部分用來實(shí)現(xiàn)解調(diào)器以進(jìn)行相位檢測。由兩個(gè)TI的SN74LV4052四通道模擬信號復(fù)用/分離芯片和一個(gè)TI的SN74LV4066四路雙向模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)模擬信號結(jié)構(gòu)，預(yù)示著這是一個(gè)能進(jìn)行雙向測量的反向電路。不過，對于這點(diǎn)還不是十分肯定。

在HBF-306體脂計(jì)中，最大的芯片是瑞薩的M38223M4H八位微控制器，這并非什么新器件，其片級版權(quán)日期是1986年。該微控制器帶16Kb ROM和512B RAM，具有可用來數(shù)字化解調(diào)器和放大器輸出的A/D電路外圍，以及負(fù)責(zé)測量查找和對比人體脂肪百分比的數(shù)字智能部分。

前面板開關(guān)的用戶接口和直接驅(qū)動(dòng)的單色LCD也屬于瑞薩的器件。精工技術(shù)公司的1Kb串行E2PROM補(bǔ)充了控制器的片上內(nèi)存，可用來存儲(chǔ)代碼、對比數(shù)據(jù)或用戶測量結(jié)果。

具有最少元器件的CEM電路板提供了一個(gè)低成本的基板，在該基板上可安裝IC和80個(gè)分立無源元件。CEM電路板采用節(jié)省成本的銀漿填充在孔中，并使用密封套印以防止氧化。

在詳細(xì)解構(gòu)HBF-306體脂計(jì)之后，我們可以清楚地看到組成這臺(tái)設(shè)備的一系列芯片和支持器件，以及不到10美元的顯示器和外部包裝。其所有的器件成本總共約為15美元，其中還包括了一些智能軟件。這意味著今天的科技已經(jīng)能以極低廉的成本，為人們提供一種能以簡單且快捷的途徑評估人體組成成份的方法。我的測量結(jié)果正常，但并不值得慶幸，繼續(xù)鍛煉和適度的飲食可能仍是最好辦法.

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