低价的欧姆龙HBF-306人体脂肪仪的设计要点分析

　　在我居住地区的药妆店Walgreen里，似乎总有某些能吸引人们好奇目光的医疗仪器。这次，我们选择拆解的电子装置，就是现在在药妆店或量贩百货中随处可见的人体脂肪测量计。此次选择的产品是欧姆龙(Omron)公司的50美元(或不到50美元)HBF-306体脂计。

　　这不是一个让人们用来玩乐的普通仪器，严格来说，它的主要用途在于医疗方面，因为它能快速地告诉被测者身体内所含脂肪的比例。不过，随着这种仪器在操作时所呈现的神奇效果，我想它或许能很好地持续检查我在维持体重方面的进展。这个仪器可在相当简单的前提下执行，并通过相对简单的电子器件(绝大多数为模拟器件)所实现。

　　HBF-306外形类似于手持式游戏控制器，具有两个方便受测者在测量过程中紧握的手柄，而用来测量的电子器件则放置于中间的夹盒内。每个手柄有两个电极，它们由塑料外壳围住的金属簧片组成。受测者在测试时手握把手，与电极发生接触。该仪器使用7号电池供电，进一步证明内部的电子器件极至简单。

　　由于零售价有可能低至30美元，因此没有多余的预算可用来实现精致的医疗级监控功能。传统上，精确的人体组成成份测量主要仰赖双能X光能量吸收仪(dual X-ray absorptiometry)或流水静力学秤重法(hydrostatic weighing)，这种方法可以记录水下的被测对象在肺部排出空气时的视重(apparent weight)。另外，体褶(body fold)和其它实体特征的测量也十分常见。不过，在这款低价且外形设计相对简单的欧姆龙仪器中，显然缺少X光、测试池或是测径器，因此它必须仰赖别的装置或是技术来进行测量。

　　通过搜寻欧姆龙的网站和专利研究文献，我们发现HBF-306主要采用的技术是生物电阻抗分析(BIA)。BIA测量被测对象的人体阻抗，在精密控制的测量条件下将之记录下来，并将该结果与用户输入的资料，以及相关实验室的收集资料加以整合，以评估人体的脂肪含量。

　　测量阻抗本身就是一件复杂的事情。人体传导同时拥有电阻和电抗成分，电阻部分由含水组织驱动，容抗则源自每个细胞周围的绝缘隔膜。鉴于脂肪和骨头中流体和电解液的保持力较低，因此它们是较差的导体，而瘦肉肌的电阻特性则相对较低。精确的人体模仿RC模型的确定是一个备受争议的主题，但首要的是，阻抗似乎可以模拟成一个并行的RC电路。

　　测量开始时，先由受测者输入性别、身高、体重和年龄。仪器针对影响阻抗和与人体脂肪百分比有最终对比的变量进行调整。据我所知，欧姆龙采用上述传统精准方法收集了大批不同受测群体的脂肪百分比数据库。通过了解每个人的实验室级数字并测量每个案例相应的阻抗，欧姆龙的开发工程师创建了这个数据库。这种假设是HBF-306的任意结果都可以指定一个人体脂肪百分比与更加精确的实验室数据(根据用户的特定输入修正过)相对应。

　　这个方法并不理想，并且受其它变量的影响。测量过程中手的接触必须保持稳定，欧姆龙的专利技术可实现在一个较短的时延读数范围内显示阻抗，否则测试将终止。用法说明还指示用户须在站立且两脚稍微分开的情况下将双臂屈曲成90度。这些要求完全是满足可预测人体几何学的需要，这样就不会引起电路分流而使测量和对比遭受不良影响。最后，由于人体的阻抗是随着一天过程中的液体摄入和活动而变化的，因此欧姆龙总结出能够实现可靠读数的特定时间和环境，也可以针对肌肉组织和特定受测条件(运动员模式)进行调整。

　　图1：欧姆龙HBF-306人体脂肪仪器件组成情况。

　　这个仪器基本上由一个简单的阻抗计和一个小数据库组成。由于要测量复杂的阻抗，因此必须使用交流信号;此时，他们对四个电极中的两个电极(左手一个电极，右手一个电极)施加了一个500mA、50kHz的恒流信号。余下的两个电极充当传感器，从而通过测量由于人体的等效RC电路引起的电压上升和移相来感应阻抗。

　　模拟计量前端的电子器件仅是ST的TS924四路运放，可能部分用作振荡器，部分用作被检测的电压放大器以确定电阻值，部分用来实现解调器以进行相位检测。由两个TI的SN74LV4052四通道模拟信号复用/分离芯片和一个TI的SN74LV4066四路双向模拟开关实现了一个模拟信号结构，预示着这是一个能进行双向测量的反向电路。不过，对于这点还不是十分肯定。

　　在HBF-306体脂计中，最大的芯片是瑞萨的M38223M4H八位微控制器，这并非什么新器件，其片级版权日期是1986年。该微控制器带16Kb ROM和512B RAM，具有可用来数字化解调器和放大器输出的A/D电路外围，以及负责测量查找和对比人体脂肪百分比的数字智能部分。

　　前面板开关的用户接口和直接驱动的单色LCD也属于瑞萨的器件。精工技术公司的1Kb串行E2PROM补充了控制器的片上内存，可用来存储代码、对比数据或用户测量结果。

　　具有最少元器件的CEM电路板提供了一个低成本的基板，在该基板上可安装IC和80个分立无源元件。CEM电路板采用节省成本的银浆填充在孔中，并使用密封套印以防止氧化。

　　在详细解构HBF-306体脂计之后，我们可以清楚地看到组成这台设备的一系列芯片和支持器件，以及不到10美元的显示器和外部包装。其所有的器件成本总共约为15美元，其中还包括了一些智能软件。这意味着今天的科技已经能以极低廉的成本，为人们提供一种能以简单且快捷的途径评估人体组成成份的方法。我的测量结果正常，但并不值得庆幸，继续锻炼和适度的饮食可能仍是最好办法。