一种基于多参数电化学可穿戴汗液采集电路及装置

1.本发明属于可穿戴检测设备领域，特别涉及一种基于多参数电化学可穿戴汗液采集电路及装置。


背景技术：

2.近年来，随着我国生活水平的不断提高，慢性病患病风险升高，而部分慢性疾病会提高运动猝死的几率，所以运动时身体状况的实时监测就显得尤为重要了。传统的临床医学诊断都依赖于侵入性的血液分析，仪器成本昂贵且不能实现个体身体健康状况的实时监测。近年来，物联网的出现，促进了智能穿戴设备的发展，同时汗液的无创易获取以及可实时连续检测的特点，这些特点使汗液成为可穿戴装置的理想检测对象。通过分析汗液里的各项指标的变化，便于更好地了解人在运动时的身体的健康状况的变化。然而，当前的可穿戴汗液检测装置特别是电路结构上仍然存在一些技术上的问题和挑战，包括：(1)传统的汗液采集过程复杂低效，采集精度有待提高，且无标准化设备和量化指标；(2)在对汗液中离子进行检测时，传统的离子传感器由于体积较大、工艺复杂，而无法集成到可穿戴式设备中；(3)传统汗液多参数采集可穿戴装置体积大功耗大，不便于实验者穿戴且不能长时间连续实时的采集汗液样本。上述问题不仅影响了汗液检测方便和实时连续的特点，更严重限制了获取的汗液与成分的深入研究。
3.因此，如何在可穿戴汗液检测装置中实现电路构造简单、体积小的同时，保持较高的数据采集精度和使用时间是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

4.有鉴于现有技术的上述缺陷，为实现上述目的，本发明在一方面提供了如下技术方案：
5.一种基于电化学的多参数可穿戴汗液采集电路，其特征在于，包括：前端模拟电路、转换电路、微控制器电路和电源管理电路；其中前端模拟电路、转换电路，微控制器电路和电源管理电路依次连接，电源管理电路还分别与前端模拟电路和转换电路连接，
6.所述前端模拟电路，用于采集汗液中的电压信号和电流信号，将采集的电压信号和电流信号发送至转换电路；
7.所述转换电路，用于产生电化学测量所需要的参考电压和对采集到的电压信号和电流信号进行差分处理，将所述差分处理后的数据发送至微控制器电路；
8.所述微控制器电路，用于控制d/a转换电路为前端模拟电路提供基准电压和控制a/d转换电路处理转换前端模拟电路采集的电压信号和电流信号；
9.所述电源管理电路，用于向上述各电路供电。
10.优选的，所述转换电路包括a/d转换电路和d/a转换电路，a/d转换电路包括ad7124-4芯片，d/a转换电路包括ad5623芯片。
11.更优的，所述前端模拟电路包括开路电位采集电路和恒电位仪电路，
12.所述开路电位采集电路输出端与所述ad7124-4芯片的10、11、14和15号引脚连接；所述恒电位仪电路输出端与所述转换电路的ad7124-4芯片的8和16号引脚连接；
13.所述电位采集电路通过开路电位-时间曲线法采集汗液中的电压信号和电流信号，将所述采集的数据发送至转换电路；
14.所述恒电位仪电路通过采用时间-电流曲线法采集汗液中的电压信号和电流信号，将所述采集的数据发送至转换电路。
15.更优的，所述开路电位采集电路包括第1电阻、第2电阻、第3电阻、第4电阻、第1运放、第2运放、第3运放和第4运放，
16.采集端se1通过所述第1电阻与所述第1运放的正极连接，所述第1运放的负极与其输出端连接，所述第1运放输出端与所述ad7124-4芯片的10号引脚连接；采集端se2通过所述第2电阻与所述第2运放的正极连接，所述第2运放的负极与其输出端连接，所述第2运放输出端与所述ad7124-4芯片的11号引脚连接；采集端se3通过所述第3电阻与所述第3运放的正极连接，所述第3运放的负极与其输出端连接，所述第3运放输出端与所述ad7124-4芯片的14号引脚连接；所述第4电阻与所述第4运放的正极连接，所述第4运放的负极与其输出端连接，所述第4运放输出端与所述恒电位仪电路连接。
17.更优的，所述恒电位仪电路包括第5电阻、第6电阻、第12电阻，第13电阻，第14电阻，第15电阻，第16电阻，第17电阻，第5运放，第6运放，第7运放，第8运放，
18.所述第4运放输出端通过第14电阻与第5运放正极连接，re1通过所述第12电阻与第5运放负极连接，re1、第5运放输出端ce1与所述第6运放的we1端构成第1组三电极体系；所述第6运放负极通过第5电阻与其输出端连接，所述第6运放正极通过第15电阻与所述ad7124-4芯片的9号引脚连接，所述第6运放输出端与ad7124-4芯片的8号引脚连接；所述第4运放输出端通过第16电阻与第7运放正极连接，re2通过所述第13电阻与第6运放负极连接，re2、第7运放输出端ce2与所述第8运放的we2端构成第2组三电极体系；所述第8运放负极通过第6电阻与其输出端连接，所述第8运放正极通过第17电阻与所述ad7124-4芯片的17号引脚连接，所述第8运放输出端最终与ad7124-4芯片的16号引脚连接。
19.更优的，所述ad7124-4芯片2和1号引脚分别与ad5623芯片的7和8号引脚连接，所述转换电路ad7124-4芯片1、2、4、24号引脚与所述微控制器电路连接。
20.更优的，所述微控制器电路包括mcu和蓝牙模块，其中mcu和蓝牙模块连接，
21.所述mcu用于控制a/d转换电路和d/a转换电路处理前端采集的数据，用于控制模拟供电ldo模块给前端模拟电路和a/d转换电路和d/a转换电路供电，所述mcu还用于运行蓝牙通信所需的协议栈程序；
22.所述蓝牙模块用于传输数据。
23.更优的，所述mcu包括cc2640r2f芯片，所述cc2640r2f的1、2、36、28、29、31、33号引脚分别与ad5623的5、4、6号引脚和ad7124-4的24、4、1、2号引脚连接。
24.作为优选，所述电源管理电路包括包括锂离子电池、模拟供电ldo模块和数字供电ldo模块，所述锂离子电池分别与模拟供电ldo模块和数字供电ldo模块连接；
25.所述模拟供电ldo模块包括adp1711aujz-3.3-r7芯片，通过5号电源输出引脚提供vcc电源，分别与前端模拟电路和转换电路连接，数字供电ldo模块包括tps79933ddct芯片，通过5号电源输出引脚提供dvdd电源，与微控制器电路连接，蓝牙芯片的24号引脚与模拟供
电ldo模块使3号引脚en连接。
26.本发明在另一方面还提供了一种基于电化学的多参数可穿戴汗液采集装置，包括如前述的基于电化学的多参数可穿戴汗液采集电路转换电路。
27.本发明的有益效果是：
28.基于现有技术存在的缺陷，本发明提供的基于多参数电化学可穿戴汗液采集设备及装置，能够连续准确采集电化学传感器的开路电位以及恒电位仪电路电流，并且将采集到的多通道电信号，传输给移动设备实现实时监控。电路简单高效，从而使得装置体积大大减小；通过一种五个通道的前端模拟电路部分，集成在四个运放ada4505-2armz-rl芯片中，大大提高了芯片的集成度；其采集分辨率低至1μv和1na，达到了更高的采集精度，并通过穿戴在人们身上并且长时间实时监测汗液各离子浓度的变化，从而监测运动时身体的健康状况的变化。
附图说明
29.图1是本发明主要电路连接结构示意图；
30.图2是本发明开路电位采集电路连接结构示意图；
31.图3是本发明恒电位仪电路连接结构示意图；
32.图4是本发明转换电路的ad7124-4芯片连接结构示意图；
33.图5是本发明转换电路的ad5623芯片连接结构示意图；
34.图6是本发明模拟供电ldo模块电路结构示意图；
35.图7是本发明数字供电ldo模块电路结构示意图。
具体实施方式
36.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.另外在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当人认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
38.值得注意的是，在本发明的实际应用中，不可避免的会应用到软件程序，但申请人在此声明，该技术方案在具体实施时所应用的软件程序皆为现有技术，在本技术中，不涉及到软件程序的更改及保护，只是对为实现发明目的而设计的硬件架构的保护。
39.实施例：
40.本发明实施例提供的基于电化学的多参数可穿戴汗液采集电路，请参阅图1，图1为基于电化学的多参数可穿戴汗液采集电路的第一实施例的电路连接示意图。包括：前端模拟电路、转换电路、微控制器电路和电源管理电路；其中前端模拟电路、转换电路，微控制
器电路和电源管理电路依次连接，电源管理电路还分别与前端模拟电路和转换电路连接，
41.所述前端模拟电路，用于采集汗液中的电压信号和电流信号，将采集的电压信号和电流信号发送至转换电路；
42.所述转换电路，用于产生电化学测量所需要的参考电压和对采集到的电压信号和电流信号进行差分处理，将所述差分处理后的数据发送至微控制器电路；
43.所述微控制器电路，用于控制d/a转换电路为前端模拟电路提供基准电压和控制a/d转换电路处理转换前端模拟电路采集的电压信号和电流信号；
44.所述电源管理电路，用于向上述各电路供电。
45.优选的，所述转换电路包括a/d转换电路和d/a转换电路，a/d转换电路包括ad7124-4芯片，d/a转换电路包括ad5623芯片。
46.更优的，所述开路电位采集电路包括电压跟随电路se1，电压跟随电路se2，电压跟随电路se3和电压跟随电路re；所述恒电位仪电路包括第一恒电位仪电路和第二恒电位仪电路。
47.更优的，所述前端模拟电路包括开路电位采集电路和恒电位仪电路，
48.所述开路电位采集电路输出端与所述ad7124-4芯片的10、11、14和15号引脚连接；所述恒电位仪电路输出端与所述转换电路的ad7124-4芯片的8和16号引脚连接；
49.所述电位采集电路通过开路电位-时间曲线法采集汗液中的电压信号和电流信号，将所述采集的数据发送至转换电路；
50.所述恒电位仪电路通过采用时间-电流曲线法采集汗液中的电压信号和电流信号，将所述采集的数据发送至转换电路。
51.更优的，所述开路电位采集电路包括第1电阻、第2电阻、第3电阻、第4电阻、第1运放、第2运放、第3运放和第4运放，
52.采集端se1通过所述第1电阻与所述第1运放的正极连接，所述第1运放的负极与其输出端连接，所述第1运放输出端与所述ad7124-4芯片的10号引脚连接；采集端se2通过所述第2电阻与所述第2运放的正极连接，所述第2运放的负极与其输出端连接，所述第2运放输出端与所述ad7124-4芯片的11号引脚连接；采集端se3通过所述第3电阻与所述第3运放的正极连接，所述第3运放的负极与其输出端连接，所述第3运放输出端与所述ad7124-4芯片的14号引脚连接；所述第4电阻与所述第4运放的正极连接，所述第4运放的负极与其输出端连接，所述第4运放输出端与所述恒电位仪电路连接。
53.开路电位采集电路中，se1、se2和se3为ise(离子选择性电极)分别与re(参比电极)构成两电极体系，se1、se2、se3和re分别连接到电路中的电压跟随器，电压跟随器由高输入阻抗、低功耗运算放大器构成，起阻抗变换作用。其中d/a转换电路输出1.25v参考电压，提供给连接re的电压跟随器，使re(参比电极)的电位固定在1.25v，使得se1～se3与re之间的电压测量范围为-1.25～2.05v，分辨率为1μv，达到了更高的采集精度。
54.更优的，所述恒电位仪电路包括第5电阻、第6电阻、第12电阻，第13电阻，第14电阻，第15电阻，第16电阻，第17电阻，第5运放，第6运放，第7运放，第8运放，
55.所述第4运放输出端通过第14电阻与第5运放正极连接，re1通过所述第12电阻与第5运放负极连接，re1、第5运放输出端ce1与所述第6运放的we1端构成第1组三电极体系；所述第6运放负极通过第5电阻与其输出端连接，所述第6运放正极通过第15电阻与所述
ad7124-4芯片的9号引脚连接，所述第6运放输出端与ad7124-4芯片的8号引脚连接；所述第4运放输出端通过第16电阻与第7运放正极连接，re2通过所述第13电阻与第6运放负极连接，re2、第7运放输出端ce2与所述第8运放的we2端构成第2组三电极体系；所述第8运放负极通过第6电阻与其输出端连接，所述第8运放正极通过第17电阻与所述ad7124-4芯片的17号引脚连接，所述第8运放输出端最终与ad7124-4芯片的16号引脚连接。
56.前端模拟电路包括第一恒电位仪电路和第二恒电位仪电路，每个恒电位仪电路可连接一组三电极体系(we、ce、re)如图3，进行电化学电流测量。多通道da转换电路输出两个电压(vref1和vref2)分别给恒电位仪电路，用以控制各个恒电位仪we与re之间的电势差，恒电位仪电路还包括电流-电压转换电路，将流过we的电流转换为相应的电压值，送至ad转换电路，其中电流量程为-10μa～10μa，分辨率为1na，达到了更高的采集精度。
57.在本发明中，提供了一种五个通道的前端模拟电路部分，集成在四个运放ada4505-2armz-rl芯片中，大大提高了芯片的集成度。
58.作为优选，请参阅图4、图5，所述转换电路还包括d/a转换电路的ad5623芯片，所述转换电路通过ad7124-4芯片2和1号引脚分别与ad5623芯片的7和8号引脚连接，以便微控制器电路同时控制ad7124-4芯片和ad5623芯片，所述转换电路ad7124-4芯片1、2、4、24号引脚与所述微控制器电路连接，采用spi通信。
59.在本实施例中，采集得到的电信号与待测离子的浓度之间关系符合能斯特方程，能够精准地同时检测汗液各项离子的浓度。多通道a/d转换电路多路通道同时接收前端传感器采集的电信号，将接收到的工作电极电位和参比电极电位差分处理，通过处理后五个通道的数据具体为三个通道电位和两个通道电流。其中多通道a/d转换电路包括至少八路差分采集通道用于输入前端电模拟电路输出的电压信号，多通道d/a转换电路为恒电位仪电路提供的基准电压，与经电压跟随器处理的参比电极电压形成稳定的压差，以便换算工作电极流过恒定电阻的电流。多通道a/d转换电路输入信号为前端模拟电路输出的电压信号，其中开路电压采集电路输出到多通道a/d转换电路通道中的是通过电压跟随器处理后的参比电极电位和工作电极电位；恒电位仪电路输出的是运算加法器转换后得到的电压，该电压与多通道d/a转换电路提供的基准电压之差，为恒定电阻(第5电阻与第6电阻)上的电压，与电阻的比值则能得到流过恒定电阻的电流。
60.微控制器电路中的mcu通过spi协议控制多通道a/d转换电路将指定通道采集的电压值进行差分，具体的将采集的三个通道电压与同一个参比电极的电压进行差分；将恒电位仪电路运算加法器转换后的电压和多通道d/a转换电路提供基准电压差分。多通道a/d转换电路将多通道的采集电位差分换算后处理成三个通道的电压和两个通道的电流数据。
61.更优的，所述ad7124-4芯片2和1号引脚分别与ad5623芯片的7和8号引脚连接，所述转换电路ad7124-4芯片1、2、4、24号引脚与所述微控制器电路连接。
62.更优的，所述微控制器电路包括mcu和蓝牙模块，其中mcu和蓝牙模块连接，
63.所述mcu用于控制a/d转换电路和d/a转换电路处理前端采集的数据，用于控制模拟供电ldo模块给前端模拟电路和a/d转换电路和d/a转换电路供电，所述mcu还用于运行蓝牙通信所需的协议栈程序；
64.所述蓝牙模块用于传输数据。
65.更优的，所述mcu包括cc2640r2f芯片，所述cc2640r2f的1、2、36、28、29、31、33号引
脚分别与ad5623的5、4、6号引脚和ad7124-4的24、4、1、2号引脚连接。
66.在本实施例中，微控制器电路mcu通过spi(串行外设接口)获取a/d转换电路的数据，并且控制多通道d/a转换电路提供基准电压。通过微控制器电路中的蓝牙天线传输给手机实时显示在手机屏幕。其中蓝牙芯片的gpio口分别与a/d转化模块和d/a转换模块相连，通过spi协议的双向通信的方式控制多通道a/d转换电路多通道采集和转换处理、以及控制多通道d/a转换电路提供基准电压。并且将多通道转换电路处理的五个通道的数据合并成一个20字节的低功耗数据包由蓝牙天线传输给移动设备，并且在移动设备中以散点图的形式实时显示。为了提高电路的集成度，微控制器电路除了蓝牙芯片模块外，还将蓝牙程序烧录xds100v3接口简化成简单的6线，将简化后的6线接口与串口调试接口集成在10线的fpc连接器上，并与蓝牙芯片的程序烧录gpio口相连，提高了电路的集成度，减少了电路板的体积。
67.在一实施例中，蓝牙模块还包括蓝牙天线，蓝牙天线将数据传输到终端上，通过一系列数据接收，数据处理，数据/散点图表显示和保存后，实时显示在手机屏幕。
68.作为优选，请参阅图6、图7，所述电源管理电路包括包括锂离子电池、模拟供电ldo模块和数字供电ldo模块，所述锂离子电池分别与模拟供电ldo模块和数字供电ldo模块连接；
69.所述模拟供电ldo模块包括adp1711aujz-3.3-r7芯片，通过5号电源输出引脚提供vcc电源，分别与前端模拟电路和转换电路连接，数字供电ldo模块包括tps79933ddct芯片，通过5号电源输出引脚提供dvdd电源，与微控制器电路连接，蓝牙芯片的24号引脚与模拟供电ldo模块使3号引脚en连接。
70.在本实施例中，电源管理电路用于检测电路的各个模块正常工作时提供需要稳定的工作电源，所需的工作电源由电源管理电路提供。采用锂电池供电，分别由两个低功耗低压差线性稳压器与电池输出相连，其中模拟供电ldo对前端模拟电路和多通道转换电路，数字供电ldo给微控制器电路供电。数据采集和记录过程在使用200mah锂电池可持续15小时以上，能完全满足可穿戴汗液检测设备穿戴实验的需求。
71.在采集空闲的时候通过用微控制器电路将采集部分即模拟供电部分关闭，来降低功耗。对于电池供电的系统来说，这样设计以提高系统效率以及稳定性，降低自身损耗，从而实现长时间的穿戴汗液物质采集测试。
72.通过本发明提供的数据采集电路，实时采集并处理汗液多参数物质数据，并对数据进行有效的转换、合并和传输处理，不仅保证了输出信号的准确度和稳定性，而且提供了一种新的集成电路的思路，提高电路的集成度，因此具备良好的应用前景。
73.本发明实施例还提供了一种基于电化学的多参数可穿戴汗液采集装置，其包括前述的基于多参数电化学可穿戴汗液采集电路。
74.本发明提出了一种新的汗液多参数物质采集电路及装置，实现了可穿戴汗液多参数实时检测，相比于传统的汗液检测电路，本装置拓宽了物质浓度检测的范围，提高了汗液物质检测精度和检测稳定性；本电路提升了检测的灵活性，将前端集成在柔性印刷电路板(pet)材料上的传感器替换成其他需要的传感器，电路仍能适用；电路各个模块之间连接紧密并且电路中所采用低功耗蓝牙芯片将传统的mcu和蓝牙模块集成在一起，极大提升电路的集成度的同时降低了成本；电路设计的几个模块采用的元器件，使得电路稳定以及装置
整体功耗较小；采用模拟电源和数字电源双电源供电模式，采集空闲时选择关闭一个电源降低功耗；采用蓝牙芯片模块与手机实时传输数据的方式，不仅解决了实时监测汗液中物质浓度变化的问题，而且大大减低了装置的成本并能快速部署。以上的电路的优势更适用于可穿戴的汗液检测，满足长时间实时监控的需求。
75.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的试验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。