基于DSP的人體皮膚測量?jì)x系統的設計

1 引言

皮膚是人體最重要的器官之一。它有許多功能，首先，皮膚把外界和內部器官分離開(kāi)，起著(zhù)人體第一道屏障的作用。皮膚通過(guò)厚厚的角質(zhì)層阻擋住外部細菌、灰塵等的侵入，保證人體內有一個(gè)安全的環(huán)境。其次，皮膚還是一個(gè)重要的分泌、排泄組織。皮膚內有很多的汗腺，通過(guò)汗腺進(jìn)行汗液分泌和皮脂排泄。皮膚還有體溫調節作用，可以說(shuō)皮膚與人體的健康有著(zhù)密不可分的聯(lián)系。醫學(xué)界發(fā)現通過(guò)對皮膚的一些生理指標的檢測可了解人體的健康狀況。通過(guò)對皮膚生理參數的檢測從而準確地掌握人體機能的變化是當今醫學(xué)界面臨的一個(gè)重大難題。

本文介紹了一種基于DSP的人體皮膚測量?jì)x的設計方案。

2 總體設計方案

整個(gè)測量系統是由溫度采集、濕度采集、酸堿度采集、I2C總線(xiàn)、DSP、Flash、USB接口以及PC機中的應用程序等部分組成。系統總體框圖如圖1所示。

整個(gè)測量系統的工作原理：利用先進(jìn)的人體皮膚傳感器分別采集人體皮膚的溫度、濕度以及酸堿度3個(gè)指標，經(jīng)過(guò)相應的控制器處理后通過(guò)I2C總線(xiàn)將數據送到DSP中進(jìn)行濾波等處理，處理后的數據再通過(guò)USB口送入PC機中的應用程序，在應用程序中對數據進(jìn)行處理、顯示以及曲線(xiàn)圖的描繪，以判斷人體的健康狀況。

3 硬件系統設計

3.1 TMS320VC5402與指標采集模塊的通信

系統設計中TMS320VC5402作為主控制器，與每個(gè)指標采集部分通過(guò)I2C總線(xiàn)進(jìn)行通信。I2C總線(xiàn)是由Philips公司開(kāi)發(fā)的一種總線(xiàn)系統，它完成8位并行口到I2C總線(xiàn)協(xié)議的轉換，使一些沒(méi)有I2C接口的控制器可以直接接到I2C總線(xiàn)上進(jìn)行通信。在系統中，TMS320VC5402設置為主機模式，每個(gè)指標采集部分設置為從機模式。這樣，便于增加其他的指標采集模塊，可直接“掛”在I2C總線(xiàn)上，如圖2所示。

3.2 濕度采集模塊

考慮到測量人體皮膚的特殊要求。本測量?jì)x采用高分子膜濕敏電容傳感器。高分子膜濕敏電容傳感器體積小、線(xiàn)性好，但信號較小，0.2 P／％Rh，電容信號容易受到分布電容的影響，且電容信號沒(méi)有電阻、電壓信號那樣好處理，因此在設計電路時(shí)，將高分子膜濕敏電容和預處理電路裝在一小塊印刷電路板上，預處理電路先將電容信號轉化為脈沖信號，然后通過(guò)引線(xiàn)送到采集器進(jìn)一步處理，這樣就能克服引線(xiàn)電容對傳感器的影響。濕度采集模塊結構框圖如圖3(a)所示。

3.3 溫度采集模塊

整個(gè)溫度采集模塊可以分為5部分：傳感器AD590、運算放大器LM324、A／D轉換器TLC1549、AT89S52以及電源。單片機將采集的模擬溫度信號經(jīng)過(guò)放大后送給TLC1549進(jìn)行模數轉換，再通過(guò)2051從I2C總線(xiàn)送至DSP進(jìn)行處理。溫度采集模塊結構框圖如圖3(b)所示。

3.4 酸堿度采集模塊

皮膚酸堿度的采集采用先進(jìn)的皮膚型電極傳感器。它能直接將皮膚的酸堿度轉化為電壓形式輸出。單片機將采集處理完的數據通過(guò)I2C總線(xiàn)送入DSP處理器。酸堿度采集模塊結構框圖如圖3(c)所示。

3.5 DSP與USB之間的通信

CY7C68013是Cypress Semiconductor公司推出的集成有USB2.0協(xié)議的微處理器，又稱(chēng)為EZ-USBFX2(簡(jiǎn)稱(chēng)：FX2)。該器件是數據采集處理系統與計算機進(jìn)行數據交流的橋梁。FX2內部集成有USB2.0收發(fā)器、SIE(串行接口引擎)、增強的8051微控制器、8.5 KB的RAM、4 KB的FIFO存儲器以及可編程的外圍接口等。FX2的這種獨創(chuàng )性結構可使數據傳輸率達到56 MB／s，即USB2.0允許的最大帶寬。FX2與TMS320VC33的接口電路如圖4所示。

3.6 DSP與單片機之間的通信

AT89S52和TMS320VC5402各自獨立工作，其信息和數據交換通過(guò)共享的外部存儲器實(shí)現，它們之間的信號聯(lián)絡(luò )通過(guò)硬連接和軟件判斷實(shí)現。

外部存儲器采用的是CY7C133，它是高速的2K×l6 bit靜態(tài)異步雙端口RAM，其存儲速度為25ns。它有兩套獨立的地址線(xiàn)、數據線(xiàn)和控制信號線(xiàn)，允許兩個(gè)控制器件中的數據通過(guò)共同連接的存儲器來(lái)進(jìn)行通信。該雙端口RAM允許兩個(gè)控制器同時(shí)讀取任何存儲單元(包括同時(shí)讀同一單元)，但不允許同時(shí)寫(xiě)或者一讀一寫(xiě)統一地址單元。

對于TMS320VC5402，數據存儲器CY7C133的對應地址為4000H～47FFH。

對于A(yíng)T89S52，數據存儲器CY7C133的對應地址為2000H～27FFH。

3.7 系統電源

整個(gè)系統由外部12 V電源輸入，經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)型穩壓器MC34063輸出穩定的5 V電壓，供濕度采集部分；12 V經(jīng)過(guò)7805和7905輸出±5 V電壓，電流為幾百毫安，通過(guò)74LS138可以同時(shí)輸出3.3 V和1.8 V為DSP控制器供電，5 V電壓經(jīng)LD1117可轉化為3.3 V，為USB控制器和I2C總線(xiàn)供電。

4 軟件系統設計

4.1 系統主程序的設計

本系統的TMS320C5402主要功能是采集溫度、濕度、酸堿度的值，進(jìn)行濾波處理后。通過(guò)USB接口送至USB微控制器。整個(gè)DSP程序存放在Flash中，上電以后由bootstrap程序自動(dòng)裝載運行。系統的主程序流程如圖5所示。

4.2 用戶(hù)界面程序的設計

本測量?jì)x用戶(hù)程序的框架是通過(guò)Visual C++6.0中的MFC應用程序向導生成的，在此框架中，通過(guò)編寫(xiě)函數對硬件設計進(jìn)行數據采集，并調用顯示函數對采集的數據進(jìn)行處理顯示。部分函數的說(shuō)明如下：

5 結束語(yǔ)

本系統可實(shí)現濕度、溫度以及酸堿度3個(gè)人體皮膚重要指標的采集、處理、傳輸，并能在用戶(hù)界面程序中顯示，具有體積小和性?xún)r(jià)比高的特點(diǎn)，有助于醫學(xué)工作者通過(guò)對人體皮膚的診斷判斷其健康狀況。