基于DSP的人體皮膚測量儀系統(tǒng)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(nèi)部器官分離開，起著人體第一道屏障的作用。皮膚通過厚厚的角質(zhì)層阻擋住外部細菌、灰塵等的侵入，保證人體內(nèi)有一個安全的環(huán)境。其次，皮膚還是一個重要的分泌、排泄組織。皮膚內(nèi)有很多的汗腺，通過汗腺進行汗液分泌和皮脂排泄。皮膚還有體溫調(diào)節(jié)作用，可以說皮膚與人體的健康有著密不可分的聯(lián)系。醫(yī)學界發(fā)現(xiàn)通過對皮膚的一些生理指標的檢測可了解人體的健康狀況。通過對皮膚生理參數(shù)的檢測從而準確地掌握人體機能的變化是當今醫(yī)學界面臨的一個重大難題。

本文介紹了一種基于DSP的人體皮膚測量儀的設計方案。

2 總體設計方案

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

整個測量系統(tǒng)的工作原理：利用先進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個指標，經(jīng)過相應的控制器處理后通過I2C總線將數(shù)據(jù)送到DSP中進行濾波等處理，處理后的數(shù)據(jù)再通過USB口送入PC機中的應用程序，在應用程序中對數(shù)據(jù)進行處理、顯示以及曲線圖的描繪，以判斷人體的健康狀況。

3 硬件系統(tǒng)設計

3.1 TMS320VC5402與指標采集模塊的通信

系統(tǒng)設計中TMS320VC5402作為主控制器，與每個指標采集部分通過I2C總線進行通信。I2C總線是由Philips公司開發(fā)的一種總線系統(tǒng)，它完成8位并行口到I2C總線協(xié)議的轉(zhuǎn)換，使一些沒有I2C接口的控制器可以直接接到I2C總線上進行通信。在系統(tǒng)中，TMS320VC5402設置為主機模式，每個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。本測量儀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，且電容信號沒有電阻、電壓信號那樣好處理，因此在設計電路時，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(zhuǎn)化為脈沖信號，然后通過引線送到采集器進一步處理，這樣就能克服引線電容對傳感器的影響。濕度采集模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖3(a)所示。

3.3 溫度采集模塊

整個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(zhuǎn)換器TLC1549、AT89S52以及電源。單片機將采集的模擬溫度信號經(jīng)過放大后送給TLC1549進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再通過2051從I2C總線送至DSP進行處理。溫度采集模塊結(jié)構(gòu)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的皮膚型電極傳感器。它能直接將皮膚的酸堿度轉(zhuǎn)化為電壓形式輸出。單片機將采集處理完的數(shù)據(jù)通過I2C總線送入DSP處理器。酸堿度采集模塊結(jié)構(gòu)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，又稱為EZ-USBFX2(簡稱：FX2)。該器件是數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)與計算機進行數(shù)據(jù)交流的橋梁。FX2內(nèi)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(jié)構(gòu)可使數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)交換通過共享的外部存儲器實現(xiàn)，它們之間的信號聯(lián)絡通過硬連接和軟件判斷實現(xiàn)。

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、數(shù)據(jù)線和控制信號線，允許兩個控制器件中的數(shù)據(jù)通過共同連接的存儲器來進行通信。該雙端口RAM允許兩個控制器同時讀取任何存儲單元(包括同時讀同一單元)，但不允許同時寫或者一讀一寫統(tǒng)一地址單元。

對于TMS320VC5402，數(shù)據(jù)存儲器CY7C133的對應地址為4000H～47FFH。

對于AT89S52，數(shù)據(jù)存儲器CY7C133的對應地址為2000H～27FFH。

3.7 系統(tǒng)電源

整個系統(tǒng)由外部12 V電源輸入，經(jīng)過開關(guān)型穩(wěn)壓器MC34063輸出穩(wěn)定的5 V電壓，供濕度采集部分；12 V經(jīng)過7805和7905輸出±5 V電壓，電流為幾百毫安，通過74LS138可以同時輸出3.3 V和1.8 V為DSP控制器供電，5 V電壓經(jīng)LD1117可轉(zhuǎn)化為3.3 V，為USB控制器和I2C總線供電。

4 軟件系統(tǒng)設計

4.1 系統(tǒng)主程序的設計

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

4.2 用戶界面程序的設計

本測量儀用戶程序的框架是通過Visual C++6.0中的MFC應用程序向?qū)傻?，在此框架中，通過編寫函數(shù)對硬件設計進行數(shù)據(jù)采集，并調(diào)用顯示函數(shù)對采集的數(shù)據(jù)進行處理顯示。部分函數(shù)的說明如下：

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)可實現(xiàn)濕度、溫度以及酸堿度3個人體皮膚重要指標的采集、處理、傳輸，并能在用戶界面程序中顯示，具有體積小和性價比高的特點，有助于醫(yī)學工作者通過對人體皮膚的診斷判斷其健康狀況。