基于DSP的人體皮膚測(cè)量?jī)x系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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(kāi)，起著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(xì)菌、灰塵等的侵入，保證人體內(nèi)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(nèi)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(diào)節(jié)作用，可以說(shuō)皮膚與人體的健康有著密不可分的聯(lián)系。醫(yī)學(xué)界發(fā)現(xiàn)通過(guò)對(duì)皮膚的一些生理指標(biāo)的檢測(cè)可了解人體的健康狀況。通過(guò)對(duì)皮膚生理參數(shù)的檢測(cè)從而準(zhǔn)確地掌握人體機(jī)能的變化是當(dāng)今醫(yī)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(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)方案。

2 總體設(shè)計(jì)方案

整個(gè)測(cè)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(jī)中的應(yīng)用程序等部分組成。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)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(biāo)，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的控制器處理后通過(guò)I2C總線將數(shù)據(jù)送到DSP中進(jìn)行濾波等處理，處理后的數(shù)據(jù)再通過(guò)USB口送入PC機(jī)中的應(yīng)用程序，在應(yīng)用程序中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shè)計(jì)

3.1 TMS320VC5402與指標(biāo)采集模塊的通信

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中TMS320VC5402作為主控制器，與每個(gè)指標(biāo)采集部分通過(guò)I2C總線進(jìn)行通信。I2C總線是由Philips公司開(kāi)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(méi)有I2C接口的控制器可以直接接到I2C總線上進(jìn)行通信。在系統(tǒng)中，TMS320VC5402設(shè)置為主機(jī)模式，每個(gè)指標(biāo)采集部分設(shè)置為從機(jī)模式。這樣，便于增加其他的指標(biāo)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(cè)量人體皮膚的特殊要求。本測(cè)量?jī)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、線性好，但信號(hào)較小，0.2 P／％Rh，電容信號(hào)容易受到分布電容的影響，且電容信號(hào)沒(méi)有電阻、電壓信號(hào)那樣好處理，因此在設(shè)計(jì)電路時(shí)，將高分子膜濕敏電容和預(yù)處理電路裝在一小塊印刷電路板上，預(yù)處理電路先將電容信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)，然后通過(guò)引線送到采集器進(jìn)一步處理，這樣就能克服引線電容對(duì)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(gè)溫度采集模塊可以分為5部分：傳感器AD590、運(yùn)算放大器LM324、A／D轉(zhuǎn)換器TLC1549、AT89S52以及電源。單片機(jī)將采集的模擬溫度信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后送給TLC1549進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再通過(guò)2051從I2C總線送至DSP進(jìn)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(jìn)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(jī)將采集處理完的數(shù)據(jù)通過(guò)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(jiǎn)稱：FX2)。該器件是數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)進(jìn)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(qiáng)的8051微控制器、8.5 KB的RAM、4 KB的FIFO存儲(chǔ)器以及可編程的外圍接口等。FX2的這種獨(dú)創(chuàng)性結(jié)構(gòu)可使數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)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(jī)之間的通信

AT89S52和TMS320VC5402各自獨(dú)立工作，其信息和數(shù)據(jù)交換通過(guò)共享的外部存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)，它們之間的信號(hào)聯(lián)絡(luò)通過(guò)硬連接和軟件判斷實(shí)現(xiàn)。

外部存儲(chǔ)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(chǔ)速度為25ns。它有兩套獨(dú)立的地址線、數(shù)據(jù)線和控制信號(hào)線，允許兩個(gè)控制器件中的數(shù)據(jù)通過(guò)共同連接的存儲(chǔ)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(chǔ)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(tǒng)一地址單元。

對(duì)于TMS320VC5402，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器CY7C133的對(duì)應(yīng)地址為4000H～47FFH。

對(duì)于AT89S52，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器CY7C133的對(duì)應(yīng)地址為2000H～27FFH。

3.7 系統(tǒng)電源

整個(gè)系統(tǒng)由外部12 V電源輸入，經(jīng)過(guò)開(kāi)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(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(zhuǎn)化為3.3 V，為USB控制器和I2C總線供電。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)主程序的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)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(yùn)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(shè)計(jì)

本測(cè)量?jī)x用戶程序的框架是通過(guò)Visual C++6.0中的MFC應(yīng)用程序向?qū)傻?，在此框架中，通過(guò)編寫(xiě)函數(shù)對(duì)硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并調(diào)用顯示函數(shù)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理顯示。部分函數(shù)的說(shuō)明如下：

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)濕度、溫度以及酸堿度3個(gè)人體皮膚重要指標(biāo)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(jià)比高的特點(diǎn)，有助于醫(yī)學(xué)工作者通過(guò)對(duì)人體皮膚的診斷判斷其健康狀況。