基于DSP的人体皮肤测量仪系统的设计

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1 引言
皮肤是人体最重要的器官之一。它有许多功能，首先，皮肤把外界和内部器官分离开，起着人体第一道屏障的作用。皮肤通过厚厚的角质层阻挡住外部细菌、灰尘等的侵入，保证人体内有一个安全的环境。其次，皮肤还是一个重要的分泌、排泄组织。皮肤内有很多的汗腺，通过汗腺进行汗液分泌和皮脂排泄。皮肤还有体温调节作用，可以说皮肤与人体的健康有着密不可分的联系。医学界发现通过对皮肤的一些生理指标的检测可了解人体的健康状况。通过对皮肤生理参数的检测从而准确地掌握人体机能的变化是当今医学界面临的一个重大难题。
本文介绍了一种基于DSP的人体皮肤测量仪的设计方案。

2 总体设计方案
整个测量系统是由温度采集、湿度采集、酸碱度采集、I2C总线、DSP、Flash、USB接口以及PC机中的应用程序等部分组成。系统总体框图如图1所示。


整个测量系统的工作原理：利用先进的人体皮肤传感器分别采集人体皮肤的温度、湿度以及酸碱度3个指标，经过相应的控制器处理后通过I2C总线将数据送到DSP中进行滤波等处理，处理后的数据再通过USB口送入PC机中的应用程序，在应用程序中对数据进行处理、显示以及曲线图的描绘，以判断人体的健康状况。

3 硬件系统设计
3.1 TMS320VC5402与指标采集模块的通信
系统设计中TMS320VC5402作为主控制器，与每个指标采集部分通过I2C总线进行通信。I2C总线是由Philips公司开发的一种总线系统，它完成8位并行口到I2C总线协议的转换，使一些没有I2C接口的控制器可以直接接到I2C总线上进行通信。在系统中，TMS320VC5402设置为主机模式，每个指标采集部分设置为从机模式。这样，便于增加其他的指标采集模块，可直接“挂”在I2C总线上，如图2所示。


3.2 湿度采集模块
考虑到测量人体皮肤的特殊要求。本测量仪采用高分子膜湿敏电容传感器。高分子膜湿敏电容传感器体积小、线性好，但信号较小，0.2 P／％Rh，电容信号容易受到分布电容的影响，且电容信号没有电阻、电压信号那样好处理，因此在设计电路时，将高分子膜湿敏电容和预处理电路装在一小块印刷电路板上，预处理电路先将电容信号转化为脉冲信号，然后通过引线送到采集器进一步处理，这样就能克服引线电容对传感器的影响。湿度采集模块结构框图如图3(a)所示。
3.3 温度采集模块
整个温度采集模块可以分为5部分：传感器AD590、运算放大器LM324、A／D转换器TLC1549、AT89S52以及电源。单片机将采集的模拟温度信号经过放大后送给TLC1549进行模数转换，再通过2051从I2C总线送至DSP进行处理。温度采集模块结构框图如图3(b)所示。


3.4 酸碱度采集模块
皮肤酸碱度的采集采用先进的皮肤型电极传感器。它能直接将皮肤的酸碱度转化为电压形式输出。单片机将采集处理完的数据通过I2C总线送入DSP处理器。酸碱度采集模块结构框图如图3(c)所示。
3.5 DSP与USB之间的通信
CY7C68013是Cypress Semiconductor公司推出的集成有USB2.0协议的微处理器，又称为EZ-USBFX2(简称：FX2)。该器件是数据采集处理系统与计算机进行数据交流的桥梁。FX2内部集成有USB2.0收发器、SIE(串行接口引擎)、增强的8051微控制器、8.5 KB的RAM、4 KB的FIFO存储器以及可编程的外围接口等。FX2的这种独创性结构可使数据传输率达到56 MB／s，即USB2.0允许的最大带宽。FX2与TMS320VC33的接口电路如图4所示。


3.6 DSP与单片机之间的通信
AT89S52和TMS320VC5402各自独立工作，其信息和数据交换通过共享的外部存储器实现，它们之间的信号联络通过硬连接和软件判断实现。
外部存储器采用的是CY7C133，它是高速的2K×l6 bit静态异步双端口RAM，其存储速度为25ns。它有两套独立的地址线、数据线和控制信号线，允许两个控制器件中的数据通过共同连接的存储器来进行通信。该双端口RAM允许两个控制器同时读取任何存储单元(包括同时读同一单元)，但不允许同时写或者一读一写统一地址单元。
对于TMS320VC5402，数据存储器CY7C133的对应地址为4000H～47FFH。
对于AT89S52，数据存储器CY7C133的对应地址为2000H～27FFH。

3.7 系统电源
整个系统由外部12 V电源输入，经过开关型稳压器MC34063输出稳定的5 V电压，供湿度采集部分；12 V经过7805和7905输出±5 V电压，电流为几百毫安，通过74LS138可以同时输出3.3 V和1.8 V为DSP控制器供电，5 V电压经LD1117可转化为3.3 V，为USB控制器和I2C总线供电。

4 软件系统设计
4.1 系统主程序的设计
本系统的TMS320C5402主要功能是采集温度、湿度、酸碱度的值，进行滤波处理后。通过USB接口送至USB微控制器。整个DSP程序存放在Flash中，上电以后由bootstrap程序自动装载运行。系统的主程序流程如图5所示。


4.2 用户界面程序的设计
本测量仪用户程序的框架是通过Visual C++6.0中的MFC应用程序向导生成的，在此框架中，通过编写函数对硬件设计进行数据采集，并调用显示函数对采集的数据进行处理显示。部分函数的说明如下：


5 结束语
本系统可实现湿度、温度以及酸碱度3个人体皮肤重要指标的采集、处理、传输，并能在用户界面程序中显示，具有体积小和性价比高的特点，有助于医学工作者通过对人体皮肤的诊断判断其健康状况。