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，起著人體第一道屏障的作用。皮膚通過厚厚的角質層阻擋住外部細菌、灰塵等的侵入，保證人體內有一個安全的環境。其次，皮膚還是一個重要的分泌、排泄組織。皮膚內有很多的汗腺，通過汗腺進行汗液分泌和皮脂排泄。皮膚還有體溫調節作用，可以說皮膚與人體的健康有著密不可分的聯系。醫學界發現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的檢測從而準確地掌握人體機能的變化是當今醫學界面臨的一個重大難題。
2 總體設計方案
整個測量系統是由溫度采集、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。系統總體框圖如圖1所示。
整個測量系統的工作原理：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，經過相應的控制器處理后通過I2C總線將數據送到DSP中進行濾波等處理，處理后的數據再通過USB口送入PC機中的應用程序，在應用程序中對數據進行處理、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公司開發的一種總線系統，它完成8位并行口到I2C總線協議的轉換，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。濕度采集模塊結構框圖如圖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轉換器TLC1549、AT89S52以及電源。單片機將采集的模擬溫度信號經過放大后送給TLC1549進行模數轉換，再通過2051從I2C總線送至DSP進行處理。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I2C總線送入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協議的微處理器，又稱為EZ-USBFX2(簡稱：FX2)。該器件是數據采集處理系統與計算機進行數據交流的橋梁。FX2內部集成有USB2.0收發器、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共享的外部存儲器實現，它們之間的信號聯絡通過硬連接和軟件判斷實現。
外部存儲器采用的是CY7C133，它是高速的2K×l6 bit靜態異步雙端口RAM，其存儲速度為25ns。它有兩套獨立的地址線、數據線和控制信號線，允許兩個控制器件中的數據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一地址單元。
對于TMS320VC5402，數據存儲器CY7C133的對應地址為4000H～47FFH。
對于AT89S52，數據存儲器CY7C133的對應地址為2000H～27FFH。
3.7 系統電源
整個系統由外部12 V電源輸入，經過開關型穩壓器MC34063輸出穩定的5 V電壓，供濕度采集部分；12 V經過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LD1117可轉化為3.3 V，為USB控制器和I2C總線供電。
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應用程序向導生成的，在此框架中，通過編寫函數對硬件設計進行數據采集，并調用顯示函數對采集的數據進行處理顯示。部分函數的說明如下：
5 結束語
本系統可實現濕度、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，有助于醫學工作者通過對人體皮膚的診斷判斷其健康狀況。