一种手掌电阻抗频谱测量仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于共振频率的手掌电阻抗频谱测量仪。本实用新型中的扫频正弦信号发生器模块的输入端与单片机核心模块连接，扫频正弦信号发生器模块的输出端与V/I转换模块输入端连接，V/I转换模块的输出端与电感匹配模块输入端、峰峰值检测模块的一个输入端连接，电感匹配模块输出端与继电器控制测量电极切换模块连接，继电器控制测量电极切换模块连接手掌组织的输入端。峰峰值检测模块的另一输入端连接到手掌组织的输出端，峰峰值检测模块的输出端连接到单片机核心模块。单片机机核心模块通过I/O口与PC机输入端连接完成数据传输。本实用新型装置简单，成本低廉，对人体无害，无特殊工作环境要求，检查方便。
【专利说明】一种手掌电阻抗频谱测量仪【技术领域】
[0001]本实用新型技术属于生物特征识别技术及医疗电子仪器领域，涉及一种基于共振频率的手掌电阻抗频谱测量仪。
【背景技术】
[0002]生物特征识别(Biometrics)是基于人体所固有的生理特征或行为特征来进行个人身份认证的一种技术。由于人的许多生理特征与生俱来、独一无二，且通常伴随终身，具有很高的防伪性和稳定性，因此人们认为生物特征识别将是一种更加可靠、方便、快捷的身份识别手段。
[0003]用于生物识别的生理特征有人脸、虹膜、指纹、掌纹、静脉等，行为特征有笔迹、声音等。基于人体的这些生理特征，人们已经研究了人脸识别、指纹识别、虹膜识别、静脉识另IJ、声音识别、笔迹识别以及指纹/声纹、人脸/虹膜、人脸/指纹/手形等多态生物特征融合技术。
[0004]但是，当前大部分已知的生物特征识别技术多是基于二维或三维图像采集和处理。例如，大部分生物特征如指纹、人脸、静脉等都是通过光学传感器来形成图像信号，需要光照条件；指纹容易磨损和仿制，虹膜识别需要昂贵的聚焦摄像头，视网膜识别所用的激光透视可能有损眼睛健康，笔迹识别、声音识别错误率高等。这些不利因素制约了当前生物特征识别技术的进一步应用推广。
[0005]研究表明，生物组织的电导率和电容率会随着频率变化而变化，并且不同的组织具有不同的频率特 性，不同的个体同样也具有不同的频率特性。人体组织的基本构造单位是细胞。细胞浸浴于细胞外液之中，细胞则由细胞膜和细胞内液构成。细胞外液、细胞内液含有多种离子，具有导电性，其电学性质接近于电阻，具有阻抗；而细胞膜主要成分是脂质双分子层和蛋白质，无直流导电性，但可通过交流电，可等效于电容，具有容抗。由早期一些科学家理论最终提出了生物组织三元件等效模型的概念。等效模型图见图1。
[0006]生物电阻抗谱扫描技术(BioelectricalImpedance Spectroscopy BIS)是指生物组织的复电阻抗随外加驱动电流的频率变化，它的实、虚部会发生相应变化，而对于不同的组织这种变化表现形式有较大的差异。这种差异可以用于区分正常组织与病变组织，因此生物电阻抗谱技术在生物医学工程领域有着重要的地位。但是，由阻抗频谱特性的R-C三元件等效电路模型可以发现，生物组织不仅有电阻特性，还存在电容特性，由电路谐振原理可知，将生物组织与感性器件连接，对其施加幅值相同，频率在一定范围内递增的正弦交变电流时，将会在某一点发生共振，根据共振点曲线的不同可以区分不同的生物个体。因此，生物组织的电阻抗谱中包含了被可以区别个体差异的生物特征。
[0007]人体手掌可以等效为一个复杂的阻抗网络，而不同个体的手掌结构、大小、血管分布等个性特征千差万别，因此，各个生物体手掌的电阻抗谱特性也独一无二。
【发明内容】
[0008]本实用新型针对现有技术的不足，提供了一种手掌电阻抗频谱测量仪。
[0009]本实用新型包括单片机核心模块，电源模块，扫频正弦信号发生器模块，电压/电流转换模块，峰峰值检测模块，电感匹配电路模块，继电器控制测量电极切换电路模块和PC机。扫频正弦信号发生器模块的输入端与单片机核心模块连接，扫频正弦信号发生器模块的输出端与V/I转换模块输入端连接，V/I转换模块的输出端与电感匹配模块输入端、峰值检测模块的一个输入端连接，电感匹配模块输出端与继电器控制测量电极切换模块连接，继电器控制测量电极切换模块连接手掌组织的输入端。峰峰值检测模块的另一输入端连接到手掌组织的输出端，峰峰值检测模块的输出端连接到单片机核心模块。单片机机核心模块通过I/o 口与PC机输入端连接完成数据传输。
[0010]本实用新型的有益效果是，这是一种便携式的检测装置，这种共振频率检测方法对人体无害，无特殊工作环境要求，检查方便，且装置简单，成本低廉，该方法可以作为一种方便、快捷的身份识别，也能作为够为其它生物特征识别的重要补充。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是生物组织的三元件等效电路模型；
[0012]图2是本实用新型仪器的结构示意图；
[0013]图3是本实用新型仪器的单片机核心模块原理图；
[0014]图4是本实用新型仪器的电源模块电路原理图；
[0015]图5是本实用新型仪器的扫频正弦信号发生电路原理图；
[0016]图6是本实用新型仪器的V/I转换电路原理图；
[0017]图7是本实用新型仪器的电感匹配电路图；
[0018]图8是本实用新型仪器的峰峰值检测电路原理图；
[0019]图9是本实用新型仪器的继电器控制测量电极切换电路原理图；
[0020]图10是本实用新型仪器的系统控制流程图。
【具体实施方式】
[0021]以下结合附图和【具体实施方式】对本实用新型技术进行详细说明。
[0022]本实用新型技术提供了一套基于共振频率阻抗谱的手掌识别装置。该装置原理是，将生物组织与感性器件连接，对人体的手掌施加扫频交变电流信号，通过数据采集装置采集一系列电压数据，寻找相应的共振点，通过建立一个手掌电阻抗频谱数据库，并通过特征提取和特征匹配来实现手掌生物特征识别。
[0023]如图2，为本实用新型仪器的结构示意图。本实用新型基于共振频率方法的手掌电阻抗频谱测量仪包括:单片机单核心模块①；扫频正弦信号发生器模块②；V/I转换模块③；电感匹配模块④；继电器控制测量电极切换模块⑤；峰峰值检测模块⑥；PC机⑦；电感匹配模块通过继电器控制测量电极切换电路与手掌的中心、手指的五个手指连接，其中的基于共振频率方法采用现有成熟的技术。
[0024]如图3，为本实用新型仪器的单片机核心模块原理图，单片机模块是由STM32为核心芯片构成的主控系统，单片机核心模块包括单片机芯片ICO、第十芯片IC10、第二晶振X2、第三晶振X3、第十电感L10、第二十二电阻R22、第三十二电容C32、第三十三电容C33、第三十四电容C34、第三十五电容C35、第三十六电容C36、第三十七电容C37、第三十八电容C38、第三十九电容C39。单片机芯片ICO共64个管脚，单片机芯片ICO的I管脚与+5V电源相连接。单片机芯片ICO的3管脚与第三十二电容C32的一端、第二晶振X2的一端相连。第三十二电容C32的另一端接地，第二晶振X2的另一端与单片机芯片ICO的4管脚、第三十三电容C33的一端相连接。第三十三电容C33的另一端接地。单片机芯片ICO的5管脚与第二十二电阻R22的一端、第三晶振X3的一端、第三十四电容的一端相连。单片机芯片ICO的6管脚与第二十二电阻R22的另一端、第三晶振X3的另一端、第三十五电容C35的一端相连。第三十四电容C34的另一端接地。第三十五电容C35的另一端接地。单片机芯片ICO的第11管脚接地。单片机芯片ICO的13管脚与第三十七电容C37的一端、第三十六电容C36的正端、第十电感LlO的一端相连。第三十六电容C36的负端接地，第三十七电容C37的另一端接地，第十电感LlO的另一端与第十芯片IClO的3管脚、第三十九电容C39的正端相连。第三十九电容C39的负端接地。第十芯片IClO的I管脚与+5V电源、第三十八电容C38的正端相连。第三十八电容的负端接地，第十芯片IClO的2管脚接地。单片机芯片ICO的20管脚、36管脚、26管脚、42管脚、27管脚分别与继电器控制测量电极切换模块的5个输出端W1、W2、W3、W4、W5相连接。单片机芯片ICO的52管脚、5管脚、53管脚、6管脚、60管脚、13管脚、19管脚、35管脚分别与扫频正弦信号发生器模块第四芯片IC4的4管脚、3管脚、2管脚、I管脚、28管脚、27管脚、26管脚、25管脚相连接。单片机芯片ICO的43管脚与峰峰值检测模块第七芯片IC7、第八芯片IC8的I管脚和14管脚相连。单片机芯片ICO的16管脚、24管脚、32管脚、49管脚、50管脚、51管脚、54管脚、57管脚接地。所述的单片机芯片ICO选用的型号为意法半导体公司生产的低功耗处理器STM32F103RBT6，3.3V电源稳压芯片IClO选用的型号为AMEl117。
[0025]如图4，为本实用新型仪器的电源模块电路原理图，电源模块包括第一芯片IC1、第二芯片IC2、第三芯片IC3、第一可变电阻R1、第一电感L1、第一肖特基二极管D1、第一电容Cl、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第九电容C 9、第十电容C10、第^^一电容C11、第十二电容C12、第十三电容C13。第一芯片ICl的I管脚与第一电容Cl的一端、第三电容C3的正极相连，第一电容Cl的另一端接地，第三电容C3的负极接地。第一芯片ICl的2管脚与第二芯片IC2的I管脚相连。第一芯片ICl的3管脚与第五电容的正极、第七电容的一端相连,第五电容C5的负极接地，第七电容C7的另一端接地。第二芯片IC2的2管脚与第二电容C2的一端、第四电容C4的负极相连，第二电容C2的另一端接地，第四电容的正极接地。第二芯片IC2的3管脚与第六电容C6的负极、第八电容C8的一端相连，第六电容C6的正极接地，第八电容的另一端接地。第三芯片IC3的I管脚与第^ 电容Cll的一端相连,第^ 电容Cll的另一端与第三芯片IC3的8管脚、第一二极管Dl的阴极、第一电感LI的一端相连，第一二极管Dl的阳极接地，第一电感LI的另一端与第十二电容C12的一端、第十三电容C13的正极、第一可变电阻的一端相连，第十二电容C12的另一端接地，第十三电容C13的负极接地，第一可变电阻Rl的另一端与第三芯片IC3的4管脚相连，第一可变电阻Rl的可调电阻端接地。第三芯片IC3的7管脚与第九电容C9的一端、第十电容ClO的一端相连,第九电容C9的另一端接地，第十电容ClO的另一端接地。第三芯片IC3的6管脚接地，2管脚、3管脚、5管脚均悬空。所述的第一芯片ICl的型号为LM7812，第二芯片IC2的型号为LM7912，第三芯片IC3的型号为TPS5450。
[0026]本实用新型的降压芯片ICl和IC2用于将外接的电源土 15V降低为±12V，电源转换芯片U3用于将+12V电压转换为+5V电压。±15V电源为峰峰值检测模块供电，土 12V电源为V/I转换电路供电，+5V电源为下位机和扫频信号发生器电路供电。其中，电源模块电路中降压芯片ICl和IC2选择LM7812和LM7912，分别把土 15V电源降低到±12V电源；电源转换芯片IC3选择TPS5450，可以将+12V电源转换为+5V电源。
[0027]如图5，为扫频正弦信号发生器电路原理图，它的作用为输出不同频率的电压正弦信号，扫频正弦信号发生器模块包括第四芯片IC4、第一晶振X1、第二可变电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4、第十四电容C14、第十五电容C15、第十六电容C16、第十七电容C17、第十八电容C18、第十九电容C19、第二十电容C20、第二十一电容C21。第四芯片IC4的I管脚、2管脚、3管脚、4管脚、25管脚、26管脚、27管脚、28管脚依次与单片机的8个I/O 口:C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8相连接。第5管脚接地，第6管脚接+5V电源，第7管脚接单片机的W_CLK管脚，第8管脚接单片机的FQ_UD管脚。第9管脚连接第一晶振Xl的3管脚，第一晶振Xl的I管脚悬空，第一晶振Xl的2管脚接地，第一晶振的4管脚连接+5V电源。第四芯片IC4的10管脚接地，11管脚接+5V，12管脚连接第三电阻R3的一端，第三电阻R3的另一端接地。第四芯片IC4的13管脚、14管脚悬空，第15管脚连接第十四电容C14的一端、第二可变电阻R2的可调电阻端，第14电容C14的另一端接地，第二可变电阻R2的一端接地，第二可变电阻的另一端接+5V电源。第四芯片IC4的24管脚接地，23管脚接+5V电源，22管脚连接单片机的RESET管脚，21管脚连接第四电阻R4的一端、第二电感L2的一端、第十五电容C15的一端、第十六电容C16的一端,第四电阻R4的另一端、第十五电容的另一端接地。第十六电容C16的另一端、第二电感L2的另一端与第十七电容C17、第十八电容C18、第三电感L3的一端相连，第十七电容C17的另一端接地。第三电感L3的另一端、第十八电容C18的另一端与第十九电容C19的一端、第二十电容C20的一端、第四电感L4的一端相连,第十九电容C19的另一端接地。第四电感L4的另一端、第二十电容C20的另一端与第二^ 电容C21的一端、第五电阻R5的一端、第16管脚、SIA相连,第二^ 电容C21的另一端接地,第五电阻R5的另一端接地。第17管脚、20管脚悬空，第19管脚接地，第18管脚接+5V电源。所述的第四芯片IC4的型号为AD公司生产DDS芯片AD9850。
[0028]如图6，为V/I转换电路原理图，此电路的输入连接扫频正弦信号发生电路的输出，将扫频正弦信号发生电路输出的电压转化为恒定电流输出，V/I转换模块包括第五芯片IC5、第六芯片IC6、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第二十二电容C22、第二十三电容C23、第二十四电容C24、第二十五电容C25。第五芯片IC5的I管脚与第二十二电容C22的一端、扫频正弦信号发生器模块的输出SIA相连。第二十二电容C22的另一端与第五芯片IC5的4管脚、第六芯片IC6的6管脚、7管脚、第八电阻R8的一端相连。第八电阻R8的另一端与第六芯片IC6的3管脚、第二十四电容C24的一端相连，第二十四电容C24的另一端接地。第五芯片IC5的2管脚接-12V电源，3管脚悬空。第五芯片IC5的5管脚与6管脚、第九电阻R9的一端相连，第九电阻R9的另一端与第六芯片IC6的5管脚、第二十五电容C25的一端、第二十 五电容的另一端连接输出lout。第五芯片IC5的7管脚与+12V电源相连接。第五芯片IC5的8管脚与第六芯片IC6的I管脚、第六电阻R6的一端、第二十三电容C23的一端相连,第六电阻R6的另一端、第二十三电容C23的另一端与第六芯片IC6的2管脚、第七电阻R7的一端相连，第七电阻R7的另一端接地。第六芯片IC6的4管脚与-12V电源相连，第8管脚与+12V电源相连。所述的第五芯片IC5的型号为AD公司生产的高速仪表放大器芯片AD8130，第六芯片IC6的型号为AD公司生产Fast FET放大器 AD8066。
[0029]如图7，为本实用新型仪器的电感匹配电路图，用来与手掌组织等效的容性阻抗匹配，从而能在特定频率下发生谐振，电压取得最小值，Lin为输入端连接电压/电路转换电路的输出端，Lout连接手掌组织便可测出共振数据。电感匹配模块包括Lin接口、Lout接口、第五电感L5、第六电感L6、第七电感L7、第八电感L8、第九电感L9。Lin接口的1、2、3、
4、5管脚分别连接第九电感L9 一端、第八电感L8的一端、第七电感L7的一端、第六电感L6一端、第五电感L5 —端,第五电感L5的另一端、第六电感L6的另一端、第七电感L7的另一端、第八电感L8的另一端、第九电感L9的另一端分别与Lout接口的1、2、3、4、5管脚相连接
[0030]如图8， 为本实用新型仪器的峰峰值检测电路原理图，输入连接电感匹配电路的输出，用来检测电感匹配电路与手掌组织串联的输出电压峰峰值。峰峰值检测模块包括第七芯片IC7、第八芯片IC8、第九芯片IC9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第二十六电容C26、第二十七电容C27、第二十八电容C28、第二十九电容C29、第三十电容C30、第三^^一电容C31。第七芯片IC7的I管脚与14管脚、第八芯片IC8的I管脚、第八芯片IC8的14管脚相连。第7芯片IC7的2管脚与+15V电源、第八芯片的2管脚、第二十六电容C26的一端相连接,第二十六电容C26的另一端接地。第七芯片IC7的3管脚与5管脚、9管脚、第十三电阻R13的一端相连，第十三电阻R13的另一端与第九芯片IC9的3管脚、第十四电阻R14的一端相连，第十四电阻R14的另一端与第八芯片IC8的3管脚、9管脚、第十电阻RlO的一端相连，第十电阻RlO的另一端与第八芯片IC8的5管脚、第十一电阻Rll的一端相连，第十一电阻Rll的另一端与第七芯片IC7的6管脚相连。第七芯片IC7的4管脚与第二十七电容C27的一端相连，第二十七电容C27的另一端接地。第七芯片IC7的7管脚与-15V电源、第八芯片IC8的7管脚、第二十九电容C29的一端相连，第二十九电容C29的另一端接地。第七芯片IC7的8管脚与13管脚接模拟地，第10、11、12管脚悬空。第八芯片IC8的4管脚与第二十八电容C28的一端相连，第二十八电容C28的另一端接地。第八芯片IC8的6管脚与第十二电阻R12的一端相连，第十二电阻R12的另一端接地。第八芯片IC8的8管脚、13管脚接地，第10、11、12管脚悬空。第九芯片IC9的1、5、8管脚悬空,2管脚与第十五电阻R15的一端、第十六电阻R16的一端相连,第十五电阻R15的另一端接地,第十六电阻R16的另一端与OUT插口、第九芯片的6管脚相连。第九芯片的4管脚与-15V电源、第三十电容C30的一端相连，第三十电容C30的另一端接地。第九芯片IC9的7管脚与+15V电源、第三十一电容C31的一端相连，第三十一电容的另一端接地。所述的第七芯片IC7和第八芯片IC8的型号均为AD公司生产的单片峰值探测器PKD01，第九芯片IC9的型号为AD公司生产的精密运算放大器0P27。
[0031]如图9，为本实用新型仪器的继电器控制测量电极切换电路原理图，通过继电器控制测量电极的切换，手掌只要放置在5个测量电极和I个公共电极上便可以测出手掌组织的生物电阻抗数据，继电器控制测量电极切换模块包含第一继电器S1、第二继电器S2、第三继电器S3、第四继电器S4、第五继电器S5、第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3、第四三级管Q4、第五三极管Q5、第二肖特基二极管D2、第三肖特基二极管D3、第四肖特基二极管D4、第五肖特基二极管D5、第六肖特基二极管D6、第十七电阻R17、第十八电阻R18、第十九电阻R19、第二十电阻R20、第二^^一电阻R21、Control接口、Signal Input接口、Signal Output接口。第一继电器SI的I管脚、4管脚悬空。第一继电器的2管脚与+5V电源、第三十二电容C32的一端、第三十三电容C33的一端、第二肖特基二极管D2的阴极相连，第三十二电容C32的另一端接地，第三十三电容C33的另一端接地，第二肖特基二极管D2的阳极与第一继电器SI的5管脚、第一三极管Ql的3管脚相连，第一三极管的2管脚与Control接口的5管脚相连，第一三极管的I管脚接地。第一继电器SI的三管脚与Signal Input接口的I管脚相连,第一继电器SI的6管脚与Signal Output接口的I管脚相连。第二继电器S2的I管脚、4管脚悬空。第二继电器S2的2管脚与+5V电源、第三肖特基二极管D3的阴极相连，第三肖特基二极管D3的阳极与第二继电器S2的5管脚、第二三极管Q2的3管脚相连，第二三极管Q2的2管脚与第十八电阻R18的一端相连，第十八电阻R18的另一端与Control接口的4管脚相连，第二三极管Q2的I管脚接地。第二继电器S2的3管脚与Signal Input接口的2管脚相连，第二继电器S2的6管脚与SignalOutput接口的2管脚相连。第三继电器S3的I管脚、4管脚悬空。第三继电器33的2管脚与+5V电源、第四肖特基二极管D4的阴极相连，第四肖特基二极管D4的阳极与第三继电器S3的5管脚、第三三极管Q3的3管脚相连，第三三极管Q3的2管脚与第十九电阻R19的一端相连，第十九电阻R19的另一端与Control接口的3管脚相连,第三三极管Q3的I管脚接地。第三继电器S3的3管脚与Signal Input接口的3管脚相连，第三继电器S3的6管脚与Signal Output接口的3管脚相连。第四继电器S4的I管脚、4管脚悬空。第四继电器S4的2管脚与+5V电源、第五肖特基二极管D5的阴极相连，第五肖特基二极管D5的阳极与第四继电器S4的5管脚、第四三极管Q4的3管脚相连，第四三极管Q4的2管脚与第二十电阻R20的一端相连,第二十电阻R20的另一端与Control接口的2管脚相连,第四三极管Q4的I管脚接地 。第四继电器S4的3管脚与Signal Input接口的4管脚相连，第四继电器S4的6管脚与Signal Output接口的4管脚相连。第五继电器S5的I管脚、4管脚悬空。第五继电器S5的2管脚与+5V电源、第六肖特基二极管D6的阴极相连，第六肖特基二极管D6的阳极与第五继电器S5的5管脚、第五三极管Q5的3管脚相连，第五三极管Q5的2管脚与第二^ 电阻R21的一端相连,第二^ 电阻R21的另一端与Control接口的I管脚相连，第五三极管Q5的I管脚接地。第五继电器S5的3管脚与Signal Input接口的5管脚相连,第五继电器S5的6管脚与Signal Output接口的5管脚相连。SignalOutput接口与5个测量电极W1、W2、W3、W4、W5相连。所述的继电器S1、S2、S3、S4、S5的型号为 HK4100f - DC5V-SHG。
[0032] 如图10，为本实用新型仪器的系统控制流程图。系统启动后，先进行初始化，然后打开串口，开始采集数据，根据定时时间判断第一次数据是否接收完，如果没完成则继续接收，若完成接收则开始进行模数转换，完成第一次扫描后将数据存入缓冲区，根据继电器切换通道连续扫描5次，判断接收完5次数据后关闭串口，完成数据采集，将采集完的数据通过串口发送到上位机。
【权利要求】
1.一种手掌电阻抗频谱测量仪，包括单片机核心模块，电源模块，扫频正弦信号发生器模块，电压/电流转换模块，峰峰值检测模块，电感匹配电路模块，继电器控制测量电极切换电路模块和PC机，其特征在于:扫频正弦信号发生器模块的输入端与单片机核心模块连接，扫频正弦信号发生器模块的输出端与V/I转换模块输入端连接，V/I转换模块的输出端与电感匹配模块输入端、峰峰值检测模块的一个输入端连接，电感匹配模块输出端与继电器控制测量电极切换模块连接，继电器控制测量电极切换模块连接手掌组织的输入端；峰峰值检测模块的另一输入端连接到手掌组织的输出端，峰值检测模块的输出端连接到单片机核心模块；单片机机核心模块通过I/o 口与PC机输入端连接完成数据传输； 所述电源模块为扫频正弦信号发生器模块、V/I转换模块、继电器控制测量电极切换模块、峰峰值检测模块和单片机核心模块供电。
【文档编号】A61B5/053GK203609422SQ201320719548
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2013年11月13日 优先权日:2013年11月13日
【发明者】厉力华, 林兴建, 赵伟杰 申请人:杭州电子科技大学