穿戴式醫療儀器可實現對人體非介入式、無創的醫療監測，具備可移動操作、使用簡便、長時間持續工作等特點。可以減少病人的生理和心理負擔，達到更好的檢測效果。因此，它的發展越來越受到關注。

　　

　　

穿戴式醫療儀器可實現對人體非介入式
、無創的醫療監測，具備可移動操作、使用簡便、changshijianchixugongzuodengtedian。keyijianshaobingrendeshenglihexinlifudan
，dadaogenghaodejiancexiaoguo。yinci，tadefazhanyuelaiyueshoudaoguanzhu。muqian，chuandaishiyiliaoyiqizaishixiancongrentishangdejianhuyiqidaoyonghuduanshangweijidewuxianchuanshushouduanbaokuolanya、射頻、紅外等。從現有文獻看
，以藍牙的使用最為廣泛。但藍牙的成本高，這對於儀器未來的普及是個很大的障礙。紅外的傳輸距離短、抗幹擾差，現在已基本不使用。射頻具有價格低

、傳輸距離長等特性
，特別是高性價比射頻芯片的不斷出現
，使得它的使用也越來越受青睞。本文設計了一種基於nRF905射she頻pin芯xin片pian，來lai實shi現xian生sheng理li信xin號hao的de無wu線xian傳chuan輸shu。同tong時shi
，相xiang對dui於yu其qi它ta類lei似si的de設she計ji，本ben設she計ji還hai充chong分fen考kao慮lv了le用yong戶hu生sheng理li信xin息xi的de安an全quan性xing，在zai數shu據ju無wu線xian傳chuan輸shu前qian對dui數shu據ju進jin行xing了le加jia密mi處chu理li，以yi保bao護hu用yong戶hu的de健jian康kang隱yin私si。

　　

　　

本設計的總體結構由生理信號采集電路、數據加密、射頻發射、接收及用戶主機幾個模塊組成，如圖1所示。首先由采集電路獲取所要監測的生理數據；然後將獲取的數據進行加密處理後，再通過射頻發給用戶主機；主機將接收到的數據進行後續處理。前端和後端之間可以通過射頻進行相互的通訊。

圖1總體設計框圖

　　

　　

采集電路主要是由傳感器電路、放大濾波電路及A/D轉換等組成。

　　

（1）傳感器電路：chuanganqishijiangsuoyaojiancedeshenglixinhaozhuanhuaweidianxinhao，jiancebutongdeshenglixinhaoxuyaocaiyongbutongdechuanganqi。zaibenshejizhong，zhuyaoduixindianhemaibobojinxingjiance，caiyongdechuanganqishitiepiandianjihehongwaiguangdianchuanganqi
，xindianjiancecaiyongdeshisandaolianfangshi。

　　

（2）放大濾波電路：經(jing)傳(chuan)感(gan)器(qi)轉(zhuan)換(huan)後(hou)得(de)到(dao)的(de)生(sheng)電(dian)信(xin)號(hao)一(yi)般(ban)幅(fu)值(zhi)較(jiao)低(di)
，且(qie)帶(dai)有(you)很(hen)大(da)的(de)噪(zao)聲(sheng)幹(gan)擾(rao)，必(bi)須(xu)進(jin)行(xing)放(fang)大(da)濾(lv)波(bo)處(chu)理(li)。放(fang)大(da)電(dian)路(lu)的(de)放(fang)大(da)倍(bei)數(shu)需(xu)綜(zong)合(he)考(kao)慮(lv)傳(chuan)感(gan)器(qi)獲(huo)取(qu)的(de)生(sheng)理(li)信(xin)號(hao)的(de)幅(fu)值(zhi)大(da)小(xiao)以(yi)及(ji)A/D轉換器的動態範圍。本設計中

，心電和脈搏波的放大倍數都采用1000倍。濾波處理包括帶通濾波和50波。設計中
，帶通濾波采用的是二階有源帶通濾波電路，心電和脈搏波對應的帶寬分別為0．1Hz一1和0．1 Hz～30Hz。50Hz工頻幹擾是生理信的噪聲來源，50Hz幹(gan)擾(rao)消(xiao)除(chu)的(de)效(xiao)果(guo)直(zhi)接(jie)決(jue)定(ding)了(le)最(zui)獲(huo)取(qu)信(xin)號(hao)的(de)好(hao)壞(huai)。本(ben)設(she)計(ji)采(cai)用(yong)的(de)是(shi)非(fei)對(dui)稱(cheng)阻(zu)容(rong)網(wang)絡(luo)陷(xian)波(bo)器(qi)

，其(qi)優(you)點(dian)在(zai)於(yu)可(ke)根(gen)據(ju)幹(gan)擾(rao)源(yuan)頻(pin)率(lv)和(he)幹(gan)擾(rao)強(qiang)度(du)進(jin)行(xing)陷(xian)波(bo)頻(pin)率(lv)和(he)Q值的調節…。

　　

（3）A/D轉換：設計中采用的是10位的A換器，其動態範圍為-2．7V一2．7V，心電的采樣為200Hz，而脈搏波的采樣頻率為60Hz。由於上述電路的設計目前已經相當成熟，本文對這些電路的具體設計就不再作詳細說明。

　　

本設計采用nRF905射she頻pin芯xin片pian實shi現xian數shu據ju的de無wu射she和he接jie收shou，任ren何he相xiang同tong的de芯xin片pian，隻zhi要yao內nei部bu寄ji存cun器qi配pei置zhi一yi致zhi，它ta們men之zhi間jian就jiu能neng實shi現xian數shu據ju的de通tong訊xun。由you於yu用yong戶hu的de生sheng理li信xin號hao涉she及ji到dao用yong戶hu的de隱yin私si問wen題ti怛daJ，因而為了保證用戶數據在無線傳輸時的安全性，必須對數據進行加密處理，而這一步驟在類似的研究中常常被忽略掉【3。J。在本設計中
，采用了AES∞o（Advanced EncrypStandard）軟件加密算法來完成這一過程。常用的硬件加密，一方麵提高儀器的輕便性

，另一方麵又可以降低儀器的成本。AES算法是分組加密的方法
，分為加密和解密兩個

　　

部bu分fen。它ta將jiang一yi定ding長chang度du的de明ming文wen分fen組zu進jin行xing相xiang應ying次ci的de輪lun變bian換huan
，每mei一yi次ci的de密mi鑰yao都dou是shi由you一yi定ding長chang度du的de初chu始shi密mi鑰yao變bian換huan而er來lai，最zui後hou得de到dao加jia密mi好hao的de密mi文wen分fen組zu，長chang度du和he明ming文wen分fen組zu相xiang同tong。解jie密mi時shi將jiang密mi文wen分fen組zu進jin行xing相xiang同tong次ci數shu的de逆ni變bian換huan，逆ni變bian換huan就jiu是shi輪lun變bian換huan的de逆ni過guo程cheng，從cong而er得de到dao原yuan始shi的de明ming文wen分fen組zu。

　　

AES支持128、192或256比特三種密設計采用的是128位密鑰長度。

 

　　

本設計采用nRF905射頻芯片實現數據的無傳輸。nRF905是挪威Nordic公司推出發射器芯片
，32引腳QFN封裝（5×5mm）壓為1．9V一3．6V

，工作於433／868／ISM頻道（可以免費使用）。nRF905可以處理字頭和CRT（循環冗餘碼校驗）的工作

，可由片內硬件自動完成曼徹斯特編碼／解碼
，使用SPI接口與微控製器通信
，配置非常方便，其功耗非常低
，以一10dBm的輸出功率發射時電流隻有11m收模式時電流為12．5mA。nRF905bujindaishiyiliaoyiqidigonghaodeyaoqiu，bingqienengtongshibaozhengchuanshusulvyijichuanshujuli。jingshijiceliang，zaishineiyouqiangbizuge，wujulieyundongdeqingkuangxia，chuanshujulidadao30m以上，因而被監測者可以在室內自由活動。無線傳輸丟包率在1／10 000內，能保證傳輸數據不丟失。最大輸速率可達100kbs。

　　

　　

設計中，前端采用C8051F330單片機（MC現對nRF905的控製
，而後端采用s3C2440（ARM9）來控製。其結構框圖如圖2所示：

圖2信號收發電路結構框圖

　　

MCU和ARM9通過SPI總線來對nRF9部寄存器進行配置，主要是對五類寄存器進行配置：一是射頻配置寄存器共10個字節
，包括中心頻點、無線發送功率配置、接收靈敏度、收發數據的有效字節數
、接收地址配置等重要信息
；二是發送數據寄存器
，共32字節
，MCU要向外發的數據就需要寫在這裏；三是發送地址，共4個字節，一對收發設備要正常通信
，就需要發送端的發送地址與接收端的接收地址配置相同；四是接收數據寄存器，共32字節，nRF905接收到的有效數據就存儲在這些寄存器中
，MCU可以在需要時到這裏讀取
；五是狀態寄存器
，1個字節，含有地址匹配和數據就緒的信息，一般不用。控製總線主要用來選取nRF905不同的工作模式（4種模式，如表1所示）；查詢nRF905當前的狀態（數據發送或接收是否完成）；使能nRF905的SPI等。

　　

表1 nRF905工作

　　

本設計前端采用C8051F330單片機來實的A／D轉換以及對nRF905的控製。C80部自帶10位的A／D轉換器、支持SPI通訊、體積功耗低且運行快
，因而有很廣泛的應用。本設計的前端軟件設計流程圖3所示：首先是對MCU進行初始化，包括A／D轉換器以及SPI通訊方式所對應的寄器的設置。接著MCU通過SPI總線對nRF9的五個積存器根據需要進行配置。初始化完畢後，MCU查詢後端是否請求送數。當後端有請求送數時（通過nRF905向前端發送特定的命令字），MCU啟動A／D轉換，然後將轉換後得到的數進行加密
，再通過nRF905發送給後端。後端的軟件設計流程跟前端點類似
，先對ARM9和nRF905進行初始化，然nRF905向(xiang)前(qian)端(duan)發(fa)送(song)送(song)數(shu)請(qing)求(qiu)，接(jie)著(zhe)進(jin)行(xing)數(shu)據(ju)接(jie)收(shou)
，將(jiang)接(jie)收(shou)到(dao)的(de)數(shu)據(ju)進(jin)行(xing)解(jie)密(mi)，最(zui)後(hou)將(jiang)解(jie)密(mi)後(hou)的(de)數(shu)據(ju)再(zai)進(jin)一(yi)步(bu)作(zuo)後(hou)續(xu)處(chu)理(li)。特(te)別(bie)要(yao)注(zhu)意(yi)的(de)是(shi)，在(zai)配(pei)置(zhi)前(qian)後(hou)端(duan)的(de)nRF905發送地址時
，要注意發送端的發送地址應接收端設備的接收地址相同
，在實際工作中nRF90可以自動濾除地址不相同的數據
，隻有地址匹配且校驗正確的數據才會被接受，並存儲在接收數據寄存器中。

　　

實驗中，為了避免AES加密的時間需求同A／D采樣率發生時問上的衝突，首先對128位的AES加密C8051F330上的執行效率進行了計算
，發現完成一密所需時間約3．8ms。這同設計中心電和脈搏波的采樣率（分別為5ms和16．7鵬）剛好無時間衝突。後端采用的是S3C2440
，它的執行速度要比C80高出許多，因而時間上肯定能保證無衝突。實驗最後分別對心電和脈搏波進行了監測
，並將後端接收到的數據通過串口發送的PC機進行顯示，顯示程序采用的是VC6．0編寫，顯示結果如圖4和圖5所示：

　　

本設計采用nRD05射頻芯片來實現穿戴式醫器中人體到用戶主機的生理信號無線傳輸。同時，本設計充分考慮了數據傳輸的安全性，對數據進行了128的AES加密處理。由實驗結果可以看出
，本設計可以證生理信號的實時

、安全、準確無線傳輸。同時
，可以看出，由於前端的控製芯片采用的是MCU，其處理速度限。因而
，如果要監測頻率範圍更高的生理信號（如心音：3Hz—S00H2）或者同時監測多個生理參數
，用更高處理速度的芯片，如DSP。此外，設計的後端采的是ARM9
，它的處理速度、協調性能都特別強
，可以過添加一些硬件設備，如LCD，將後端作成一個手持備
，或者添加一些如GPRS等遠程傳輸硬件
，實現信號遠程傳輸，從而更大地提高該儀器的功能。這些也是我們以後將進一步著手的工作。