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病房呼叫系統作為一種基本醫療陪護設備已逐步得到普及并不斷得到改進(jìn)。傳統的病房呼叫系統采用PC 機聯(lián)網(wǎng)監控和有線(xiàn)控制， 雖然具備很強的專(zhuān)業(yè)服務(wù)功能和監護能力， 但是其實(shí)現方法復雜， 前期投資和后期維護的費用都很高。 本文采用單片機實(shí)現無(wú)線(xiàn)數據傳輸通信和實(shí)時(shí)報警功能， 設計一套低成本通用型的病房呼叫系統。整個(gè)系統采用無(wú)線(xiàn)通信的方式， 降低了復雜的布線(xiàn)、安裝檢修和拆卸的難度, 并可監控多個(gè)病房且便于擴充升級。 1 系統方案設計 本設計采用從機和主機相分離的模式。從機安裝于各個(gè)病房， 主機安裝于醫務(wù)室或值班室。多個(gè)從機處于等待外部呼叫信號的狀態(tài)， 主機則時(shí)刻處于等待接收從機呼叫信息的狀態(tài)， 并且從機與主機之間采用無(wú)線(xiàn)數據 傳輸通信。當病人按動(dòng)安裝在床頭的從機按鍵時(shí)， 安裝在護士站的主機收到信號后發(fā)出提示音， 同時(shí)發(fā)光二極管亮， 數碼管顯示呼叫病人的床位號和呼叫次數， 醫生或護士根據顯示床位號進(jìn)行治療與服務(wù)。 該病房呼叫系統的硬件設計主要包括主機硬件設計和從機硬件設計兩部分。主機硬件設計包含了射頻芯片 外圍電路、顯示部分、警報部分及AT89C51 芯片的簡(jiǎn)單外圍電路的設計。從機硬件設計則包含射頻芯片外圍電路、外部輸入電路及AT89C51 芯片的簡(jiǎn)單外圍電路的設計。 1.1 主機硬件電路設計 本系統以AT89C51 為控制器， 采用射頻芯片nRF401設計接收/發(fā)射電路，實(shí)現與從機的數據傳輸[1]。當nRF401芯片接收并處理完接收數據后或控制器向nRF401 芯片傳輸發(fā)送信息時(shí)，nRF401 芯片與控制器之間的通信采用的是異步串行通信的方式。在這種通信方式下， 單片機的RXD 端和TXD 端分別與nRF401 芯片的DOUT 端和DIN 端連接， 用作兩者之間的數據串行傳輸通道。而P1.1 口與nRF401 芯片的TXEN 口連接，用來(lái)選擇nRF401芯片的工作狀態(tài)( 發(fā)射狀態(tài)或接收狀態(tài))。P1.2 口與nRF401 芯片的PWR-UP 口連接， 用來(lái)控制nRF401 芯片的節電狀態(tài)。P1.3 口與nRF401 芯片的CS 口連接， 用來(lái)選擇nRF401 芯片的發(fā)射頻率(該芯片有兩種發(fā)射頻率)。 此外，nRF401 芯片的ANT1 和ANT2 兩個(gè)端口與發(fā)射天線(xiàn)連接。nRF401 外圍電路如圖1 所示， 為了便于使用較低成本的PCB 天線(xiàn)， 本設計中的天線(xiàn)接口設計為差分天線(xiàn)[ 2]。本系統主機硬件電路設計如圖2 所示。 1.2 從機硬件電路設計 本設計中的一套病房呼叫系統擁有一個(gè)主機和多個(gè)從機， 以此實(shí)現多個(gè)病房對安裝在醫務(wù)人員值班室中的主機的實(shí)時(shí)呼叫。從機控制器的外圍電路設計、射頻芯片nRF401 與控制器的連接方式及其外圍電路的設計都與主機一致， 不同是少了顯示和警報硬件電路而多了一個(gè)外部請求信息的接收電路。從機中的外部請求信息接收電路設計只是依靠一個(gè)P0.0 端口等待接收外部的高電平，一旦SB2 按下，發(fā)光二極管點(diǎn)亮，P0.0 口接到外部高電平，就迅速地進(jìn)行信息的發(fā)送，并且直到接收到主機反饋回來(lái)的發(fā)送成功信息后才自動(dòng)結束本次呼叫， 繼續進(jìn)入等待外部請求信號的狀態(tài)。 2 系統軟件設計 在軟件設計的過(guò)程中必須考慮到系統通信的抗干擾性能和正常通信識別的具體實(shí)現方法， 以及解決信息碰撞的具體軟件實(shí)現方法。 2.1 主機程序設計 主機程序設計主要包括初始化程序、發(fā)送數據程序、接收數據程序、延時(shí)程序、LED 顯示程序及蜂鳴器報警程序等。這些程序并沒(méi)有以子程序的方式來(lái)實(shí)現， 這是因為每一個(gè)功能的實(shí)現并不完全獨立， 而是相互交織在一起， 這就使得采用調用子程序的方式去實(shí)現變得相當困難。本設計中采用單片機匯編語(yǔ)言編寫(xiě)系統功能模塊程序。主機的主程序流程如圖3 所示。 2.2 從機程序設計 從機的程序設計主要包括初始化程序、外部呼叫信號等待程序、數據接收程序、數據發(fā)送程序、延時(shí)程序等主要程序。這里需要說(shuō)明的是在設計外部呼叫信號等待程序時(shí)， 在接收到外部呼叫信息后， 需要經(jīng)過(guò)一段延時(shí)(約30 ms)后再進(jìn)行采樣看是否是瞬時(shí)干擾信號。 3 系統通信協(xié)議設計 3.1 系統無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議設計 由于本設計的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統中存在一個(gè)中心( 主機)和多個(gè)用戶(hù)端( 從機) ， 因此本系統呈現為點(diǎn)對多點(diǎn)的通信方式， 協(xié)議為點(diǎn)到多點(diǎn)的通信協(xié)議。在整個(gè)病房呼叫系統所設計的通信系統中， 無(wú)論是在發(fā)射請求信息還是在發(fā)射應答信息時(shí)， 發(fā)射的數據量始終保持固定的字節數且信息結構簡(jiǎn)單， 數據量較小; 而且為了降低發(fā)射信息出現碰撞的概率， 在該系統中從機的數量有一定限制， 因此在本設計中采用了比較簡(jiǎn)單的純ALOHA 法來(lái)解決信息碰撞的問(wèn)題[ 3]。 3.2 通信協(xié)議數據幀設計 本系統采用固定字節長(cháng)度的數據幀， 并使得請求信息數據幀和應答信息數據幀格式相互對應， 從機請求信息數據傳輸采用引導字頭、接收地址、發(fā)送地址和校驗字的數據幀格式， 而主機應答信息數據傳輸采用引導字頭、接收地址、確認指令和校驗字的數據幀格式。 (1) 引導字頭： 對主機而言， 為了隨時(shí)接收從機發(fā)送的請求信息， 其射頻芯片nRF401 總是處于接收狀態(tài)。本設計的傳輸協(xié)議中， 數據幀的引導字采用OxFF 后跟OxAA 作為通信同步碼， 接收協(xié)議只能夠接收以OxFF 后跟OxAA 開(kāi)始的數據包。要注意的是， 上面已經(jīng)說(shuō)明的引導字頭前還要再加一個(gè)隨機字節， 因為起始傳輸時(shí)第一個(gè)字節往往是接收不到的， 它的作用是使接收機進(jìn)入狀態(tài)抑制噪聲， 在本設計中該隨機字節采用Ox00 。 (2) 接收地址： 接收地址既包括從機發(fā)送請求信息中的接收地址， 也包括主機發(fā)送應答信息中的接收地址。在醫院的病房樓中， 很可能存在多套同規格的射頻無(wú)線(xiàn)病房呼叫系統同時(shí)工作。這樣就必須給每一個(gè)主機編上代碼， 才能使主機確認接收的信息是否是發(fā)送給自己的， 這個(gè)主機編號同時(shí)也就作為了從機發(fā)送請求信息時(shí)的接收地址。而每個(gè)主機下的從機也會(huì )有一個(gè)對應的編號， 這個(gè)編號在本設計中就采用病房號， 也就是主機發(fā)送應答信息時(shí)的接收地址。 (3) 發(fā)送地址： 發(fā)送地址既存在于從機發(fā)送的請求信息中也存在于主機回復的應答信息中。從機請求信息中的發(fā)送地址是提供給主機用于顯示的病房號， 也是在主機發(fā)送應答信息時(shí)的接收地址。通過(guò)應答信息中的接收地址， 從機可以判斷出該接收到的信息是否是發(fā)給自己的。如果不是， 從機將重新發(fā)送一遍請求信息， 否則將繼續接收確認信息。同理， 主機也可以根據請求信息中的發(fā)送地址確認發(fā)送信息的是否是自己轄區內的從機， 如果不是將不予以接收顯示。 (4) 確認指令： 確認指令用于主機通告從機信息發(fā)送是否正確。在本設計中，采用OxFF 作為信息發(fā)送正確的指令，而采用OxEE 作為信息發(fā)送錯誤的指令。事實(shí)上，在本設計的軟件設計中，為了確保信息的準確發(fā)送，只要確認信息不是OxFF，則從機就會(huì )自動(dòng)地重新發(fā)送信息。 (5) 校驗字： 校驗方法包括奇偶校驗、CRC 校驗等， 但是本設計中采用一種相加校驗的方法。這種方法的具體實(shí)現是： 發(fā)送機把除了引導字以外的數字幀信息相加作為校驗字發(fā)送給接收機， 接收機在接收信息時(shí)也把除了引導字和校驗字以外的數字幀信息相加并把相加結果與校驗字比較看是否相等， 若相等則說(shuō)明發(fā)送成功， 否則說(shuō)明發(fā)送失敗。 4 系統混合信號PCB 板設計 系統印制電路板(PCB) 設計對于獲得優(yōu)良的RF 性能是至關(guān)重要的， 本系統PCB 使用雙面板， 分為元件面和底面， 具體設計時(shí)充分注意了以下兩點(diǎn)： (1) 保證系統充分接地。在底面設計一個(gè)連續的接地面， 元件面的接地面保證元件充分接地， 大量的通孔鏈 接元件面的接地面和底面的接地面。 (2) 零件的布局要盡量合理， 模擬電源和數字電源要分離以避免互相干擾。射頻電路的電源使用高性能的射頻電容去耦， 去耦電容盡可能靠近nRF401 的VDD 端。一般還在較大容量的表面貼裝電容旁并聯(lián)一個(gè)小數值的電容。nRF401 的電源必需經(jīng)過(guò)很好的濾波， 并且與數字電路供電分離。 |
