基于PIC單片機(jī)的新型醫(yī)用呼叫對講系統(tǒng)設(shè)計

   摘  要: 介紹了一種基于單片機(jī)的新型醫(yī)用呼叫對講系統(tǒng)，用于醫(yī)護(hù)人員與病人及時通信。該系統(tǒng)主、分機(jī)均以PIC 系列單片機(jī)為核心，采用電源載波技術(shù)，利用系統(tǒng)的二芯電源線，實現(xiàn)語音信號與控制信號的共線傳輸。該系統(tǒng)具有主機(jī)實時處理分機(jī)呼叫請求，撥號呼叫分機(jī)，顯示和記錄病床呼叫等功能，滿足了醫(yī)院進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)的需要。實際使用表明，該系統(tǒng)可靠性高，功耗低，安裝方便，具有很強(qiáng)的實用價值。

　　醫(yī)用呼叫系統(tǒng)是病員需要獲得護(hù)理或診斷時發(fā)出請求的呼叫工具，可將病員的請求快速傳達(dá)給值班醫(yī)生或護(hù)士，是提高醫(yī)院護(hù)理水平的必需設(shè)備之一。它作為病員與護(hù)士及醫(yī)生之間聯(lián)系的橋梁，正日益顯現(xiàn)出其實用性和優(yōu)越性。它在提升醫(yī)院的綜合水平，提高服務(wù)質(zhì)量和服務(wù)效率，解決因陪護(hù)引起的醫(yī)患矛盾等方面扮演了相當(dāng)重要的角色。早期的醫(yī)用呼叫系統(tǒng)大多采用集中式結(jié)構(gòu)，各個病房單獨通過信號電纜和護(hù)士室相連，此類系統(tǒng)具有成本高、安裝調(diào)試?yán)щy、故障率較高等缺點。

　　本文介紹了一種新型的呼叫系統(tǒng)，主機(jī)與病房分機(jī)均采用PIC 系列單片機(jī)實現(xiàn)，主機(jī)和分機(jī)之間不采用計算機(jī)通信口連接，而是采用電源載波技術(shù)，通過主機(jī)向各分機(jī)提供的電源線實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和語音通信。整個系統(tǒng)安裝簡單、維護(hù)方便，大大提高了該裝置的實用性。

　　1   系統(tǒng)總體設(shè)計

　　系統(tǒng)由主機(jī)、分機(jī)、顯示和操控4 部分組成，電話和一覽表上的按鈕為控制的輸入部分，主機(jī)和病員一覽表顯示窗安裝在病區(qū)護(hù)士站，LED 顯示屏安裝在走廊，分機(jī)分別設(shè)置在病房的各個床頭，結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

　　一旦病房床頭有人按呼叫按鈕，護(hù)士站的主機(jī)就發(fā)出鈴聲或者電話響鈴，同時，走廊顯示屏同步顯示呼叫床位號，護(hù)士人員便可以立刻趕往病房處理緊急情況。

圖1   系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖

　　系統(tǒng)采用主機(jī)集中供電的方式和電源載波技術(shù)，通過主機(jī)與各分機(jī)、電子顯示屏連接的電源線提供電源,同時通過供電電纜實現(xiàn)主機(jī)與分機(jī)的半雙工數(shù)據(jù)通信及全雙工語音通信，主機(jī)和電子顯示屏之間實現(xiàn)單工數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)可24 小時連續(xù)工作，并具有靜電保護(hù)和雷電保護(hù)功能。

　　系統(tǒng)采用一個主機(jī)，多個分機(jī)，主機(jī)與分機(jī)用二線制方式通信，各分機(jī)分別掛接在總線上，由主機(jī)提供電源。每個分機(jī)具有惟一的地址編號，與主機(jī)通信時均以此號碼識別。主機(jī)呼叫分機(jī)時喚醒所有分機(jī)，通過總線發(fā)送分機(jī)地址編碼，分機(jī)將收到的地址碼與自身的地址碼比較，只有相同的分機(jī)才啟動通話電路，不相同的都不作響應(yīng)。分機(jī)呼叫主機(jī)，主機(jī)將收到的分機(jī)號通過DTMF 方式送給電話進(jìn)行響鈴和顯示來電，并同時送給顯示模塊，主機(jī)摘機(jī)即可實現(xiàn)通話。各分機(jī)只有在呼叫或者被查詢時才被喚醒，總線上才會有數(shù)據(jù)傳輸，不進(jìn)行通信時處于"睡眠"狀態(tài)，實現(xiàn)節(jié)能效果。

　　2   呼叫系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　2. 1   主機(jī)硬件設(shè)計

　　主機(jī)主要包括主控制板、顯示設(shè)備、電話機(jī)、電源,功能框圖如圖2 所示。

圖2   主機(jī)硬件框圖

　　主控制板的需要完成以下功能: 信號收發(fā)、信息顯示、信息存儲。根據(jù)需求分析，主控CPU 必須功能強(qiáng)大、資源豐富。在此選擇了Microchip 公司的PIC16F877A，其具有高性能RISC CPU ，10 位多通道數(shù)/ 模轉(zhuǎn)換，，所有GPIO 引腳都具有引腳上電平變化觸發(fā)中斷的功能，以及128 B 的數(shù)據(jù)E2 PROM 存儲器。

　　當(dāng)主分機(jī)識別到起始信號，就會觸發(fā)中斷收碼，圖3 為主機(jī)發(fā)碼電路。當(dāng)主機(jī)發(fā)送信號時，由RESP 腳控制三極管QS3 的導(dǎo)通和截止，以控制總線電壓的高低變化。圖4 是主機(jī)收碼電路，分機(jī)發(fā)給主機(jī)的信號，經(jīng)整形放大以后，送入鎖相環(huán)LM567 調(diào)制成PIC16F877A 能識別的電平信號。LM567 通過5，6 引腳外接的定時元件Rt 、Ct 設(shè)定中心頻率，關(guān)系式為:f 0 ≈1/ ( 1. 1RtCt ) ，工作頻率可在0. 01 Hz~ 500 kHz范圍內(nèi)連續(xù)變化。系統(tǒng)設(shè)定中心頻率為100 kHz,第8 腳接877A 的RB7，RB 口的引腳具有電平觸發(fā)中斷功能，當(dāng)?shù)? 腳輸入100 kHz 的信號時，第8 腳輸出低電平觸發(fā)877A 中斷開始收碼，平時第8 腳保持為高電平。

圖3  主機(jī)發(fā)碼電路

圖4  主機(jī)收碼電路

　　2. 2   分機(jī)硬件設(shè)計

　　分機(jī)的CPU 選用PIC 系列的PIC12F629，采用此單片機(jī)，一是為了降低成本，減小分機(jī)體積; 二是為了降低分機(jī)功耗 。功放選用的是內(nèi)置補(bǔ)償型低噪聲雙運算放大器NE5532，分機(jī)框圖如圖5 所示。

圖5  分機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

　　分機(jī)不分正負(fù)極地掛接到總線上，由主機(jī)供電，當(dāng)無信號傳輸時，總線上電壓為9 V 直流，經(jīng)由三極管構(gòu)成的串聯(lián)穩(wěn)壓電路后，為分機(jī)芯片提供5 V 的穩(wěn)定電壓。當(dāng)總線處于空閑狀態(tài)時，各分機(jī)處于休眠狀態(tài)，此時分機(jī)上三極管Q6 處于截止，使得運放NE5532 處于掛斷狀態(tài)，每個分機(jī)的功耗很小，當(dāng)總線上掛有較多分機(jī)時，總線上流過較小的靜態(tài)工作電流，確保系統(tǒng)正常工作。L1 為紅、綠雙色燈，用于指示分機(jī)狀態(tài)，分機(jī)休眠時L1 熄滅。主機(jī)呼叫分機(jī)。分機(jī)的引腳GP0 為下行呼叫信號的接收端，當(dāng)CIN 腳收到起始信號時被喚醒，然后判斷起始信號是否有效，若有效便開始收碼。

　　若滿足接通條件，CLKIN 腳輸出為高電平，三極管Q6處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，給運放NE5532 供電，則該分機(jī)處于對講狀態(tài)。否則GP2 保持低電平，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，該分機(jī)會回到休眠狀態(tài)。分機(jī)呼叫主機(jī)。按下床頭或者手柄上的按鈕，分機(jī)CPU 由GP4 引腳輸出呼叫信號，經(jīng)Q5 放大后耦合至總線，分機(jī)等待應(yīng)答同時L1發(fā)綠光; 主機(jī)應(yīng)答后，GP5 輸出高電平，三極管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，NE5532 進(jìn)入工作狀態(tài)，L1 發(fā)紅光表示,表示該分機(jī)處于對講狀態(tài)。當(dāng)分機(jī)處于與主機(jī)對講狀態(tài)，下行的音頻信號通過總線，經(jīng)運放放大后驅(qū)動分機(jī)揚(yáng)聲器發(fā)聲。上行的語音信號，經(jīng)運放放大后，通過三極管Q7 耦合到系統(tǒng)總線上。

　　3   通信方式與傳輸協(xié)議

　　目前市場上有的呼叫系統(tǒng)采用CAN 總線協(xié)議，使用帶CAN 通信模塊的MCU，但是此類MCU 一般價格比較昂貴; 還有的采用DTMF( 雙音多頻) 傳輸協(xié)議,即使用DTMF 信號編解碼芯片，主分機(jī)發(fā)送DTMF 信號來通信，即主機(jī)機(jī)均使用DTMF 信號編解碼芯片，也存在著成本偏高的問題。因此該系統(tǒng)的設(shè)計，在考慮通信穩(wěn)定的原則上，只在主機(jī)電路上使用DTMF 信號編解碼芯片，編寫通信協(xié)議，通過增加軟件設(shè)計的復(fù)雜程度，合理地降低產(chǎn)品成本。

　　3. 1   分機(jī)發(fā)碼方式

　　分機(jī)發(fā)碼采用100 kHz 的方波，由單片機(jī)GPIO4引腳輸出并經(jīng)三極管耦合至總線。分機(jī)呼叫時發(fā)送一定時長的方波，如圖6 所示，分機(jī)回復(fù)主機(jī)的信號是間隔性的方波，如圖7 所示。

圖6  分機(jī)呼叫信號示意圖

圖7  分機(jī)應(yīng)答信號示意圖

　　3. 2   主機(jī)發(fā)碼方式

　　主機(jī)發(fā)碼采用變長占空比發(fā)送碼元，其中1 ：1 的占空比表示0 碼元，而若占空比為3 ：1 則表示碼元1,主機(jī)發(fā)碼示意圖如圖8 所示。

　　3. 3   通信協(xié)議

　　為保證通信過程的可靠性，特制定如下通信協(xié)議:主機(jī)發(fā)碼數(shù)據(jù)格式規(guī)定為: 控制命令+ 分機(jī)地址，每次發(fā)送11 位數(shù)據(jù)，其中bit11~ bit9 為是命令碼，低字節(jié)為指定分機(jī)的號碼。主機(jī)發(fā)碼時，先發(fā)起始信號，分機(jī)識別到起始信號后開始收碼。分機(jī)的號碼存儲在各自E2PROM 里，初始值均設(shè)為0，主機(jī)可對其在線編碼，收到主機(jī)的改號命令，所有分機(jī)的LED 指示燈點亮，提示用戶按鍵，修改成功后將返回主機(jī)一個確認(rèn)信號，否則將超時退出而不作處理。分機(jī)只有在主動呼叫或識別到主機(jī)的起始信號后才被喚醒，平時處于睡眠狀態(tài)，因此極大地節(jié)省了功耗。

圖8   主機(jī)發(fā)碼示意圖

　　主機(jī)查詢時，每查詢一個分機(jī)后，都先檢測是否有摘機(jī)，若摘機(jī)將會執(zhí)行摘機(jī)流程。所有分機(jī)的忙標(biāo)志從剛開始查詢時就會被置位，此不允許分機(jī)呼叫時再發(fā)碼，此時分機(jī)呼叫主機(jī)仍能檢測到，只是總線上沒有方波傳輸，因此保證了通信的穩(wěn)定性。

　　主、分機(jī)進(jìn)行語音通信時，其他分機(jī)仍可以發(fā)出呼叫，由于請求信號的方波是100 kHz，而語音頻率范圍為0. 3~ 3. 4 kHz，主機(jī)在電話掛機(jī)的狀態(tài)下才查詢呼叫的分機(jī)，不會便相互干擾，因此語音信號和數(shù)字信號可以同時在總線上傳輸。分機(jī)呼叫時發(fā)送100 kH z 方波到總線，主機(jī)由收到電路檢測到低電平，觸發(fā)中斷進(jìn)行收碼，然后主機(jī)將先屏蔽此呼入中斷，再開始按病床護(hù)理等級的高低依次查詢，若查詢到該分機(jī)，就回復(fù)應(yīng)答信號，沒有呼叫的分機(jī)不做應(yīng)答。查詢完以后恢復(fù)呼入電平中斷，并發(fā)送命令通知分機(jī)復(fù)位的忙標(biāo)志位。

　　4   主分機(jī)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

　　4. 1   工作流程

　　系統(tǒng)主機(jī)、分機(jī)通信軟件主要包括發(fā)送和接收2 部分，分發(fā)送模塊和主機(jī)收碼流程分別如圖9 和圖10 所示。每個分機(jī)需包含分機(jī)地址碼，廣播機(jī)標(biāo)志位，這些信息均存儲在E2PROM 中，當(dāng)?shù)谝淮螁臃謾C(jī)后，寫入初始值，以后只從指定地址讀取分機(jī)信息。地址分配如表1 所示。

表1  分機(jī)E2 PROM分配

　　為了保證發(fā)碼的準(zhǔn)確性，使波形更加精確，在發(fā)碼模塊采用了匯編語言提高，并通過參數(shù)控制發(fā)碼周期,發(fā)送100 kH z 的方波，精確到微秒級，經(jīng)實驗測得頻率誤差小于5%。收碼均用定時器讀取。由于主機(jī)采用變長編碼，因此分機(jī)解碼過程需要根據(jù)協(xié)議進(jìn)行1 或0門限判決; 主機(jī)解碼主要由鎖相環(huán)集成芯片LM567 完成，加上分機(jī)回復(fù)碼只分有無回復(fù)二種。

圖9   分機(jī)流程圖

圖10  主機(jī)收碼流程

　　4. 2   系統(tǒng)穩(wěn)定性

　　此系統(tǒng)很好解決了呼叫與請求總線的沖突，由于主機(jī)總是從1 號分機(jī)查詢到最后一個，主機(jī)在查詢時分機(jī)都不能發(fā)100 kHz 的方波，因此總線不會受到干擾，誤碼率大大降低，且不會遺漏分機(jī)請求，即使出現(xiàn)100 個分機(jī)同時呼叫這種極端情況，主機(jī)也能一一響應(yīng)。主機(jī)采用變長編碼，分機(jī)用碼時采用定時器讀取，配以計數(shù)的狀態(tài)機(jī)，使CPU 能準(zhǔn)確解碼，而且能夠消除毛刺帶來的影響，保證了收碼的準(zhǔn)確性。主機(jī)和分機(jī)在主循環(huán)中同樣采用狀態(tài)機(jī)，用全局變量在各狀態(tài)間切換并用變量及標(biāo)志位控制，合理地分配CPU 資源，能夠及時處理最緊急事件 。主機(jī)電話掛機(jī)還能復(fù)位輸入的變量，即使操作失誤，仍能通過掛機(jī)來取消。

　　5   結(jié)  語

　　該系統(tǒng)采用載波技術(shù)，實現(xiàn)了兩線無極性連接，使安裝施工變得十分簡單。分機(jī)采用低功耗穩(wěn)壓電源和PIC 單片機(jī)，使分機(jī)具有較低功耗，從而系統(tǒng)具有較好的擴(kuò)展性。主機(jī)與分機(jī)通信距離大于等于1 000 m，分機(jī)數(shù)大于等于100，能滿足各種規(guī)模醫(yī)院的要求，并預(yù)留了接口與PC 進(jìn)行通信。在通信穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，使用了經(jīng)濟(jì)實惠的芯片，具有安裝布線簡單，便于檢測維修,節(jié)約設(shè)計成本等優(yōu)點。本文研發(fā)的樣機(jī)已經(jīng)經(jīng)過實驗運行驗證了其有效性和實用價值，并已投入小批量試生產(chǎn)，具有良好的推廣應(yīng)用前景。