基于單片機(jī)的病房呼叫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：利用單片機(jī)設(shè)計(jì)了病房呼叫系統(tǒng)，分析了硬件電路與軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)采用電源載波技術(shù)，利用系統(tǒng)的兩芯電源線，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)和呼叫信號(hào)的交換。系統(tǒng)主機(jī)由MCS8051單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，呼叫分機(jī)選用PIC12C508單片機(jī)，顯示主控芯片選擇51類的AT89C2051單片機(jī)，通信方式采用串行異步半雙工通信方式。系統(tǒng)具有可靠性高、成本低、功能強(qiáng)大、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：病房呼叫系統(tǒng)；單片機(jī)；語(yǔ)音信號(hào)；數(shù)據(jù)通信

0 引言
    病房呼叫系統(tǒng)是一種應(yīng)用于醫(yī)院病房、養(yǎng)老院等地方，用來(lái)聯(lián)系溝通醫(yī)護(hù)人員和病員的專用呼叫系統(tǒng)，是提高醫(yī)院護(hù)理水平的必備設(shè)備之一。病房呼叫系統(tǒng)的優(yōu)劣直接關(guān)系到病員的安危，歷來(lái)受到各大醫(yī)院的普遍重視。它要求及時(shí)、準(zhǔn)確可靠、簡(jiǎn)便可行、利于推廣。
    目前市場(chǎng)上存在著許多種型號(hào)不一功能各異的醫(yī)院病房呼叫系統(tǒng)，主要為兩大類：有線式和無(wú)線式。傳統(tǒng)的有線式病房呼叫系統(tǒng)往往采用集中式結(jié)構(gòu)，電源線、數(shù)據(jù)通信線、語(yǔ)音通信線分開傳輸，具有鋪設(shè)線路較多、成本高、安裝調(diào)試?yán)щy、實(shí)時(shí)性差、故障率較高等缺點(diǎn)。無(wú)線式病房呼叫系統(tǒng)不存在鋪設(shè)線路的問(wèn)題，但是可靠性差，而且無(wú)線電波會(huì)干擾其它醫(yī)療儀器設(shè)備，目前大多數(shù)醫(yī)院不采用此類無(wú)線呼叫系統(tǒng)。
    本文設(shè)計(jì)的是以單片機(jī)為核心的病房呼叫系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)只需一條兩芯屏蔽線，主機(jī)通過(guò)向各分機(jī)提供的電源線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和語(yǔ)音通信，最多可容納100臺(tái)分機(jī)，采用多種軟、硬件抗干擾措施，使得系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好、可靠性高、成本低。

1 設(shè)計(jì)方案
    該設(shè)計(jì)方案是由主機(jī)、分機(jī)和顯示三部分構(gòu)成。系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。主機(jī)主要是控制與各分機(jī)之間的通信與通話，使整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，具體包括將請(qǐng)求通話分機(jī)的分機(jī)號(hào)送到顯示控制板的主控芯片中進(jìn)行顯示；無(wú)通話請(qǐng)求時(shí)控制顯示屏顯示時(shí)鐘；控制主機(jī)的通話、系統(tǒng)的復(fù)位以及系統(tǒng)自檢。分機(jī)主要是將自己的分機(jī)編碼號(hào)發(fā)送給主機(jī)，向主機(jī)發(fā)出通話請(qǐng)求，控制通話線路及復(fù)位本機(jī)。顯示分為兩部分，一是顯示控制板顯示呼叫過(guò)的分機(jī)號(hào)，由對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管顯示；對(duì)復(fù)位矩陣掃描并對(duì)該矩陣進(jìn)行譯碼；通過(guò)復(fù)位按鈕將顯示復(fù)位。二是顯示屏顯示呼叫的分機(jī)號(hào)碼。通信方式采用串行異步半雙工通信方式。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 控制芯片的選取
    主機(jī)控制芯片是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它控制著系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信、語(yǔ)音通信、信號(hào)顯示、時(shí)鐘顯示、故障自檢等功能。MCS-51系列單片機(jī)總線技術(shù)開放，開發(fā)、仿真設(shè)備多，價(jià)格低廉，同時(shí)該系列單片機(jī)進(jìn)入市場(chǎng)的時(shí)間早，匯編語(yǔ)言指令書寫形式與Intel公司8位通用微處理器接近，很容易被接觸過(guò)Intel通用微處理器匯編語(yǔ)言的用戶所接受。因此，本設(shè)計(jì)采用的是MCS8051單片機(jī)。
    分機(jī)控制芯片主要是控制分機(jī)的數(shù)據(jù)通信和給音頻鎖相環(huán)供電，控制任務(wù)比較簡(jiǎn)單，因此在能保證完成設(shè)計(jì)功能的前提下考慮設(shè)計(jì)的成本；同時(shí)，分機(jī)是安裝在每個(gè)病床邊，要求體積不能太大?；谝陨弦蛩?，本系統(tǒng)分機(jī)選用PIC12C508單片機(jī)作為控制器。

    顯示主控芯片的選擇有多種方案，因?yàn)?1類單片機(jī)有許多種，但由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求是在滿足功能的前提下本著簡(jiǎn)單實(shí)用與高性價(jià)比的原則，同時(shí)希望所選元器件體積小、編程方便。通過(guò)比較，顯示主控芯片選擇51類的AT89C2051，它能很好地滿足系統(tǒng)的功能需求。

2．2 雙音頻解碼電路
    主機(jī)呼叫分機(jī)利用電話機(jī)的撥號(hào)原理，由電話機(jī)按鍵來(lái)呼叫分機(jī)號(hào)，電話機(jī)發(fā)出的雙音頻信號(hào)通過(guò)兩芯電纜線引入主機(jī)電路，主機(jī)的單片機(jī)通過(guò)雙音頻解碼芯片獲取被呼叫分機(jī)的地址碼，然后向掛在總線上的所有分機(jī)輸出被呼叫分機(jī)的地址信號(hào)。一般常用的電話雙音頻編解碼集成電路有MT8870，MT8880，MT8888等，經(jīng)過(guò)反復(fù)論證比較，該系統(tǒng)使用雙音頻解碼集成芯片MT8870來(lái)完成此功能。
2．3 語(yǔ)音信號(hào)電路
    分機(jī)向主機(jī)通話時(shí)，聲音經(jīng)話筒后，再經(jīng)調(diào)頻，之后經(jīng)總線傳輸，到達(dá)主機(jī)電路后要通過(guò)解調(diào)再去推動(dòng)主機(jī)喇叭發(fā)聲。聲音信號(hào)的調(diào)頻和鑒頻采用LM567集成鎖相環(huán)路解碼器來(lái)完成。
2．4 其他電路
    數(shù)據(jù)輸入電路中輸入的地址信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，先經(jīng)三極管濾除干擾信號(hào)后送入電壓比較器LM393，使輸入信號(hào)電壓符合單片機(jī)引腳電壓。
    數(shù)據(jù)輸出電路是由兩個(gè)三極管復(fù)合而成，相當(dāng)于一個(gè)電子開關(guān)，同時(shí)又起到了對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行放大以利于傳輸?shù)碾p重作用。
    請(qǐng)求、復(fù)位通話電路由觸發(fā)開關(guān)構(gòu)成。
    顯示由兩位7段數(shù)碼管完成，驅(qū)動(dòng)由MC14513實(shí)現(xiàn)，整個(gè)顯示過(guò)程的實(shí)現(xiàn)受主控芯片AT89C2051的控制。指示與復(fù)位主要由主控芯片AT89C 2051、八緩沖器／線驅(qū)動(dòng)器／線接收器(3S)74LS244、八D鎖存器74LS373、發(fā)光二極管以及限流電阻所構(gòu)成的電路完成。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 主機(jī)與分機(jī)之間通信軟件設(shè)計(jì)
    主機(jī)與分機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信采用串行通信方式。根據(jù)主分機(jī)的硬件設(shè)計(jì)原理圖及系統(tǒng)的工作過(guò)程，主機(jī)采用查詢方式。另外，主機(jī)發(fā)送給分機(jī)的地址幀是通過(guò)主機(jī)撥號(hào)產(chǎn)生的。因而，在主分機(jī)的通信過(guò)程中，主機(jī)的通信程序?yàn)橹鳈C(jī)查詢通信，分機(jī)的串行口通信采用外部中斷啟動(dòng)方式，但在串行通信啟動(dòng)后仍采用查詢方式來(lái)接收地址或控制命令和發(fā)送地址。因此，分機(jī)的通信程序設(shè)計(jì)包括分機(jī)中斷發(fā)送背景程序和分機(jī)中斷通信子程序。
3．2 主機(jī)與顯示之間通信軟件設(shè)計(jì)
    主機(jī)與顯示之間采用串行口直接相連進(jìn)行串行口通信，它們均采用查詢方式通信。在主機(jī)與顯示系統(tǒng)的通信中，主機(jī)僅將存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中請(qǐng)求通話的分機(jī)號(hào)通過(guò)串行口通信，以數(shù)據(jù)形式發(fā)送給顯示控制板，因而主機(jī)的程序僅包括主機(jī)發(fā)送程序。顯示的作用是將主機(jī)通過(guò)串行口發(fā)送過(guò)來(lái)的請(qǐng)求通話的分機(jī)地址編碼號(hào)顯示出來(lái)。其顯示包括將最近請(qǐng)求通話的分機(jī)編碼號(hào)用兩位數(shù)碼管顯示出來(lái)和將所有請(qǐng)求了通話而未通話的分機(jī)編碼號(hào)對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管點(diǎn)亮。同時(shí)，在完成請(qǐng)求通話的處理后，還需復(fù)位，讓對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管熄滅。另外，因?yàn)轱@示中涉及到的元器件較多，軟件間的時(shí)序控制也較為復(fù)雜，為了防止系統(tǒng)“死鎖”或“走飛”，還需要設(shè)置軟件故障監(jiān)測(cè)與恢復(fù)程序。因而顯示的軟件設(shè)計(jì)包括接收分機(jī)地址編碼程序、數(shù)碼顯示程序、發(fā)光二極管點(diǎn)亮程序和復(fù)位程序。

4 結(jié)語(yǔ)
    該系統(tǒng)利用單片機(jī)的自動(dòng)控制特性，使得系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。系統(tǒng)采用的元器件均是常見(jiàn)的電子元器件，因此系統(tǒng)硬件成本較低。分機(jī)主控芯片采用PIC單片機(jī)，使分機(jī)具有較低的功耗，從而使系統(tǒng)具有較好的擴(kuò)展性。主機(jī)與分機(jī)的通信距離大于等于1 000 m，分機(jī)數(shù)據(jù)大于等于200，能滿足各種規(guī)模醫(yī)院的要求。