無線病房呼叫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：介紹利用單片機(jī)的串行全雙工通信和高頻發(fā)射接收電路設(shè)計(jì)的多路無線醫(yī)院病房呼叫系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有床號(hào)、呼叫次數(shù)顯示、翻查、回復(fù)等功能，用于醫(yī)院病房對(duì)護(hù)理總臺(tái)的呼叫，省略了復(fù)雜的布線，操作簡單，使用方便。 
關(guān)鍵詞：無線發(fā)射；串行通訊；呼叫系統(tǒng)；單片機(jī)

1 引言
    目前醫(yī)院使用的病房呼叫系統(tǒng)多為有線呼叫系統(tǒng)，存在布線復(fù)雜、布線費(fèi)用較高、易出故障、維修不便、明線不雅觀等缺陷。本文介紹的無線呼叫系統(tǒng)沒有上述缺點(diǎn)，安裝方便，成本低，使用簡單。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)利用MCS-51系列單片機(jī)的串行傳輸功能，將串行輸出信號(hào)傳送到發(fā)射電路，當(dāng)信號(hào)為高電平時(shí)高頻發(fā)射電路工作，并發(fā)射433 MHz等幅高頻信號(hào)，當(dāng)信號(hào)為低平時(shí)高頻發(fā)射電路停止工作，所以高頻發(fā)射電路完全受控于單片機(jī)串行輸出的數(shù)字信號(hào)，對(duì)高頻電路完成幅度鍵控(ASK調(diào)制)。采用超載波接收板接收高頻信號(hào)，信號(hào)解碼、聲光報(bào)警、動(dòng)態(tài)顯示等功能由單片機(jī)完成。
2.1 系統(tǒng)主機(jī)的設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)的主機(jī)以AT89C51為核心，電路如圖1所示，電源電路與從機(jī)電路電源部分(見圖2)相同。

    主機(jī)電路包括高頻發(fā)射模塊、超載波接收模塊、數(shù)碼顯示驅(qū)動(dòng)模塊、鍵盤掃描、聲光報(bào)警、復(fù)位電路等。待機(jī)情況下，數(shù)碼管顯示全零，聲光報(bào)警電路均不工作。當(dāng)病人按動(dòng)安裝在床頭的從機(jī)按鍵時(shí)，安裝在護(hù)士站的主機(jī)收到信號(hào)后發(fā)出3聲“嘀”的提示音，同時(shí)發(fā)光二極管亮，數(shù)碼管顯示呼叫病人的床位號(hào)和呼叫次數(shù)，醫(yī)生或護(hù)士根據(jù)顯示床位號(hào)進(jìn)行治療與服務(wù)。主機(jī)具有記憶最近呼叫的9組床位號(hào)及其呼叫次數(shù)的功能。
    AT89C51中有一個(gè)全雙工異步串行通信接口，可用作UATR(通用異步接收和發(fā)送器)，也可用作同步移位寄存器。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，UATR為串行工作方式1。單片機(jī)以串行通信方式工作時(shí)，串行口檢測(cè)到1個(gè)由“l(fā)”到“0”的跳變時(shí)開始啟動(dòng)串行接收，且單片機(jī)在非串行通信時(shí)段內(nèi)的輸出為“1”，所以在發(fā)射電路之前和接收模塊之后均需再加1個(gè)非門，防止發(fā)射電路在非通信時(shí)一直處于發(fā)射狀態(tài)，同時(shí)滿足單片機(jī)串行通信要求，保證單片機(jī)能夠正常收發(fā)數(shù)據(jù)。需要發(fā)射的數(shù)據(jù)信號(hào)從AT89C51的11引腳輸出經(jīng)反相后送到433MHz高頻發(fā)射電路發(fā)射。該高頻發(fā)射電路采用聲表面波(SAW)諧振器穩(wěn)頻，性能穩(wěn)定，無需任何調(diào)試即可正常工作。因?yàn)楦哳l接收電路易受干擾，不易調(diào)試，而市售成品接收模塊性能穩(wěn)定，價(jià)格低，故本系統(tǒng)中采用成品接收模塊，該接收模塊收到的信號(hào)經(jīng)反相后送入AT89C51的10引腳進(jìn)行解碼。
2.2 系統(tǒng)從機(jī)的設(shè)計(jì)
    從機(jī)采用AT89C2051作為核心，主要完成串行通信、按鍵掃描、聲光警報(bào)等功能。單片機(jī)的Pl口設(shè)定為用戶可任意修改的數(shù)據(jù)腳，用戶通過撥碼器根據(jù)需要任意設(shè)定Pl口為高電平或低電平，共256種設(shè)置表示256個(gè)床位號(hào)，如圖2所示。

    電路中設(shè)有1個(gè)呼叫按鍵，當(dāng)病人要呼叫護(hù)理總臺(tái)時(shí)，只要按下按鍵，此時(shí)指示燈閃亮。主機(jī)收到呼叫后發(fā)出聲光報(bào)警提醒值班醫(yī)生或護(hù)士，如果值班醫(yī)生或護(hù)士按主機(jī)回復(fù)鍵，則從機(jī)收到信號(hào)后發(fā)出聲光警報(bào)，指示燈閃4次，蜂鳴器發(fā)出3聲“嘀”，以提示病人醫(yī)生或護(hù)士已經(jīng)收到呼叫。從機(jī)的串行信號(hào)發(fā)射和接收電路與主機(jī)相同，不再詳述。

3 軟件設(shè)計(jì)
3.1 發(fā)射數(shù)據(jù)格式
    單片機(jī)和接收模塊工作時(shí)，通常用戶可以自定義傳輸協(xié)議，不論用何種調(diào)制方式，所要傳遞的信息碼格式都很重要，它將直接影響數(shù)據(jù)收發(fā)的可靠性。常用信息碼格式為：前導(dǎo)碼+同步碼+數(shù)據(jù)幀。
    前導(dǎo)碼發(fā)射時(shí)間應(yīng)大于10 ms，以避開背景噪聲，因?yàn)榻邮漳K接收到的第一位數(shù)據(jù)極易被干擾(即零電平干擾)而引起接收數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。所以在發(fā)射同步碼前加一些前導(dǎo)碼以抑制零電平干擾。同步碼主要用于區(qū)別前導(dǎo)碼及數(shù)據(jù)，有一定的特征，使軟件通過一定的算法鑒別出同步碼，同時(shí)做好接收數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。數(shù)據(jù)幀即是要傳送的信號(hào)。
    本系統(tǒng)是運(yùn)用單片機(jī)的串行通信，數(shù)據(jù)每次發(fā)送4幀，第一幀為8位全0碼，第二幀為8位全1碼，這2幀數(shù)據(jù)是前導(dǎo)碼，實(shí)踐證明能良好抑制零電平干擾；第三幀為8位同步碼，以不同的同步碼構(gòu)成256組不同的呼叫系統(tǒng)；第四幀8位表示256個(gè)不同的床位號(hào)。經(jīng)過軟件比較后，發(fā)現(xiàn)接收到的前2幀為全0碼和全l碼后才開始接收同步幀和數(shù)據(jù)幀。軟件判斷同步幀數(shù)據(jù)為本呼叫系統(tǒng)的同步碼后解碼數(shù)據(jù)幀，顯示床位號(hào)和呼叫次數(shù)，并以聲光報(bào)警。
3.2 主機(jī)軟件設(shè)計(jì)
    主機(jī)主程序主要完成系統(tǒng)參數(shù)的初始化、串口中斷配置、按鍵掃描、鍵值處理、聲光報(bào)警和掃描顯示等，其流程如圖3所示。串行發(fā)射和接收中斷子程序的流程圖如圖4和圖5所示。

3.3 從機(jī)軟件設(shè)計(jì)
    從機(jī)主程序流程如圖6所示。從機(jī)串行發(fā)射和接收中斷子程序的流程同主機(jī)相同。

4 幾個(gè)可靠性問題的處理
    選擇合理的通信速率。接收數(shù)據(jù)模塊的最大數(shù)據(jù)率為9.6K字節(jié)，一般控制在2.5K字節(jié)左右，過高的數(shù)據(jù)速率會(huì)降低接收靈敏度及增大誤碼率，甚至使系統(tǒng)根本無法正常工作。本系統(tǒng)的波特率為2 604 b/s。
    51系列單片機(jī)工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生比較強(qiáng)的電磁輻射，主要頻率在9 MHz~900 MHz，它會(huì)影響無線接收模塊的靈敏度。解決方法：一是對(duì)接收模塊采用獨(dú)立的5 V電源；二是布板時(shí)應(yīng)在單片機(jī)周圍增加大面積地層以減小單片機(jī)的電磁輻射；三是使用盡量低的單片機(jī)振蕩頻率，本系統(tǒng)采用4 MHz晶體振蕩器；四是對(duì)單片機(jī)進(jìn)行屏蔽。同時(shí)采用這些措施能較好地解決靈敏度干擾問題。
    另外，采用軟件陷阱和軟件冗余等技術(shù)可提高系統(tǒng)抗干擾能力。

5 結(jié)束語
    本系統(tǒng)目前已投入生產(chǎn)，實(shí)際使用證明該系統(tǒng)工作可靠，故障率低，易于安裝維護(hù)，使用方便。經(jīng)實(shí)測(cè)，穩(wěn)定可靠的呼叫距離可達(dá)100 m以上，能滿足實(shí)際使用要求。只需延長發(fā)射信號(hào)的同步碼和數(shù)據(jù)幀長度，就可方便地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能擴(kuò)展。
    本系統(tǒng)不僅適用于醫(yī)院病房，稍加改進(jìn)還可廣泛應(yīng)用于需要多路防范戒備的防盜、大型停車場(chǎng)管理、酒店客房對(duì)總臺(tái)呼叫、教學(xué)提問搶答、無線航模、多種動(dòng)作控制的無線遙控玩具等場(chǎng)合。