基于PIC单片机的新型医用呼叫对讲系统设计样本.doc

核心字：PIC 医用呼喊对讲 PIC16F877A
　　摘 要：简介了一种基于单片机新型医用呼喊对讲系统，用于医护人员与病人及时通信。该系统主、分机均以PIC 系列单片机为核心，采用电源载波技术，运用系统二芯电源线，实现语音信号与控制信号共线传播。该系统具备主机实时解决分机呼喊祈求，拨号呼喊分机，显示和记录病床呼喊等功能，满足了医院进行远程监护需要。实际使用表白，该系统可靠性高，功耗低，安装以便，具备很强实用价值。
　　医用呼喊系统是病员需要获得护理或诊断时发出祈求呼喊工具，可将病员祈求迅速传达给值班医生或护士，是提高医院护理水平必须设备之一。它作为病员与护士及医生之间联系桥梁，正日益显现出其实用性和优越性。它在提高医院综合水平，提高服务质量和服务效率，解决因陪护引起医患矛盾等方面扮演了相称重要角色。初期医用呼喊系统大多采用集中式构造，各个病房单独通过信号电缆和护士室相连，此类系统具备成本高、安装调试困难、故障率较高等缺陷。
　　本文简介了一种新型呼喊系统，主机与病房分机均采用PIC 系列单片机实现，主机和分机之间不采用计算机通信口连接，而是采用电源载波技术，通过主机向各分机提供电源线实现数据通信和语音通信。整个系统安装简朴、维护以便，大大提高了该装置实用性。
1 系统总体设计
　　系统由主机、分机、显示和操控4 某些构成，电话和一览表上按钮为控制输入某些，主机和病员一览表显示窗安装在病区护士站，LED 显示屏安装在走廊，分机分别设立在病房各个床头，构造框图如图1 所示。
　　一旦病房床头有人按呼喊按钮，护士站主机就发出铃声或者电话响铃，同步，走廊显示屏同步显示呼喊床位号，护士人员便可以立即赶往病房解决紧急状况。

图1 系统构造框架图
　　系统采用主机集中供电方式和电源载波技术，通过主机与各分机、电子显示屏连接电源线提供电源,同步通过供电电缆实现主机与分机半双工数据通信及全双工语音通信，主机和电子显示屏之间实现单工数据通信。系统可24 小时持续工作，并具备静电保护和雷电保护功能。
　　系统采用一种主机，各种分机，主机与分机用二线制方式通信，各分机分别挂接在总线上，由主机提供电源。每个分机具备惟一地址编号，与主机通信时均以此号码辨认。主机呼喊分机时唤醒所有分机，通过总线发送分机地址编码，分机将收到地址码与自身地址码比较，只有相似分机才启动通话电路，不相似都不作响应。分机呼喊主机，主机将收到分机号通过DTMF 方式送给电话进行响铃和显示来电，并同步送给显示模块，主机摘机即可实现通话。各分机只有在呼喊或者被查询时才被唤醒，总线上才会有数据传播，不进行通信时处在"睡眠"状态，实现节能效果。
2 呼喊系统硬件设计
　　2. 1 主机硬件设计
　　主机重要涉及主控制板、显示设备、电话机、电源,功能框图如图2 所示。

图2 主机硬件框图
　　主控制板需要完毕如下功能：信号收发、信息显示、信息存储。依照需求分析，主控CPU 必要功能强大、资源丰富。在此选取了Microchip 公司PIC16F877A，其具备高性能RISC CPU ，10 位多通道数/ 模转换，，所有GPIO 引脚都具备引脚上电平变化触发中断功能，以及128 B 数据E2 PROM 存储器。
　　当主分机辨认到起始信号，就会触发中断收码，图3 为主机发码电路。当主机发送信号时，由RESP 脚控制三极管QS3 导通和截止，以控制总线电压高低变化。图4 是主机收码电路，分机发给主机信号，经整形放大后来，送入锁相环LM567 调制成PIC16F877A 能辨认电平信号。LM567 通过5，6 引脚外接定期元件Rt 、Ct 设定中心频率，关系式为:f 0 ≈1/ ( 1. 1RtCt ) ，工作频率可在0. 01 Hz~ 500 kHz范畴内持续变化。系统设定中心频率为100 kHz,第8 脚接877A RB7，RB 口引脚具备电平触发中断功能，当第3 脚输入100 kHz 信号时，第8 脚输出低电平触发877A 中断开始收码，平时第8 脚保持为高电平。

图3 主机发码电路

图4 主机收码电路

2. 2 分机硬件设计
分机CPU 选用PIC 系列PIC12F629，采用此单片机，一是为了减少成本，减小分机体积；二是为了减少分机功耗 。功放选用是内置补偿型低噪声双运算放大器NE5532，分机框图如图5 所示。

图5 分机构造框图
　　分机不分正负极地挂接到总线上，由主机供电，当无信号传播时，总线上电压为9 V 直流，经由三极管构成串联稳压电路后，为分机芯片提供5 V 稳定电压。当总线处在空闲状态时，各分机处在休眠状态，此时分机上三极管Q6 处在截止，使得运放NE5532 处在挂断状态，每个分机功耗很小，当总线上挂有较多分机时，总线上流过较小静态工作电流，保证系统正常工作。L1 为红、绿双色灯，用于批示分机状态，分机休眠时L1 熄灭。主机呼喊分机。分机引脚GP0 为下行呼喊信号接受端，当CIN 脚收到起始信号时被唤醒，然后判断起始信号与否有效，若有效便开始收码。
　　若满足接通条件，CLKIN 脚输出为高电平，三极管Q6处在饱和导通状态，给运放NE5532 供电，则该分机处在对讲状态。否则GP2 保持低电平，三极管处在截止状态，该分机会回到休眠状态。分机呼喊主机。按下床头或者手柄上按钮，分机CPU 由GP4 引脚输出呼喊信号，经Q5 放大后耦合至总线，分机等待应答同步L1发绿光；主机应答后，GP5 输出高电平，三极管处在饱和导通状态，NE5532 进入工作状态，L1 发红光表达,表达该分机处在对讲状态。当分机处在与主机对讲状态，下行音频信号通过总线，经运放放大后驱动分机扬声器发声。上行语音信号，经运放放大后，通过三极管Q7 耦合到系统总线上。
3 通信方式与传播合同
　　当前市场上有呼喊系统采用CAN 总线合同，使用带CAN 通信模块MCU，但是此类MCU 普通价格比较昂贵；尚有采用DTMF( 双音多频) 传播合同,虽然用DTMF 信号编解码芯片，主分机发送DTMF 信号来通信，即主机机均使用DTMF 信号编解码芯片，也存在着成本偏高问题。因而该系统设计，在考虑通信稳定原则上，只在主机电路上使用DTMF 信号编解码芯片，编写通信合同，通过增长软件设计复杂限度，合理地减少产品成本。
　　3. 1 分机发码方式
　　分机发码采用100 kHz 方波，由单片机GPIO4引脚输出并经三极管耦合至总线。分机呼喊时发送一定期长方波，如图6 所示，分机回答主机信号是间隔性方波，如图7 所示。

图6 分机呼喊信号示意图

图7 分机应答信号示意图
　　3. 2 主机发码方式
　　主机发码采用变长占空比发送码元，其中1 ：1 占空比表达0 码元，而若占空比为3 ：1 则表达码元1,主机发码示意图如图8 所示。
　　3. 3 通信合同
　　为保证通信过程可靠性，特制定如下通信合同:主机发码数据格式规定为：控制命令+ 分机地址，每次发送11 位数据，其中bit11~ bit9 为是命令码，低字节为指定分机号码。主机发码时，先发起始信号，分机辨认到起始信号后开始收码。分机号码存储在各自E2PROM 里，初始值均设为0，主机可对其在线编码，收到主机改号命令，所有分机LED 批示灯点亮，提示顾客按键，修改成功后将返回主机一种确认信号，否则将超时退出而不作解决。分机只有在积极呼喊或辨认到主机起始信号后才被唤醒，平时处在睡眠状态，因而极大地节约了功耗。

图8 主机发码示意图
主机查询时，每查询一种分机后，都先检测与否有摘机，若摘机将会执行摘机流程。所有分机忙标志从刚开始查询时就会被置位，此不容许分机呼喊时再发码，此时分机呼喊主机仍能检测到，只是总线上没有方波传播，因而保证了通信稳定性。
　　主、分机进行语音通信时，其她分机仍可以发出呼喊，由于祈求信号方波是100 kHz，而语音频率范畴为0. 3~ 3. 4 kHz，主机在电话挂机状态下才查询呼喊分机，不会便互相干扰，因而语音信号和数字信号可以同步在总线上传播。分机呼喊时发送100 kH z 方波到总线，主机由收到电路检测到低电平，触发中断进行收码，然后主机将先屏蔽此呼入中断，再开始按病床护理级别高低依次查询，若查询到该分机，就回答应答信号，没有呼喊分机不做应答。查询完后来恢复呼入电平中断，并发送命令告知分机复位忙标志位。
4 主分机软件设计与实现
　　4. 1 工作流程
　　系统主机、分机通信软件重要涉及发送和接受2 某些，分发送模块和主机收码流程分别如图9 和图10 所示。每个分机需包括分机地址码，广播机标志位，这些信息均存储在E2PROM 中，当第一次启动分机后，写入初始值，后来只从指定地址读取分机信息。地址分派如表1 所示。
表1 分机E2 PROM分派

　　为了保证发码精确性，使波形更加精准，在发码模块采用了汇编语言提高，并通过参数控制发码周期,发送100 kH z 方波，精准到微秒级，经实验测得频率误差不大于5%。收码均用定期器读取。由于主机采用变长编码，因而分机解码过程需要依照合同进行1 或0门限判决；主机解码重要由锁相环集成芯片LM567 完毕，加上分机回答码只分有无回答二种。

图9 分机流程图

图10 主机收码流程
　　4. 2 系统稳定性
　　此系统较好解决了呼喊与祈求总线冲突，由于主机总是从1 号分机查询到最后一种，主机在查询时分机都不能发100 kHz 方波，因而总线不会受到干扰，误码率大大减少，且不会漏掉分机祈求，虽然浮现100 个分机同步呼喊这种极端状况，主机也能一一响应。主机采用变长编码，分机用码时采用定期器读取，配以计数状态机，使CPU 能精确解码，并且可以消除毛刺带来影响，保证了收码精确性。主机和分机在主循环中同样采用状态机，用全局变量在各状态间切换并用变量及标志位控制，合理地分派CPU 资源，可以及时解决最紧急事件 。主机电话挂机还能复位输入变量，虽然操作失误，仍能通过挂机来取消。
5 结 语
　　该系统采用载波技术，实现了两线无极性连接，使安装施工变得十分简朴。分机采用低功耗稳压电源和PIC 单片机，使分机具备较低功耗，从而系统具备较好扩展性。主机与分机通信距离不不大于等于1 000 m，分机数不不大于等于100，能满足各种规模医院规定，并预留了接口与PC 进行通信。在通信稳定基本上，使用了经济实惠芯片，具备安装布线简朴，便于检测维修,节约设计成本等长处。本文研发样机已经通过实验运营验证了其有效性和实用价值，并已投入小批量试生产，具备良好推广应用前景。