摘 要: 介紹了一種基于單片機(jī)的新型醫(yī)用呼叫對(duì)講系統(tǒng)，用于醫(yī)護(hù)人員與病人及時(shí)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(xiàn),，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)與控制信號(hào)的共線(xiàn)傳輸。該系統(tǒng)具有主機(jī)實(shí)時(shí)處理分機(jī)呼叫請(qǐng)求,，撥號(hào)呼叫分機(jī),，顯示和記錄病床呼叫等功能，滿(mǎn)足了醫(yī)院進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)的需要,。實(shí)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(shí)用價(jià)值。
醫(yī)用呼叫系統(tǒng)是病員需要獲得護(hù)理或診斷時(shí)發(fā)出請(qǐng)求的呼叫工具,，可將病員的請(qǐng)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(shí)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(gè)病房單獨(dú)通過(guò)信號(hào)電纜和護(hù)士室相連,，此類(lèi)系統(tǒng)具有成本高,、安裝調(diào)試?yán)щy、故障率較高等缺點(diǎn),。
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(shí)現(xiàn)，主機(jī)和分機(jī)之間不采用計(jì)算機(jī)通信口連接,，而是采用電源載波技術(shù),，通過(guò)主機(jī)向各分機(jī)提供的電源線(xiàn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和語(yǔ)音通信。整個(gè)系統(tǒng)安裝簡(jiǎn)單,、維護(hù)方便,，大大提高了該裝置的實(shí)用性。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
系統(tǒng)由主機(jī),、分機(jī),、顯示和操控4 部分組成，電話(huà)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(gè)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(huà)響鈴,，同時(shí),，走廊顯示屏同步顯示呼叫床位號(hào)，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(guò)主機(jī)與各分機(jī)、電子顯示屏連接的電源線(xiàn)提供電源,同時(shí)通過(guò)供電電纜實(shí)現(xiàn)主機(jī)與分機(jī)的半雙工數(shù)據(jù)通信及全雙工語(yǔ)音通信,，主機(jī)和電子顯示屏之間實(shí)現(xiàn)單工數(shù)據(jù)通信,。系統(tǒng)可24 小時(shí)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(gè)主機(jī),，多個(gè)分機(jī)，主機(jī)與分機(jī)用二線(xiàn)制方式通信,，各分機(jī)分別掛接在總線(xiàn)上,，由主機(jī)提供電源。每個(gè)分機(jī)具有惟一的地址編號(hào),，與主機(jī)通信時(shí)均以此號(hào)碼識(shí)別,。主機(jī)呼叫分機(jī)時(shí)喚醒所有分機(jī)，通過(guò)總線(xiàn)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(dòng)通話(huà)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(hào)通過(guò)DTMF 方式送給電話(huà)進(jìn)行響鈴和顯示來(lái)電,，并同時(shí)送給顯示模塊，主機(jī)摘機(jī)即可實(shí)現(xiàn)通話(huà),。各分機(jī)只有在呼叫或者被查詢(xún)時(shí)才被喚醒,，總線(xiàn)上才會(huì)有數(shù)據(jù)傳輸，不進(jìn)行通信時(shí)處于"睡眠"狀態(tài),，實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果,。
2 呼叫系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2. 1 主機(jī)硬件設(shè)計(jì)
主機(jī)主要包括主控制板、顯示設(shè)備,、電話(huà)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(hào)收發(fā),、信息顯示,、信息存儲(chǔ)。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(chǔ)器。
當(dāng)主分機(jī)識(shí)別到起始信號(hào),，就會(huì)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(hào)時(shí),，由RESP 腳控制三極管QS3 的導(dǎo)通和截止,，以控制總線(xiàn)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(hào),，經(jīng)整形放大以后，送入鎖相環(huán)LM567 調(diào)制成PIC16F877A 能識(shí)別的電平信號(hào),。LM567 通過(guò)5,，6 引腳外接的定時(shí)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(hào)時(shí),，第8 腳輸出低電平觸發(fā)877A 中斷開(kāi)始收碼，平時(shí)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(jì)
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(yùn)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(xiàn)上，由主機(jī)供電,，當(dāng)無(wú)信號(hào)傳輸時(shí),，總線(xiàn)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(xiàn)處于空閑狀態(tài)時(shí)，各分機(jī)處于休眠狀態(tài),，此時(shí)分機(jī)上三極管Q6 處于截止,，使得運(yùn)放NE5532 處于掛斷狀態(tài)，每個(gè)分機(jī)的功耗很小,，當(dāng)總線(xiàn)上掛有較多分機(jī)時(shí),，總線(xiàn)上流過(guò)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(shí)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(hào)的接收端,，當(dāng)CIN 腳收到起始信號(hào)時(shí)被喚醒,，然后判斷起始信號(hào)是否有效，若有效便開(kāi)始收碼,。
若滿(mǎn)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(yùn)放NE5532 供電,，則該分機(jī)處于對(duì)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(huì)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(hào),，經(jīng)Q5 放大后耦合至總線(xiàn)，分機(jī)等待應(yīng)答同時(shí)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(duì)講狀態(tài),。當(dāng)分機(jī)處于與主機(jī)對(duì)講狀態(tài)，下行的音頻信號(hào)通過(guò)總線(xiàn),，經(jīng)運(yùn)放放大后驅(qū)動(dòng)分機(jī)揚(yáng)聲器發(fā)聲,。上行的語(yǔ)音信號(hào)，經(jīng)運(yùn)放放大后,，通過(guò)三極管Q7 耦合到系統(tǒng)總線(xiàn)上,。
3 通信方式與傳輸協(xié)議
目前市場(chǎng)上有的呼叫系統(tǒng)采用CAN 總線(xiàn)協(xié)議，使用帶CAN 通信模塊的MCU,，但是此類(lèi)MCU 一般價(jià)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(hào)編解碼芯片,，主分機(jī)發(fā)送DTMF 信號(hào)來(lái)通信，即主機(jī)機(jī)均使用DTMF 信號(hào)編解碼芯片,，也存在著成本偏高的問(wèn)題,。因此該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，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(hào)編解碼芯片,，編寫(xiě)通信協(xié)議，通過(guò)增加軟件設(shè)計(jì)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(xiàn),。分機(jī)呼叫時(shí)發(fā)送一定時(shí)長(zhǎng)的方波,，如圖6 所示，分機(jī)回復(fù)主機(jī)的信號(hào)是間隔性的方波,，如圖7 所示,。
圖6 分機(jī)呼叫信號(hào)示意圖
圖7 分機(jī)應(yīng)答信號(hào)示意圖
3. 2 主機(jī)發(fā)碼方式
主機(jī)發(fā)碼采用變長(zhǎng)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(guò)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(hào)碼。主機(jī)發(fā)碼時(shí),，先發(fā)起始信號(hào),，分機(jī)識(shí)別到起始信號(hào)后開(kāi)始收碼。分機(jī)的號(hào)碼存儲(chǔ)在各自E2PROM 里,，初始值均設(shè)為0,，主機(jī)可對(duì)其在線(xiàn)編碼，收到主機(jī)的改號(hào)命令,，所有分機(jī)的LED 指示燈點(diǎn)亮，提示用戶(hù)按鍵,，修改成功后將返回主機(jī)一個(gè)確認(rèn)信號(hào),，否則將超時(shí)退出而不作處理。分機(jī)只有在主動(dòng)呼叫或識(shí)別到主機(jī)的起始信號(hào)后才被喚醒,，平時(shí)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(xún)時(shí),，每查詢(xún)一個(gè)分機(jī)后,，都先檢測(cè)是否有摘機(jī)，若摘機(jī)將會(huì)執(zhí)行摘機(jī)流程,。所有分機(jī)的忙標(biāo)志從剛開(kāi)始查詢(xún)時(shí)就會(huì)被置位,，此不允許分機(jī)呼叫時(shí)再發(fā)碼，此時(shí)分機(jī)呼叫主機(jī)仍能檢測(cè)到,，只是總線(xiàn)上沒(méi)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(yǔ)音通信時(shí),，其他分機(jī)仍可以發(fā)出呼叫，由于請(qǐng)求信號(hào)的方波是100 kHz,，而語(yǔ)音頻率范圍為0. 3~ 3. 4 kHz,，主機(jī)在電話(huà)掛機(jī)的狀態(tài)下才查詢(xún)呼叫的分機(jī)，不會(huì)便相互干擾,，因此語(yǔ)音信號(hào)和數(shù)字信號(hào)可以同時(shí)在總線(xiàn)上傳輸,。分機(jī)呼叫時(shí)發(fā)送100 kH z 方波到總線(xiàn)，主機(jī)由收到電路檢測(cè)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(kāi)始按病床護(hù)理等級(jí)的高低依次查詢(xún)，若查詢(xún)到該分機(jī),，就回復(fù)應(yīng)答信號(hào),，沒(méi)有呼叫的分機(jī)不做應(yīng)答。查詢(xún)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(jì)與實(shí)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(gè)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(chǔ)在E2PROM 中,，當(dāng)?shù)谝淮螁?dòng)分機(jī)后，寫(xiě)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(yǔ)言提高，并通過(guò)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(jí),，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得頻率誤差小于5%。收碼均用定時(shí)器讀取,。由于主機(jī)采用變長(zhǎng)編碼,，因此分機(jī)解碼過(guò)程需要根據(jù)協(xié)議進(jìn)行1 或0門(mén)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(wú)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(qǐng)求總線(xiàn)的沖突,，由于主機(jī)總是從1 號(hào)分機(jī)查詢(xún)到最后一個(gè)，主機(jī)在查詢(xún)時(shí)分機(jī)都不能發(fā)100 kHz 的方波,，因此總線(xiàn)不會(huì)受到干擾,，誤碼率大大降低，且不會(huì)遺漏分機(jī)請(qǐng)求,，即使出現(xiàn)100 個(gè)分機(jī)同時(shí)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(zhǎng)編碼,，分機(jī)用碼時(shí)采用定時(shí)器讀取,，配以計(jì)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(lái)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(shí)處理最緊急事件 。主機(jī)電話(huà)掛機(jī)還能復(fù)位輸入的變量,，即使操作失誤,，仍能通過(guò)掛機(jī)來(lái)取消。
5 結(jié) 語(yǔ)
該系統(tǒng)采用載波技術(shù),，實(shí)現(xiàn)了兩線(xiàn)無(wú)極性連接,，使安裝施工變得十分簡(jiǎn)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(mǎn)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(shí)惠的芯片,，具有安裝布線(xiàn)簡(jiǎn)單,，便于檢測(cè)維修,節(jié)約設(shè)計(jì)成本等優(yōu)點(diǎn)。本文研發(fā)的樣機(jī)已經(jīng)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行驗(yàn)證了其有效性和實(shí)用價(jià)值,，并已投入小批量試生產(chǎn),，具有良好的推廣應(yīng)用前景。