基于AT89C51的無(wú)線病房呼叫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　病房呼叫系統(tǒng)作為一種基本醫(yī)療陪護(hù)設(shè)備已逐步得到普及并不斷得到改進(jìn)。傳統(tǒng)的病房呼叫系統(tǒng)采用PC 機(jī)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控和有線控制， 雖然具備很強(qiáng)的專業(yè)服務(wù)功能和監(jiān)護(hù)能力， 但是其實(shí)現(xiàn)方法復(fù)雜， 前期投資和后期維護(hù)的費(fèi)用都很高。

　　本文采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸通信和實(shí)時(shí)報(bào)警功能， 設(shè)計(jì)一套低成本通用型的病房呼叫系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)采用無(wú)線通信的方式， 降低了復(fù)雜的布線、安裝檢修和拆卸的難度, 并可監(jiān)控多個(gè)病房且便于擴(kuò)充升級(jí)。

　　1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)采用從機(jī)和主機(jī)相分離的模式。從機(jī)安裝于各個(gè)病房， 主機(jī)安裝于醫(yī)務(wù)室或值班室。多個(gè)從機(jī)處于等待外部呼叫信號(hào)的狀態(tài)， 主機(jī)則時(shí)刻處于等待接收從機(jī)呼叫信息的狀態(tài)， 并且從機(jī)與主機(jī)之間采用無(wú)線數(shù)據(jù)

　　傳輸通信。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)。

　　該病房呼叫系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括主機(jī)硬件設(shè)計(jì)和從機(jī)硬件設(shè)計(jì)兩部分。主機(jī)硬件設(shè)計(jì)包含了射頻芯片

　　外圍電路、顯示部分、警報(bào)部分及AT89C51 芯片的簡(jiǎn)單外圍電路的設(shè)計(jì)。從機(jī)硬件設(shè)計(jì)則包含射頻芯片外圍電路、外部輸入電路及AT89C51 芯片的簡(jiǎn)單外圍電路的設(shè)計(jì)。

　　1.1 主機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)以AT89C51 為控制器， 采用射頻芯片nRF401設(shè)計(jì)接收/發(fā)射電路，實(shí)現(xiàn)與從機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸[1]。當(dāng)nRF401芯片接收并處理完接收數(shù)據(jù)后或控制器向nRF401 芯片傳輸發(fā)送信息時(shí)，nRF401 芯片與控制器之間的通信采用的是異步串行通信的方式。在這種通信方式下， 單片機(jī)的RXD 端和TXD 端分別與nRF401 芯片的DOUT 端和DIN 端連接， 用作兩者之間的數(shù)據(jù)串行傳輸通道。而P1.1 口與nRF401 芯片的TXEN 口連接，用來(lái)選擇nRF401芯片的工作狀態(tài)( 發(fā)射狀態(tài)或接收狀態(tài))。P1.2 口與nRF401 芯片的PWR-UP 口連接， 用來(lái)控制nRF401 芯片的節(jié)電狀態(tài)。P1.3 口與nRF401 芯片的CS 口連接， 用來(lái)選擇nRF401 芯片的發(fā)射頻率(該芯片有兩種發(fā)射頻率)。

　　此外，nRF401 芯片的ANT1 和ANT2 兩個(gè)端口與發(fā)射天線連接。nRF401 外圍電路如圖1 所示， 為了便于使用較低成本的PCB 天線， 本設(shè)計(jì)中的天線接口設(shè)計(jì)為差分天線[ 2]。本系統(tǒng)主機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)如圖2 所示。

　　1.2 從機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)中的一套病房呼叫系統(tǒng)擁有一個(gè)主機(jī)和多個(gè)從機(jī)， 以此實(shí)現(xiàn)多個(gè)病房對(duì)安裝在醫(yī)務(wù)人員值班室中的主機(jī)的實(shí)時(shí)呼叫。從機(jī)控制器的外圍電路設(shè)計(jì)、射頻芯片nRF401 與控制器的連接方式及其外圍電路的設(shè)計(jì)都與主機(jī)一致， 不同是少了顯示和警報(bào)硬件電路而多了一個(gè)外部請(qǐng)求信息的接收電路。從機(jī)中的外部請(qǐng)求信息接收電路設(shè)計(jì)只是依靠一個(gè)P0.0 端口等待接收外部的高電平，一旦SB2 按下，發(fā)光二極管點(diǎn)亮，P0.0 口接到外部高電平，就迅速地進(jìn)行信息的發(fā)送，并且直到接收到主機(jī)反饋回來(lái)的發(fā)送成功信息后才自動(dòng)結(jié)束本次呼叫， 繼續(xù)進(jìn)入等待外部請(qǐng)求信號(hào)的狀態(tài)。

　　2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　在軟件設(shè)計(jì)的過(guò)程中必須考慮到系統(tǒng)通信的抗干擾性能和正常通信識(shí)別的具體實(shí)現(xiàn)方法， 以及解決信息碰撞的具體軟件實(shí)現(xiàn)方法。

　　2.1 主機(jī)程序設(shè)計(jì)

　　主機(jī)程序設(shè)計(jì)主要包括初始化程序、發(fā)送數(shù)據(jù)程序、接收數(shù)據(jù)程序、延時(shí)程序、LED 顯示程序及蜂鳴器報(bào)警程序等。這些程序并沒(méi)有以子程序的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)， 這是因?yàn)槊恳粋€(gè)功能的實(shí)現(xiàn)并不完全獨(dú)立， 而是相互交織在一起， 這就使得采用調(diào)用子程序的方式去實(shí)現(xiàn)變得相當(dāng)困難。本設(shè)計(jì)中采用單片機(jī)匯編語(yǔ)言編寫(xiě)系統(tǒng)功能模塊程序。主機(jī)的主程序流程如圖3 所示。

　　2.2 從機(jī)程序設(shè)計(jì)

　　從機(jī)的程序設(shè)計(jì)主要包括初始化程序、外部呼叫信號(hào)等待程序、數(shù)據(jù)接收程序、數(shù)據(jù)發(fā)送程序、延時(shí)程序等主要程序。這里需要說(shuō)明的是在設(shè)計(jì)外部呼叫信號(hào)等待程序時(shí)， 在接收到外部呼叫信息后， 需要經(jīng)過(guò)一段延時(shí)(約30 ms)后再進(jìn)行采樣看是否是瞬時(shí)干擾信號(hào)。

　　3 系統(tǒng)通信協(xié)議設(shè)計(jì)

　　3.1 系統(tǒng)無(wú)線通信協(xié)議設(shè)計(jì)

　　由于本設(shè)計(jì)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中存在一個(gè)中心( 主機(jī))和多個(gè)用戶端( 從機(jī)) ， 因此本系統(tǒng)呈現(xiàn)為點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信方式， 協(xié)議為點(diǎn)到多點(diǎn)的通信協(xié)議。在整個(gè)病房呼叫系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的通信系統(tǒng)中， 無(wú)論是在發(fā)射請(qǐng)求信息還是在發(fā)射應(yīng)答信息時(shí)， 發(fā)射的數(shù)據(jù)量始終保持固定的字節(jié)數(shù)且信息結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 數(shù)據(jù)量較小; 而且為了降低發(fā)射信息出現(xiàn)碰撞的概率， 在該系統(tǒng)中從機(jī)的數(shù)量有一定限制， 因此在本設(shè)計(jì)中采用了比較簡(jiǎn)單的純ALOHA 法來(lái)解決信息碰撞的問(wèn)題[ 3]。

　　3.2 通信協(xié)議數(shù)據(jù)幀設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)采用固定字節(jié)長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)幀， 并使得請(qǐng)求信息數(shù)據(jù)幀和應(yīng)答信息數(shù)據(jù)幀格式相互對(duì)應(yīng)， 從機(jī)請(qǐng)求信息數(shù)據(jù)傳輸采用引導(dǎo)字頭、接收地址、發(fā)送地址和校驗(yàn)字的數(shù)據(jù)幀格式， 而主機(jī)應(yīng)答信息數(shù)據(jù)傳輸采用引導(dǎo)字頭、接收地址、確認(rèn)指令和校驗(yàn)字的數(shù)據(jù)幀格式。

　　(1) 引導(dǎo)字頭： 對(duì)主機(jī)而言， 為了隨時(shí)接收從機(jī)發(fā)送的請(qǐng)求信息， 其射頻芯片nRF401 總是處于接收狀態(tài)。本設(shè)計(jì)的傳輸協(xié)議中， 數(shù)據(jù)幀的引導(dǎo)字采用OxFF 后跟OxAA 作為通信同步碼， 接收協(xié)議只能夠接收以O(shè)xFF 后跟OxAA 開(kāi)始的數(shù)據(jù)包。要注意的是， 上面已經(jīng)說(shuō)明的引導(dǎo)字頭前還要再加一個(gè)隨機(jī)字節(jié)， 因?yàn)槠鹗紓鬏敃r(shí)第一個(gè)字節(jié)往往是接收不到的， 它的作用是使接收機(jī)進(jìn)入狀態(tài)抑制噪聲， 在本設(shè)計(jì)中該隨機(jī)字節(jié)采用Ox00 。

　　(2) 接收地址： 接收地址既包括從機(jī)發(fā)送請(qǐng)求信息中的接收地址， 也包括主機(jī)發(fā)送應(yīng)答信息中的接收地址。在醫(yī)院的病房樓中， 很可能存在多套同規(guī)格的射頻無(wú)線病房呼叫系統(tǒng)同時(shí)工作。這樣就必須給每一個(gè)主機(jī)編上代碼， 才能使主機(jī)確認(rèn)接收的信息是否是發(fā)送給自己的， 這個(gè)主機(jī)編號(hào)同時(shí)也就作為了從機(jī)發(fā)送請(qǐng)求信息時(shí)的接收地址。而每個(gè)主機(jī)下的從機(jī)也會(huì)有一個(gè)對(duì)應(yīng)的編號(hào)， 這個(gè)編號(hào)在本設(shè)計(jì)中就采用病房號(hào)， 也就是主機(jī)發(fā)送應(yīng)答信息時(shí)的接收地址。

　　(3) 發(fā)送地址： 發(fā)送地址既存在于從機(jī)發(fā)送的請(qǐng)求信息中也存在于主機(jī)回復(fù)的應(yīng)答信息中。從機(jī)請(qǐng)求信息中的發(fā)送地址是提供給主機(jī)用于顯示的病房號(hào)， 也是在主機(jī)發(fā)送應(yīng)答信息時(shí)的接收地址。通過(guò)應(yīng)答信息中的接收地址， 從機(jī)可以判斷出該接收到的信息是否是發(fā)給自己的。如果不是， 從機(jī)將重新發(fā)送一遍請(qǐng)求信息， 否則將繼續(xù)接收確認(rèn)信息。同理， 主機(jī)也可以根據(jù)請(qǐng)求信息中的發(fā)送地址確認(rèn)發(fā)送信息的是否是自己轄區(qū)內(nèi)的從機(jī)， 如果不是將不予以接收顯示。

　　(4) 確認(rèn)指令： 確認(rèn)指令用于主機(jī)通告從機(jī)信息發(fā)送是否正確。在本設(shè)計(jì)中，采用OxFF 作為信息發(fā)送正確的指令，而采用OxEE 作為信息發(fā)送錯(cuò)誤的指令。事實(shí)上，在本設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)中，為了確保信息的準(zhǔn)確發(fā)送，只要確認(rèn)信息不是OxFF，則從機(jī)就會(huì)自動(dòng)地重新發(fā)送信息。

　　(5) 校驗(yàn)字： 校驗(yàn)方法包括奇偶校驗(yàn)、CRC 校驗(yàn)等， 但是本設(shè)計(jì)中采用一種相加校驗(yàn)的方法。這種方法的具體實(shí)現(xiàn)是： 發(fā)送機(jī)把除了引導(dǎo)字以外的數(shù)字幀信息相加作為校驗(yàn)字發(fā)送給接收機(jī)， 接收機(jī)在接收信息時(shí)也把除了引導(dǎo)字和校驗(yàn)字以外的數(shù)字幀信息相加并把相加結(jié)果與校驗(yàn)字比較看是否相等， 若相等則說(shuō)明發(fā)送成功， 否則說(shuō)明發(fā)送失敗。

　　4 系統(tǒng)混合信號(hào)PCB 板設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)印制電路板(PCB) 設(shè)計(jì)對(duì)于獲得優(yōu)良的RF 性能是至關(guān)重要的， 本系統(tǒng)PCB 使用雙面板， 分為元件面和底面， 具體設(shè)計(jì)時(shí)充分注意了以下兩點(diǎn)：

　　(1) 保證系統(tǒng)充分接地。在底面設(shè)計(jì)一個(gè)連續(xù)的接地面， 元件面的接地面保證元件充分接地， 大量的通孔鏈

　　接元件面的接地面和底面的接地面。

　　(2) 零件的布局要盡量合理， 模擬電源和數(shù)字電源要分離以避免互相干擾。射頻電路的電源使用高性能的射頻電容去耦， 去耦電容盡可能靠近nRF401 的VDD 端。一般還在較大容量的表面貼裝電容旁并聯(lián)一個(gè)小數(shù)值的電容。nRF401 的電源必需經(jīng)過(guò)很好的濾波， 并且與數(shù)字電路供電分離。