基于nRF401芯片的醫(yī)院無線護(hù)理呼叫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　伴隨著醫(yī)療體制改革的不斷深化和醫(yī)療事業(yè)的飛速發(fā)展，越來越多的們需要迅捷、方便地得到醫(yī)院的各種各樣的醫(yī)療服務(wù)，必將使醫(yī)院之間的競爭日趨激烈。

　　這使得衡量一個(gè)醫(yī)院的綜合水平高低，不再僅局限于軟、硬件的建設(shè)上，更要比服務(wù)。臨床呼叫求助裝置傳送臨床信息的重要手段，關(guān)系病員安危，傳統(tǒng)的有線呼叫系統(tǒng)歷來受到各大醫(yī)院的普遍重視。如果采用無線傳輸，會節(jié)約布線和改造線路的資金，為醫(yī)院節(jié)約成本，并且及時(shí)、準(zhǔn)確、可靠、簡便可行，比目前的同類產(chǎn)品更能受到醫(yī)院及病人的認(rèn)可，有更強(qiáng)的競爭力，能大量推廣。

　　傳統(tǒng)的病房呼叫系統(tǒng)采用的都是有線傳輸，很難做到隱蔽和美觀，安裝維護(hù)都不方便，抗電氣干擾能力也不強(qiáng)。為克服以上不足，如果采用一種無線的病房呼叫監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，在醫(yī)院的病房里每個(gè)床位邊都裝有一個(gè)呼叫按鈕，當(dāng)病人需要幫助時(shí)，按下呼叫按鈕，護(hù)士辦公室里呼叫顯示板上相應(yīng)房間號的指示燈點(diǎn)亮并進(jìn)行語音提示，同時(shí)在走廊里安裝一個(gè)電子顯示牌，使值班護(hù)土能及時(shí)的知道哪個(gè)房間的病人需要幫助或需要進(jìn)行搶救。

　　本文使用專用射頻模塊nRF401，并使用單片機(jī)控制，其原理簡單，使用的芯片集成度高 ，性能穩(wěn)定，并且造價(jià)相對也低。每個(gè)分機(jī)有惟一的地址碼，主機(jī)對呼入的號碼進(jìn)行存儲，確保呼叫信息不丟失，終端數(shù)碼管循環(huán)顯示呼叫地址及聲音報(bào)警，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，具有很好的應(yīng)用前景。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 

　　系統(tǒng)分為呼叫分機(jī)和接收主機(jī)。分機(jī)用來進(jìn)行呼叫，編碼使用單片機(jī)完成，分機(jī)的核心電路即是單片機(jī)與射頻芯片的連接電路。主機(jī)負(fù)責(zé)接收分機(jī)發(fā)來的信號，并進(jìn)行解碼、顯示和報(bào)警，主機(jī)上設(shè)有鍵盤用于翻查和刪除。

　　2.1 系統(tǒng)原理框圖
　　系統(tǒng)的原理框圖如圖1，圖2所示。

　　2.2 nRF401介紹 

　　2.2.1 nRF401主要性能
　　nRF401是挪威Nordic VLSI公司最新推出的單芯片RF收發(fā)機(jī)，專為在433 MHz ISM (工業(yè)、科研和醫(yī)療)頻段工作而設(shè)計(jì)。nRF401使用具有較強(qiáng)抗干擾能力的FSK頻率(Frequency Shift Keying)調(diào)制方式，改善了噪聲環(huán)境下的系統(tǒng)性能，采用DSS+PLL頻率合成技術(shù)，工作頻率穩(wěn)定可靠。與ASK幅移鍵控(Amplitude Shift Keying)和OOK開關(guān)鍵(On Off Keying)方式相比，這種方式的通信范圍更廣，特別是在附近有類似設(shè)備工作的場合。

　　其主要特性如下：
　　(1)工作頻率為際通用的數(shù)傳頻段；
　　(2)FSK 調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng).特別適合工業(yè)控制場合；
　　(3)采用PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性極好；
　　(4)靈敏度高，達(dá)到-105 dBm(nRF401)；
　　(5)功耗小。接收狀態(tài)250 mA，待機(jī)狀態(tài)僅為8 A；
　　(6)最大發(fā)射功率達(dá)+10 dBm；
　　(7)低工作電壓(2.7 V)，可滿足低功耗設(shè)備的要求；
　　(8)具有多個(gè)頻道，可方便地切換工作頻率；
　　(9)工作速率最高可達(dá)20 kb／s(RF401)；
　　(10)僅外接一個(gè)晶體和幾個(gè)阻容、電感元件，基本無需調(diào)試；
　　(11)因采用了低發(fā)射功率、高接收靈敏度的設(shè)計(jì)，使用無需申請?jiān)S可證，開闊地的使用距離最遠(yuǎn)可達(dá)1000 m(與具體使用環(huán)境及元件數(shù)有關(guān))。

　　2.2.2 nRF401引腳介紹
　　nRF401的引腳如圖3所示。

　　CS：頻道選擇，CS=0 選擇工作頻道1，即433.92 MHz；CS=1選擇工作頻道2(即434.33 MHz)。連接AT89C51的P2.5腳；
　　Dout：數(shù)據(jù)輸出，連接AT89C51串口RXD；
　　Din：數(shù)據(jù)輸入，連接AT89C51串口TXD；
　　PWR-UP：節(jié)能控制，PWR-UP=1正常工作狀態(tài)，
　　PWR-UP=0 低功耗節(jié)能狀態(tài)。連接AT89C51的P2.6腳；
　　TXEN：發(fā)射接收控制，TXEN=1時(shí)，nRF401為發(fā)射狀態(tài)。TXEN=0時(shí)，nRF401為接收狀態(tài)，連接AT89C51的P2.7腳；
　　ANT1和ANT2是接收時(shí)信號的輸入，以及發(fā)送時(shí)功率放大器的輸出。連接nRF401的天線是以差分方式連接到nRF401的，在天線端推薦的負(fù)載阻抗是400Ω。
　　
　　2.2.3 nRF401的典型連接
　　nRF401的典型應(yīng)用連接圖如圖4所示，可直接用于單片機(jī)或計(jì)算機(jī)RS 232串口異步傳輸。

　　從圖4中可以看到，外圍元件很少，包括一只基準(zhǔn)晶振及幾只無源器件，沒有調(diào)試部件，天線用微帶天線直接設(shè)計(jì)在線路板上，這給研制及生產(chǎn)帶來了極大的方便。圖中L1電感需要用高Q值高精度的貼片繞線高頻電感(Q>45)，晶振X1需要用高穩(wěn)定晶振，電容元件應(yīng)選用高穩(wěn)定貼片元件如NPO高穩(wěn)定電容，以確保其性能。

　　2.3 分機(jī)電路設(shè)計(jì)
　　分機(jī)使用便攜式設(shè)計(jì)，采用電池供電，在選用元件時(shí)候需要考慮到功耗和體積，還需要考慮芯片工作的最低電壓的問題。所以單片機(jī)選用AT89C2051，他只有20個(gè)引腳，結(jié)構(gòu)精簡、體積也小、功耗低，而且在3 V的電壓下就能穩(wěn)定工作。他具有AT89C51的內(nèi)核，指令系統(tǒng)也一樣。分機(jī)上所需要的I/O口很少，使用AT89C2051完全能滿足要求。

　　分機(jī)采用8位撥碼開關(guān)手動定位來確定分機(jī)的地址，若需要將分機(jī)移至別的病床，則只需要改變撥盤開關(guān)的狀態(tài)，即可改變分機(jī)的號碼。如果需要增加床位，則只需要增加分機(jī)的數(shù)量，每個(gè)分機(jī)在軟硬件上完全一樣，只需要在撥盤開關(guān)上設(shè)置地址碼即可，無需在主機(jī)上做任何改變，十分方便。nRF401有休眠(Standby)、接收(RX)和發(fā)射(TX)3種工作狀態(tài)，由nRF401的引腳功能可知，這3種狀態(tài)間的切換由PWR-UP，TXEN 的狀態(tài)可以確定，DIN，DOUT是串行通信口，分別與單片機(jī)的串行通信口相連，CS腳則選擇工作頻率。nRF401與AT89C2051的連接電路如圖5所示。

　　在本設(shè)計(jì)中，使用nRF401與單片機(jī)進(jìn)行串口通信，只需要將他的數(shù)
據(jù)輸入口(DIN)和數(shù)據(jù)輸出口(DOUT)分別與單片機(jī)的TXD與RXD連接即可。

　　2.4 主機(jī)電路設(shè)計(jì)   

　　2.4.1 信號收發(fā)處理部分
　　主機(jī)采用AT89C51作為控制芯片，工作時(shí)也要進(jìn)行狀態(tài)切換、頻率選擇和串行通信設(shè)置，實(shí)現(xiàn)的方法與分機(jī)的一樣，nRF401與AT89C51的連接電路和分機(jī)一樣。

　　2.4.2 顯示電路的設(shè)計(jì)
　　顯示電路主要包括大型LED數(shù)碼管BSI20-1(共陽極，數(shù)字凈高12 cm)和高電壓大電流驅(qū)動器ULN2003，大型LED數(shù)碼管的每段是由多個(gè)LED發(fā)光二極管串并聯(lián)而成的，因此導(dǎo)通電流大、導(dǎo)通壓降高。ULN2003是高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列電路，他具有7個(gè)獨(dú)立的反相驅(qū)動器，每個(gè)驅(qū)動器的輸出灌電流可達(dá)500 mA，導(dǎo)通時(shí)輸出電壓約1 V，截止時(shí)輸出電壓可達(dá)50 V。ULN2003的1～7腳為信號輸入腳，依次對應(yīng)的輸出端為16～10腳，8腳為接地端。當(dāng)驅(qū)動電源電壓為+12 V時(shí)，若要求數(shù)碼管每段導(dǎo)通電流為40 mA，則每段的限流電阻為50Ω。則一塊ULN2003恰好驅(qū)動一個(gè)LED數(shù)碼管的7段。大數(shù)碼管采用共陽極接法，低電平有效。鎖存器輸出的電平經(jīng)NPN三極管9014反相后，再由ULN2003放大后推動大數(shù)碼管顯示。

　　2.4.3 報(bào)警電路的設(shè)計(jì)
　　主機(jī)在接受到呼叫后，首先進(jìn)行報(bào)警告知值班人員。報(bào)警電路可以用單片機(jī)P2.0輸出1 kHz和500 Hz的音頻信號經(jīng)放大后驅(qū)動揚(yáng)聲器，做報(bào)警信號，要求1 kHz信號響100 ms，再500 Hz信號響200 ms，交替進(jìn)行。這里使用音頻放大器LM386，他的工作電壓為4～ 12 V，輸出功率最大可達(dá)1 W，輸入阻抗為50 kHz。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 

　　3.1 分機(jī)系統(tǒng)軟件流程圖
　　單片機(jī)掃描發(fā)射鍵，如果掃描到有發(fā)射鍵按下，系統(tǒng)便掃描撥碼開關(guān)的狀態(tài)以確定地址碼，然后將射頻芯片置于發(fā)射狀態(tài)并且開始地址碼傳送，地址碼傳送完畢后再將射頻芯片回到接收狀態(tài)等待確認(rèn)信息，確認(rèn)信息收到后點(diǎn)亮確認(rèn)燈1s，然后休眠狀態(tài)等待，如此循環(huán)工作。其流程如圖6所示。

　　3.2 主機(jī)系統(tǒng)軟件流程圖
　　當(dāng)主機(jī)接收到呼叫信號后，便進(jìn)行存儲，然后調(diào)用顯示子程序進(jìn)行循環(huán)顯示，然后給呼叫器發(fā)送出回應(yīng)信號，發(fā)送完畢后，射頻芯片再次置于接受狀態(tài)等待信息，其主流程圖如圖7所示。

　　4 結(jié)語
　　該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)醫(yī)院呼叫所需的一般功能。由于每次呼叫的時(shí)間在數(shù)十毫秒級別，很難遇到兩個(gè)呼叫器在這么短的時(shí)間內(nèi)同時(shí)發(fā)出呼叫信息，本設(shè)計(jì)的硬件電路結(jié)構(gòu)十分簡潔、成本低廉。硬件和軟件設(shè)計(jì)方案已通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)穩(wěn)定、功耗低，對在多發(fā)單收情況下，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，通信誤碼率低，設(shè)計(jì)需要的各項(xiàng)功能都能實(shí)現(xiàn)。