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[導(dǎo)讀]臨床呼叫求助裝置是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(lái)受到各大醫(yī)院的普遍重視。如果采用無(wú)線傳輸,會(huì)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(jiǎn)便可行,比目前的同類(lèi)產(chǎn)品更能受到醫(yī)院及病人的認(rèn)可,有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力,能大量推廣。

      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(lái)越多的人們需要迅捷、方便地得到醫(yī)院的各種各樣的醫(yī)療服務(wù),這必將使醫(yī)院之間的競(jìng)爭(zhēng)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)。臨床呼叫求助裝置是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(lái)受到各大醫(yī)院的普遍重視。如果采用無(wú)線傳輸,會(huì)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(jiǎn)便可行,比目前的同類(lèi)產(chǎn)品更能受到醫(yī)院及病人的認(rèn)可,有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)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(wú)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(hào)的指示燈點(diǎn)亮并進(jìn)行語(yǔ)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(zhuān)用射頻模塊nRF401,并使用單片機(jī)控制,其原理簡(jiǎn)單,使用的芯片集成度高,性能穩(wěn)定,并且造價(jià)相對(duì)也低。每個(gè)分機(jī)有惟一的地址碼,主機(jī)對(duì)呼入的號(hào)碼進(jìn)行存儲(chǔ),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(lái)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(lái)的信號(hào),并進(jìn)行解碼、顯示和報(bào)警,主機(jī)上設(shè)有鍵盤(pán)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(zhuān)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(kāi)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(lèi)似設(shè)備工作的場(chǎng)合。

        其主要特性如下:
  (1)工作頻率為國(guó)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(chǎng)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(mǎn)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(wú)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(wú)需申請(qǐng)?jiān)S可證,開(kāi)闊地的使用距離最遠(yuǎn)可達(dá)1000 m(與具體使用環(huán)境及元件參數(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(hào)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(wú)源器件,沒(méi)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(lái)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(wèn)題。所以單片機(jī)選用AT89C2051,他只有20個(gè)引腳,結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)、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(mǎn)足要求。
  

  分機(jī)采用8位撥碼開(kāi)關(guān)手動(dòng)定位來(lái)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(pán)開(kāi)關(guān)的狀態(tài),即可改變分機(jī)的號(hào)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(pán)開(kāi)關(guān)上設(shè)置地址碼即可,無(wú)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(hào)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(yáng)極,數(shù)字凈高12 cm)和高電壓大電流驅(qū)動(dòng)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(dòng)器,每個(gè)驅(qū)動(dòng)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(hào)輸入腳,依次對(duì)應(yīng)的輸出端為16~10腳,8腳為接地端。當(dāng)驅(qū)動(dòng)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(dòng)一個(gè)LED數(shù)碼管的7段。大數(shù)碼管采用共陽(yáng)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(dòng)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(hào)經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器,做報(bào)警信號(hào),要求1 kHz信號(hào)響100 ms,再500 Hz信號(hào)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(kāi)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(kāi)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(hào)后,便進(jìn)行存儲(chǔ),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(hào),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(yǔ)
  

        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(jí)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(jiǎn)潔、成本低廉。硬件和軟件設(shè)計(jì)方案已通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn),系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)穩(wěn)定、功耗低,對(duì)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)。

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