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)" title="呼叫系統(tǒng)">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、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)院的病房里每個床位邊都裝有一個呼叫按鈕,，當(dāng)病人需要幫助時,，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,，同時在走廊里安裝一個電子顯示牌,，使值班護(hù)土能及時的知道哪個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" title="nRF401">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)僅外接一個晶體和幾個阻容、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,，nRF401為發(fā)射狀態(tài),。TXEN=0時，nRF401為接收狀態(tài),，連接AT89C51的P2.7腳,；
ANT1和ANT2是接收時信號的輸入，以及發(fā)送時功率放大器的輸出,。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個獨(dú)立的反相驅(qū)動器，每個驅(qū)動器的輸出灌電流可達(dá)500 mA,，導(dǎo)通時輸出電壓約1 V,，截止時輸出電壓可達(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,，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,。