1 引言

伴隨著(zhù)醫療體制改革的不斷深化和醫療事業(yè)的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的人們需要迅捷、方便地得到醫院的各種各樣的醫療服務(wù)，必將使醫院之間的競爭日趨激烈。這使得衡量一個(gè)醫院的綜合水平高低，不再僅局限于軟、硬件的建設上，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，傳統的有線(xiàn)呼叫系統歷來(lái)受到各大醫院的普遍重視。如果采用無(wú)線(xiàn)傳輸，會(huì )節約布線(xiàn)和改造線(xiàn)路的資金，為醫院節約成本，并且及時(shí)、準確、可靠、簡(jiǎn)便可行，比目前的同類(lèi)產(chǎn)品更能受到醫院及病人的認可，有更強的競爭力，能大量推廣。

        

傳統的病房呼叫系統采用的都是有線(xiàn)傳輸，很難做到隱蔽和美觀(guān)，安裝維護都不方便，抗電氣干擾能力也不強。為克服以上不足，如果采用一種無(wú)線(xiàn)的病房呼叫監護系統，在醫院的病房里每個(gè)床位邊都裝有一個(gè)呼叫按鈕，當病人需要幫助時(shí)，按下呼叫按鈕，護士辦公室里呼叫顯示板上相應房間號的指示燈點(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，并使用單片機控制，其原理簡(jiǎn)單，使用的芯片集成度高，性能穩定，并且造價(jià)相對也低。每個(gè)分機有惟一的地址碼，主機對呼入的號碼進(jìn)行存儲，確保呼叫信息不丟失，終端數碼管循環(huán)顯示呼叫地址及聲音報警，系統穩定可靠，具有很好的應用前景。

2 系統硬件設計



系統分為呼叫分機和接收主機。分機用來(lái)進(jìn)行呼叫，編碼使用單片機完成，分機的核心電路即是單片機與射頻芯片的連接電路。主機負責接收分機發(fā)來(lái)的信號，并進(jìn)行解碼、顯示和報警，主機上設有鍵盤(pán)用于翻查和刪除。

2.1 系統原理框圖
系統的原理框圖如圖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，專(zhuān)為在433 MHz ISM (工業(yè)、科研和醫療)頻段工作而設計。nRF401使用具有較強抗干擾能力的FSK頻率(Frequency Shift Keying)調制方式，改善了噪聲環(huán)境下的系統性能，采用DSS+PLL頻率合成技術(shù)，工作頻率穩定可靠。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)似設備工作的場(chǎng)合。

其主要特性如下：
(1)工作頻率為際通用的數傳頻段；
(2)FSK 調制，抗干擾能力強.特別適合工業(yè)控制場(chǎng)合；
(3)采用PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩定性極好；
(4)靈敏度高，達到-105 dBm(nRF401)；
(5)功耗小。接收狀態(tài)250 mA，待機狀態(tài)僅為8 A；
(6)最大發(fā)射功率達+10 dBm；
(7)低工作電壓(2.7 V)，可滿(mǎn)足低功耗設備的要求；
(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)需調試；
(11)因采用了低發(fā)射功率、高接收靈敏度的設計，使用無(wú)需申請許可證，開(kāi)闊地的使用距離最遠可達1000 m(與具體使用環(huán)境及元件數有關(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：數據輸出，連接AT89C51串口RXD；
Din：數據輸入，連接AT89C51串口TXD；
PWR-UP：節能控制，PWR-UP=1正常工作狀態(tài)，
PWR-UP=0 低功耗節能狀態(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(xiàn)是以差分方式連接到nRF401的，在天線(xiàn)端推薦的負載阻抗是400Ω。

2.2.3 nRF401的典型連接
nRF401的典型應用連接圖如圖4所示，可直接用于單片機或計算機RS 232串口異步傳輸。

從圖4中可以看到，外圍元件很少，包括一只基準晶振及幾只無(wú)源器件，沒(méi)有調試部件，天線(xiàn)用微帶天線(xiàn)直接設計在線(xiàn)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(xiàn)高頻電感(Q>45)，晶振X1需要用高穩定晶振，電容元件應選用高穩定貼片元件如NPO高穩定電容，以確保其性能。

2.3 分機電路設計
分機使用便攜式設計，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。所以單片機選用AT89C2051，他只有20個(gè)引腳，結構精簡(jiǎn)、體積也小、功耗低，而且在3 V的電壓下就能穩定工作。他具有AT89C51的內核，指令系統也一樣。分機上所需要的I/O口很少，使用AT89C2051完全能滿(mǎn)足要求。

分機采用8位撥碼開(kāi)關(guān)手動(dòng)定位來(lái)確定分機的地址，若需要將分機移至別的病床，則只需要改變撥盤(pán)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，即可改變分機的號碼。如果需要增加床位，則只需要增加分機的數量，每個(gè)分機在軟硬件上完全一樣，只需要在撥盤(pán)開(kāi)關(guān)上設置地址碼即可，無(wú)需在主機上做任何改變，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。

       

在本設計中，使用nRF401與單片機進(jìn)行串口通信，只需要將他的數
據輸入口(DIN)和數據輸出口(DOUT)分別與單片機的TXD與RXD連接即可。

2.4 主機電路設計  

2.4.1 信號收發(fā)處理部分
主機采用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置，實(shí)現的方法與分機的一樣，nRF401與AT89C51的連接電路和分機一樣。

2.4.2 顯示電路的設計
顯示電路主要包括大型LED數碼管BSI20-1(共陽(yáng)極，數字凈高12 cm)和高電壓大電流驅動(dòng)器ULN2003，大型LED數碼管的每段是由多個(gè)LED發(fā)光二極管串并聯(lián)而成的，因此導通電流大、導通壓降高。ULN2003是高壓大電流達林頓晶體管陣列電路，他具有7個(gè)獨立的反相驅動(dòng)器，每個(gè)驅動(dòng)器的輸出灌電流可達500 mA，導通時(shí)輸出電壓約1 V，截止時(shí)輸出電壓可達50 V。ULN2003的1～7腳為信號輸入腳，依次對應的輸出端為16～10腳，8腳為接地端。當驅動(dòng)電源電壓為+12 V時(shí)，若要求數碼管每段導通電流為40 mA，則每段的限流電阻為50Ω。則一塊ULN2003恰好驅動(dòng)一個(gè)LED數碼管的7段。大數碼管采用共陽(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)大數碼管顯示。

2.4.3 報警電路的設計
主機在接受到呼叫后，首先進(jìn)行報警告知值班人員。報警電路可以用單片機P2.0輸出1 kHz和500 Hz的音頻信號經(jīng)放大后驅動(dòng)揚聲器，做報警信號，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1 W，輸入阻抗為50 kHz。

3 系統軟件設計

3.1 分機系統軟件流程圖
單片機掃描發(fā)射鍵，如果掃描到有發(fā)射鍵按下，系統便掃描撥碼開(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)等待確認信息，確認信息收到后點(diǎn)亮確認燈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 主機系統軟件流程圖
當主機接收到呼叫信號后，便進(jìn)行存儲，然后調用顯示子程序進(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。