基于单片机的病房呼叫系统设计

摘要：利用单片机设计了病房呼叫系统，分析了硬件电路与软件设计。该系统采用电源载波技术，利用系统的两芯电源线，实现语音信号和呼叫信号的交换。系统主机由MCS8051单片机实现，呼叫分机选用PIC12C508单片机，显示主控芯片选择51类的AT89C2051单片机，通信方式采用串行异步半双工通信方式。系统具有可靠性高、成本低、功能强大、安装方便等优点，具有较强的实用价值。
关键词：病房呼叫系统；单片机；语音信号；数据通信

0 引言
    病房呼叫系统是一种应用于医院病房、养老院等地方，用来联系沟通医护人员和病员的专用呼叫系统，是提高医院护理水平的必备设备之一。病房呼叫系统的优劣直接关系到病员的安危，历来受到各大医院的普遍重视。它要求及时、准确可靠、简便可行、利于推广。
    目前市场上存在着许多种型号不一功能各异的医院病房呼叫系统，主要为两大类：有线式和无线式。传统的有线式病房呼叫系统往往采用集中式结构，电源线、数据通信线、语音通信线分开传输，具有铺设线路较多、成本高、安装调试困难、实时性差、故障率较高等缺点。无线式病房呼叫系统不存在铺设线路的问题，但是可靠性差，而且无线电波会干扰其它医疗仪器设备，目前大多数医院不采用此类无线呼叫系统。
    本文设计的是以单片机为核心的病房呼叫系统，整个系统只需一条两芯屏蔽线，主机通过向各分机提供的电源线实现数据通信和语音通信，最多可容纳100台分机，采用多种软、硬件抗干扰措施，使得系统抗干扰能力强、实时性好、可靠性高、成本低。

1 设计方案
    该设计方案是由主机、分机和显示三部分构成。系统总结构框图如图1所示。主机主要是控制与各分机之间的通信与通话，使整个通信网络系统协调工作，具体包括将请求通话分机的分机号送到显示控制板的主控芯片中进行显示；无通话请求时控制显示屏显示时钟；控制主机的通话、系统的复位以及系统自检。分机主要是将自己的分机编码号发送给主机，向主机发出通话请求，控制通话线路及复位本机。显示分为两部分，一是显示控制板显示呼叫过的分机号，由对应的发光二极管显示；对复位矩阵扫描并对该矩阵进行译码；通过复位按钮将显示复位。二是显示屏显示呼叫的分机号码。通信方式采用串行异步半双工通信方式。

2 系统硬件设计
2．1 控制芯片的选取
    主机控制芯片是整个系统的核心，它控制着系统的数据通信、语音通信、信号显示、时钟显示、故障自检等功能。MCS-51系列单片机总线技术开放，开发、仿真设备多，价格低廉，同时该系列单片机进入市场的时间早，汇编语言指令书写形式与Intel公司8位通用微处理器接近，很容易被接触过Intel通用微处理器汇编语言的用户所接受。因此，本设计采用的是MCS8051单片机。
    分机控制芯片主要是控制分机的数据通信和给音频锁相环供电，控制任务比较简单，因此在能保证完成设计功能的前提下考虑设计的成本；同时，分机是安装在每个病床边，要求体积不能太大。基于以上因素，本系统分机选用PIC12C508单片机作为控制器。

    显示主控芯片的选择有多种方案，因为51类单片机有许多种，但由于系统设计要求是在满足功能的前提下本着简单实用与高性价比的原则，同时希望所选元器件体积小、编程方便。通过比较，显示主控芯片选择51类的AT89C2051，它能很好地满足系统的功能需求。

2．2 双音频解码电路
    主机呼叫分机利用电话机的拨号原理，由电话机按键来呼叫分机号，电话机发出的双音频信号通过两芯电缆线引入主机电路，主机的单片机通过双音频解码芯片获取被呼叫分机的地址码，然后向挂在总线上的所有分机输出被呼叫分机的地址信号。一般常用的电话双音频编解码集成电路有MT8870，MT8880，MT8888等，经过反复论证比较，该系统使用双音频解码集成芯片MT8870来完成此功能。
2．3 语音信号电路
    分机向主机通话时，声音经话筒后，再经调频，之后经总线传输，到达主机电路后要通过解调再去推动主机喇叭发声。声音信号的调频和鉴频采用LM567集成锁相环路解码器来完成。
2．4 其他电路
    数据输入电路中输入的地址信号为数字信号，先经三极管滤除干扰信号后送入电压比较器LM393，使输入信号电压符合单片机引脚电压。
    数据输出电路是由两个三极管复合而成，相当于一个电子开关，同时又起到了对输出信号进行放大以利于传输的双重作用。
    请求、复位通话电路由触发开关构成。
    显示由两位7段数码管完成，驱动由MC14513实现，整个显示过程的实现受主控芯片AT89C2051的控制。指示与复位主要由主控芯片AT89C 2051、八缓冲器／线驱动器／线接收器(3S)74LS244、八D锁存器74LS373、发光二极管以及限流电阻所构成的电路完成。

3 系统软件设计
3．1 主机与分机之间通信软件设计
    主机与分机之间的数据通信采用串行通信方式。根据主分机的硬件设计原理图及系统的工作过程，主机采用查询方式。另外，主机发送给分机的地址帧是通过主机拨号产生的。因而，在主分机的通信过程中，主机的通信程序为主机查询通信，分机的串行口通信采用外部中断启动方式，但在串行通信启动后仍采用查询方式来接收地址或控制命令和发送地址。因此，分机的通信程序设计包括分机中断发送背景程序和分机中断通信子程序。
3．2 主机与显示之间通信软件设计
    主机与显示之间采用串行口直接相连进行串行口通信，它们均采用查询方式通信。在主机与显示系统的通信中，主机仅将存储在数据存储器中请求通话的分机号通过串行口通信，以数据形式发送给显示控制板，因而主机的程序仅包括主机发送程序。显示的作用是将主机通过串行口发送过来的请求通话的分机地址编码号显示出来。其显示包括将最近请求通话的分机编码号用两位数码管显示出来和将所有请求了通话而未通话的分机编码号对应的发光二极管点亮。同时，在完成请求通话的处理后，还需复位，让对应的发光二极管熄灭。另外，因为显示中涉及到的元器件较多，软件间的时序控制也较为复杂，为了防止系统“死锁”或“走飞”，还需要设置软件故障监测与恢复程序。因而显示的软件设计包括接收分机地址编码程序、数码显示程序、发光二极管点亮程序和复位程序。

4 结语
    该系统利用单片机的自动控制特性，使得系统稳定可靠。系统采用的元器件均是常见的电子元器件，因此系统硬件成本较低。分机主控芯片采用PIC单片机，使分机具有较低的功耗，从而使系统具有较好的扩展性。主机与分机的通信距离大于等于1 000 m，分机数据大于等于200，能满足各种规模医院的要求。