基于nRF401芯片的医院无线护理呼叫系统的设计

基于nRF401芯片的医院无线护理呼叫系统的设计 基于n RF401芯 片的医院无线护理呼叫系统的设计 梅彬运 ,熊振国 ,伍宗富 ()湖南文理学院 湖南 常德 415000 摘 要 :针对传统的医院有线呼叫护理系统中布线困难 、不易改扩建的缺点 ,采用专用射频无线收发芯片 n R F401 ,设计一种参数稳定 、功耗低 、体积小的无线护理呼叫系统 。该系统基于单片机多地址编码技术 ,对每个分机设置不同的地址编 码 ,从而有效降低系统呼叫时的误码率和呼叫主机间的干扰 ,提高了系统容量 ,易于扩展 。 关键词 :无线呼叫 ; nR F401 ;多址编码 ;地址编码 () 文章编号 :10042373 X 2007142167203 中图分类号 : T P368 . 2文献标识码 :B Design of Hospital Sickroom Wireless Call ing System Ba sed on n RF401 M EI Binyun , XION G Zhenguo , WU Zo ngf u ( )Hunan U nive r sit y of A rt s and Science ,Changde ,415000 ,China Ab stract : In o r der to solve t he di sadva ntage s of difficult installatio n fo r wiri ng a nd lo w extensibilit y in t raditio nal ho spital sickroo m wire calling systems ,t hi s p aper use s a sp ecial radio t ra nsceiver chip N R F401 and give s a design of ho spital sickroo m wi reless calling system wit h sta ble pa ra meter s ,lo w po wer co nsump tio n a nd small vol ume . O ur system i s ba sed o n t he multi2ad2 () dre ss co de t echnique . It ca n set each extensio n wit h diff erent address co de ,w hich efficiently reduce s Bit Er ro r Rate B ERand i nterf erence of ho st s ,a nd t hus ma kes a n imp ro vement of capa bilit y a nd ext ensibilit y. Ke ywords : wireless calling ; n R F401 ; multi2addre ss enco ding ;addre ss co ding 其原理简单 ,使用的芯片集成度高 ,性能稳定 ,并且造价 引 言1 对也低 。每个分机有惟一的地址码 ,主机对呼入的号码 行存储 , 确保呼叫信息不丢失 , 终端数码管循环显示呼 伴随着医疗体制改革的不断深化和医疗事业的飞速 地址及声音报警 ,系统稳定可靠 ,具有很好的应用前景 。发展 , 越来越多的人们需要迅捷 、方便地得到医院的各种 各样的医疗服务 ,这必将使医院之间的竞争日趋激烈 。这 2 系统硬件设计使得衡量一个医院的综合水平高低 , 不再仅局限于软 、硬 系统分为呼叫分机和接收主机 。分机用来进行呼叫件的建设上 ,更要比服务 。临床呼叫求助装置是传送临床 编码使用单片机完成 ,分机的核心电路即是单片机与射信息的重要手段 , 关系病员安危 , 传统的有线呼叫系统历 芯片的连接电路 。主机负责接收分机发来的信号 ,并进 来受到各大医院的普遍重视 。如果采用无线传输 ,会节约 解码 、显示和报警 ,主机上设有键盘用于翻查和删除 。 布线和改造线路的 资金 , 为医 院 节 约成 本 , 并 且 及 时 、准 2 . 1 系统原理框图确 、可靠 、简便可行 ,比目前的同类产品更能受到医院及病 系统的原理框图如图 1 ,图 2 所示 。人的认可 ,有更强的竞争力 ,能大量推广 。 传统的病房呼 叫系统采用的都是有线传输 ,很难做到 隐蔽和美观 ,安装维护都不方便 ,抗电气干扰能力也不强 。 为克服以上不足 , 如果采用一种无线 的病 房 呼 叫监 护 系 统 ,在医院的病房里每个床位边都装有一个呼叫按钮 , 当 病人需要帮助时 , 按下呼叫按钮 , 护土办公室里呼叫显示 图 1 呼叫分机原理框图 板上相应房间号的指示灯点亮并进行语音提示 ,同时在走 廊里安装一个电子显示牌 ,使值班护土能及时的知道哪个 房间的病人需要帮助或需要进行抢救 。 本文使用专用射频模块 n R F401 ,并使用单片机控制 , 图 2 接收主机原理框图收稿日期 :2007201223 2 . 2 n R F401 介绍 2 . 2 . 1 n R F401 主要性能 n R F401 是挪威 No r dic VL SI 公司最新推出的单芯片 ) ( R F 收发机 ,专为在 433 M Hz ISM 工业 、科研和医疗频 段工作而设计 。n R F401 使用具有较强抗干扰能力的 FS K ( ) 频率 Frequency Shif t Keyi ng调制方式 , 改善了噪声环境 下的系统性能 ,采用 DSS + PLL 频率合成技术 , 工作频率 ( ) 稳定可靠 。与 A S K 幅移键控 A mplit ude Shif t Keyi ng和 ( ) OO K 开关键 On Off Keyi ng方式相比 , 这种方式的通信 [ 1 ] 范围更广 ,特别是在附近有类似设备工作的场合。 其主要特性如下 : 图 3 nR F401 引脚图 CS : 频 道 选 择 , CS = 0 选 择 工 作 频 道 1 , 即 ()1 ;工作频率为国际通用的数传频段 ( )433 . 92 M Hz ; CS = 1 选 择 工 作 频 道 2 即 434 . 33 M Hz() 2 FS K 调 制 , 抗 干 扰 能 力 强 , 特 别 适 合 工 业 控 制 连接 A T89 C51 的 P2 . 5 脚 ; 场合 ; Do ut :数据输出 ,连接 A T89 C51 串口 RXD ; () 3 采用 PLL 频率合成技术 ,频率稳定性极好 ;Di n :数据输入 ,连接 A T89 C51 串口 T XD ; () 4( ) 灵敏度高 ,达到 - 105 dBm n R F401; PWR2U P : 节 能 控 制 , PWR2U P = 1 正 常 工 作 状 态 ,() 5 μ功耗小 ,接收状态 250 mA ,待机状态仅为 8 A ; PWR2U P = 0 低 功 耗 节 能 状 态 。 连 接 A T89 C51() 6 最大发射功率达 + 10 dBm ; 的 P2 . 6 脚 ;() 7 ( ) 低工作电压 2 . 7 V,可满足低功耗设备的要求 ;T XEN :发射接收控制 , T XEN = 1 时 , n RF401 为发射 ()8 具有多个频道 ,可方便地切换工作频率 ;状态 。T XEN = 0 时 , n R F401 为接收状态 , 连接 A T89 C51 () 9 ( ) 工作速率最高可达 20 kb/ s R F401; 的 P2 . 7 脚 ; ()10 仅外接一个晶体和几个阻容 、电感元件 , 基本无A N T1 和 A N T2 是接收时信号的输入 ,以及发送时功 率放大器的输出 。连接 n R F401 的天线是以差分方式连 需调试 ; Ω接到 n R F401 的 ,在天线端推荐的负载阻抗是 400 。 () 11 因采用了低发射功率 、高接收灵敏度的设计 , 使2 . 2 . 3 n R F401 的典型连接 用无需申请许可证 ,开阔地的使用距离最远可达 1 000 m n R F401 的典型应用连接图如图 4 所示 , 可直接用于 ( ) 与具体使用环境及元件参数有关。 单片机或计算机 RS 232 串口异步传输 。 2 . 2 . 2 n R F401 引脚介绍 n R F401 的引脚如图 3 所示 。 图 4 n R F401 典型连接图 ) 从图 4 中可以看到 , 外围元件很少 , 包括一只基准晶晶振 X1 需要用高稳定晶振 , 电容元件应选用高稳定45, 振及几只无源器件 , 没有调试部件 , 天线用微带天线直接 贴片元件如 N PO 高稳定电容 ,以确保其性能 。 设计在线路板上 ,这给研制及生产带来了极大的方便 。图 2 . 3 分机电路设计 ( 中 L 电感需要用高 Q 值高精度的贴片绕线高频电感 Q >1 分机使用便携式设计 , 采用电池供电 , 在选用元件时 候需要考虑到功耗和体积 ,还需要考虑芯片工作的最低电8 脚为接地端 。当驱动电源电压为 + 12 V 时 ,若要求数 Ω压的问题 。所以单片机选用 A T89 C2051 , 他只有 20 个引 管每段导通电流为 40 mA ,则每段的限流电阻为 50 。 脚 ,结构精简 、体积也小 、功耗低 , 而且在 3 V 的电压下就 一块 UL N2003 恰好驱动一个 L ED 数码管的 7 段 。大 能稳定工作 。他具有 A T89 C51 的内核 ,指令系统也一样 。码管采用共阳极接法 ,低电平有效 。锁存器输出的电平分机上所需要的 I/ O 口很少 , 使用 A T89 C2051 完全能满 N PN 三极管 9014 反相后 , 再由 UL N2003 放大后推动 足要求 。 数码管显示 。 分机采用 8 位拨码开关手动定位来确定分机的地址 ,2 . 4 . 3 报警电路的设计 若需要将分机移至别的病床 ,则只需要改变拨盘开关的状 主机在接受到呼叫后 , 首先进行报警告知值班人员态 ,即可改变分机的号码 。如果需要增加床位 , 则只需要 报警电路可以用单片机 P2 . 0 输出 1 k Hz 和 500 Hz 的 增加分机的数量 , 每个分机在软硬件上完全一样 , 只需要频信号经放大后驱动扬声器 , 做报警信号 , 要求 1 k Hz 号响 100 ms ,再 500 Hz 信号响 200 ms ,交替进行 。这里 在拨盘开关上设置地址码 即 可 , 无 需在 主 机 上做 任 何 改 用音频放大器 L M386 , 他的工作电压为 4 ,12 V , 输出 ( ) ( ) 变 ,十分方便 。n R F401 有休眠 St andby、接收 RX和发 Ω率最大可达 1 W ,输入阻抗为 50 k。 ( ) 射 T X3 种工作状态 ,由 n R F401 的引脚功能可知 ,这3 种3 系统软件设计 状态间的切换由 PWR2U P , T XEN 的状态可以确定 ,D IN , 3 . 1 分机系统软件流程图 DO U T 是串行通信口 , 分别与单片机的串行通信口相连 , 单片机扫描发射键 , 如果扫描到有发射键按下 , 系 CS 脚则选择工作频率 。n R F401 与 A T89 C2051 的连接电 便扫描拨码开关的状态以确定地址码 ,然后将射频芯片 路如图 5 所示 。 于发射状态并且开始地址码传送 ,地址码传送完毕后再 射频芯片回到接收状态等待确认信息 ,确认信息收到后 亮确认灯 1 s ,然后休眠状态等待 ,如此循环工作 。其流 如图 6 所示 。 3 . 2 主机系统软件流程图 当主机接收到呼叫信号后 , 便进行存储 , 然后调用 示子程序进行循环显示 , 然后给呼叫器发送出回应信号 发送完毕后 ,射频芯片再次置于接受状态等待信息 , 其 流程图如图 7 所示 。 图 5 分机电路图 在本设计中 , 使用 n R F401 与 单 片 机进 行 串 口通 信 , ( ) ( ) 只需要将他的数据输入口 D IN和数据输出口 DO U T分 别与单片机的 T XD 与 RXD 连接即可 。 2 . 4 主机电路设计 2 . 4 . 1 信号收发处理部分 主机采用 A T89 C51 作为控制芯片 , 工作时也要进行 状态切换 、频率选择和串行通信设置 , 实现的方法与分机 的一样 ,n R F401 与 A T89 C51 的连接电路和分机一样 。 2 . 4 . 2 显示电路的设计 ( 显示电路 主 要 包 括 大 型 L ED 数 码 管 BSl2021 共 阳 图 6 分机流程图图 7 主机流程图 ) 极 ,数字净高 12 cm和高电压大电流驱动器 UL N2003 ,大 4 结 语 型 L ED 数码管的每段是由多个 L ED 发光二极管串并联 而成的 ,因此导通电流大 、导通压降高 。UL N2003 是高压 该系统能实现医院呼叫所需的一般功能 。由于每大电流达林顿晶体管阵列电路 ,他具有 7 个独立的反相驱 呼叫的时间在数十毫秒级别 ,很难遇到两个呼叫器在这 动器 ,每个驱动器的输出灌电流可达 500 mA ,导通时输出短的时间内同时发出呼叫信息 ,本设计的硬件电路结构 电压 约 1 V , 截 止 时 输 出 电 压 可 达 50 V 。UL N2003 的 分简洁 、成本低廉 。硬件和软件设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 已通过实验检()下转第 172 页 1,7 脚为信号输入脚 , 依次对应的输 出 端 为 16 ,10 脚 , 了控制发射机的持续工作时间长度 ,重复工作周期的控制 基于 CPLD 的设计实现3 模块 ,通过外部的设置 ,可以随时修改这些参数 。 CPL D 软件设计 Verilo g 流程框图如图 7 所示 。 CPL D 在整个发射机电路中起控制管理与信号变换 的关键性作 用 , 在 图 4“发射 机 系 统电 路 总 体 结 构 框 图” 中 “, 频率采样与波形转换”模块与“分析与控制”模块的功 能都是在 CPL D 中实现的 。 图 5系统数学模型 这 里 选 择 的 CPL D 是 Alt era 公 司 的 图 7 CPL D 软件设计流程框图 EPM240 T100 CS 。EPM240 T100 CS 是 最 新 的 MA X ?系 列中的一员 , 具有高密度的逻辑单元 , 以及更快的运行速 4 结 语 度 。EPM240 T100 有 80 个 I/ O , 最 高 速 度 可 以 达 到 实验中 ,采用 D 类推挽功率放大器的设计方式 , 放大 304 M Hz ; I/ O 端 口 电 压 可 以 设 置 为 3 . 3 V , 2 . 5 V 和 器工 作 状 态 良 好 。实 验 中 , 发 射 信 号 的 中 心 频 率 为 1 . 8 V ;外部下载与调试电缆采用 Byt e Bla st er ?。 Ω 1 M Hz ,放大器输出电压峰峰值为 900 V , 负载为470 , CPL D 中的电路模块框图如图 6 所示 : 输出噪音小于 10 mV , 波形无失真 , 长时间工作功率管温 度为 30,35 ?,明显低于同样设计要求的 C 类放大器 。 参 考 文 献 [ 1 ] 吴继华 ,王诚 . Altera F P GA/ CPL D 设计 [ M ] . 北京 : 人民邮 图 6 CPL D 电路模块框图电出版社 ,2005 . [ 2 ] 杜建国 . Verilo g HDL 硬件描述语言 [ M ] . 北京 :国防工业出 发射机实例中采用 100 M Hz 时钟作为 CPL D 的运行 版社 ,2004 . 主时钟 。为了保护发射机的工作安全 ,在 CPL D 中还设计 作者简介 崔天昊 男 ,1972 年出生 ,工程师 ,研究方向为数字信号处理 。 () 上接第 169 页 验 ,系统各项参数稳定 、功耗低 , 对在多发单收情况下 , 系 () 技 ,1998 2.统运行稳 定 , 通 信 误 码 率 低 , 设 计 需 要 的 各 项 功 能 都 能 [ 3 ] 邹 立 华 , 陈 良 光 . 分 布 式 呼 叫 系 统 的 设 计 [ J ] . 电 子 与 仪 实现 。 表 ,1998 . [ 4 ] 李朝青 . 单片机原理及接口技术 [ M ] . 北京 : 北京航 空航天 大学出版社 ,1998 . 参 考 文 献[ 5 ] 薛增忠 ,谷世志 . 新一代临床呼叫系统研制 [ J ] . 中国医疗器 () 械 ,1998 ,20 5. [ 1 ] Nordic nRF401 Product Specification No rdic Corpo ratio n ,2000. [ 2 ] 赵曙光 ,李增烈 . 有有记忆功能的病房呼叫系统 [ J ] . 电子科 () 《现代电子技术半》月刊欢迎订阅029 - 8539337 6