醫(yī)院無(wú)限護(hù)理呼叫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、醫(yī)院無(wú)線護(hù)理呼叫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)醫(yī)院無(wú)線護(hù)理呼叫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第1章 緒論病床呼叫系統(tǒng)是病人請(qǐng)求值班醫(yī)生或護(hù)士進(jìn)行診斷或護(hù)理的緊急呼叫工具?？蓪⒉∪说恼?qǐng)求快速傳送給值班醫(yī)生或護(hù)士，是提高醫(yī)院和病室護(hù)理水平的必備設(shè)備之一1。1.1課題意義及相關(guān)研究動(dòng)態(tài)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，不再僅僅局限于軟、硬件的建設(shè)上，更要比服務(wù)。原有的服務(wù)體系已不足以適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)需求，謀求適合現(xiàn)代社會(huì)需求的客戶服務(wù)系統(tǒng)，是所有企事業(yè)單位計(jì)劃做或正在做的工作。這些工作有利于改善服務(wù)量，

2、提高效率并增加企業(yè)效益，從而贏得良好的社會(huì)聲譽(yù)。如何利用先進(jìn)的信息技術(shù)為醫(yī)院服務(wù)，更大程度的提高醫(yī)院的服務(wù)質(zhì)量及利潤(rùn)，是醫(yī)院信息化建設(shè)中的一個(gè)重要著眼點(diǎn)2。醫(yī)院的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，商業(yè)醫(yī)院的生存是第一位的，提升檔次和服務(wù)質(zhì)量迫在眉睫，陪護(hù)問(wèn)題一直是醫(yī)患矛盾的主體，也是長(zhǎng)期困擾衛(wèi)生系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量的大問(wèn)題，使用無(wú)線呼叫系統(tǒng)，方便病人更快找到醫(yī)生，以節(jié)約病人的寶貴時(shí)間3。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，必然比目前的同類(lèi)產(chǎn)品更能受到醫(yī)院及病人的

3、認(rèn)可，有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，必然能大量推廣4。數(shù)據(jù)的碰撞問(wèn)題即無(wú)線通信中的多路存取問(wèn)題。我們把多個(gè)通信通路競(jìng)爭(zhēng)一個(gè)通信信道的通信方式叫做多路存取。由于每個(gè)通信通路都有規(guī)定的通路容量，  且通路容量是由這個(gè)通信通路的最大數(shù)據(jù)傳輸率以及供它使用的時(shí)間片確定的，  故分配給每個(gè)用戶的通路容量必須滿足：當(dāng)有多個(gè)發(fā)射器同時(shí)把數(shù)據(jù)傳輸給同一個(gè)接收器時(shí)，不能出現(xiàn)互相干擾5。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)6。為克服以上的不足，本文介紹一種無(wú)線的病房呼叫監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，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

4、鈕，護(hù)土辦公室里呼叫顯示板上相應(yīng)房間號(hào)的指示燈點(diǎn)亮并報(bào)警，值班護(hù)土一看就知道哪個(gè)房間的病人需要幫助或需要進(jìn)行搶救。在走廊里也安裝一個(gè)顯示牌，為便于護(hù)士查看。具有如下特點(diǎn)：應(yīng)用單片機(jī)進(jìn)行編譯碼，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)無(wú)線尋呼，互不干擾，并且擴(kuò)展方便。呼叫者按動(dòng)按鈕后，系統(tǒng)在顯示呼叫者病床號(hào)同時(shí)，電路發(fā)出報(bào)警聲。若同時(shí)有多處呼叫時(shí)，先將呼叫者地址存儲(chǔ)，再排隊(duì)循環(huán)顯示，并可以翻查或刪除記錄。有效隔離電氣干擾，增加系統(tǒng)操作的安全性和可靠性。工作穩(wěn)定可靠，使用靈活方便。對(duì)無(wú)線呼叫系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，中央服務(wù)器與呼叫器之間只存在很短的動(dòng)作周期，  這種周期被較長(zhǎng)的不等非工作間歇所中斷。呼叫器發(fā)出的數(shù)據(jù)在數(shù)十毫秒的時(shí)間

5、內(nèi)被鑒別，讀出和寫(xiě)入，接著，主機(jī)在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)不會(huì)接收到呼叫器發(fā)出的信號(hào)。但這并不意味我們不需要考慮多個(gè)呼叫器同時(shí)向服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)的可能性。我們需要的是一種高效的多路存取法，使用戶感覺(jué)不到時(shí)間的損失就完成了數(shù)據(jù)的區(qū)分、顯示及對(duì)用戶的響應(yīng)。由于單片機(jī)具有功能強(qiáng)、體積小、價(jià)格低等一系列優(yōu)點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，有力地推動(dòng)了各行各業(yè)的技術(shù)改造和產(chǎn)品更新?lián)Q代。近年來(lái)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的呼叫器已普遍采用了單片機(jī)，使其功能大為增強(qiáng)。同時(shí)，值班室與病房間的連線也大大減少，布線簡(jiǎn)潔方便，迎合了醫(yī)院追求環(huán)境整潔的需要。即便如此，但還是無(wú)法擺脫電線的束縛，布線麻煩，遇到病房擴(kuò)建或改造，系統(tǒng)則需要重新布線，產(chǎn)品的重復(fù)使

6、用率低，致使成本增加，需要新一代的產(chǎn)品來(lái)改善。目前市售的各種呼叫器均不具備記錄功能，而在臨床實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，如果遇到幾個(gè)病床同時(shí)呼叫，則會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失，浪費(fèi)病人寶貴時(shí)間。如果主機(jī)如能記錄同時(shí)呼叫的床號(hào)存儲(chǔ)起來(lái)、這對(duì)于醫(yī)生的護(hù)理將大有好處。本文使用AT89C51單片機(jī)為核心開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)新型分布式呼叫系統(tǒng)，每個(gè)分機(jī)有唯一的地址碼，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，并采用專(zhuān)用的無(wú)線收發(fā)芯片，使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。并且主機(jī)在發(fā)送呼叫信息前先發(fā)出握手信息，然后等待主機(jī)的回應(yīng)，得到回應(yīng)后再發(fā)送地址信息，防止發(fā)生與其他分機(jī)呼叫發(fā)生沖突，造成主機(jī)解碼錯(cuò)誤7。1.2 課題要求

7、利用無(wú)線收發(fā)模塊，設(shè)計(jì)出多路醫(yī)院無(wú)線護(hù)理呼叫系統(tǒng)，使病人能隨時(shí)呼叫護(hù)士，同時(shí)在走廊顯示病床號(hào)，具體要求如下：1病人按分機(jī)上的按扭，主機(jī)的LED屏立即顯示呼叫的床位。2可服務(wù)于多個(gè)個(gè)床位，并可以擴(kuò)展。3每臺(tái)分機(jī)使用撥盤(pán)開(kāi)關(guān)確定地址，可以隨意設(shè)置，并且分機(jī)在呼叫主機(jī)時(shí)互不干擾，互不串號(hào)。4采用高頻技術(shù)，呼叫距離500米左右，性能穩(wěn)定可靠。5當(dāng)護(hù)理人員離開(kāi)崗位時(shí)，主機(jī)自動(dòng)儲(chǔ)存最新呼叫的病床號(hào)碼。6主機(jī)循環(huán)顯示最新呼叫的病床的號(hào)碼。7護(hù)理人員已經(jīng)服務(wù)過(guò)的病床可立即刪除該床位號(hào)碼，避免多個(gè)服務(wù)員重復(fù)服務(wù)于一個(gè)床位。1.3 系統(tǒng)主要技術(shù)性能指標(biāo)1最大分機(jī)容量：256門(mén)2最遠(yuǎn)距離：800米3電源：主機(jī)交流2

8、20V  50Hz市電   分機(jī) 2節(jié)1.5V電池4發(fā)射頻率：433MHZ5工作溫度：-20CO +40CO6功耗：主機(jī)5W   分機(jī)1W第2章 方案論證及選擇針對(duì)課題要求和參數(shù)，現(xiàn)有有線和無(wú)線兩種方式可以實(shí)現(xiàn)，有線傳輸采用總線分時(shí)響應(yīng)，無(wú)線有雙音多頻(DTMF)編碼和射頻元件單片機(jī)控制方案，下面對(duì)目前主流的方案進(jìn)行介紹。2.1方案論證2.1.1采用有線分區(qū)響應(yīng)集中控制方案該方案系統(tǒng)構(gòu)成框圖和原理框圖分別如圖2.1和圖2.2所示。從系統(tǒng)方框圖可以看出，各呼叫單元和響應(yīng)單元用總線方式相聯(lián)。內(nèi)部總線包括數(shù)據(jù)線DATA、呼叫線LINE、+5

9、V、GND。其中+5V為各呼叫單元和響應(yīng)單元提供工作電源，DATA線上傳送主機(jī)發(fā)出的地址串行碼，用于選通指定的呼叫單元或響應(yīng)單元，LINE線則用來(lái)檢測(cè)是否有呼叫請(qǐng)求8。主機(jī)通過(guò)一條內(nèi)部總線與系統(tǒng)各部件相連,構(gòu)成說(shuō)明如下：1系統(tǒng)主機(jī)由控制器、發(fā)碼器、線路狀態(tài)檢測(cè)器等構(gòu)成。2各呼叫單元由解碼器、電子開(kāi)關(guān)、呼叫按鈕等構(gòu)成。3各響應(yīng)單元由解碼器、顯示器、蜂鳴器等構(gòu)成。主機(jī)將眾多呼叫單元分為若干組，每一組呼叫單元與一響應(yīng)單元構(gòu)成一個(gè)分區(qū)，分區(qū)內(nèi)的呼叫按鈕由這一響應(yīng)單元管理。主機(jī)中控器通過(guò)發(fā)碼器向各呼叫單元發(fā)碼掃描、如線路狀態(tài)檢測(cè)器檢測(cè)到LINE上出現(xiàn)有效電平，則當(dāng)前地址的呼叫按鈕定有呼叫請(qǐng)求。于是主機(jī)通

10、過(guò)DATA線發(fā)碼選通這一呼叫按鈕所在分區(qū)的響應(yīng)單元，并發(fā)送呼叫按鈕號(hào)碼信號(hào)，響應(yīng)單元的解碼器解碼成功后，打開(kāi)蜂鳴器發(fā)出提示音，并在顯示器上顯示呼叫按鈕號(hào)碼。圖2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖    圖2.2 系統(tǒng)原理示意圖該方案將上千個(gè)呼叫按鈕并接在一條總線上，與電力線的布局完全相同，且對(duì)呼叫信號(hào)采取分區(qū)響應(yīng)集中控制的措施，是一種容量大、響應(yīng)快的總線型結(jié)構(gòu)呼叫系統(tǒng)。但是本系統(tǒng)成本還是擺脫不了有線的束縛，有線尋呼仍然無(wú)法避免布線繁瑣，成本高，擴(kuò)展和修理困難的問(wèn)題。2.1.2 采用DTMF編碼方案該方案采用和家用無(wú)繩電話相似的原理，系統(tǒng)由呼叫器和主機(jī)組成，原理框圖如圖2

11、.3和圖2.4所示。圖2.3 呼叫器原理方框圖  圖2.4 接收器原理方框圖采用該方案需要參照我國(guó)1985年對(duì)開(kāi)發(fā)和使用無(wú)繩電話的行政管理規(guī)定，規(guī)定無(wú)繩電話機(jī)的工作頻點(diǎn)為20組每組頻道間隔為25kHz無(wú)繩電話機(jī)座機(jī)的發(fā)射功率不得超過(guò)50mW、手機(jī)發(fā)射功率不得超過(guò)20mW，以及其它規(guī)定都必須遵照?qǐng)?zhí)行，并且需要申請(qǐng)相關(guān)許可證。由于發(fā)射功率較小，發(fā)射距離受到很大約束，若傳輸距離較遠(yuǎn)，則需要加裝轉(zhuǎn)發(fā)器和多路控制器。且系統(tǒng)的容量較小，需要采用隨機(jī)請(qǐng)求按需分配方式的一點(diǎn)多址通信協(xié)議（純ALOHA協(xié)議）9。該無(wú)線方案能實(shí)現(xiàn)呼叫的功能，但是傳輸距離近，系統(tǒng)容量小。而且電路復(fù)雜，造成成本高，

12、呼叫器體積也不可能做的很小，而且很難保證工作穩(wěn)定，增加了故障發(fā)生幾率。2.1.3射頻元件和單片機(jī)控制方案該方案系統(tǒng)由呼叫器和主機(jī)構(gòu)成，使用射頻收發(fā)芯片，使系統(tǒng)工作在ISM頻段433MHz附近，該頻段無(wú)需申請(qǐng)?jiān)S可證。使用單片機(jī)編碼/解碼，每個(gè)呼叫器有一個(gè)唯一的識(shí)別碼，并且識(shí)別碼可以隨時(shí)修改。當(dāng)用戶按發(fā)射鍵后，識(shí)別碼被發(fā)射出去，等待接收器的響應(yīng)，主機(jī)接收到服務(wù)申請(qǐng)后，根據(jù)識(shí)別碼鑒定出是由哪一臺(tái)呼叫器發(fā)出的申請(qǐng)，并給出聲音提示和顯示呼叫器的識(shí)別號(hào)。如果有幾個(gè)呼叫器在短時(shí)間里同時(shí)呼叫，主機(jī)則按照先后順序存儲(chǔ)起來(lái)，在按順序輪換顯示10。系統(tǒng)方框圖如圖2.5和圖2.6所示。圖2.5 呼叫器原理方框圖

13、60;     圖2.6 接收主機(jī)原理方框圖該方案原理簡(jiǎn)潔，由于使用集成度很高的芯片，同時(shí)使用單片機(jī)編碼，由撥碼開(kāi)關(guān)確定呼叫器地址號(hào)，所以該系統(tǒng)擴(kuò)展十分方便，只需要增加呼叫器的數(shù)量就可以，具有很多傳統(tǒng)呼叫系統(tǒng)不具備的優(yōu)點(diǎn)。2.2 方案選擇方案一為有線呼叫系統(tǒng)，發(fā)生故障后，查詢和排除故障非常麻煩，有線呼叫系統(tǒng)還需另外支付布線材料費(fèi)和人工費(fèi)，其總價(jià)比無(wú)線產(chǎn)品高很多，遇到科室改建或擴(kuò)建，原系統(tǒng)必須拆除，有線產(chǎn)品的重復(fù)使用率低，致使成本增加，所以傳統(tǒng)的有線呼叫系統(tǒng)已經(jīng)沒(méi)有很大的開(kāi)發(fā)價(jià)值。方案二采用DTMF編碼，使用的頻段需要遵照國(guó)家相關(guān)法律，法律對(duì)這個(gè)頻段的無(wú)線

14、電設(shè)備有嚴(yán)格要求，并且需要申請(qǐng)相關(guān)許可證，該方案電路比較復(fù)雜，造價(jià)相對(duì)也高很多，并且想要增加分機(jī)數(shù)量還需要對(duì)主機(jī)進(jìn)行相應(yīng)改變，擴(kuò)展起來(lái)比較麻煩。方案三使用專(zhuān)用的射頻模塊，并使用單片機(jī)控制，原理簡(jiǎn)單，主要功能靠單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)，使用的芯片集成度高，性能穩(wěn)定，節(jié)能并且造價(jià)相對(duì)也低。通過(guò)對(duì)以上三種方案的比較，所以這里將使用第三種方案。第3章 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)上還設(shè)有鍵盤(pán)用于翻查和刪除，所以主機(jī)上應(yīng)接有鍵盤(pán)、顯示和報(bào)警電路。3.1 系統(tǒng)原理框

15、圖系統(tǒng)的主要原理框圖見(jiàn)圖3.1和圖3.2。                      圖3.1 呼叫分機(jī)原理框圖圖3.2 接收主機(jī)原理框圖3.2 主要元器件介紹在該系統(tǒng)中將使用射頻芯片nRF401做無(wú)線收發(fā)芯片，主機(jī)使用單片機(jī)AT89C51解碼器和控制器，分機(jī)使用AT89C2051作為編碼器和控制器，下面對(duì)這幾個(gè)芯片做詳細(xì)介紹。3.2.1 nRF401介紹1 . nRF401主要性能nR

16、F401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433MHz ISM (工業(yè)、科研和醫(yī)療) 頻段工作而設(shè)計(jì)。所有高頻元件包括電感、濾波器、振蕩器都全部集成在芯片內(nèi)部，使得它性能穩(wěn)定、一致性好、成本低、體積小，它是目前集成度最高的無(wú)線數(shù)傳產(chǎn)品。該芯片集成了高頻發(fā)射、高頻接收、PLL合成、FSK 調(diào)制、FSK解調(diào)、雙頻道切換等功能，具有性能優(yōu)異、功耗低、使用方便等特點(diǎn)。nRF401 的外圍元件很少，僅10個(gè)左右。只包括一個(gè)4MHz基準(zhǔn)晶振(可與MCU共享)、一個(gè)PLL環(huán)路濾波器和一個(gè)VCO電感，收發(fā)天線合一，沒(méi)有調(diào)試部件，這給研制及生產(chǎn)帶來(lái)了極大的方便。主要技術(shù)特性見(jiàn)表3

17、.1 所示，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.4所示。表3.1 nRF401主要技術(shù)指標(biāo)參數(shù)數(shù)值單位頻率，頻道1/頻道2433.92/434.33MHZ調(diào)制方式FSK調(diào)制度±15KHZ最大輸出發(fā)射功率400，3V10dBm靈敏度400，BR=20kbit/s-105dBm最大速率20Kbit/s工作電壓2.7-5.25V接收電流250uA發(fā)射電流-19dBm輸出8mA待機(jī)電流8uA圖3.4  nRF401內(nèi)部框圖nRF401使用具有較強(qiáng)抗干擾能力的FSK頻率(Frequency-ShiftKeying)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

18、。與ASK幅移鍵控(Amplitude-ShiftKeying)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11。其主要特性如下:1工作頻率為國(guó)際通用的數(shù)傳頻段 ，2FSK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-105dBm（nRF401），5功耗小，接收狀態(tài)250mA，待機(jī)狀態(tài)僅為8uA，6最大發(fā)射功率達(dá) +10dBm 。7低工作電壓（2.7V），可滿足低功耗設(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)20Kbit/s（RF401）。10僅

19、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米 (與具體使用環(huán)境及元件參數(shù)有關(guān)) 12。nRF401 無(wú)需外接昂貴的變?nèi)荻O管，而其他競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品大多需要外接變?nèi)荻O管、聲表面波濾波器件等。這些芯片一般需要進(jìn)行曼徹斯特編碼后才能傳輸，在編程上會(huì)需要較高的技巧和經(jīng)驗(yàn)，需要更多的內(nèi)存和程序容量，并且曼徹斯特編碼大大降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，一般僅能達(dá)到標(biāo)稱速率（實(shí)際速率）的1/3，因此大大增加了軟件的工作量和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的難度。而nRF401系列獨(dú)特的技術(shù)可以直接傳送單片機(jī)串口數(shù)據(jù)，應(yīng)用及編程非常簡(jiǎn)單，

20、抗干擾能力強(qiáng)，傳送的效率很高，且使用很方便。nRF401采用小型20引腳SSOP封裝，管腳數(shù)和體積最小，采用非常緊湊的電路板布局，有利于減少PCB面積，降低成本，適合便攜式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，也有利于開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)。3V直流電源供電。接收電流低，僅為11mA，而且在輪流檢測(cè)（Polling）模式時(shí)可以通過(guò)周期性暫停的方法使其更低，以延長(zhǎng)電池壽命。它還提供進(jìn)一步降低電流消耗的待機(jī)模式。nRF401另一個(gè)非常重要的特性是主機(jī)的頻帶外阻抗很高(out-of-band blocking)，這意味著它不需要外部聲表面波（SAW）濾波器。此外nRF401的解調(diào)器是DC平衡的，因此可以使用任何一種協(xié)議，也可以使用各種0

21、、1序列，因而無(wú)需浪費(fèi)單片機(jī)寶貴的處理資源來(lái)進(jìn)行曼徹斯特編碼。nRF401的串口可以與任何單片機(jī)接口，也不需要進(jìn)行設(shè)置，應(yīng)用及編程非常簡(jiǎn)單，可直接傳輸串口數(shù)據(jù)，傳送的效率很高，是一種能方便地與各種單片機(jī)配合使用的方案。2. nRF401引腳介紹    nRF401的引腳如圖3.5所示，各引腳功能如下：圖3.5 nRF401引腳圖CS：頻道選擇，CS=0選擇工作頻道1，即433.92MHz；CS=1選擇工作頻道2(即434.33MHz)。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。

22、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400歐姆。3.10是一個(gè)典型的采用差分方式的原理圖。射頻功率放大器輸出是兩個(gè)開(kāi)路輸出三極管，配制成差分配對(duì)方式，功率放大器的VDD必須通過(guò)集電極負(fù)載，當(dāng)采用差分環(huán)形天線時(shí)，VDD必須通過(guò)環(huán)形天線的中

23、心輸入。為了減少分布參數(shù)的影響，在PCB應(yīng)該避免長(zhǎng)的電源走線，所有元件地線，VDD連接線，VDD去耦電容必須離nRF401盡可能的近。nRF401的電源必須經(jīng)過(guò)很好的濾波，并且與數(shù)字電路供電分離，在離電源腳VDD盡可能近的地方用高性能的電容去耦，最好是一個(gè)小電容和一個(gè)大電容相并聯(lián)。PCB板頂層和底層最好敷銅接地，把這兩層的敷銅用較多的過(guò)孔緊密相連，再將VSS腳連接到敷銅面。所有開(kāi)關(guān)信號(hào)和控制信號(hào)都不能經(jīng)過(guò)PLL環(huán)路濾波器元件和VCO電感附近。3. nRF401的典型連接 圖3.6 nRF401典型連接圖nRF401的典型應(yīng)用連接圖如圖3.6所示，可直接用于單片機(jī)或計(jì)算機(jī)RS-232串

24、口異步傳輸從圖中可以看到，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，以確保性能。nRF401是單片集成收發(fā)芯片，可工作于433.92MHz/434.33MHz兩個(gè)頻道，最大數(shù)據(jù)傳輸率為20kbps，調(diào)制方式為FSK，功耗低，且發(fā)射功率可以調(diào)整，最大發(fā)射功率為+10dBm。當(dāng)工作于待機(jī)模式時(shí)，待機(jī)電流僅為8uA，因此很適合用于便攜式的無(wú)線通信設(shè)備中。連接nRF401的天線是

25、以差分方式連接到nRF401的。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，呼叫器的天線采用差分環(huán)型天線，這種天線可直接刻蝕在PCB板上，使用起來(lái)十分方便。3.2.2 單片機(jī)AT89C51介紹1.AT89C51主要功能ATMEL的AT89C51是一個(gè)低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k bytes的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器（PEROM）和128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，內(nèi)置功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89C51提供了高性價(jià)比的解決方案。AT89C51是一個(gè)低功耗高性能

26、單片機(jī)，它有40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通信口，AT89C51可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫(xiě)的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開(kāi)發(fā)成本。AT89C51具有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓，高性能的單片機(jī)。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功

27、能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中， AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡(jiǎn)版本。AT89C2051單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案13。2. AT89C51引腳介紹AT89C51的引腳如圖3.7所示，各引腳功能如下：圖3.7 AT89C51引腳圖Vcc：供電電壓。Vss：接地。 P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門(mén)電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫(xiě)1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)

28、，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。 P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門(mén)電流。P1口管腳寫(xiě)入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門(mén)電流，當(dāng)P2口被寫(xiě)“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存

29、取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門(mén)電流。當(dāng)P3口寫(xiě)入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊管腳備選功能，如下所示：P3.0 RXD（串行輸入口）P3.1 TXD（串行輸出口）P3.2 /INT0（外部中斷0）P3.3 /INT1（外

30、部中斷1）P3.4 T0（記時(shí)器0外部輸入）P3.5 T1（記時(shí)器1外部輸入）P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通）P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。RST：復(fù)位輸入，當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是，每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。如

31、想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無(wú)效。/PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào),在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。/EA：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET，當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源。XT

32、AL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。整個(gè)PEROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過(guò)正確的控制信號(hào)組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來(lái)完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫(xiě)“1”且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以

33、在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。3.2.2 單片機(jī)AT89C2051介紹1. AT89C2051主要功能它是一個(gè)低電壓，8位高性能CMOS單片機(jī)，片內(nèi)含2k bytes的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器（PEROM）和128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大A

34、T89C2051單片機(jī)可為您提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合。AT89C2051是一個(gè)功能強(qiáng)大的單片機(jī)，但它只有20個(gè)引腳，15個(gè)雙向輸入/輸出（I/O）端口，其中P1是一個(gè)完整的8位雙向I/O口，兩個(gè)外中斷口，兩個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，兩個(gè)全雙向串行通信口，一個(gè)模擬比較放大器。同時(shí)AT89C2051的時(shí)鐘頻率可以為零，即具備可用軟件設(shè)置的睡眠省電功能，系統(tǒng)的喚醒方式有RAM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行口和外中斷口，系統(tǒng)喚醒后即進(jìn)入繼續(xù)工作狀態(tài)。省電模式中，片內(nèi)RAM將被凍結(jié)，時(shí)鐘停止振蕩，所有功能停止工作，直至系統(tǒng)被硬件復(fù)位方可繼續(xù)運(yùn)行14。2. AT89C2051引腳介紹AT89C2051具體引腳如圖

35、3.8所示。圖3.8 AT89C2051引腳圖從圖3.8可以看出，AT89C2051單片機(jī)是AT89C51的精簡(jiǎn)版，有20個(gè)引腳。它集成了AT89C51的整個(gè)內(nèi)核，除了沒(méi)有P0和P1口外，內(nèi)部結(jié)構(gòu)與指令系統(tǒng)同AT89C51完全一樣，且內(nèi)置2k FLASHROM。利用它開(kāi)發(fā)智能產(chǎn)品極為方便，電路系統(tǒng)體積小，成本低，連線少，工作可靠。3.3 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，它只有20個(gè)引腳，結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)，體積也小，功耗低，而且在3V的電壓下就能穩(wěn)定工作。它具有AT89C51的內(nèi)核，指

36、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。3.3.1 分機(jī)號(hào)碼設(shè)定電路的設(shè)計(jì)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，分機(jī)數(shù)量最多可以擴(kuò)展至256個(gè)。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，具體電路如圖3.9所示。       圖3.9 分機(jī)號(hào)碼設(shè)定電路3.3.2 分機(jī)nRF401與AT89C2051主連接電路的設(shè)計(jì)

37、0;  nRF401有休眠（Standby）、接收（RX）和發(fā)射（TX）三種工作狀態(tài)，由nRF401的引腳功能可知，這三種狀態(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。因此nRF401與單片機(jī)的連接電路圖如圖3.10。         圖3.10 收發(fā)模塊與單片機(jī)連接電路圖在分機(jī)上有一個(gè)信息確認(rèn)燈，在信息發(fā)送成功后確認(rèn)燈閃亮1秒，確認(rèn)燈選用普通直徑5mm的紅色發(fā)光二極管，點(diǎn)亮電壓為1.8V，額定工作電流為30mA，因此

38、可以由單片機(jī)的I/O口直接點(diǎn)亮，限流電阻選用100，工作電流即可以滿足要求。3.3.3 分機(jī)天線設(shè)計(jì)使用簡(jiǎn)單的差分輸入式天線，不需要使用拉桿式天線，可以將天線直接印制在PCB板上，更減小了分機(jī)的體積，成本也進(jìn)一步降低。其典型的PCB板印制天線如圖3.11。圖3.11 nRF401典型差分輸入式印制天線在本設(shè)計(jì)中，使用nRF401與單片機(jī)進(jìn)行串口通信，只需要將它的數(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。在系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后，需要將芯片置于接收或發(fā)射狀態(tài)。由于分機(jī)使用電池供電，還需要考慮節(jié)約電能的問(wèn)題。nRF401芯片設(shè)計(jì)了一個(gè)節(jié)能的狀態(tài)，即休眠狀態(tài)，所以當(dāng)芯片沒(méi)

39、有發(fā)送數(shù)據(jù)，閑置一段時(shí)間后，需要將其進(jìn)入休眠狀態(tài)，等到再次需要發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候再喚醒，要實(shí)現(xiàn)以上切換，需要用單片機(jī)來(lái)控制它的PWR-UP、CS、TXEN三個(gè)腳即可實(shí)現(xiàn)15。圖3.11是連接的原理圖。3.3.4 分機(jī)電源電源設(shè)計(jì)   由于nRF401工作電壓范圍為2.7V-5.25V，分機(jī)采用兩節(jié)1.5V電池供電，即可滿足AT89C2051的供電要求。3.4主機(jī)電路設(shè)計(jì)從系統(tǒng)的原理框圖可知，主機(jī)系統(tǒng)分電源、顯示、報(bào)警、鍵盤(pán)等部分。3.4.1 主機(jī)nRF401與AT89C2051主連接電路的設(shè)計(jì)    主機(jī)工作時(shí)也要進(jìn)行狀態(tài)切換、頻率選擇和串行通信，

40、實(shí)現(xiàn)的方法與分機(jī)的一樣所以連接電路和分機(jī)的一樣，不需要做任何改變。3.4.2主機(jī)電源電路的設(shè)計(jì)由于主機(jī)不需要移動(dòng)，因而可以采用市電交流220V供電，交流經(jīng)變壓器后輸出6V交流經(jīng)整流濾波后使用三端穩(wěn)壓芯片7805穩(wěn)壓，輸出5V直流供主機(jī)使用，圖中C4、C5、C6為單片機(jī)和收發(fā)芯片的退耦電容。 直流穩(wěn)壓電源見(jiàn)圖3.12。   圖3.12 主機(jī)直流穩(wěn)壓電源圖中三端穩(wěn)壓器采用CW7805，CW7805特性參數(shù)為: ，最小輸入電壓為+7V，最大輸出電流為1A.變壓器副邊輸出電壓 ，變壓器副邊輸出電流 ，取I2=1A，變壓器副邊輸出功率由上分析，副邊輸出電

41、壓可取12V，輸出電流為1A，為留有余地，一般選功率為10W的變壓器.整流二極管選1N4001，其極限參數(shù)為 ，而 ，因?yàn)?#160;，而所以濾波電容C的耐壓應(yīng)大于 .3.4.3 顯示電路的設(shè)計(jì)顯示電路采用LED共陽(yáng)極接法，使用鎖存器74LS373來(lái)點(diǎn)亮，采用動(dòng)態(tài)顯示，由P1口輸出LED的片選信號(hào)，由于系統(tǒng)所允許的最大分機(jī)數(shù)量為256路，所以只需要3位LED就可以了。單個(gè)的顯示電路如圖3.13。 圖3.13  LED顯示電路3.4.4 鍵盤(pán)電路設(shè)計(jì)主機(jī)上的鍵盤(pán)總共需要兩個(gè)，即翻查鍵和刪除鍵，連接圖見(jiàn)圖3.14。圖3.14 主機(jī)鍵盤(pán)電路3.4.5

42、 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1KHz和500Hz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1KHz信號(hào)響100ms，再500Hz信號(hào)響200ms，交替進(jìn)行，使用單片機(jī)內(nèi)部電路觸發(fā)。這里使用音頻放大器LM386，它的工作電壓為4-12V，輸出功率最大可達(dá)1W，輸入阻抗為50K16。報(bào)警發(fā)聲電路見(jiàn)圖3.15。        圖3.15 主機(jī)報(bào)警發(fā)聲電路3.4.6 走廊顯示電路的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)顯示電路主要包括大型LED數(shù)碼管BSl20-1(共陽(yáng)極，數(shù)字凈高12厘米)和

43、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，如BSl20-1，當(dāng)每段的導(dǎo)通電流為60mA時(shí)，每段的導(dǎo)通壓降約10V因此，大型LED數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)必須用大電流、高電壓驅(qū)動(dòng)器。ULN2003是高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列電路，它具有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)500mA，導(dǎo)通時(shí)輸出電壓約1V，截止時(shí)輸出電壓可達(dá)50VULN2003的1至7腳為信號(hào)輸入腳，依次對(duì)應(yīng)的輸出端為16至10腳，8腳為接地端。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電源電壓為+12V時(shí)，若要求數(shù)碼管每段導(dǎo)通電流為40mA，則每段的限流電阻為50。若不需要顯示小數(shù)點(diǎn)或固

44、定顯示某位小數(shù)點(diǎn)時(shí)(可把該位LED的小數(shù)點(diǎn)引腳經(jīng)限流電阻接地)，則一塊ULN2003恰好驅(qū)動(dòng)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。走廊顯示采用需要+12V直流電源，所以需要另外設(shè)計(jì)電源，只需要將主機(jī)電源的穩(wěn)壓芯片7805換為7812即可，其他電路不變，輸出的電壓為12V，即可滿足要求。具體電路圖見(jiàn)圖3.16所示。 圖3.16 走廊顯示電路3.5系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)根據(jù)以上個(gè)部分的設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)主要由呼叫分機(jī)、接收主機(jī)和走廊顯示電路組成。其分機(jī)電路具體見(jiàn)附錄A，主機(jī)電路見(jiàn)附錄B，走廊顯示電

45、路見(jiàn)附錄所示。第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)   系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分主程序和顯示報(bào)警鍵盤(pán)等子程序設(shè)計(jì)，主程序設(shè)計(jì)中包括通信協(xié)議和收發(fā)程序的設(shè)計(jì)。4.1 通信協(xié)議設(shè)計(jì)為了保證通信成功，通信雙方必須嚴(yán)格遵循通信協(xié)議的約定。由于nRF401的最大數(shù)據(jù)傳輸率為20kbps，為獲得主機(jī)和呼叫器之間較大的通信速率，單片機(jī)的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為12MHz時(shí)，我們將串口的波特率選定在19.2kbps。為了節(jié)能，nRF401平時(shí)大多數(shù)情況下應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)，由于無(wú)線部分硬件上是不具備自動(dòng)喚醒功能的，為了達(dá)到節(jié)能的目的，必須通過(guò)軟件方式采用合理的通信協(xié)議以保證節(jié)能同時(shí)不丟失數(shù)據(jù)。平時(shí)分機(jī)處于休眠狀態(tài)，當(dāng)掃描到發(fā)射鍵按

46、下時(shí)，呼叫器向主機(jī)發(fā)出地址信號(hào)，再進(jìn)入接受狀態(tài)等待回應(yīng)。主機(jī)接收到地址信號(hào)后發(fā)回呼叫成功信號(hào)，分機(jī)接到成功信號(hào)后表示成功的發(fā)光二極管點(diǎn)亮一下，然后分機(jī)進(jìn)入休眠狀態(tài)。由于主機(jī)使用交流電源供電，可以不考慮能源的問(wèn)題，為了避免數(shù)據(jù)丟失和增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度，接受芯片不進(jìn)入休眠狀態(tài)，而直接在接收和發(fā)射狀態(tài)間切換。4.2 系統(tǒng)總流程圖4.2.1 分機(jī)系統(tǒng)流程圖設(shè)計(jì)分機(jī)在開(kāi)機(jī)后首先初始化，然后就進(jìn)入休眠狀態(tài)以節(jié)省電能。單片機(jī)查詢式掃描發(fā)射鍵，如果沒(méi)有按下則繼續(xù)等待，如果掃描到發(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

47、態(tài)等待確認(rèn)信息，確認(rèn)信息收到后點(diǎn)亮確認(rèn)燈一秒，然后休眠狀態(tài)等待，如此循環(huán)工作。其總流程如圖4.1所示。圖4.1分機(jī)流程圖4.2.2 主機(jī)系統(tǒng)流程圖設(shè)計(jì)主機(jī)開(kāi)機(jī)便進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入數(shù)據(jù)接收狀態(tài)等待，當(dāng)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，其總流程圖如圖4.2。圖4.2 主機(jī)流程圖4.2.3 提示音子程序設(shè)計(jì)主機(jī)報(bào)警程序使用單片機(jī)輸出1KHz和500Hz的音頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，作報(bào)警信號(hào)，要求1KHz信號(hào)響100ms，500Hz信號(hào)響200ms，交替進(jìn)行，500Hz信號(hào)周期為2ms，信號(hào)電平為每1ms

48、變反1次，1KHz的信號(hào)周期為1ms，信號(hào)電平均每500us變反1次。流程圖見(jiàn)圖4.3。圖 4.3報(bào)警子程序流程圖4.2.4 顯示子程序設(shè)計(jì)P1.5、P1.6和P1.7端口分別控制數(shù)碼管的個(gè)位十位和百位的供電，當(dāng)相應(yīng)的端口變成低電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的三極管會(huì)導(dǎo)通，+5V通過(guò)驅(qū)動(dòng)三極管給數(shù)碼管相應(yīng)的位供電，這時(shí)只要所存器口送出數(shù)字的顯示代碼，數(shù)碼管就能正常顯示數(shù)字。因?yàn)橐@示幾位不同的數(shù)字，所以必須用動(dòng)態(tài)掃描的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，就是先個(gè)位顯示160us，再十位顯示160us，再百位顯示160us，不斷循環(huán)，這樣只要掃描時(shí)間小于1/50秒，就會(huì)因人眼的視覺(jué)殘留效應(yīng)，看到幾位不同的數(shù)字穩(wěn)定顯示。這個(gè)系統(tǒng)的顯示

49、部分采用LED共陽(yáng)極接法，采用動(dòng)態(tài)顯示，首先將顯示的個(gè)十百位分別存放，然后逐個(gè)取出進(jìn)行顯示，為了防止閃爍每位LED顯示160us的時(shí)間，為了防止重影，當(dāng)一位顯示完畢后立刻將其關(guān)閉，然后進(jìn)行下一位的顯示。動(dòng)態(tài)顯示流程圖見(jiàn)圖：圖4.4動(dòng)態(tài)顯示流程圖4.3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)由于分機(jī)采用電池供電，為了延長(zhǎng)電池使用壽命，需要考慮節(jié)能和低功耗的設(shè)計(jì)。nRF401在休眠狀態(tài)時(shí)電流消耗在微安級(jí)別。所以在不發(fā)射數(shù)據(jù)的時(shí)候可將芯片置于休眠狀態(tài)以節(jié)省電能，等到需要發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候在切換到發(fā)射模式。在分機(jī)發(fā)送握手信號(hào)后，還要等待主機(jī)的回應(yīng)，這也需要將芯片從發(fā)射狀態(tài)切換至接受狀態(tài)，這三種狀態(tài)之間的切換靠以下方法來(lái)實(shí)現(xiàn)：當(dāng)從R

50、X切換到TX模式時(shí)，數(shù)據(jù)輸入腳(DIN)必須保持為高至少1ms才能收發(fā)數(shù)據(jù)。當(dāng)從TX切換到RX時(shí)，數(shù)據(jù)輸出腳（DOUT）要至少3ms以后有數(shù)據(jù)輸出。從待機(jī)模式到接收模式，當(dāng)PWR_UP輸入設(shè)成1時(shí)，經(jīng)過(guò)TSR時(shí)間后，DOUT腳輸出數(shù)據(jù)才有效。對(duì) nRF401來(lái)說(shuō)，TST最長(zhǎng)的時(shí)間是3ms。從待機(jī)模式到發(fā)射模式，所需穩(wěn)定的最大時(shí)間是TST。從加電到發(fā)射模式過(guò)程中，為了避免開(kāi)機(jī)時(shí)產(chǎn)生干擾和輻射，在上電過(guò)程中TXEN的輸入腳必須保持為低，以便于頻率合成器進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。當(dāng)由上電進(jìn)入發(fā)射模式時(shí)，TXEN必須保持1ms以后才可以往DIN發(fā)送數(shù)據(jù)。從上電到接收模式過(guò)程中，芯片將不會(huì)接收數(shù)據(jù)，DOUT也不

51、會(huì)有數(shù)據(jù)輸出，直到電壓穩(wěn)定達(dá)到2.7V以上，并且至少保持5ms。如果采用外部振蕩器，這個(gè)時(shí)間可以縮短到3ms。表4.1 nRF401各種狀態(tài)切換的時(shí)延狀態(tài)切換名稱時(shí)延條件TX至RXTtr3ms工作狀態(tài)RX至TXTrt1ms待機(jī)至RXTsr2ms待機(jī)至TXTst3ms上電至RXTvr4ms上電上電至TXTvt5ms因?yàn)橄到y(tǒng)分配給各個(gè)呼叫器的可與主機(jī)完成呼叫申請(qǐng)的時(shí)間片的長(zhǎng)度是固定的，這個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度既要保證呼叫器發(fā)出的申請(qǐng)能準(zhǔn)確的傳到服務(wù)臺(tái)上，又要盡量短，才可縮小同步信號(hào)的周期。因此收發(fā)程序的執(zhí)行時(shí)間十分關(guān)鍵，必須短而高效。因?yàn)橄到y(tǒng)分配給各個(gè)呼叫器的可與主機(jī)完成呼叫申請(qǐng)的時(shí)間片的長(zhǎng)度是固定的，這個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度既要保證呼叫器發(fā)出的申請(qǐng)能準(zhǔn)確的傳到服務(wù)臺(tái)上，又要盡量短，才可縮小同步信號(hào)的周期。因此收發(fā)程序的執(zhí)行時(shí)間十分關(guān)鍵，必須短而高效。為了防止接受錯(cuò)誤，分機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，主機(jī)便對(duì)其解碼并報(bào)警，然后顯示，隨后主機(jī)發(fā)送確認(rèn)信息給分機(jī)。首先分機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)地址碼，主機(jī)接收到信息成功后返回成功信息，分機(jī)接到回應(yīng)信息后，分機(jī)上的信號(hào)確認(rèn)燈便閃亮一次，表示主機(jī)已經(jīng)收到信息并報(bào)警。否則如果按下發(fā)射鍵后確認(rèn)燈沒(méi)有閃亮，則表示信息發(fā)送出錯(cuò)，主機(jī)沒(méi)有