摘要：利用單片機設計了病房呼叫系統，分析了硬件電路與軟件設計。該系統采用電源載波技術，利用系統的兩芯電源線，實現語音信號和呼叫信號的交換。系統主機由MCS8051單片機實現，呼叫分機選用PIC12C508單片機，顯示主控芯片選擇51類的AT89C2051單片機，通信方式采用串行異步半雙工通信方式。系統具有可靠性高、成本低、功能強大、安裝方便等優點，具有較強的實用價值。
關鍵詞：病房呼叫系統；單片機；語音信號；數據通信
0 引言
病房呼叫系統是一種應用于醫院病房、養老院等地方，用來聯系溝通醫護人員和病員的專用呼叫系統，是提高醫院護理水平的必備設備之一。病房呼叫系統的優劣直接關系到病員的安危，歷來受到各大醫院的普遍重視。它要求及時、準確可靠、簡便可行、利于推廣。
目前市場上存在著許多種型號不一功能各異的醫院病房呼叫系統，主要為兩大類：有線式和無線式。傳統的有線式病房呼叫系統往往采用集中式結構，電源線、數據通信線、語音通信線分開傳輸，具有鋪設線路較多、成本高、安裝調試困難、實時性差、故障率較高等缺點。無線式病房呼叫系統不存在鋪設線路的問題，但是可靠性差，而且無線電波會干擾其它醫療儀器設備，目前大多數醫院不采用此類無線呼叫系統。
本文設計的是以單片機為核心的病房呼叫系統，整個系統只需一條兩芯屏蔽線，主機通過向各分機提供的電源線實現數據通信和語音通信，最多可容納100臺分機，采用多種軟、硬件抗干擾措施，使得系統抗干擾能力強、實時性好、可靠性高、成本低。
1 設計方案
該設計方案是由主機、分機和顯示三部分構成。系統總結構框圖如圖1所示。主機主要是控制與各分機之間的通信與通話，使整個通信網絡系統協調工作，具體包括將請求通話分機的分機號送到顯示控制板的主控芯片中進行顯示；無通話請求時控制顯示屏顯示時鐘；控制主機的通話、系統的復位以及系統自檢。分機主要是將自己的分機編碼號發送給主機，向主機發出通話請求，控制通話線路及復位本機。顯示分為兩部分，一是顯示控制板顯示呼叫過的分機號，由對應的發光二極管顯示；對復位矩陣掃描并對該矩陣進行譯碼；通過復位按鈕將顯示復位。二是顯示屏顯示呼叫的分機號碼。通信方式采用串行異步半雙工通信方式。
2 系統硬件設計
2．1 控制芯片的選取
主機控制芯片是整個系統的核心，它控制著系統的數據通信、語音通信、信號顯示、時鐘顯示、故障自檢等功能。MCS-51系列單片機總線技術開放，開發、仿真設備多，價格低廉，同時該系列單片機進入市場的時間早，匯編語言指令書寫形式與Intel公司8位通用微處理器接近，很容易被接觸過Intel通用微處理器匯編語言的用戶所接受。因此，本設計采用的是MCS8051單片機。
分機控制芯片主要是控制分機的數據通信和給音頻鎖相環供電，控制任務比較簡單，因此在能保證完成設計功能的前提下考慮設計的成本；同時，分機是安裝在每個病床邊，要求體積不能太大。基于以上因素，本系統分機選用PIC12C508單片機作為控制器。
顯示主控芯片的選擇有多種方案，因為51類單片機有許多種，但由于系統設計要求是在滿足功能的前提下本著簡單實用與高性價比的原則，同時希望所選元器件體積小、編程方便。通過比較，顯示主控芯片選擇51類的AT89C2051，它能很好地滿足系統的功能需求。
2．2 雙音頻解碼電路
主機呼叫分機利用電話機的撥號原理，由電話機按鍵來呼叫分機號，電話機發出的雙音頻信號通過兩芯電纜線引入主機電路，主機的單片機通過雙音頻解碼芯片獲取被呼叫分機的地址碼，然后向掛在總線上的所有分機輸出被呼叫分機的地址信號。一般常用的電話雙音頻編解碼集成電路有MT8870，MT8880，MT8888等，經過反復論證比較，該系統使用雙音頻解碼集成芯片MT8870來完成此功能。
2．3 語音信號電路
分機向主機通話時，聲音經話筒后，再經調頻，之后經總線傳輸，到達主機電路后要通過解調再去推動主機喇叭發聲。聲音信號的調頻和鑒頻采用LM567集成鎖相環路解碼器來完成。
2．4 其他電路
數據輸入電路中輸入的地址信號為數字信號，先經三極管濾除干擾信號后送入電壓比較器LM393，使輸入信號電壓符合單片機引腳電壓。
數據輸出電路是由兩個三極管復合而成，相當于一個電子開關，同時又起到了對輸出信號進行放大以利于傳輸的雙重作用。
請求、復位通話電路由觸發開關構成。
顯示由兩位7段數碼管完成，驅動由MC14513實現，整個顯示過程的實現受主控芯片AT89C2051的控制。指示與復位主要由主控芯片AT89C 2051、八緩沖器／線驅動器／線接收器(3S)74LS244、八D鎖存器74LS373、發光二極管以及限流電阻所構成的電路完成。
3 系統軟件設計
3．1 主機與分機之間通信軟件設計
主機與分機之間的數據通信采用串行通信方式。根據主分機的硬件設計原理圖及系統的工作過程，主機采用查詢方式。另外，主機發送給分機的地址幀是通過主機撥號產生的。因而，在主分機的通信過程中，主機的通信程序為主機查詢通信，分機的串行口通信采用外部中斷啟動方式，但在串行通信啟動后仍采用查詢方式來接收地址或控制命令和發送地址。因此，分機的通信程序設計包括分機中斷發送背景程序和分機中斷通信子程序。
3．2 主機與顯示之間通信軟件設計
主機與顯示之間采用串行口直接相連進行串行口通信，它們均采用查詢方式通信。在主機與顯示系統的通信中，主機僅將存儲在數據存儲器中請求通話的分機號通過串行口通信，以數據形式發送給顯示控制板，因而主機的程序僅包括主機發送程序。顯示的作用是將主機通過串行口發送過來的請求通話的分機地址編碼號顯示出來。其顯示包括將最近請求通話的分機編碼號用兩位數碼管顯示出來和將所有請求了通話而未通話的分機編碼號對應的發光二極管點亮。同時，在完成請求通話的處理后，還需復位，讓對應的發光二極管熄滅。另外，因為顯示中涉及到的元器件較多，軟件間的時序控制也較為復雜，為了防止系統“死鎖”或“走飛”，還需要設置軟件故障監測與恢復程序。因而顯示的軟件設計包括接收分機地址編碼程序、數碼顯示程序、發光二極管點亮程序和復位程序。
4 結語
該系統利用單片機的自動控制特性，使得系統穩定可靠。系統采用的元器件均是常見的電子元器件，因此系統硬件成本較低。分機主控芯片采用PIC單片機，使分機具有較低的功耗，從而使系統具有較好的擴展性。主機與分機的通信距離大于等于1 000 m，分機數據大于等于200，能滿足各種規模醫院的要求。