智能医院护理呼叫系统的设计文档格式.docx
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在医疗系统中，各种电子检测仪器，治疗仪器被广泛使用，从而提高了诊断的准确度和治疗效果；
在管理系统中，从挂号到开药付款，各家医院也实现了医院管理系统、药库系统的智能化；
在病床系统中，国外医院也渐渐出现了呼叫护理系统的智能化，可视化。
医院的呼叫系统经历了从传统上的口头呼叫，摇铃呼叫到电子按铃呼叫三个阶段。
现在国内大多数医院仍停留在电子按铃呼叫的阶段，只有少数医院实现了电子通话的功能。
呼叫系统的优劣直接关系到病员的安危，如何利用先进的信息技术为医院服务，更大程度地提高医院的服务质量，是医院信息化建设中的一个着眼点。
目前使用的病床呼叫系统大多数采用数字电路构成，一般都是有声光报警功能，医院人员能够及时了解病人的呼叫请求。
病床呼叫系统的主机一般都设置在护士值班室，主机通过导线与各病房病床的终端呼叫器相连。
目前很多医院采用的呼叫系统都是由最基本的组件呼叫按钮及护理主机组成。
当有病人按下呼叫按钮时，在主机的显示装置上有相应声光呼叫信号提示，并能显示出呼叫床号。
但在这些系统中都不提供对话功能。
当医院人员发现有病人呼叫后，只能了解到几号病房与几号病床有呼叫，而不能和病人进行通话，必须亲自巡房。
目前，呼叫系统的布线方式有很多种，如单总线技术、二总线技术、无线技术等。
为避免布线施工麻烦和成本高的问题，大多数医院采用的是单总线技术。
采用此技术设计的病床呼叫系统电路结构简单、成本低、可靠性高、布线施工方便、易于维护，特别是当需要监护的床位数量较多时，更显示出优越性。
只有少数医院采用无线技术，此措施虽安装容易，改变位置方便，安装简单，操作方便且便于修理，但信号受到外界影响比较严重。
比如气候不好时，信号传输就会出现差错，而且分机与主机的直线距离不能太远，否则信号传递中出错较多。
呼叫系统看似简单，真正做进去，却有无穷的奥妙，也有无限的扩展空间。
有一套不错的呼叫系统，既可以大大降低医护人员的劳动强度，极大地提高医院的工作效率和服务水平，提高医院的竞争实力，还可以节约许多成本，使机构管理得更加顺畅。
因此，医院呼叫系统不仅应用于医院，还可以应用于学校、电信、银行、证券、保险、房地产等机构。
因此，该系统的研发与设计具有很重要的实际意义和应用前景。
1.2DTMF技术
DTMF（DoubleToneMulitiFrequency）双音多频作为实现电话号码快速可靠的一种技术，它具有很强的抗干扰能力和较高的传输速度，因此可广泛应用于电话通信系统中。
双音多频DTMF使用在按键式电话机上，因其提供更高的拨号速率，迅速取代了系统转盘式电话机使用的拨号脉冲信令。
近年来DTMF也应用在交互式控制中，诸如语言菜单、语言邮件，电话银行等。
DTMF是用两个特定的单音频组合成信号来代表数字信号以实现其功能的一种编码技术。
两个单音频的频率不同，代表的数字或实现的功能也不同。
这种电话机中通常有16个按键，其中有10个数字键0—9和6个功能键*、#、A、B、C、D由于按照组合原理，一般应有8种不同的单音频信号。
DTMF广泛使用的主要原因在于它的强抗干扰性。
干扰噪声源一般是人的声音。
经研究，人的话音信号在0—4000HZ内，人可能会发出DTMF中的某一种频率的话音，但是却很难同时发出高频成分组和低频成分组中的一对频率。
例如1209HZ与770HZ所对应的声音。
同时这些频率的选择也是经过了对人体声学的研究之后得到的，是人的声带使用最少的频率组合。
因此，DTMF可以避免由于人的话音干扰。
DTMF信号的产生原理：
双音多频信号是2个正弦波信号的叠加。
选定2个频率f1和f2后可得到这种信号的数学表达式：
f（t）=A1sin2Πt+A2sin2Πt（1.1）
如果用合适的采样频率对这个信号进行A/D转换，很容易计算出每一个采样点的A/D值，将这些采样值形成一张表，在单片机里用同样的采样频率将这张表中的数值用D/A转换输出，就是双音频信号。
在通信领域中，DTMF主要用于电话机拨号和CID（CallerIdertification来电显示）信号的传送。
1.3现代医院护理呼叫系统的实际需求
呼叫系统是适应现代生活需要而发展的一项简单适用的通信技术，但随着网络的普及和发展，网络呼叫系统的应用越来越广。
网络呼叫系统解决了单一点对多点单工呼叫系统的问题。
在现实使用中使用越来越普及。
医院的管理是以床位为单元的，所以医院所需要的呼叫系统一般主要具有以下几点：
（1）一般医院每个病区需要设置一个护士站，每个病区一般不超过60个床位，如果超过60那么就无法工作了。
（2）国内目前应用于医院的呼叫系统大部分以二线制为主，即只通过两根线将所有的呼叫分机连接在一起，然后与护理主机相连接。
（3）由于医院建筑结构复杂，对呼叫系统布线也有很多要求，主要是线路长短，如果线路太长则信号会受到干扰。
（4）医院的呼叫系统经常需要对病人的护理级别进行调整，如果病人转为病危，就需要特护，则若该病人发出呼叫，则呼叫系统应当优先满足该呼叫请求。
当同时有几个呼叫信号进来时，特护床位或高级床位的呼叫按钮将优先接通。
（5）有的医院对呼叫系统要求比较高，要求能够将呼叫信息记录到电脑中，以对付医疗纠纷。
（6）由于医院的护理站形形色色，医院护理呼叫系统主要有挂壁式及台式两种，可供用户自由选择。
1.4本设计的组织结构
第1章绪论。
分析了医院护理呼叫系统的发展趋势，介绍了目前国内外发展现状及存在的问题，预测了医院护理呼叫系统的发展方向。
针对这些问题提出了基于DFMF的医院护理呼叫系统的构想。
第2章护理呼叫系统的设计构想。
详细列举了实现医院病房呼叫的方案。
第3章DTMF信号发生器及其性能分析。
详细介绍了DTMF发生器，即UM91531芯片。
第4章基于DTMF医院护理呼叫系统主机的设计与实现。
第5章总结了该系统在设计中遇到的问题以及解决的方法。
2护理呼叫系统的系统构架设计
2.1三种设计方案
2.1.1单总线呼叫系统
1.单总线呼叫系统构成：
主机系统主要由AT89C51单片机、报警电路、床位显示电路和复位电路构成，主机系统置于护士值班室，通过单总线与各病床的终端呼叫器相连[3]。
框图2.1如下：
图2.1总线呼叫系统方框图
2.单总线呼叫系统工作原理
由主机查询各病床的终端呼叫器DS2401芯片序列号来判断是否有病人发出请求信号。
无请求信号时，系统中所有DS2401芯片对地断开，主机查询不到其序列号，因此不会发出报警信号。
一旦当某一床位病人按下呼叫器，主机立即查询到其对应DS2401芯片序列号，经过单片机运算后，查找出具体病床号送至床位显示电路显示，同时使报警电路发出报警声。
复位电路的作用是当医护人员响应病人发出的请求信号后，按下该电路中的控制按钮，能使系统及时复原[4]。
2.1.2无线呼叫系统
1.系统组成
该方案的系统由呼叫器和主机组成，使用射频收发芯片，使系统工作在ISM频段433MHZ附近。
使用单片机编码/解码，每个呼叫器有一个唯一的识别码，并且识别码可以随时修改。
系统方框图如下图2.2和2.3所示：
图2.2呼叫器原理框图
图2.3接收主机原理框图
2.系统工作原理
当用户按发射键后，识别码被发射出去，等待接收器的响应，主机接收到服务申请后，根据识别码鉴定出是由哪一台呼叫器发出的申请，并给出声音提示和显示呼叫器的识别号。
如果由几个呼叫器在短时间里同时呼叫，主机则按照先后顺序存储起来，再按顺序轮流显示。
2.1.3基于DTMF的医院护理呼叫系统
1.总体概述
整个系统可分为三个区，即医护人员值班室、走廊和病房。
主机、电话机和显示器及指示屏都安装在医护人员值班室。
走廊上安装数码管，分机安装在病房，系统主机以AT89C52为控制核心，由单片机最小系统、译码电路、收号电路、发号电路、语音播报电路、扩音电路、LED显示电路、发光二极管指示电路、摘挂机及控制电路、拨号音及忙音电路、查询与时间校正电路、护理级别设置与删除电路和电源电路13个电路组成。
分机可由AT89C51为控制核心，由译码电路、收号电路、发号电路、扩音电路、语音通话电路组成。
系统示意图如2.4
图2.4基于DTMF医院护理呼叫系统示意图
系统的主机与分机都采用单片机控制，主机通过单总线方式与各病床相连，具有对讲功能。
分机呼叫主机时，接收器将分机发来的DTMF信号进行编码，译成4位二进制码送入单片机内部。
主机通过解码器接收分机号码后，通过电话机振铃提示，主机喇叭语音播报，LED显示与发光二极管指示来进行声光提示，电话摘机后，便可通话。
主机呼叫分机时，分机接收到主机拨打的号码后，将该号码与各自所固有的号码相比较，如果号码相同，则接通电话机通话；
主机还可以对所有分机进行广播齐呼；
分机号可以自己设定。
2.2三种设计方案的比较与分析
方案1：
具有电路结构简单、成本低、可靠性高、布线施工方便，但该系统不能与病人进行通话。
方案2：
采用无线通信技术，这种呼叫系统的优点是安装容易，改变位置也方便，但是信号受外界影响比较严重，而且分机与主机的直线距离不能太远，否则信号传递中出错较多，并且不具有通话功能。
方案3：
它的最大特点就是采用基于DTMF的有线通信技术，具有发送信号快、准确、不易错号，使用简便等特点；
利用单总线方式布线，成本低、施工和维护方便；
通过行之有效地编码、传输及解码技术，确保数据远距离传输且抗干扰能力强，并且实现了对讲功能。
根据以上三种呼叫系统的特点，方案3是最好的选择。
3DTMF信号发生器及其性能分析
DTMF信号由8个频率两两组合而成。
这8个频率分别为低频和高频两组。
低频群的4个频率依次为697HZ、770HZ、852HZ、941HZ；
高频群的4个频率依次为1209HZ、1336HZ、1477HZ、1633HZ[5]。
3.1传统的可编程硬件DTMF发生器
UM91531的逻辑框图如3.1所示：
图3.1UM91531逻辑框图
（1）振荡器：
外接谐振元件与片内电路构成振荡器，经分频得到所需的拨号音频信号的时序控制信号。
（2）行列分频器：
它是由键盘输入来控制分频器的分频系数，用以产生高、低频率。
分频器通常有N级移位器与键控反馈逻辑单元组成。
（3）正弦波产生电路：
它的作用是将方波变成正弦波。
（4）混合电路：
将拨号产生的高、低频群的单音相加，混合成双音频信号输出。
DTMF信号产生原理：
将振荡器产生的高频振荡信号分别送至两个计数器，当计数器达到预设的值时，产生一次反转信号的输出，形成低频方波。
其中计数器可用软件设置且有自动转载功能。
通过这两个计数器可设置输出的两路方波频率，软件编写控制程序时，只须将对应频率的计数值写入控制寄存器便可自动产生所需的频率信号。
从以上两路输出的方波再进行信号正弦变化处理和幅度控制，然后将两路信号同时送至信号混合器输出。
这样，如果其中一路输出的方波频率是DTMF低频中的一个频率，而另一路接近DTMF高频群中的一个频率，从混合器输出的信号便是所需的DTMF信号。
4基于DTMF医院护理呼叫系统的设计与实现
4.1系统模块分析
基于DTMF医院护理呼叫系统在机构上分为三个区，即医护值班室、走廊和病房。
主机、电话机和显示及指示屏都安装在医护值班室，走廊上安装有数码管，分机安在病房。
1.主机
（1）控制与各分机之间的通讯与通话，使整个通信网络系统协调工作；
（2）对分机呼叫情况进行显示、振铃提示和语音播报，在主机无应答时进行自动存储；
（3）控制主机的通话、系统的复位以及本机键盘的处理；
具备对全部分机进行广播的功能。
2.分机
（1）将自己的分机编码号发送给主机并向主机发出通话和报警请求；
（2）控制通话线路及复位本机。
3.显示指示模块
（1）呼叫时显示呼叫床位号；
无呼叫时显示实时时间；
查询时显示查询结果；
（2）显示病床护理级别。
系统分机与主机原理框图如4.1和4.2：
4.2系统主机硬件设计
基于DTMF的医院护理呼叫系统主机硬件电路图如附图A1所示。
系统主机由单片机最小系统、译码电路、收号电路、发号电路、语音播报电路、扩音电路、LED显示电路、发光二极管指示电路、摘挂机及控制电路、拨号音及忙音电路、查询与时间校正电路、护理级别设置与删除电路和电源电路13个部分组成。
图4.1系统分机原理图
图4.2系统主机原理框图
系统主机工作原理：
主机是整个系统的核心，它一方面负责分机与电话机号码的接收与发送，另一方面通过继电器控制分机与电话机的接通与断开、铃流信号的接通与断开、忙音与拨号音的接通与断开及显示屏的显示等。
在系统中，分机呼叫主机时，接受器将分机发来的DTMF信号进行编码，译成4位二进制码并进入单片机内部，发送器再将数据码译出对应的数码与位码由数码管显示分机号码与时间；
铃流继电器给电话机送振铃信号；
语音芯片接受CPU送来的数据并完成语音播报；
4位二进制码通过锁存与译码，由发光二极管指示护理级别与呼叫；
电话机摘机应答后，CPU检测到摘机信号、振铃信号清除，启动接通继电器，主机与分机通话，通话完毕主机挂机，释放接通继电器。
主机呼叫分机时，电话机摘机后，接通拨号音，拨打分机号码，CPU通过DTMF解码后接收到所拨分机号后，将此分机号发给主机，如果号码错误则产生忙音报警处理，号码正确则启动接通继电器，电话机与分机通话，话毕主机挂机，释放接通继电器。
值班室有事需要广播时，启动齐呼继电器，主机向所有分机广播，广播完毕主机挂机，释放齐呼继电器。
CPU收到分机发来的输液完毕告警时，启动语音播报电路进行语言播报，并通过LED显示器显示对应的床位号。
如果主机正在通话或广播，护理级别高的来时，应立即发分机号码，与级别高的通话，普通护理级别只作语音播报和显示指示处理。
上面简单介绍了呼叫系统主机整体工作的情况，下面将详述主机系统各部分的设计原理及实现的功能。
4.2.1单片机最小系统
1.本设计采用AT89C52来实现该系统的功能[6]。
整个系统采用最小化设计。
由于系统实现的功能较多，程序容量大，编程也较复杂，所以在单片机选型时要考虑I/O口的数量，程序存储器的容量，定时器和中断源的数目。
它的主要性能如下：
（1）内部含有8KB可重复编程的动态存储器，可进行1000次擦写操作；
（2）内部含256字节的RAM；
（3）有32条可编程的I/O线；
（4）有3个16位定时/计数器；
（5）有8个中断源；
（6）1个可编程串行接口；
（7）3级程序存储器保密；
（8）有片内时钟振荡器。
2.时钟电路
AT89C52内部振荡器由一个单级反向器组成，可以利用它内部的振荡器产生时钟，只要在XTAL1、XTAL2上接一个晶体及电容组成并联谐振电路，便构成一个完整的振荡信号发生器，此方式称为内部方式。
另一种是外部方式，使用方法是由外部时钟源提供一个时钟信号到XTAL1端输入，而XTAL2端悬空。
比较两种方式，由于内部方式结构紧凑，成本低廉，可靠性高。
因此，时钟电路选用内部方式。
如图4.3所示。
在电路中，对电容C1和C2的值要求不是很严格，但电容的大小影响振荡器的稳定性和起振的快速性，接电容的目的有三个：
一是加快上电后的起振速度，二是保证起振后能够持续平稳的振荡，不至于停振，三是可以通过改变两个电容的容量，微调振荡频率。
通常在10PF—30PF左右，此处为30PF。
3.复位电路
单片机AT89C52与其它微处理器一样，在启动时需要复位，使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初始开始工作。
单片机的复位电路非常重要，它影响到单片机是否能够可靠的工作。
RST引脚是复位信号的输入端，高电平有效，其有效时间应持续24个振荡脉冲周期（即两个机器周期）以上。
整个复位电路包括芯片内、外两部分。
复位操作一般有三种方式：
上电复位、按键复位和外部脉冲复位。
此处采用的是上电复位，加电瞬间，反向器的输入端为低电平，经反向器后，RESET引脚上为高电平，然后，RESET端电压慢慢下降，降到一定电压值以下，单片机开始正常工作。
图4.3AT89C52
4.2.2译码电路
译码电路的功能较强，占用的I/O口较多，程序较复杂，因此需借助译码器来扩展系统的I/O口，以此来实现本系统的功能。
CD4514—16线译码器与单片机的P2.0—P0.3相连，译码后的输出端S1—S14对各器件进行片选，以此来控制它们的工作。
译码电路如图4.4所示。
图4.4译码电路
4.2.3收号电路
收号电路是将电话机或分机送来的DTMF信号译成4位二进制码，以便主机读取。
它实质是一个解码的过程，DTMF信号的解码由MT8870主要承担。
主机收分机号电路如4.5所示：
该芯片外围电路简单、功耗小、抗干扰能力强。
对MT8870几个重要引脚功能进行说明：
GS：
负反馈输入端，外接电阻R2的阻值决定了芯片对输入信号的放大，R2越大，负反馈越小，因此放大量也就越大。
通常R2选100K—200K，最大不超过470K，因为再放大就没有必要了。
OSC1、OSC2：
外接3.58MHZ的晶振。
Q1—Q4：
为4位数据输出端，该4个引脚的状态取决于输入端所接收的双音多频信号的组合，也就是取决于对方按压的是哪一个号码键。
STD：
每当该芯片接收到一对有效的双音多频信号时，该引脚就变为高电平，接收的双音频信号消失后，该引脚立刻变为低电平。
因此单片机通过判断该引脚的状态，来确定线路上的信号音是否为有效的DTMF信号。
MT8870与89C52单片机接口电路在图4.5中，单片机89C52的P0.0—P0.3口读取MT8870的译码数据，P2口与MT8870的TOE端相连，控制MT8870的数据输出；
MT8870的STD端与单片机的P0.4口相连接，可发出请求。
MT8870的2、3脚收来自电话线的双音多频信号。
该DTMF信号先经其内部的拨号音滤波器，滤除拨号音信号，然后经前置放大后送入DTMF滤波器，将双音频信号按高、低音频信号分开，再经高、低群滤波器，幅度检测器送入输出译码器，经过数字运算后，在其数据输出端Q1—Q4输出对应的8421码。
主机收分机号时，U16MT8870收到有效的DTMF信号，STD输出由低电平变为高电平，输入到单片机中，通知单片机分机现在已有信息发出。
主机的P0.4口通过缓冲器74HC244检测到U16MT8870的STD端送来的
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