基于nRF401芯片的医院无线护理呼叫系统的设计

1 引言

　　伴随着医疗体制改革的不断深化和医疗事业的飞速发展，越来越多的们需要迅捷、方便地得到医院的各种各样的医疗服务，必将使医院之间的竞争日趋激烈。

　　这使得衡量一个医院的综合水平高低，不再仅局限于软、硬件的建设上，更要比服务。临床呼叫求助装置传送临床信息的重要手段，关系病员安危，传统的有线呼叫系统历来受到各大医院的普遍重视。如果采用无线传输，会节约布线和改造线路的资金，为医院节约成本，并且及时、准确、可靠、简便可行，比目前的同类产品更能受到医院及病人的认可，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，护士办公室里呼叫显示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nRF401，并使用单片机控制，其原理简单，使用的芯片集成度高 ，性能稳定，并且造价相对也低。每个分机有惟一的地址码，主机对呼入的号码进行存储，确保呼叫信息不丢失，终端数码管循环显示呼叫地址及声音报警，系统稳定可靠，具有很好的应用前景。

　　2 系统硬件设计

　　系统分为呼叫分机和接收主机。分机用来进行呼叫，编码使用单片机完成，分机的核心电路即是单片机与射频芯片的连接电路。主机负责接收分机发来的信号，并进行解码、显示和报警，主机上设有键盘用于翻查和删除。

　　2.1 系统原理框图
　　系统的原理框图如图1，图2所示。

　　2.2 nRF401介绍

　　2.2.1 nRF401主要性能
　　nRF401是挪威Nordic VLSI公司最新推出的单芯片RF收发机，专为在433 MHz ISM (工业、科研和医疗)频段工作而设计。nRF401使用具有较强抗干扰能力的FSK频率(Frequency Shift Keying)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ASK幅移键控(Amplitude Shift Keying)和OOK开关键(On Off Keying)方式相比，这种方式的通信范围更广，特别是在附近有类似设备工作的场合。

　　其主要特性如下：
　　(1)工作频率为际通用的数传频段；
　　(2)FSK 调制，抗干扰能力强.特别适合工业控制场合；
　　(3)采用PLL频率合成技术，频率稳定性极好；
　　(4)灵敏度高，达到-105 dBm(nRF401)；
　　(5)功耗小。接收状态250 mA，待机状态仅为8 A；
　　(6)最大发射功率达+10 dBm；
　　(7)低工作电压(2.7 V)，可满足低功耗设备的要求；
　　(8)具有多个频道，可方便地切换工作频率；
　　(9)工作速率最高可达20 kb／s(RF401)；
　　(10)仅外接一个晶体和几个阻容、电感元件，基本无需调试；
　　(11)因采用了低发射功率、高接收灵敏度的设计，使用无需申请许可证，开阔地的使用距离最远可达1000 m(与具体使用环境及元件数有关)。

　　2.2.2 nRF401引脚介绍
　　nRF401的引脚如图3所示。

　　CS：频道选择，CS=0 选择工作频道1，即433.92 MHz；CS=1选择工作频道2(即434.33 MHz)。连接AT89C51的P2.5脚；
　　Dout：数据输出，连接AT89C51串口RXD；
　　Din：数据输入，连接AT89C51串口TXD；
　　PWR-UP：节能控制，PWR-UP=1正常工作状态，
　　PWR-UP=0 低功耗节能状态。连接AT89C51的P2.6脚；
　　TXEN：发射接收控制，TXEN=1时，nRF401为发射状态。TXEN=0时，nRF401为接收状态，连接AT89C51的P2.7脚；
　　ANT1和ANT2是接收时信号的输入，以及发送时功率放大器的输出。连接nRF401的天线是以差分方式连接到nRF401的，在天线端推荐的负载阻抗是400Ω。
　　
　　2.2.3 nRF401的典型连接
　　nRF401的典型应用连接图如图4所示，可直接用于单片机或计算机RS 232串口异步传输。

　　从图4中可以看到，外围元件很少，包括一只基准晶振及几只无源器件，没有调试部件，天线用微带天线直接设计在线路板上，这给研制及生产带来了极大的方便。图中L1电感需要用高Q值高精度的贴片绕线高频电感(Q>45)，晶振X1需要用高稳定晶振，电容元件应选用高稳定贴片元件如NPO高稳定电容，以确保其性能。

　　2.3 分机电路设计
　　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压的问题。所以单片机选用AT89C2051，他只有20个引脚，结构精简、体积也小、功耗低，而且在3 V的电压下就能稳定工作。他具有AT89C51的内核，指令系统也一样。分机上所需要的I/O口很少，使用AT89C2051完全能满足要求。

　　分机采用8位拨码开关手动定位来确定分机的地址，若需要将分机移至别的病床，则只需要改变拨盘开关的状态，即可改变分机的号码。如果需要增加床位，则只需要增加分机的数量，每个分机在软硬件上完全一样，只需要在拨盘开关上设置地址码即可，无需在主机上做任何改变，十分方便。nRF401有休眠(Standby)、接收(RX)和发射(TX)3种工作状态，由nRF401的引脚功能可知，这3种状态间的切换由PWR-UP，TXEN 的状态可以确定，DIN，DOUT是串行通信口，分别与单片机的串行通信口相连，CS脚则选择工作频率。nRF401与AT89C2051的连接电路如图5所示。

　　在本设计中，使用nRF401与单片机进行串口通信，只需要将他的数据输入口(DIN)和数据输出口(DOUT)分别与单片机的TXD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AT89C51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，nRF401与AT89C51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LED数码管BSI20-1(共阳极，数字净高12 cm)和高电压大电流驱动器ULN2003，大型LED数码管的每段是由多个LED发光二极管串并联而成的，因此导通电流大、导通压降高。ULN2003是高压大电流达林顿晶体管阵列电路，他具有7个独立的反相驱动器，每个驱动器的输出灌电流可达500 mA，导通时输出电压约1 V，截止时输出电压可达50 V。ULN2003的1～7脚为信号输入脚，依次对应的输出端为16～10脚，8脚为接地端。当驱动电源电压为+12 V时，若要求数码管每段导通电流为40 mA，则每段的限流电阻为50Ω。则一块ULN2003恰好驱动一个LED数码管的7段。大数码管采用共阳极接法，低电平有效。锁存器输出的电平经NPN三极管9014反相后，再由ULN2003放大后推动大数码管显示。

　　2.4.3 报警电路的设计
　　主机在接受到呼叫后，首先进行报警告知值班人员。报警电路可以用单片机P2.0输出1 kHz和500 Hz的音频信号经放大后驱动扬声器，做报警信号，要求1 kHz信号响100 ms，再500 Hz信号响200 ms，交替进行。这里使用音频放大器LM386，他的工作电压为4～ 12 V，输出功率最大可达1 W，输入阻抗为50 kHz。

　　3 系统软件设计

　　3.1 分机系统软件流程图
　　单片机扫描发射键，如果扫描到有发射键按下，系统便扫描拨码开关的状态以确定地址码，然后将射频芯片置于发射状态并且开始地址码传送，地址码传送完毕后再将射频芯片回到接收状态等待确认信息，确认信息收到后点亮确认灯1s，然后休眠状态等待，如此循环工作。其流程如图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，然后调用显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，其主流程图如图7所示。