基于MSP430與DTMF技術(shù)的醫院呼叫對講系統設計

　　16位的MSP430單片機的集成度很高，片內資源豐富，主要的突出特點(diǎn)是低功耗，可以實(shí)現長(cháng)時(shí)間的穩定工作，應用到該系統后，性能得到很好的優(yōu)化，可以提高醫護人員的工作效率和降低他們的勞動(dòng)強度，病人也能得到及時(shí)的護理和醫療，可以顯著(zhù)提高醫院的服務(wù)水平和醫療質(zhì)量。

　　1 DTMF呼叫對講系統介紹

　　1.1 DTMF技術(shù)的介紹

　　DTMF(Dual Tone Multi Frequency)，即雙音多頻，由一個(gè)高頻信號與一個(gè)低頻信號疊加組合成的，分別代表一個(gè)數字或字符。雙音多頻信號，是用兩個(gè)特定的單音頻的組合來(lái)代表數字或功能。高低頻信號各有4種，分別組成高頻群和低頻群，采用8選1的組合方式來(lái)構成DTMF信號，從而有16種組態(tài)，分別可以代表?yè)芴栨I盤(pán)上的0—9、A—D、*、#等16個(gè)字符，按照信號頻率和字符對應列出表格(如表1所示)。由于其具有良好的抗噪聲特性，被廣泛用于通信系統撥號傳輸。

　　1.2 呼叫對講系統的工作原理

　　系統的主機和分機都通過(guò)單片機進(jìn)行控制，由于在整個(gè)呼叫系統中主機只有一個(gè)，是系統的核心模塊，通過(guò)外部總線(xiàn)可以與分機連接，實(shí)現呼叫對講的功能。主機可以在任何時(shí)間接收分機的呼叫，同時(shí)數碼顯示屏和病人信息一覽顯示表能同步和準確地顯示相應的信息，設有一級、二級和三級護理級別，當有多路呼叫信號時(shí)，按護理級別和先后撥打順序循環(huán)顯示。

　　2 系統的總體設計

　　系統在空間上可分為3個(gè)部分，分別為醫護人員值班室、病房和走廊(如圖1所示)。主機、電話(huà)機和病人信息一覽顯示表等安裝在醫護人員值班室，分機安裝在各個(gè)病房的各個(gè)床位，數碼顯示屏安裝在走廊上。主機在待機的時(shí)候，走廊上的數碼顯示屏顯示日期時(shí)間等信息，當有病人使用分機呼叫主機時(shí)，在醫護人員值班室的主機會(huì )發(fā)出響鈴信號同時(shí)病人信息一覽顯示表和走廊上的數碼顯示屏會(huì )顯示相應病人的信息，電話(huà)接通后，醫護人員得知病人的情況，以便準備相應的醫療措施。

　　3 系統主要硬件電路設計

　　3.1 主機的硬件設計

　　本系統主要由單片機、DTMF信號的發(fā)送電路、DTMF信號的接收電路、DTMF信號的解碼電路、振鈴檢測電路、摘掛機檢測電路等部分組成，如圖2所示。 

　　主機的設計采用MSP430F149單片機作為核心控制模塊，它不僅控制著(zhù)主機和分機號碼的收發(fā)，還控制主機和分機的接通、振鈴信號的通斷、顯示等功能。系統處在正常工作狀態(tài)下，當主機呼叫分機時(shí)，通過(guò)相應的信號檢測，主機電話(huà)機摘機后，撥打分機號碼，經(jīng)過(guò)DTMF信號解碼后發(fā)送到相應的分機，分機電話(huà)機摘機后，主機和分機便可以實(shí)現通話(huà)，通話(huà)結束后掛機。當醫護人員需要廣播時(shí)，啟動(dòng)群呼功能，主機對所有分機廣播，掛機后結束。當有分機呼叫主機時(shí)，主機接收到信號后對其進(jìn)行編碼，通過(guò)解碼電路送入單片機，CPU讀取信息后，顯示電路顯示相應分機的號碼和呼叫時(shí)間，主機電話(huà)機摘機后，振鈴信號清除，分機和主機便可以實(shí)現通話(huà)。

　　3.2 DTMF信號收發(fā)電路

　　本系統的DTMF信號收發(fā)電路采用MT8880，它集成度高，功耗低，能用于發(fā)送和接收DTMF信號。使用Protues設計收發(fā)電路，如圖3所示，A端口接入到總線(xiàn)，B端口是DTMF信號收發(fā)端。MT8880使用標準的單片機控制接口，單片機可以精確地完成接收和發(fā)送功能。 

　　處于發(fā)送狀態(tài)時(shí)，數據總線(xiàn)上的4位二進(jìn)制碼鎖存到發(fā)送數據寄存器，發(fā)送的信號頻率由晶振頻率通過(guò)分頻產(chǎn)生，在基準頻率中分離出8個(gè)不同的頻率信號再按八取二的組合方式選擇出一組高低頻率從而合成一個(gè)DTMF信號。處于接收狀態(tài)時(shí)，DFMF信號輸入后，被分離成一組高低頻率信號，檢測到后譯成對應的4位二進(jìn)制碼，隨后鎖存在接收數據鎖存器中。

　　3.3 信號的解碼電路

　　主機呼叫分機利用電話(huà)機的撥號原理，主機電話(huà)機撥打分機號碼，發(fā)出的DTMF信號通過(guò)解碼電路獲得對應分機的地址信號。本系統采用MT8888作為解碼器芯片，它的功能強大，具有電路簡(jiǎn)單、功耗低、穩定性高和抗干擾能力強等特點(diǎn)，該芯片外同電子元件少，很容易與MCU接口相連。由Protues設計出解碼電路，如圖4所示，單片機的P1.1端用作讀選通功能接到MT8888的RD端，P1.2端用作寫(xiě)選通功能接到MT8888的WR端，圖中電路當有DTMF信號輸入時(shí)，鎖存到輸出寄存器中，使得IRQ端輸出高電平，CPU查詢(xún)到該信號后對MT8888進(jìn)行控制，使得RD和CS端有效，同時(shí)把代表所撥號碼的4位二進(jìn)制碼傳送至CPU處理。

　　3.4 振鈴檢測電路

　　當有用戶(hù)呼叫本機時(shí)，電話(huà)交換機發(fā)來(lái)鈴流信號，因此可以通過(guò)檢測有無(wú)鈴流信號來(lái)判斷有無(wú)呼叫信號。本系統的振鈴檢測電路由4個(gè)二極管D1～D4，2個(gè)穩壓二極管D5、D6，1個(gè)電阻R和1個(gè)電容C組成，IN1端與IN2端是鈴流信號輸入端，OUT1端與OUT2端是振鈴檢測輸出端。當沒(méi)有振鈴信號輸入的時(shí)候，穩壓管D5不能導通，振鈴檢測電路的輸出端電壓近似為0V，此時(shí)檢測結果為沒(méi)有振鈴信號;當有振鈴信號輸入的時(shí)候，由于二極管D1～D4組成的電路具有整流作用，信號變換成脈動(dòng)直流電，通過(guò)電阻R對電容C充電，振鈴檢測電路的輸出端產(chǎn)生電壓，此時(shí)檢測結果為有振鈴信號。在電路中的穩壓二極管D6的作用是限制振鈴信號的幅值，防止輸入電壓過(guò)火而燒壞電路元件。

　　3.5 摘掛機檢測電路

　　掛機檢測電路用于檢測摘掛機狀態(tài)，并將其輸入單片機控制系統。摘掛機的檢測信號輸入到單片機的P1.3引腳，磁鐵裝在話(huà)筒上，干簧管裝在電話(huà)機內部，利用干簧管的合上與斷開(kāi)可以實(shí)現話(huà)筒和話(huà)機合上與斷開(kāi)。電話(huà)機摘機時(shí)，話(huà)筒和話(huà)機分開(kāi)，由于失去了磁鐵的吸引作用，干簧管的彈片斷開(kāi)，P1.3引腳輸入高電平;電話(huà)機掛機時(shí)，話(huà)筒與話(huà)機合上，由于磁鐵的的吸引作用，P1.3引腳輸入低電平，這樣可以通過(guò)查詢(xún)P1.3引腳的電平狀態(tài)來(lái)檢測摘掛機。

　　4 系統軟件設計

　　根據需要，設計出主機的呼叫工作流程圖(如圖5所示)。主機處在空閑狀態(tài)下，即沒(méi)有呼叫和通話(huà)時(shí)，走廊上的數碼顯示屏會(huì )顯示實(shí)時(shí)的口期和時(shí)間等信息，同時(shí)主機會(huì )不斷進(jìn)行中斷查詢(xún)，判斷此時(shí)是否有分機發(fā)送的呼叫信號，若沒(méi)有的話(huà)就執行按鍵查詢(xún)，判斷是否撥號呼叫;當主機與分機進(jìn)行通話(huà)時(shí)，雙方接通后，此時(shí)數碼顯示屏會(huì )顯示病人的相關(guān)信息，如病房號、床位號等。

　　5 實(shí)驗仿真分析

　　為了驗證DTMF信號的可靠性，應用MATLAB進(jìn)行仿真實(shí)驗。需要設置一組DTMF信號頻率組，本實(shí)驗選擇按鍵“0”的DTMF信號，其對應的頻率組為1 366 Hz和941 Hz，導入到MATLAB后可以得到該信號的時(shí)域波形圖(如圖6所示)，再選擇其它頻率組進(jìn)行仿真實(shí)驗也得到類(lèi)似的結果。由此實(shí)驗可說(shuō)明一組高低頻率可以有效地組合成一個(gè)DTMF信號，并且能被準確的識別和處理，由于DTMF撥號速率的高效性，避免了傳統的撥號方式帶來(lái)的缺陷，確保信號準確無(wú)誤地傳送，可以肯定本系統的可行性。

　　6 結束語(yǔ)

　　本系統結構設計比較簡(jiǎn)單，以MSP430F149單片機作為控制核心，采用DTMF信號的通信技術(shù)，能有效地降低系統的成本，提高其可靠性和抗干擾能力。本系統的組裝和維護方便，操作簡(jiǎn)單，便于醫護人員和病人使用，病人能直接與值班室的醫護人員交流，很好地改善了醫患關(guān)系，讓醫護人員及時(shí)了解病人的現狀，病人也能得到悉心的護理和對醫院的信任度也有所提高。本文所研究的系統重點(diǎn)在于設計一個(gè)有效、方便的呼叫對講系統，基本上達到了設計目標，但是科技總是不斷發(fā)展的，技術(shù)會(huì )逐步更新，今后醫院呼叫對講系統的功能也會(huì )不斷地完善。