基于MSP430與DTMF技術(shù)的醫(yī)院呼叫對(duì)講系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：當(dāng)今國(guó)內(nèi)的醫(yī)院護(hù)理系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，采用MSP430單片機(jī)與DTMF技術(shù)設(shè)計(jì)醫(yī)院呼叫對(duì)講系統(tǒng)，該系統(tǒng)以MSP430F149單片機(jī)作為控制核心，采用DTMF信號(hào)收發(fā)電路、DTMF信號(hào)編譯碼電路、振鈴檢測(cè)電路和顯示電路等外圍電路，通過(guò)進(jìn)行硬件模擬實(shí)驗(yàn)和MATLAB軟件仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性和可靠性，可以實(shí)現(xiàn)撥號(hào)通話、顯示信息、廣播和護(hù)理級(jí)別設(shè)置等功能。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，主機(jī)芯片MSP430F149實(shí)現(xiàn)了低功耗，系統(tǒng)安裝方便簡(jiǎn)單而且易于維護(hù)，成本比較低，具有較高的實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：DTMF；單片機(jī)；信號(hào)檢測(cè)；呼叫對(duì)講系統(tǒng)

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是電子信息技術(shù)的不斷更新，醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)也逐步深化改革，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化醫(yī)療成為醫(yī)院未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，醫(yī)院呼叫對(duì)講系統(tǒng)是提高醫(yī)院的護(hù)理水平的重要設(shè)備之一，其基本功能就是通過(guò)一種簡(jiǎn)便的途徑使護(hù)理對(duì)象與醫(yī)護(hù)人員達(dá)成溝通。16位的MSP430單片機(jī)的集成度很高，片內(nèi)資源豐富，主要的突出特點(diǎn)是低功耗，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定工作，應(yīng)用到該系統(tǒng)后，性能得到很好的優(yōu)化，可以提高醫(yī)護(hù)人員的工作效率和降低他們的勞動(dòng)強(qiáng)度，病人也能得到及時(shí)的護(hù)理和醫(yī)療，可以顯著提高醫(yī)院的服務(wù)水平和醫(yī)療質(zhì)量。

1 DTMF呼叫對(duì)講系統(tǒng)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(hào)與一個(gè)低頻信號(hào)疊加組合成的，分別代表一個(gè)數(shù)字或字符。雙音多頻信號(hào)，是用兩個(gè)特定的單音頻的組合來(lái)代表數(shù)字或功能。高低頻信號(hào)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(gòu)成DTMF信號(hào)，從而有16種組態(tài)，分別可以代表?yè)芴?hào)鍵盤上的0—9、A—D、*、#等16個(gè)字符，按照信號(hào)頻率和字符對(duì)應(yīng)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(tǒng)撥號(hào)傳輸。

1．2 呼叫對(duì)講系統(tǒng)的工作原理
系統(tǒng)的主機(jī)和分機(jī)都通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行控制，由于在整個(gè)呼叫系統(tǒng)中主機(jī)只有一個(gè)，是系統(tǒng)的核心模塊，通過(guò)外部總線可以與分機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)呼叫對(duì)講的功能。主機(jī)可以在任何時(shí)間接收分機(jī)的呼叫，同時(shí)數(shù)碼顯示屏和病人信息一覽顯示表能同步和準(zhǔn)確地顯示相應(yīng)的信息，設(shè)有一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)護(hù)理級(jí)別，當(dāng)有多路呼叫信號(hào)時(shí)，按護(hù)理級(jí)別和先后撥打順序循環(huán)顯示。

2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
系統(tǒng)在空間上可分為3個(gè)部分，分別為醫(yī)護(hù)人員值班室、病房和走廊(如圖1所示)。主機(jī)、電話機(jī)和病人信息一覽顯示表等安裝在醫(yī)護(hù)人員值班室，分機(jī)安裝在各個(gè)病房的各個(gè)床位，數(shù)碼顯示屏安裝在走廊上。主機(jī)在待機(jī)的時(shí)候，走廊上的數(shù)碼顯示屏顯示日期時(shí)間等信息，當(dāng)有病人使用分機(jī)呼叫主機(jī)時(shí)，在醫(yī)護(hù)人員值班室的主機(jī)會(huì)發(fā)出響鈴信號(hào)同時(shí)病人信息一覽顯示表和走廊上的數(shù)碼顯示屏?xí)@示相應(yīng)病人的信息，電話接通后，醫(yī)護(hù)人員得知病人的情況，以便準(zhǔn)備相應(yīng)的醫(yī)療措施。

3 系統(tǒng)主要硬件電路設(shè)計(jì)
3．1 主機(jī)的硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)主要由單片機(jī)、DTMF信號(hào)的發(fā)送電路、DTMF信號(hào)的接收電路、DTMF信號(hào)的解碼電路、振鈴檢測(cè)電路、摘掛機(jī)檢測(cè)電路等部分組成，如圖2所示。

主機(jī)的設(shè)計(jì)采用MSP430F149單片機(jī)作為核心控制模塊，它不僅控制著主機(jī)和分機(jī)號(hào)碼的收發(fā)，還控制主機(jī)和分機(jī)的接通、振鈴信號(hào)的通斷、顯示等功能。系統(tǒng)處在正常工作狀態(tài)下，當(dāng)主機(jī)呼叫分機(jī)時(shí)，通過(guò)相應(yīng)的信號(hào)檢測(cè)，主機(jī)電話機(jī)摘機(jī)后，撥打分機(jī)號(hào)碼，經(jīng)過(guò)DTMF信號(hào)解碼后發(fā)送到相應(yīng)的分機(jī)，分機(jī)電話機(jī)摘機(jī)后，主機(jī)和分機(jī)便可以實(shí)現(xiàn)通話，通話結(jié)束后掛機(jī)。當(dāng)醫(yī)護(hù)人員需要廣播時(shí)，啟動(dòng)群呼功能，主機(jī)對(duì)所有分機(jī)廣播，掛機(jī)后結(jié)束。當(dāng)有分機(jī)呼叫主機(jī)時(shí)，主機(jī)接收到信號(hào)后對(duì)其進(jìn)行編碼，通過(guò)解碼電路送入單片機(jī)，CPU讀取信息后，顯示電路顯示相應(yīng)分機(jī)的號(hào)碼和呼叫時(shí)間，主機(jī)電話機(jī)摘機(jī)后，振鈴信號(hào)清除，分機(jī)和主機(jī)便可以實(shí)現(xiàn)通話。
3．2 DTMF信號(hào)收發(fā)電路
本系統(tǒng)的DTMF信號(hào)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(hào)。使用Protues設(shè)計(jì)收發(fā)電路，如圖3所示，A端口接入到總線，B端口是DTMF信號(hào)收發(fā)端。MT8880使用標(biāo)準(zhǔn)的單片機(jī)控制接口，單片機(jī)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(shù)據(jù)總線上的4位二進(jìn)制碼鎖存到發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器，發(fā)送的信號(hào)頻率由晶振頻率通過(guò)分頻產(chǎn)生，在基準(zhǔn)頻率中分離出8個(gè)不同的頻率信號(hào)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(hào)。處于接收狀態(tài)時(shí)，DFMF信號(hào)輸入后，被分離成一組高低頻率信號(hào)，檢測(cè)到后譯成對(duì)應(yīng)的4位二進(jìn)制碼，隨后鎖存在接收數(shù)據(jù)鎖存器中。
3．3 信號(hào)的解碼電路
主機(jī)呼叫分機(jī)利用電話機(jī)的撥號(hào)原理，主機(jī)電話機(jī)撥打分機(jī)號(hào)碼，發(fā)出的DTMF信號(hào)通過(guò)解碼電路獲得對(duì)應(yīng)分機(jī)的地址信號(hào)。本系統(tǒng)采用MT8888作為解碼器芯片，它的功能強(qiáng)大，具有電路簡(jiǎn)單、功耗低、穩(wěn)定性高和抗干擾能力強(qiáng)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(shè)計(jì)出解碼電路，如圖4所示，單片機(jī)的P1．1端用作讀選通功能接到MT8888的RD端，P1．2端用作寫選通功能接到MT8888的WR端，圖中電路當(dāng)有DTMF信號(hào)輸入時(shí)，鎖存到輸出寄存器中，使得IRQ端輸出高電平，CPU查詢到該信號(hào)后對(duì)MT8888進(jìn)行控制，使得RD和CS端有效，同時(shí)把代表所撥號(hào)碼的4位二進(jìn)制碼傳送至CPU處理。

3．4 振鈴檢測(cè)電路
當(dāng)有用戶呼叫本機(jī)時(shí)，電話交換機(jī)發(fā)來(lái)鈴流信號(hào)，因此可以通過(guò)檢測(cè)有無(wú)鈴流信號(hào)來(lái)判斷有無(wú)呼叫信號(hào)。本系統(tǒng)的振鈴檢測(cè)電路由4個(gè)二極管D1～D4，2個(gè)穩(wěn)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(hào)輸入端，OUT1端與OUT2端是振鈴檢測(cè)輸出端。當(dāng)沒有振鈴信號(hào)輸入的時(shí)候，穩(wěn)壓管D5不能導(dǎo)通，振鈴檢測(cè)電路的輸出端電壓近似為0V，此時(shí)檢測(cè)結(jié)果為沒有振鈴信號(hào)；當(dāng)有振鈴信號(hào)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(hào)變換成脈動(dòng)直流電，通過(guò)電阻R對(duì)電容C充電，振鈴檢測(cè)電路的輸出端產(chǎn)生電壓，此時(shí)檢測(cè)結(jié)果為有振鈴信號(hào)。在電路中的穩(wěn)壓二極管D6的作用是限制振鈴信號(hào)的幅值，防止輸入電壓過(guò)火而燒壞電路元件。
3．5 摘掛機(jī)檢測(cè)電路
掛機(jī)檢測(cè)電路用于檢測(cè)摘掛機(jī)狀態(tài)，并將其輸入單片機(jī)控制系統(tǒng)。摘掛機(jī)的檢測(cè)信號(hào)輸入到單片機(jī)的P1．3引腳，磁鐵裝在話筒上，干簧管裝在電話機(jī)內(nèi)部，利用干簧管的合上與斷開可以實(shí)現(xiàn)話筒和話機(jī)合上與斷開。電話機(jī)摘機(jī)時(shí)，話筒和話機(jī)分開，由于失去了磁鐵的吸引作用，干簧管的彈片斷開，P1．3引腳輸入高電平；電話機(jī)掛機(jī)時(shí)，話筒與話機(jī)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P1．3引腳的電平狀態(tài)來(lái)檢測(cè)摘掛機(jī)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
根據(jù)需要，設(shè)計(jì)出主機(jī)的呼叫工作流程圖(如圖5所示)。主機(jī)處在空閑狀態(tài)下，即沒有呼叫和通話時(shí)，走廊上的數(shù)碼顯示屏?xí)@示實(shí)時(shí)的口期和時(shí)間等信息，同時(shí)主機(jī)會(huì)不斷進(jìn)行中斷查詢，判斷此時(shí)是否有分機(jī)發(fā)送的呼叫信號(hào)，若沒有的話就執(zhí)行按鍵查詢，判斷是否撥號(hào)呼叫；當(dāng)主機(jī)與分機(jī)進(jìn)行通話時(shí)，雙方接通后，此時(shí)數(shù)碼顯示屏?xí)@示病人的相關(guān)信息，如病房號(hào)、床位號(hào)等。

5 實(shí)驗(yàn)仿真分析
為了驗(yàn)證DTMF信號(hào)的可靠性，應(yīng)用MATLAB進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。需要設(shè)置一組DTMF信號(hào)頻率組，本實(shí)驗(yàn)選擇按鍵“0”的DTMF信號(hào)，其對(duì)應(yīng)的頻率組為1 366 Hz和941 Hz，導(dǎo)入到MATLAB后可以得到該信號(hào)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(yàn)也得到類似的結(jié)果。由此實(shí)驗(yàn)可說(shuō)明一組高低頻率可以有效地組合成一個(gè)DTMF信號(hào)，并且能被準(zhǔn)確的識(shí)別和處理，由于DTMF撥號(hào)速率的高效性，避免了傳統(tǒng)的撥號(hào)方式帶來(lái)的缺陷，確保信號(hào)準(zhǔn)確無(wú)誤地傳送，可以肯定本系統(tǒng)的可行性。

6 結(jié)束語(yǔ)
本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，以MSP430F149單片機(jī)作為控制核心，采用DTMF信號(hào)的通信技術(shù)，能有效地降低系統(tǒng)的成本，提高其可靠性和抗干擾能力。本系統(tǒng)的組裝和維護(hù)方便，操作簡(jiǎn)單，便于醫(yī)護(hù)人員和病人使用，病人能直接與值班室的醫(yī)護(hù)人員交流，很好地改善了醫(yī)患關(guān)系，讓醫(yī)護(hù)人員及時(shí)了解病人的現(xiàn)狀，病人也能得到悉心的護(hù)理和對(duì)醫(yī)院的信任度也有所提高。本文所研究的系統(tǒng)重點(diǎn)在于設(shè)計(jì)一個(gè)有效、方便的呼叫對(duì)講系統(tǒng)，基本上達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，但是科技總是不斷發(fā)展的，技術(shù)會(huì)逐步更新，今后醫(yī)院呼叫對(duì)講系統(tǒng)的功能也會(huì)不斷地完善。