基于ZigBee的无线病房呼叫系统主控中心的硬件设计

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基于的无线病房呼叫系统主控中心的硬件设计摘要病房呼叫系统是病人与值班医生通信的基本手段,占据着重要的位置。对于古老的病房呼叫系统来说,几乎都是采用有线方案,有线方案一般存在布线苦难,不便于安装和维修,而且有线方案不具备移动呼叫功能,使很多病人延误了救治的良机,即使那些已经应用无线通信技术的病房呼叫系统,也往往存在功能相对单一,不能满足现代化的要求。因此,一种新型的无线病房呼叫系统有待研发以用来改善这些缺点。首先,本文分析了我国医院对病房呼叫系统的实际需求,针对医院所需的安全性、稳定性、灵活性、低功耗、成本等因素设计了本文的无线病房呼叫系统的总体解决方案。该方案克服了传统有线方案中无法方便的增加或减少系统节点,具有病人可随身携带及方便使用的特点,可以提高医护人员的工作效率及对病人的服务水平,保证了病人的安全。我们使用无线通信技术做为病房呼叫系统的通信技术。并使用广泛应用的做为中心处理器。处理器芯片采用三星公司的,该芯片接口丰富、功能强大满足系统要求。无线收发芯片则采用基于协议的芯片。并在系统中加入了网络功能,通过网络可以方便的实现医院领导对中心护士站的实时监控,以及对中心数据的实时查阅。网络芯片选用了常用的网络芯片,方便了软件的开发与升级。系统丰富了显示接口,使用了美国公司生产的高速视频数模转换芯片作为转接口的转换芯片,系统可以同时支持显示和显示,满足了应用需求。对系统采用模块化设计,便于开发和升级,主要包括无线通信模块、存储模块、电源模块,按键模块,传输模块、显示模块、网络模块。模块之间即能独立的完成自己的功能又可以通过紧密结合。关键词无线病房;呼叫系统;;-I- HardwareDesignofWirelessWardCallingSystermControllCenterBasedonZigBeeAbstractWardcallingsystemisthebasicmeansofcommunicationbetweenapatientandthedoctoronduty,occupyinganimportantposition.Callsfortheoldwardsystemforexample,almostallwithcableprograms,generallythereiswiringsufferingwithcableprogram,noteasytoinstallandmaintenance,andcableprogramsdonothavemobilecallingfeaturesthatenablemanypatientsdelaythegoodopportunityfortreatment.Eventhosewhohavealreadyappliedwardapplicationwirelesscommunicationtechnologycallsystem,oftenwiththepresenceoffunctionalrelativelyhomogeneous,cannotmeetmodernrequirements.Thereforeanewwirelesswardcallingsystemistobedevelopedinordertoimprovetheseshortcomings.First,thepaperanalyzestheactualneedsofwardscallingsysteminChinesehospitals,accordingtothehospitalneededsecurity,stability,flexibility,lowpowerconsumption,costandotherfactorsdesignedtotalsolutionofwirelesswardcallingsysteminthispaper.Theprogramovercomestheproblemthattraditionalcableprogramscannoteasilyincreaseordecreasethesystemnodes,withthefeaturesthatpatientcancarryandeasytousecanenhancestaffefficiencyandthelevelofserviceandensurepatientsafety.WeusethewirelesscommunicationtechnologyZigBeeasawardcallingsystemofcommunicationtechnologies.UsethewidelyusedARM9asacenterprocessor.ProcessorchipisSamsungS3C2410,thechipinterfacerichandpowerfulcanmeetthesystemrequirements.WirelesstransceiverchipusedtheCC2420basedonchipZigBeeprotocol,andinthesystemjoinedthenetworkfunction,whichcanbeusedbyhospitalleadertoachievethereal-timemonitoringofcentralnursestationeasily,aswellasreal-timeaccesstocentraldata.NetworkchipsusedtheCS8900networkchip,conveniencetothesoftwaredevelopmentandupgrades.System-II- enrichesthedisplayinterface,usinghigh-speedvideodigital-analogconversionchipADV7120producedbytheU.S.ADI,astheconversionchipofLCDswitchingtoVGAinterface,sothatthesystemcansupportVGAdisplayandLCDdisplaytomeettheapplicationrequirements.Thesystemusedmodulardesign,easytodevelopmentandupgrades,mainlyinclude2.4GHzwirelesscommunicationmodules,Flashmemorymodules,powermodules,keyscanmodules,USBTransportModule,VGAdisplaymodule,networkmodule.ItisabletofulfillitsfunctionsindependentlyaswellasbecloselyintegratedbyCPUbetweenmodules.KeywordsWirelessward,Callingsystem,ZigBee,ARM9-III- 目录摘要第章绪论课题研究目的与意义国内外研究现状及发展趋势病房呼叫系统国外现状与发展趋势病房呼叫系统国内现状与发展趋势课题主要研究内容第章系统相关技术概述技术概述典型短距离无线数据网络技术比较短距离无线通信标准典型芯片介绍处理器概述处理器应用领域及特点处理器系列与结构处理器的应用选型系统主控芯片简介本章小结第章系统核心硬件设计无线病房呼叫系统总体设计系统核心硬件电路设计电源电路的设计复位电路设计存储模块设计模块电路设计本章小结第章系统功能模块硬件设计及显示模块设计 4.1.1LCD接口模块设计接口模块设计按键电路设计按键工作原理键盘电路硬件设计异步串行接口模块设计串行通信原理串口通信硬件电路设计模块设计总线介绍接口硬件设计以太网控制器模块设计芯片简介以太网硬件电路设计无线传输模块设计简介无线通信模块电路设计本章小结第章系统板的可靠性设计系统板的干扰性分析通过布局抑制干扰通过布线抑制干扰本章小结结论参考文献附录攻读硕士期间所发表的学术论文致谢 第章绪论课题研究目的与意义随着医疗行业信息化的不断步入,国内许多大中型医院都已经实现了病房的实时呼叫。然而面对患者越来越个性化的要求,面对减少医疗事故带来的压力,以及为了更好的适应现代化的脚步,达到无线化,网络化的普及,医院急需引入新的病房呼叫系统将现有病房呼叫系统升级。信息化、科学化的概念已渗透到医疗行业之中,医护模式也必须实现由传统管理向信息管理的转变,向智能化,电子化,信息化,网络化的高科技模式的方向发展,只有这样才能适应现代化医院科学管理的需要。“病房呼叫系统”可实现对医院病房的智能化管理,它有着实现呼叫、监听、广播、求救报警、信息贮存、显示等功能,为医院和患者都带来方便。病房呼叫系统是病人请求值班医生或护士进行诊断或护理的紧急呼叫工具,可将病人的请求快速传送给值班医生或护士,并在值班室的监控中心上留下准确完整的记录,是提高医院和病室护理水平的必备设备之一。呼叫系统是日常护理和紧急抢救的重要通信手段,是提高医院和病室护理水平的必备设备;医疗监护产品的无线化、网络化是发展趋势;移动型、具备无线联网功能的监护产品将成为未来市场的主流;呼叫系统的优劣直接关系到病员的安危,历来受到各大医院的普遍重视;病房呼叫系统要求及时、准确、可靠、简便可行、利于推广。病房呼叫系统是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。但有线呼叫系统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。更加重要的是,当发生紧急情况时,病人无法及时有效地触及固定的呼叫按钮,通知医护人员,严重关系到病人的安危。为克服以上不足,无线病房呼叫系统应运而生。无线通信产品的市场迅速发展,最近也掀起了一场无线应用的革命,无线技术已经成为产品竞争力的一个重要因素。从发展的角度来看,病房呼叫系统产品的无线化、网络化是发展趋势,具备无线联网、移动型功能的呼叫产品将-1- 成为市场的主流。这也要求病房呼叫系统主控单元的具有更强大的处理能力,具有移植操作系统的能力,以及更为强大的存储能力。因此本设计的主控单元的采用三星公司的芯片芯片。本设计以无线射频模块作为无线收发模块,该模块功耗低,抗干扰能力强,且使用频段,频率无需申请。可广泛应用于无线数据采集系统,应用前景十分广泛。基于无线传输协议的病员呼叫系统,避免了以往系统布线困难的缺点。本设计采用协议,以呼叫控制台作为网络协调器,呼叫分机作为终端节点,并在每个房间配置路由器作为信号中导。系统经过初始配置后,能够对病员呼叫进行报警,同时提示床位号和所在房间号,并具有完备的网络故障检测机制。系统安装方便、智能高、可扩展性强,符合病房呼叫系统的发展趋势。安装有病房无线呼叫系统的医院,病房里每个床位边都装有一个呼叫按钮,且按钮体积很小,并可以任意移动。当病人需要帮助时,按下呼叫按钮,护土办公室里呼叫显示板上相应房间号的指示灯点亮并报警,值班护土一看就知道哪个房间的病人需要帮助或需要进行抢救。且中央处理单元具备很强的处理能力可以与现有的互联网互联,存储大量数据,运算速度也相对较快,易于升级,符合现在数字化发展的趋势。并且在主控中心装有监控装置,以满足医院领导对护士站的实时了解。丰富了系统功能。因此该系统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。并且该系统稍作升级即可用与医院输液室,病房,监护室,护理院敬老院疗养院,聋哑学校,干休所娱乐场所,俱乐部等多种领域,具有广阔的发展前景。国内外研究现状及发展趋势病房呼叫系统国外现状与发展趋势医疗呼叫系统的发展水平是不平衡的,美国和欧洲要领先其他国家很多。欧洲国家起步早投入大,技术成熟。国外发展的状况总是比国内现今状况优越许多。而像其他病房呼叫系统子系统或者相关产品发展水平也比较高。比如医院的信息老化系统(),和电子病例()以及图片存档及通信系统()等技术非常成熟。国外的病房呼叫系统现在大体都以无线呼叫系统为主,以用了许多无线通信技术,诸如蓝牙,,调频方式,而自从年联盟发布免费的协议以来,以其独特的优势迅-2- 速被无数医疗研究中心所重视。并深入到其他的各个领域。网络频率无需申请免费使用,功耗低,通信可靠,组网能力强,网络容量大,数据安全,具有专用的加密措施。在美国,韩国,日本等一些发达国家现在已基本成熟。且其功能以足够强大,不但具备传统的呼叫,报警等基本功能,而且以深入到网络监控,远程医疗等各个领域。病房呼叫系统国内现状与发展趋势医疗电子现在中国正处于发展阶段,过去几年的发展势头将会延续下去。据市场调研机预计,年全球医疗器材市场将突破亿美元,其中,医疗电子将占%,达到亿美元的规模。未来几年,中国医疗电子市场年均复合增长率达,年中国医疗电子市场规模有望接近亿元。消费和通信等行业主要受到消费者意愿以及支出能力的影响。在这方面,医疗电子行业有所不同,推动其发展的不仅有消费者需求,还有人口老化、医疗成本上升等全球问题。医疗保健行业希望技术进步能够帮助解决此类问题。其结果是医疗市场的发展相对稳健,较少受到泡沫经济的影响。赛迪顾问公司的高级副总裁吕国英认为是医疗呼叫系统的首选。飞思卡尔无线连接产品部营销经理也认为,在数字无线通信领域中,像这种低功耗的解决方案才是未来数字通信的大势所趋,较低的系统成本是成功的最有力武器。在中国,考虑到巨额的专利使用费,选择一个开放的标准是明智的选择。有人说我们国家企业每年所缴纳的外国专利使用费可能是好几个八国联军赔款的总额。因此巨大的开支严重的影响了我国经济发展的脚步。而使用免费频段,频率无需申请,的确可以给广大厂商家带来足够的动力,所以的前景非常被看好。针对与现在科技的迅猛发展,以及对处理器能力的高要求,本系统打算采用现今比较流行的芯片。公司成立于英国剑桥,主要靠出售技术授权来盈利,并不生产具体芯片。目前,采用核心的处理器,已得到广泛应用,已遍及工业控制、数码产品、家庭娱乐、网络通信无线传输等各个领域。应用位处理器核心的电子设备技术几乎占据了所有位处理器的的市场份额。技术已经渗透到我们生活的各个方面,可以说,在我们的生活环境中,已经成为了不可或缺的一部分。目前在市面上常见的处理器架构主要有系列、系列、、-3- ARM11、等。前不久又刚刚推出系列。提供一系列内核、体系扩展、微处理器和系统芯片方案。由于所有产品均采用一个通用的软件体系,所以相同的软件可在所有产品中运行。体系结构目前被公认为是世界领先的位嵌入式微处理器结构。每一次体系结构的重大修改,都会产生新的变革,做到新的突破,产生更适用的技术。体系修改之后,都产生新的性能上的改变作为体系结构的变体。公司为为满足合作者以及电子领域的需求一直在不断的努力着。目前的收入来源已经实现了多元化:首先是专利授权费用,这是客户采用专利时一次性付给的费用;其次是按照一定比例收取客户产品的专利使用费,即客户每卖出一片芯片,就收取同等比例的费用。这两项专利技术收入分别占公司总收入的和。另外,该公司在设计工具销售方面的收入有左右,剩下的来自设计顾问服务和培训支持服务等。值得注意的是,在年第一季度,专利使用费用比上一季度大幅上涨了,而其合作伙伴卖出的芯片数量也亿片上升到亿片。这表明,不仅仅自己发家致富,也为合作伙伴带来了财运。正是采用共生共存互利双赢的的合作方式,为客户创造利润的同时,也为自己觅得了商机。同时也为我们的使用系列芯片创造了便利的条件。到目前技术以相当的成熟,性价比也可以满足绝大多数用户的需求。课题主要研究内容为了克服以往病房呼叫系统的缺点,改善医院的医疗环境,减轻医生、护士的工作量,提高救护效率,更好的为病人服务,从成本,性能等多方面因素考虑,本文设计了一种基于的无线病房呼叫系统来解决以上问题。本课题的主要研究内容是分析比较以往病房呼叫系统并设计出一种功能丰富,便于使用和安装,满足现代人需求的新系统,实现病房呼叫系统的无线化,网络化。因此我们采用了以为中心处理器,以技术为无线传输技术的总体方案。此系统采用三星公司生产的做为中心处理器进行对整个系统的协调控制,使用公司生产的芯片做为无线传输芯片实现对病人呼叫信息的实时传输。采用总分式的模块化设计,确定所需模块电路。对各模块电路进行芯片比较与选择,分析各芯片的使用方法,确定模块连接图,对整个系统的原理图进行绘制,对系统关键模块进行特殊考虑,提高系统的可靠性。-4- 第章系统相关技术概述技术概述在中国被译为紫蜂,它与蓝牙相类似,是一种最近几年才流行的无线传输技术,以其低功耗,网络容量大的主要优点,迅速得到普及。技术是基于协议的无线网络传输技术。在不同的国家所使用的频段是不同的,在中国主要使用的的免费频段,而在美国其主要应用的是频段,而的频段则主要用于欧洲等国家。在中国使用的的频段无须申请,使用也无须缴纳费用。因此深受工业领域及控制领域青睐。无线传输可容纳的信道数最大为个,最多可加入节点数为个。可方便的使用户节点加入,适合大规模应用。基于以上优点,技术被广泛应用与低速率传输领域。典型短距离无线数据网络技术比较与传统的无线通信技术比起来,主要具有以下技术优势:低功耗。在低耗电待机模式下,节号干电池可支持个节点工作～个月,这是的突出优势。相比较,在同样电池的情况下蓝牙只能工作数周而却只能工作数小时。图为几种无线技术传输距离比较。图几种无线通信协议比较图-5- 2.低成本。通过大幅简化协议(不到蓝牙的),降低了对通信控制器的要求。网络容量大。可采用多种拓扑结构,如星形、树形、网形。若采用网形的拓扑结构,最大可容纳节点数为个,表所示为几种主要无线通信方式对照表。表几种无线通信技术比较市场名标准应用重点广阔范数围据声音图、像、电缆替代品检测控制系统资源电池寿命至天至天至天至天网络大小带宽()传输距离米米米米成功尺度覆盖面积、质量速度、灵活性价格便宜、方便可靠、低功耗通过上表可以发现,还具有网络容量大,传输可靠,以及系统资源丰富等优点,适合于控制类应用。短距离无线通信标准无线通信协议适合于传输距离较近的应用中,传输距离为米。但一般由于障碍物等影响传输距离都比较近,而且要想达到最大传输距离还要加入功率放大器。但是无线传输技术的主要优点是低功耗,以及网络容量大。无线技术适合于大网络的应用,可以随时加入节点,适合于组建网络。因此的主要应用领域为对功耗有特殊要求,以及对网络节点个数要求严格的场所。相对于其他无线传输技术,协议的结构显得更加简单以及紧密。如图所示,协议栈的结构由上到下依次为高端应用层、中间协议层、以及底层硬件层。底层硬件层是这三层中最重要的一层,几乎所有的应用到协议的模块都包含底层硬件层。底层硬件模块主要分为三个部分,分别为:射频部分、无线收发器以及底层控制模块。协议规定了两个可用的物理层标准,中国常用的是的物理-6- 层标准。物理层标准主要用于欧美等国家。两物理层都是基于直接序列扩频技术,使技术在无线通信领域获得令人满意的抗噪声干扰性能。并使用相同的数据包传输格式;他们的主要区别在于工作频率的而不同,传输速率的不同,以及调制解调的方式不同。图协议结构底层控制模块提供了了物理无线信道和媒体访问控制子层之间的接口,主要用于管理物理层的数据。负责对无线物理信道的上的数据收发,并维护一个数据库,此数据库主要有物理层的数据组成。中间协议层介于层与应用层之间,通过该层与上层的数据实体接口和管理实体接口为应用层提供服务,同时通过与下层的相应接口指示层进行工作。在的最上层为高端应用层,负责上层用户与底层通信。其位于网络层之上,向上连接设备对象子层,在其中同样存在数据实体和管理实体。该子层需要把关于设备对象子层对设备功能的描述表一一对应到网络层上。并负责用户与之间的交互,将所要实现的功能说明给应用对象子层,该子层再通过与下层的数据实体以及管理实体的接口来实现数据的传递。典型芯片介绍在年标准颁布以后世界上许多知名的厂家迅速开始进入到-7- ZigBee领域包括德州半导体和阿尔泰科等知名公司。一般想要实现通信主要需要包括一个微处理器,以及一个收发模块,如本系统中使用的。而有一些模块集成了片内微处理器,不需要外接处理器来运行协议栈,如。总体说来,要想要实现节点通信必须包含以下组件。微处理器。微处理器的主要作用就是起到控制与协调的工作,用于对协议栈的处理,对系统无线信号的收发,以及协调内部各模块工作,大多采用具有接口的微处理器。无线射频收发器。如公司收购公司后所推出的。射频收发器是实现无线通信的核心器件,任何想要实现无线通信必须具备。无线收发器区别去其他无线收发器的主要优点就在于它具有比较小的体积,以及功耗比较低,只要使用普通电池就可以使用很长时间。射频收发器的主要工作为发送信号以及接受信号,对信号进行调制与解调处理,恢复帧数据等。收发天线。天线也是是大多数无线收发模块必须具备的器件,一般分为天线、单极天线、螺旋形天线和环形天线等。对于天线绘制对技术的要求比较高,主要用于对体积要求比较严格的应用中,而本系统对体积没有特别的要求,因此使用了欧姆标准单极天线。公司推出的节点模块的应用模型如图所示。图节点模块应用模型是由公司生产的一款无线收发芯片,可方便快速的把他使用与无线传输产品之中,采用引脚的贴片封装。内部使用工作电压,因而功耗很低,适合于电池供电的设备;外部数字接口使用电压,这样-8- 可以保持和逻辑期间的兼容性。它在片上集成了一个直流稳压器,能够把电压转换成电压。的内部结构如图所示。是一个低频的收发器,需要对收到的信号进行放大处理识别。然后将收到的信号变频到。变频后的信号进过波形整形功率放大后,在经过转换,即可得处理器所识别信号。微处理器再对这些数字信号进行处理。图内部结构处理器概述是现在市面上比较流行的处理器,最近多年来技术的突出成果表现在:使用“”的新型压缩指令格式,使得应用系统开发可降低系统成本和功耗;、、和等系列处理器的开发,显著地提高了的性能,使得技术在面向高端数字音、视频处理等多媒体产品的应用中更加广泛;更好的软件开发和调试环境,加快用户产品开发;更为广泛的产业联盟使得基于的嵌入式应用领域更加广阔;嵌入在复杂中、基于核的调试系统代表着当今片上调试技术的前沿。处理器应用领域及特点系列微处理器主要包含、以及三种类型,以适用于不同的应用。-9- ARM9系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。具有以下特点:五级整数流水线,指令执行效率非常高;提供的哈佛结构;支持位指令集以及位指令集;支持位的超高速总线接口;具有内存管理,很多操作系统都可以移植到其内部,如、等;支持实时操作系统;指令运算速度快,内部具有的数据缓存以及指令缓存,处理能力比较强。处理器系列与结构是公司最早为业界普遍认可且得到了最为广泛应用的处理器核,特别是在手机和中,然而随着技术的发展,它目前已经成为最低端的核。将流水线的级数从的级增加到级,并使用分开的指令与数据存储器的体系结构。的性能在相同工艺条件下近似达到的两倍。系列技术特点有:支持指令集;含有模块支持片上调试;通过采用级流水线以增加最高时钟速率;分开的指令与数据存储器端口以改善,提高处理器性能。内核采用了与后面要讲到的相同的级流水线。与核的主要区别在于有一个与寄存器读出级并行操作的专用的转移加法器进行转移地址计算,而使用数据路径中的来计算转移目标地址。属于处理器核中的高端处理器核,的性能在相同工艺条件下近似达到也以的两倍性能工作。是基核设计的高性能核,增加最高时钟速率。-10- 2.2.3ARM处理器的应用选型想要选好一款处理器,需要考虑的因素很多,基本包括以下几个方面:根据设计系统所需功能,选择适合自己外设的接口丰富的处理器。处理器速度是否可以满足系统要求。处理器的价格是否便宜,以降低系统的成本。除以上三点外还包括硬件接口是否容易控制,是否可以移植操作系统、开发工具是否容易获取、使用是否方便等情况。基于本课题的要求,我们选择了处理速度快,外围设备接口丰富的处理器,满足系统的要求。系统主控芯片简介是由三星公司生产的一款基于内核的微处理器,内部结构相当复杂,外部所支持的接口也比较多,采用内核,支持位以及位指令,具有分开的内部的数据缓存以及指令缓存,并且具有内部内存管理单元,同时支持以及型的屏连接,具有内部控制器。支持通道串口,通道传输,个双向口,片内实时时钟,具有片内转换器,触摸屏控制等,具备接口,并且支持通信,具备片上接口,时钟速率最高可达,具备片内数字锁相环。核电压存储器电压,外部电压。由于此芯片的如此多优势,受到了很多商家的青睐,这也是我们选择这款芯片的原因。因其丰富的接口,强大的处理能力,完全可以适应本系统的要求。本章小结本章首先介绍无线通信技术的基本知识,并做出了几种常用无线通信技术的比较,给出了常用基于的芯片介绍。然后从总体上简单介绍了嵌入式处理器的相关知识,包括处理器的分类、结构以及应用选型。并选择了本文所选用的主控芯片进行了介绍。-11- 第章系统核心硬件设计本章将描述无线病房呼叫系统的选型与设计方案,并详细阐述系统的总体设计和各个核心电路的硬件模块设计。无线病房呼叫系统总体设计通过对现有病房呼叫系统的分析,国内大多数病房呼叫系统均采用有线方式。例如多线方式、基于总线方式、基于低压电力线载波技术等。有线方案的主要优点就是成本较低,而缺点就是系统施工繁琐、周期长、检修困难、施工成本高,更重要的是有线系统没有移动接收呼叫信息的功能,使很多病人丧失了抢救的良机,而这个在医疗领域是致命的。因此传统的有线方案还存在其弊端。本文在研究了病房呼叫系统的国内外发展现状和趋势的基础上,针对目前该系统普遍存在的问题,即功能比较单一,且多数为老旧的设备,布线困难,维护也很不方便,不能适应社会的需求。因此提出了自己的系统设计方案,并完成整个系统的硬件设计,用以实现以下功能。呼叫的声、光报警功能;床号、呼叫内容和呼叫时间显示功能;呼叫回复功能;呼叫记录、显示、翻查和统计功能;病人病历、状态及消费信息的存储、查询与显示功能;大屏幕显示功能;联网实现医院高层领导局域网内实时监控护士站;局域网监控功能;病人呼叫主机:当按下呼叫器的呼叫键时,通信功能开启,向主机呼叫,主机接受呼叫时,打开声光报警功能,提示床位呼叫显示屏显示该床位号。并可根据病人的按键获悉病人需求。然后给病人应答。护士站呼叫病号:在主机空闲状态,按下要呼叫的号码再按呼叫键、通信功能开启,向从机呼叫,从机接受到呼叫。然后由主机发送呼叫内容病人可从呼叫器中看到字幕显示,从而处理相应事宜。且对新加入节点有自检及自加入功能。新加入便携终端可以自己加入到网络,安装简单快捷,改善了医护环境。系统在主控中心加入了网络及摄像采集模块,这样医院管理人员既可以通过主控中心的网-12- 络采集模块实时的检测护士站的人员工作情况,并可以实时提醒护士对病人进行服务。我们设计的无线病房呼叫系统大体分为主控中心和便携终端两个部分。图为病房呼叫系统预期实物框图。人员主控中心人图无线病房呼叫系统总体框图基于对传统有线方案的分析可知研发一种更为先进病房呼叫系统的重要性。信息时代的医院管理已经从传统的人管模式,向智能化,电子化,信息化,网络化的高科技管理模式的方向发展。“医疗呼叫系统”也有更高的要求,如对病房的智能化管理,可实现监听、广播、求救报警、信息存储、显示功能。这样才能为医院和患者都带来方便。因此本系统采用了目前正迅猛发展的新兴技术,而处理器则采用处理能力和性能都比较强大以及稳定的芯片。无线系统的优点优点是避免了复杂的布线,维修方便,只需更换,随身携带,使用方便,而且具备了移动呼叫的功能,可以使病人随时随地呼叫中心护士站,及时发现发现问题及时处理。而且此病房呼叫系统具有网络功能可以使医院上层领导通过局域网在自己的办公室内实时的查看护士站内主控中心的病人信息,实时的了解情况。中心系统负责协调各个模块工作,是整个系统的核心,负责控制各外围电路,电源电路为整个系统提供各模块所需电源电源,按键模块用于医院工作人员对系统进行按键输入操作;可进行一些简单的输入,如呼叫病号,应答等。显示模块用于显示报警病房的相关信息;传输模块用来负责无线通信,负责与终端设备之间的通信工作;存储模块负责病人信息以-13- 及病人与护士站之间交互信息的存储。网络模块可以方便的使上级领导更为方面的了解护士站的工作情况,方便对病人信息的查询。无线病房呼叫系统功能框图如图所示。图无线病房呼叫系统功能框图系统将实现以下几项功能:对呼叫的提示以及显示功能;床号、呼叫内容和呼叫时间显示功能;呼叫回复功能;呼叫记录、显示、翻查和统计功能;液晶显示功能实,实时网络监控功能。系统核心硬件电路设计电源电路的设计电源部分正常稳定的工作是整个系统正常工作的前提条件,占有着至关重要的位置。电源电路设计的好坏直接影响到整个系统的稳定性。因此在设计电源模块时一定要认真谨慎,以免因为设计不当造成系统不能正常工作或者烧毁电路芯片的情况,为我们造成损失。主控芯片需要两种不同电压的电源,需要一组电压支持处理器端口,以及一些外围设备,而处理器内核需要电压为两种电压值可选的电压,根据主频的设置所需要的电源电压不同。芯片支持最高但若要达到这样高的频率则必须需要电压,在平时大多数设计中均采用电压为内核供电,电压可支持最高主频。对于我们的系统已经足够。而一些外围器件需要电压的支持,如传输模块,-14- LCD/VGA显示模块,因此在设计电源的时候一定要考虑电源的多样性设计,并确保系统的稳定性。这里采用高质量的电源芯片系列和系列,外加一个外置稳压电源设计完成。这三种电压的产生方法是电压源直接从外部引入,作为整个系统的总电源直接输入到的输入端;电源稳压芯片的输出端产生。如图所示。外接电源从电源插座进来后首先经过一个二极管起电流保护作用,然后经过稳压产生电压,再输入到各个稳压芯片的输入端最终产生系统所需电压。另外值得注意的一点是,系统的地信号有两种,一种是数字地,另一种是模拟地,本系统其各占一层,以追求更好的稳定性。这样的好处是数字电路部分和模拟电路部分之间的干扰可以减少小从而互不影响。图转电源电路由稳压后生成的电源首先一路供给到系统需要电压的各模块,如显示屏,电路等。一路分流到电源稳压芯片的输入端,其输出产生电压。为和等外围电路供电。另一路分流到的输入端,经线性稳压在输出端产生电压为内核供电。具体电路连接图如图所示。其中通过一个二极管来起到电流保护作用,以防止电源反接导致芯片烧毁。连接两个电解电容用以实现能量储存,保持电源的平稳性,通过电容来滤除高频杂波。并加入了电源指示灯来提示电源工作情况。-15- L1117-3.3VCC5.03VINVOUT2+++220uF0.1uFLED220uFIN5824510?L1117-1.83VINVOUT2+++LED220uFIN5824220uF0.1uF510?图转电路原理图在电源的设计中一定要考虑到电源的稳定性问题,保证在内核复位到达工作电压之前系统、、内部外设等电压已经达到稳定状态,基于对这方面考虑我们在设计系统时一定要考虑走线一定要尽量保证外设的电源引线要相对较短一些,并系统的复位电路应保证复位时间达到要求。复位电路设计复位电路问题是所有嵌入式产品中又一个基本而有重要的问题,任何电子设备都具有复位状态,不论是采用同步复位还是异步复位,上电复位还是手动复位。在嵌入式系统中,一定经常要求进入到复位状态,所以要求系统的复位电路必须能够准确、可靠的工作。同时复位信号都尽量要与时钟信号同步,否则系统可能被复位到一个无效的状态,使系统死机,或出现其他异常情况。处理器的复位源类型多种多样,主要包括上电复位、外部硬件复位、内部硬复位(包括锁相环失锁复位、软件看门狗复位、检错停机复位和调试端口硬复位)、复位、外部软件复位以及内部软件复位(包括调试端-16- 口软复位和软复位)。复位电路设计要求为了能使系统主控芯片电源没有达到芯片要求之前,系统处于安全状态,必须在系统中加入复位电路以及电源监控电路,以保证系统正常工作,保证在启动正常工作之前各外设已达到系统要求的电压值,以保证系统安全工作,因此在本系统中我们采用了阻容式复位电路,并在电路中加入了滤波电路,增强系统的稳定性。在内核电压没有到达系统要求的电压以及各外围接口电压没有达到要求之前,芯片始终应处于复位状态,直到内核电压达到以及外围器件电压达到系统要求,才可以正常工作。系统复位过程如图所示。同时,若内核电压以及外围器件电压一旦降到系统要求值以下,则必须保证系统进入有效的复位状态,以保证系统安全工作。对于本课题系统复位电路设计,首先应确保复位信号电平时间足够长以满足系统要求,(一般需要大于)以保证系统可靠复位,以确保外围器件供电正常才启动系统,否则容易对系统造成损害。其次应保证稳定性良好,复位准确以防止误操作导致的误复位发生。图系统复位过程对于我们的系统至少应该应保证复位信号输入端()的低电平至少保持个时钟周期,以确保系统外围器件稳定供电。-17- 3.2.2.2复位电路硬件设计系统复位模块提供启动信号,当系统引脚出现低电平时表示系统启动开始,当复位成功后即系统各模块电压均达到系统要求后,系统复位将会由内部产生。然后挂起程序,放主控芯片进复位状态。并启动复位程序,初始化各寄存器。在系统电源以及接口电源达到系统要求时,复位信号必须应至少保持个系统主时钟的周期。如果系统所用电源芯片具有复位功能,具有复位引脚,则可直接连接,输出低电平信号为主控芯片复位。本系统采用电容电阻电路设计的复位电路,此电路连接简单,复位效果可以满足系统要求,并且复位时间可通过调节电路中电容和电阻来控制。具体电路如图所示。图系统复位电路图本复位电路的工作流程为,当系统正常上电后,通过电阻向电容充电,当电容两端的电压值没有达到系统所需高电平的标准电压值时,复位引脚端输出始终为低电平,系统则处于复位状态,当电容两端达到高电平的门限标准时,复位引脚端输出为高电平,系统开始进入正常工作状态。当按下复位按键时,电容两端的电荷被完全释放掉,输出变为低电平,此时系统进入复位状态,当按键弹起时,电源又对电容充电,系统进入正常工作,如此便实现复位操作,复位时间可由电容以及电阻的值调节得出。由两片芯片串联搭成的两级施密特反相器电路用于按钮去抖动和波形整形。当按键出现毛刺或出现杂波时,出现非常小的电压波动,此-18- 时经过第一级非门时只要电压不超过高点平的触发值则还认为其为低电平,输出为稳定的高电平,再经过一级非门,变为低电平,如此便实现了波形整形。存储模块设计主要分两种,一种是程序运行速度快,但相对存储空间比较小,且价格相对昂贵的,另一种是内存空间大但程序运行速度较慢的。但基本都采用数据地址引脚复用的方式,因此占用系统资源相对较少。在电子产品中都需要有存储器来作为程序运行以及存储的空间,而在嵌入式设备中,程序运行的空间一般分为两种:一种是将程序固化在中然后启动时再加载到高速的中运行,另一种是直接将程序加载到中运行。第一种方法相对比较常用,而第二种方法适用于程序存储量不是很大的系统中本系统采用的方法是,将存储器作为一个类似机的硬盘使用,将引导程序,操作系统内核以及用户应用程序直接下载到中。本系统则采用此种方式,通过对的启动模式引脚:的设置,来确定系统运行在启动加载模式。当系统启动是,首先从系统地址开始运行程序,而这个地址正是的起始地址。系统启动时处理器首先拷贝前地址的内容到其内部的字节,然后进行硬件初始化,初始化并拷贝中的程序到中运行。一般相对于而言,访问速度较快,数据总线也比较宽,因此程序在中运行速度要远远大于在中运行的速度。的控制器简介内部具有一个自己控制器,通过寄存器的配置可以方便的实现对的操作,启动代码可以放在外部中。当处理器开始工作时,存储器的最先程序装载到一个内部静态中运行,然后初始化程序在此静态中运行。一般情况下启动代码会将程序复制到并解压操作系统到中。使用硬件校验算法。的控制器具有如下特性:模式选择。支持启动加载模式,下载模式,下载模式只对开发时有作用,在产品开发完成后就大都采用启动加载模式。校验检测块。在启动完成后,的内部缓冲区可被用作其他作用。控制器的引脚配置如下:-19- D[0..7]:数据命令地址输入输出复用端口;:命令锁存使能,用来锁存命令;:地址锁存使能,用来锁存地址;:芯片使能,通过配置的寄存器使此引脚控制使能;:读使能,使能此引脚,才可以对进行读操作;:写使能,使能此引脚,才可以对进行写操作;:读忙,通过读取所用的引脚来确定的状态;:内存地址补偿选择,若为则表示步长度地址,若则表示步长地址;:通过此引脚配置可确定的启动模式。硬件电路设计系统所采用芯片是三星公司生产的,与的具体连接如图所示。此芯片具有以下特点。操作电压。,本系统采用供电。存储空间组织。(),用于校验空间。图接口电路图-20- 3.自动编程和擦除,页编程();块擦除();页读取操作。随机读取。串行读取:快速编程时间,操作速度相对来说已经很快。命令地址数据复用端口,硬件数据保护。有效的节省了系统资源,保护了数据传输的可靠性。可经受万次擦写,数据可以保存年。采用寄存器操作方式,采用唯一的号。系统启动后,首先在内部字节中进行简单的初始化,然后将程序搬移到中运行,做进一步硬件处理,并解压操作系统。对操作的流程图如图所示。开始硬件初始化运行启动操作系统擦除数据读取数据校验正确?完成数据读取操作报错结束图操作流程图-21- 对的操作需要对寄存器进行配置,首先向配置存储器的特定寄存器写入地址以及命令数据,就可对存储器进行写、读、擦除等操作,但操作必须依一定的时序来操作,否则会导致存储器无法完成正常操作。对的擦除与编程操作相对和其他的有所区别,擦除指令是对内所有数据进行完全置操作,而编程指令却恰恰相反,是将内部的相应的变为,因此对编程时应先擦除。模块电路设计名为同步动态随机存储器,是一种存储速度非常快的存储器,一般的容量都比较大,在嵌入式系统中应用的比较广泛。主要用作程序的运行空间,以及用户的堆栈区等,一般掉电数据丢失,需要实时刷新,以确保数据不丢失。但其对时序要求比较严格,而且对系统的设计要求也比较高,因此在设计接口接口电路时一定要非常小心。一般具有两个单元块,当数据在一个单元块内存取时,另一个单元块做好准备,故加大了系统存储的效率,传输速率最高可达到。特点的控制时序相当的复杂,如图所示为简化了的状态转移图,主要是上电、进行预充电、自动刷新、硬件初始化、对模式寄存器设置以及、读、写等功能。我们设计的系统主控芯片具备控制器,可以很方便的控制读取,使操作变的十分简单。图状态转移图其中,对的控制器的初始化是特别重要的,这个过程-22- 一般都是在启动之后进行,虽然我们可以将程序放在处理器内部或者中运行,但是他们都有个共同缺点就是速度比较慢,而且存储容量一般都比较小。的控制器的主要工作就是用来控制的各种操作时序,包括读写,刷性等,操作比较复杂。的控制器具有一个内部的仲裁电路,主要是完成对各种操作的优先级控制,其中刷新操作要优于读写操做,一般在便会定时的产生刷性信号,以保持数据不丢失,而且不能使读写和刷性命令冲突,以防止数据遭到破坏。控制器内部有一个内部缓冲通道,用来实现与之间的数据通信,采集到的数据都会先存储到这个内部的缓冲器当中,然后再按要求发送到中去。同样从中读取数据的过程恰恰相反,不过都要经过这个缓冲通道,具体操作通过寄存器配置。控制器包括以下七个部分,数据对齐复用器,页和体地址比较器,行列地址复用器,命令控制器,刷新请求计数器和节电计时器以及配置寄存器。硬件电路设计本系统所选用的为是一款位的字节的同步动态存储器。适用于高数据宽度以及高存储量的系统中。的所有命令都以上升沿触发,所有的输入输出都与时钟同步,在时钟上升沿进行数据传输。所有输出电压级别都符合标准。他的主要特性为:电压供电自动刷新、所有的外设引脚均符合标准、上升沿触发、刷新周期为。他的主要信号线有如下几种::系统时钟的输入,所有命令的操作都在上升沿触发。命令译码控制线:其中为写使能信号引脚,为行地址锁存信号,为列地址锁存信号。片选信号线:主要用来控制芯片的选通。,:通过对此引脚的设置可决定所读写的。:的行列地址线,其中为行地址线,又为列地址线,通过和锁定现今选择的地址线状态,通过如此设置产生一个位的寻址空间,总共寻址范围为,通过对的设置可选通个,又因为为位数据宽度,故存储容量可达到。:数据输入输出线。组合决定对操作是否进行,引脚起辅助作用。尤其-23- 注意的是对所有电源引脚都必须同时上电,并且要保证电压范围绝度不要偏离标准值,在加电完成后马上对之进行预充电。预充电完成后进行短时间的等待,大概为微妙,等待时间过后需要对之进行个周期的刷新操作,一定要严格按照时序操作,保证芯片正常工作。图接口电路图-24- 本系统使用两片串联的方式,将原有的位地址线扩展到位。连接方法是将的位数据线分别连接到两片的数据线上,构成位数据线,而将两片的地址线以及一起连接到的地址线上。增大了系统的吞吐率,提高系统的速速。具体系统连接电路图如图所示。应注意的是芯片选用的封装是引脚的,引脚密度较大,在焊接是考虑到静电等因素影响,在焊接好检查无误后才可以测试。而且考虑到实际需要,电路的退耦电容应尽量靠经电源输入引脚。本章小结本章在详细介绍了基于的无线病房呼叫系统的总体硬件设计方案,并给出了了总体功能框图和硬件框图。并对本设计的核心硬件电路进行了详细的论述,包括电电源单元电路、复位电路、存储模块、模块电路、并给出了核心硬件的各模块电路原理图。-25- 第章系统功能模块硬件设计及显示模块设计接口模块设计内部具有液晶控制器,可以支持最大色彩色液晶屏以及最大色彩色液晶屏。考虑到医院的规模,以及对显示的要求各不相同,因此设置了两种显示方式,一种方式采用英寸的液晶屏型号为。另一种方式采用市面上比较流行的的接口。要求的电源电压的典型值为,围为了保证显示的质量,我们选择了电压为其供电,但是的数据和控制信号的高电平输入电压的最小值为,因此对驱动能力上可能还欠缺,不能直接把屏直接和处理器连接。为了提高系统显示的稳定性,本系统采用两片作为电平驱动芯片。是可以进行电平转换的电平缓冲器,不仅可以提高信号的质量,还可以通过跳线的设置来驱动不同不同逻辑的屏,已便于用户更换不同型号的显示屏。并且通过和的配置可以选择具体的传输方向。具体的电路连接如图所示。芯片工作模式为位色,采用::模式。的控制器可以产生控制屏的各种时序,下面主要针对本系统所使用的屏进行介绍。::像素数据输出端口。我们只用了,显示模式采用::的位数据显示方式。支持色的显示。:的控制器和屏的驱动器之间的帧同步信号。在上一屏数据显示完成后,会插入一个信号,以保证新的一屏开始。:控制器和屏驱动器之间的行同步脉冲信号。在上一行数据显示完成后,会插入一个信号,以保证新的一行开始。:的控制器与驱动器之间的像素时钟信号,控制器在时钟的上升沿发送数据,而屏的驱动器在时钟的下降沿进行数据接收。:驱动器的信号。-26- VD[0..23]VD[0.23]BUF_VD0BUF_VD16447611AA0111BB0123BUF_VD1447611AA0111BB0123BUF_VD17BUF_VD2BUF_VD18444311AA2311BB2356BUF_VD3444311AA2311BB2356BUF_VD19BUF_VD4BUF_VD20411A41B48411A41B48401A51B59BUF_VD5401A51B59BUF_VD21BUF_VD6BUF_VD22381A61B611381A61B611371A01B712BUF_VD7371A01B712BUF_VD23362A02B013BUF_VD8LEND362A02B013BUF_LEND352A12B114BUF_VD9GPBP352A12B114BUF_NDIS_OFF332A22B216BUF_VD10VCLK332A22B216BUF_VCLK322A32B317BUF_VD11VLINE322A32B317BUF_VLINE302A42B419BUF_VD12VFRAM302A42B419BUF_VFRAM292A52B520BUF_VD13VM292A52B520BUF_VM272A62B622BUF_VD14LCD_P272A62B622BUF_PWREN262A72B723BUF_VD15262A72B7231DIR11DIR1428512OE2DIR24428512OE2DIR2439GNDVCC739GNDVCC74GNDVCC181uF4GNDVCC1810GNDVCC3110GNDVCC3115GNDVCC4215GNDVCC4234GND1uF34GND21GND21GND28GND28GND45GND1uF45GNDVCC5.0VCC5.074LVCH1624574LVCH16245图接口电路图接口模块设计在医疗系统中,大屏幕的显示尤为重要,是病人和护士可以清楚的了解医疗信息的重要保证。但是工业级别的显示器一般比较贵,而我们常用的普通的显示器一般采用的都是接口,接口是非常常用的显示接口,比如说我们的台式电脑显示器,就采用的是接口,因为其技术成熟价格便宜,因此应用十分广泛。但我们的控制器上并没有驱动接口的控制器。因此为了提高显示要求,我们在系统中加入了转的转接电路。内部集成了控制器,可以很容易的驱动显示屏,产生屏控制时序,只需要配置内部寄存器即可。而且显示的控制信号和的时序信号基本相同,只不过是将数字信号转化为了模拟信号,控制信号基本不变,因此要想实现对的控制也并不困难,只要在其中间加入转换芯片即可。本系统利用美国美国公司生产的高速视频数模转换芯片,将的显示接口成功的转化为接口,只需定制一块转接板即可,使用户可以有多个选择,适应不同规模以及-27- 大小的医院。在芯片内部集成了通道的的位高速/转换模块,将的为数字信号转化为模拟信号,本系统采用的屏的显示方式为::模式,即红、绿、蓝三原色信号各占位、位、位。则分别将这三原色的数字信号转换为模拟信号提供给显示器的输入。磁磁磁磁图接口电路图的输入及控制信号特别简单:为红色信号输入端,分别连接的红色数字信号输出端,为绿色数字信号输入端,为蓝色数字信号输入端。为时钟同步信号,在此时钟的上升沿锁存信号以及白平衡信号。为白平衡信号,本系统直接连接到。信号用于控制信号是否输出,当为时有电流输出。,,分别为模拟红、绿、蓝输出信号。输出信号可直接驱动欧姆同轴电缆。为满量程调节引脚,通过一个可调电阻与地线连接,控制视频输出信号的放大倍数。为电压偏置输入引脚,此引脚必须连接外部电压,本系统采用了作为一个电压基准发生芯片,用于-28- 产生标准的电压。而且要求在与中间连接的电容。需要注意的是是一款数模换芯片,因此输出端的电源和地线必须串联电感,以抑制数字干扰。图为具体电路连接。处理器接口中的同步扫描信号和直接接到接口,信号显示数据有效信号则被用于控制芯片。本功能只是一个备选功能,根据用户需求配备。按键电路设计按键工作原理常用的按键具有很多种,包括独立按键,矩阵扫描按键,以及专有的按键芯片等,对于独立式按键,每一个按键都要占用一个口浪费了系统资源,而专有的按键芯片一般都需要编解码,而且价格一般也不是很便宜,因此我们选择了适中的矩阵按键做为我们的按键输入,以用来完成对呼叫的应答,查阅信息等功能。程序流程图如图所示。图键盘扫描流程图-29- 系统采设计矩阵式按键,矩阵式按键适合于按键相对较多,又不想浪费成本在按键上的情况下。我们把按键放置在行线和列线的交叉点上,矩阵键盘相对于独立键盘具有的好处就是可以节省引脚的占用数量,为系统节省资源。和专用键盘芯片相比又可以节省成本。而他的缺点就是需要用软件实现去抖动,或者进行按键特殊处理都需要软件来实现。在行列式键盘方式中,处理器一直会扫描与口所连按键的引脚状态,一旦确定有键按下则马上进入按键处理函数,判断按键键值,并处理按键,做出响应。键盘电路硬件设计本系统硬件采用行列式键盘,键盘的连接电路如图所示。行线需要接入上拉电阻上拉到电压,按键的两个引脚分别连接到行线和列线上。在没有按键被按下的情况下,行线时钟保持为高电平状态,而一旦有键被按下的时候,行线则被拉为低,此时扫描到有键被按下,转入按键处理函数,处理按键请求。图键盘电路图进行键盘扫描的过程是把所有的行线先全部置为高电平,然后把每一列轮询设置为低电平,然后扫描行线,若那一行变为低电平则可知道哪一行有键被按下,然后读取所有行列线口的值,与存储在系统中的码值比较,确定那个键被按下。为了保证按键处理安全可靠,还要在软件中加入,延时,去抖动函数,以防止误操作发生。-30- 4.3UART异步串行接口模块设计串行通信原理共有三个控制器,本系统只连接了一个串口,用于主控中心与机之间的简单通信。目前串行通信接口是计算机以及嵌入式行业中重要的通信手段,被定义为一种低速行业的标准。而且是很多电子设备的调试接口,一般传输距离可达,传输速率最高可达。但是由于本系统的采用标准的电平,而机则采用电平,电平定义高电平为,低电平为,而电平采用负逻辑,定义的高电平为而低电平为,因此要实现系统和机通信则要加入电平转换电路。本系统采用作为电平转换芯片。串口通信硬件电路设计与机通过串口通信,实际上只需要三根信号线就可以很好的完成通信工作。电路连接也比较简单。即信号线,信号线,以及。具体电路图如所示。图串口通信原理图-31- S3C2410的单元具有专用的控制引脚,可实现最大传输速率为,并且每个串口通道均包含两个位的,一个用于发送数据,一个用于接收数据。可以进行如下参数选择,波特率设置,是否选择红外收发,停止位设置,校验位设置,以及是否使用。通过配置的相关寄存器即可。模块设计本系统中所设计的接口主要用于外接存储器,比如说盘,以及其他一些设备,而且可以插入摄像头,作为工作站监控设备接口。并可以插入鼠标键盘等,扩展了系统功能。这些驱动只要在操作系统中添加相应的驱动程序即可。总线介绍总线协议是一种常用的串行通用总线,现今主要应用的是版本,传输速率最大可达到,但在现今大多数嵌入式产品中,大多采用标准,传输速率为,对我我们系统来说已近足够了。作为一种常用通用串行总线主要具有以下特点:传输速率快。的最大传输速率可达到,可达到。需要连接线少。的传输线总共有四根线,两根数据线,数据在这两根线上通过差分方式传输。一根地线,一根电源线。可为处理器节省资源。支持多种传输模式。包括低速传输模式和全速传输模式,又加入了高速传输模式。将强的纠错能力。系统支持热插拔,在协议中包含了传输错误管理,错误修复等一些功能,可根据一些不同的传输类型来处理传输错误。总线供电。总线可为其他设备提供电压,电流。低成本。接口简单易于实现,特别是低速设备,成本比串口并口低。-32- 4.4.2USB接口硬件设计内部集成了控制器,支持接口方案,提供全速高性能的控制器。传输方式分为,控制传输、中断传输以及通过批量传输。兼容标准。内部具有个带的端点,分别是::字节(寄存器),双向控制端点。:字节双端口异步中断或,批量端点。带有内部集成了版本控制器支持两个和一个其中和是复用的,串联在和的电阻可为处理器上的引脚提供电流保护作用,数据线上的下拉电阻是的标准,主要用于的设备插入检测。的数据线由于下拉电阻的作用,所用平时保持在低电平状态,当插入的设备时,设备上的上拉电阻会将上的数据线拉高,此时控制器就会检测到了的插入,于是开始发送枚举信号与设备进行通信。的接口能直接与无缝连接,连接电路非常简单。具体电路图如图所示。图接口电路图-33- 4.5以太网控制器模块设计芯片简介本系统的网络模块可以实现将主控中心通过网络连接线加入到现有局域网系统中,可以方便的做到医院高级领导对主控中心数据的实时监控,从而更方便的了解医护士站的实时情况。而且可以利用网络芯片下载、上传,丰富了系统功能。不集成以太网控制器,但是本系统还需要网络功能的支持,因此我们选用了公司生产的,是一个位的以太网控制器。其组成结构框图如图所示。可以工作在三种模式,模式,内存模式,以及传输模式。上电默认状态为模式。在我们系统中采用操作系统,操作系统网络功能特别强大,可以支持各种网卡,只要在操作系统中添加相应的网卡驱动即可。减少了软件开发的工作量。图结构框图以太网硬件电路设计使用芯片扩展了网络通讯模块,用来实现网络通-34- 信,使医院高层领导可以实时的监控护士站的情况,并可以实时下载主控中心的的资料。它的传输速率工作为。有三种工作方式:方式、存储器方式和方式。上电默认为模式,本系统采用位数据总线与的数据线连接。方式下,所有控制寄存器的基地址都是,所以在连接地址线的时候,高位被连接到固定的高电平上,只有～A连接到的管脚上,和是控制线,用来传送读或写的命令给芯片,因为的片选线所连接的是的片选线,因此寄存器的基地址空间为。电路原理图如图所示。。图接口电路图需要一个的外部晶振,用于产生工作所需的时钟,该晶体上不要加接地的电容,复位电路的参数与的复位参数一样,这样可以在系统上电的时候让两个模块同时复位,保证同步性。图中是一片主要用来存储的地址,以及用户地址,以及其他重要参数。系统关闭后,会自动将用户配置的一些信息写入到此存储器中,当开机后在从此中读取回来。如果用户通过软件将程序写死在中,则可不必连接此器件。在与之间通过许多门电路进行连接,主要为或门,以及非门电路,用于产生控制逻辑。是一款脉冲网络变压器,主要用与对信号进行耦合隔离,并且发送隔离-35- 比和接收隔离比不同。我们采用的网卡供电电压为,所以选用了发送比为接收比为的网卡变压器,起到电平转换并抑制高频干扰并将网络传输线接入以太网的作用。由于芯片指示连接和通信的控制管脚为漏极开路输出模式,所以不能直接去驱动指示灯,需要外部加上拉电阻的方式去驱动。无线传输模块设计简介射频芯片,是一款单片面向于低功耗,低电压的,符合规范的射频芯片。包括一个提供,的基带。是一个高度集成的无线解决方案。提供用硬件来实现信息包处理,数据缓冲,突发传输,数据加解密,数据识别,通道空闲确认。的主要特性有,工作电压,真正的单片基带的支持的无线收发芯片,适合与全功能设备,以及精简设备,最大传输速率可达到,具有片上字节收发缓冲器,可编程的输出功率,硬件加密,具有片上电池监控电路,并且具有强大的开发工具。的这些性质有效的缓解了的压力,可以与低速低价的处理器连接。与是通过进行数据交互的,在本系统中通过很少的外围器件与连接。因其以上特性,被广泛用于以下场合。家庭办公自动化,现在很多智能家居产品都是基于技术;工业控制,如远程抄表系统;无线传感器网络;外设;消费电子领域;有个位寄存器,个命令滤波器,组八位收发。个寄存器都可以通过位地址来寻址,并选择读写模式。在每个寄存器读写周期中,位数据在线上被传送。引脚(片选信号低电平有效),在发送过程中必须一直有效。发送数据通过设置内部寄存器发送。-36- 4.6.2无线通信模块电路设计由于射频芯片采用了差分方式来发送无线信号。这种传输方式需要加入负载电路进行匹配。其最佳差分负载是Ψ,因此在设计匹配电路时应该参考这个数值进行调整。图接口电路图芯片只需要连接很少的外围器件就可以正常工作,该芯片需要外接一个晶体振荡器来为芯片的工作提供时钟信号。本设计在选择晶体振荡器的参数时参考了公司的典型设计,选用了晶体振荡起并为其匹配的电容值约为。晶体振荡器接在和管脚之间。并且具有内部发送接收开关电路,所以对天线的匹配就简单的多。为了提供和所需要的偏置电流,故将管脚连接到管脚和管脚。连接图如图所示。-37- CC2420通过四线制的接口进行通信,通过接口来设置到不同的的工作模式,读写缓冲区,读入状态寄存器,通过和状态引脚来访问,通过引脚查看通道是否为清空。所有接口的所有数据和地址都是先发送最高位。输入引脚,,,是高阻输入,需要上拉电阻。对收发采用欧姆标准天线即可满足要求。但应注意,由于射频对及干扰性的要求比较高,因此,在布局,以及对走线,和电容的选择与放置严格按公司提供的参考设计来完成。本章小结本章在详细介绍了基于的无线病房呼叫系统的各功能模块的硬件设计,并对各功能模块进行了详细的论述,包括及显示模块、按键电路、异步串行接口模块、设备模块、以太网控制器模块、无线传输模块。并对各单元电路原理做了简单的介绍,给出了电路原理图以及部分操作流程图。-38- 第章系统板的可靠性设计系统板的干扰性分析在电路原理图成功设计完成之后,可以直接影响到系统性能的就是对系统的高速信号线的布线,本系统中主控芯片的外部时钟经倍频后片内工作频率可达到,而以及工作时钟均达到。这样高的工作频率通常会产生较强的电磁干扰现象,使信号线产生互感现象。从而产生各种噪声信号,严重影响到系统的性能,降低产品的成功率。因此在设计电路板的时候一定要考虑到信号的噪声产生因素,通常包括抗干扰性设计,信号完整新分析,电磁兼容等。电磁干扰的形成必须存在干扰源而且具备干扰源的能量敏感的接收模块。在本系统中容易产生电磁干扰的元器件及信号线主要是系统中的高频电子元件,如,时钟信号线,电源线,天线等。并要求对一些重要信号线进行保护,如信号线。常用的抑制电磁干扰的方法有以下几种:对噪声源进行控制,放置噪声的产生;对地线进行特殊处理,采用数字地和模拟地分隔技术;通过对重要信号线进行屏蔽,包地进行降低干扰;采取合理的结构布局和布线;通过布局抑制干扰关于常用的抗干扰性方法涵盖两个方面,即降低系统干扰性和控制干扰源的干扰波发射,然而针对于不同的电路还应当做出相对应的处理,在布局上也应该充分的考虑到各种干扰源。下面主要针对本系统的主要器件做干扰性的相关处理。本系统的印制电路板具有多种不同的电路模块,如电源电路,存储模块电路,发射电路,以及人机交互电路模块等。不同电路模块之间都会存在电磁干扰,在印制电路板的设计中良好的布局是保证系统稳定性的重要步骤。在本设计中应注意的事项如下。-39- 1.主控芯片应该放置于印制板的中心位置,以方便各种外围器件的连接,降低布线长度。并采用模块化设计,各功能模块的核心元件也应放置各功能模块中心,使外围元器件围绕它来布局,并尽量做到元器件整齐均匀的排列,并尽量缩短连接线的长度。尽量缩短高频元件之间的连线,即对高频元件应尽量近的放置,因此将放置于附近,以降低干扰。对于去耦电容应尽量放置于元器件的附近,并尽量保证电流应先到达去耦电容后到达元器件。系统电源插座以及其他接口器件应放置与印制板边缘,从而方便连接与维护。对于如天线及时钟电路不应该靠的太近,以保证不产生干扰,输入和输出元件应尽量远离。通过布线抑制干扰布局的好坏固然可以降低系统的干扰性但布线起着更为关键的作用。布局主要考虑到的是系统中元件的摆放位置,如的摆放位置,模块位置,传输模块的位置,以及天线的位置,中孔的位置,接地引脚的设置等。但是布局好的另一个好处就是可以更方便的走线,走出更高质量的线。对于布线我们主要介绍系统一些关键信号线的处理,如、时钟、信号线、天线以及电源层和地层。在本系统中使用两片字节的作为系统的程序运行空间,由两片串联以使系统工作在位模式下,满足了系统的最大吞吐率。的最高时钟可达以上,因此对于的数据线、时钟线、片选及其它控制信号需要进行进行特殊处理,因此提出以下布线要求。对于的各种信号线一定要尽量走等长线,并确保连线最短。且时钟信号线应比数据地址线更短。针对于以上要求本设计采用如下布线规则。时钟信号:由于的时钟频率较高,所以为了避免高频信号线之间产生的干扰即所谓的传输线效应,所以对的始终信号线走线产度不超多。走线宽度不超过,线间距大于。。地址,片选及其它控制信号:首先对所有的地址线走等长线,保证所有控制信号线的线宽大于,内部间距大于。对于走线形式要尽量走成菊花链型,不平行走线。这样可有效控制高次谐波干扰,走线不可以比时钟线-40- 短,要长于时钟线。数据线:对于所有的数据线也要尽量走等长线,而且尽量将所有的数据线走在在同一层上,并确保数据线和时钟线之间的长度差异不超过。本系统对数据线布线采用参数如下:线宽,线间距离,线外部间距。电源线和地线走线方式的合理设置可以有效的降低系统的干扰,提高系统的稳定性。是所有电子设备稳定工作的保证,系统中许多电磁干扰是由于电源和地线设置不当而引起的,其中由地线所引起的噪声干扰尤为突出。所以在设计时应该尽量保证电源线以及地线的设置合理,以降低由电源线和地线的干扰。在本系统中采用三层信号层以及两层地线层,一层电源层的设计方法。两层地线分别为数地层和模拟底层。由于时钟对系统的要求比较高,因此在各个时钟线中间加入地线以屏蔽干扰。并对高频时钟信号线尽量靠近切平行。传输线由两根差分信号线组成,差分阻抗为±,差分信号线上的电压大概为。在设计板时,设置差分信号线的差分阻抗对传输信号的稳定性是非常重要的,会影响到系统的完整性。差分线上不应加电容等滤波措施,否则会导致信号的传输失败。且应把的信号线布在离地层最近的信号层,而且上拉电阻,要设置合理,而且应靠近差分信号线。并保证差分线的线间距在走线过程中的一致性,可以蛇形走线。如果在走线过程中差分线的间距发生改变,会造成差分线阻抗的不连续性。天线与芯片的走线也应该尽量近,切要避开高频信号。布局设计与走线设计详见附录。本章小结本章简单分析了布线中产生电磁干扰的主要因素,并针对具体模块提出降低干扰噪声的方法,主要从印制电路板的布局以及布线等方面进行考虑。并针对、电源以及电线、时钟信号线、信号线等相对重要信号线做了适当的处理。-41- 结论随着时代的发展,人们越来越重视自己的健康,对医疗设备的要求也越来越高,医疗器械行业已经成为医疗行业的重大行业,本文在分析以往病房呼叫系统的同时提出了一种新型的无线病房呼叫系统方案,丰富了系统功能,克服了以往病房呼叫系统的缺点。本系统采用模块化的设计思想、利用微处理器与开源的操作系统,配以新兴的无线传输技术,在病房呼叫系统领域有所突破和创新,并为其他相关产品的设计与制造提供参考。本文针对上述目标,分别就以下几个方面的问题进行了深入地研究和探讨,取得了如下成果:通过对已有的病房呼叫系统进行系统分析,确认其优缺点,提出自己的方案。实现了传统无线病房呼叫系统的改进,方便安装,便于管理,丰富了系统功能。根据提出的优化方案的要求,确定了系统所需要的硬件资源,主控芯片使用,无线收发模块则采用基于协议的芯片。并在系统中加入了网络功能,通过网络可以方便的实现医院领导对中心护士站的实时监控,以及对中心数据的实时查阅。网络芯片选用了常用的网络芯片,方便了软件的开发与升级。丰富了显示接口,使系统可以同时支持显示和显示,满足了应用需求。根据系统要求确定了系统的外围电路设计,确定外围电路所用芯片,并对各个模块电路进行分析,给出连接图。主要包括:无线通信模块、存储模块、电源模块,按键模块,传输模块,串行传输模块,复位电路等。画出了各个模块的原理图并对系统图做了绘制,充分考虑到系统的电磁干扰现象,并对主要模块进行了抗干扰设计。病房呼叫系统竞争激烈,不断有新产品出现,因此对于该领域的研究也应该不断的更新技术,以加强产品在市场中的竞争力。-42- 参考文献苏巧平,刘原,苏海鹏医院床头无线呼叫系统中国科技信息,,:毕大庆一种面向未来的医用监控系统电子工程师,,:宋军罡将基于的解码器应用于病房呼叫系统医疗卫生装备,,:赵惠军,曹阳,孙艳静基于协议的病房呼叫系统研制医疗卫生装备,,:李文仲段朝玉编著无线网络技术入门与实战北京:北京航空航天大学出版社,:汪丰,赵明光,符志鹏基于技术的无线医疗监护网络的研究中国医疗设备,,:邬春明基于低压电力线载波技术的病房呼叫系统集成电路应用,,:胡庆新,程阵基于的无线传感器网络定位系统的设计电子技术应用,,:张华林无线病房呼叫系统的设计国外电子元器件,,::,:李长明基于与嵌入式系统的软件开发过程工业控制计算机,,:洪天祺,方方基于的智能γ能谱仪器硬件平台的设计核电子学与探测技术,,:薛金红,王永樑基于的悬浮转子的自动控制系统微计算机信息,,:陈先,王民,王飞嵌入式平台上的图像监控管理系统的开发现代制造工程,,:谢晶,彭熙伟,耿庆波基于的智能客房控制器设计低压电器,,:-43- [16]RobertKeenan.WLAN/BluetoothComponentsZigBeeDevelopmentKit[J].PRIMEDIABusinessMagazines&MediaInc,,:蒋华孙强近距离无线通信技术标准解析北京:北京航空航天大学出版社,:,,:小良,邓志东基于规范构建大规模无线传感器网络通信学报,,::,:郑凯,赵宏伟,张孝临基于网络的心电监护系统的研究仪器仪表学报,,:,,:,,:方强,程昌南入门与实践北京:北京航空航天大学出版社,:,,:滕秋琴嵌入式系统网络接口设计电讯技术,,:吴明晖基于的嵌入式系统开发与应用北京:人民邮电出版社,:马忠梅等嵌入式系统教程北京:航空航天大学出版社,:,,:,,:陈赜嵌入式技术及高级实践教程北京:北京航天航空大学出版社,:-44- 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致谢至此,我的毕业论文以及我的研究生生涯已接近尾声,在这里我想要对所有帮助过我的老师和同学们表示衷心的感谢。首先感谢我的导师杨明极老师,此论文是在杨明极老师的监督与指导下完成的,杨老师对本文从选题到写作以及对论文所述项目的指导都做了精心的工作,多次为我指出问题,排除困难。并以身作则,严格要求我,才使我能顺利完成我的学位论文。杨明极老师理论与实践基础深厚,对待工作精益求精,他不仅每周都给我们开会教授我相当多的的知识,而且传授我做人的道理。项目的实验以及论文的书写离不开课题组里的没一位成员,他们都给了都给了我热情的帮助。他们的毫无保留与真诚时时在温暖和感动着我,他们既是良师更是益友。在工作和生活中给了我莫大的帮助。感谢实验室的每一位师兄师弟师妹们,有了他们无私的帮助和对我们的宽容与体谅才使我顺利完成研发工作,愉快的度过了我的研究生生涯。感谢测通学院的全体教师在我研究生学习期间所给予的无私帮助,使我受益的不仅仅是老师广博的知识,丰富的经验,更为重要的是老师的为人,为师,以及科研中谦虚谨慎的态度。他们教会了我积极乐观的生活情操,谦虚好学的学习态度,严谨求实的科研精神。。我要深深感谢我的家人,我的爸爸、妈妈、和哥哥,是你们对我无微不至的关怀,细心的呵护,才使我能有今天。最后,谨向在百忙中审阅本文的各位专家、教授表示衷心的感谢!-50-