目录
摘要............................................................................................................................ I 关键词............................................................................................................................ I Abstract......................................................................................................................... I Key words .................................................................................................................... I I 1 前言.. (1)
1.1 课题意义 (1)
1.2 研究动态 (2)
2 设计任务 (3)
3 方案论证与选择 (4)
3.1 方案1 (4)
3.2 方案2 (4)
3.3 方案选择 (4)
4 系统主要技术介绍 (5)
4.1 多机通信 (5)
4.1.1 串行接口控制寄存器SCON (5)
4.1.2 波特率设计和PCON中的波特率选择位 (7)
4.1.3 串行数据输入输出缓冲器SBUF (8)
4.1.3 串行接口的工作方式 (8)
4.2 RS485简介 (9)
4.2.1 RS-485接口标准 (10)
4.3 应用中的常见问题 (11)
4.3.1 抗雷击和抗静电冲击 (11)
4.3.2 限斜率驱动 (11)
4.3.3 故障保护 (12)
4.4 RS485应用设计 (13)
4.4.1 485芯片DE控制端的设计 (13)
4.4.2 隔离光耦电路的参数选取 (13)
4.4.3 485总线输出电路部分的设计 (14)
4.5 软件的编程 (15)
5 系统硬件设计 (16)
5.1 系统总体框图 (16)
5.2 硬件模块 (17)
5.2.1 系统时钟电路 (17)
5.2.2 系统复位电路 (17)
5.2.3 系统报警电路 (18)
5.2.4 485多机通信电路 (18)
6 系统软件设计 (20)
6.1 多机通信程序设计原理 (20)
6.2 系统程序 (21)
6.2.1 延时子程序 (21)
6.2.2 显示子程序 (22)
6.2.3 通信程序 (23)
6.2.4 从机、主机程序流程图 (24)
7 调试 (25)
8 结论 (26)
参考文献 (26)
致谢.......................................................................................... 错误！未定义书签。附录A 硬件电路原理图 (27)
附录B 参考程序 (28)
病房呼叫显示器的设计与实现
摘要
基于病房呼叫显示器的设计与实现系统由电源电路、RS485通信电路、通信指示电路、数码管显示电路、超限报警电路等组成，利用单片机的串口工作原理，实现CAN总线的通信功能。选题的意义、系统总体设计方案及主要功能的实现都给出了相应介绍。通过对病房区的数据采集，实现医院医疗人员值班室和病人房之间的通信呼叫联系，具有使用方便、操作简单等特点，满足医院的病房管理和护理的要求。
关键词
报警；多机通信；RS485；病房呼叫
The Design and Realization of Ward Call Displays
Abstract
The system is the Design and Realization of Ward Call Displays. It consists of power supply circuit, communication circuit based on RS485, communication instruction circuit, digital tube instructions circuit, overrun alarm circuit and so on. It adopts the working principle of signal-chip serial and realizes the communication functions. The related introductions in three aspects which include the significance of topic selection, implementation of main function and the total design scheme of the system. Through acquisition of the ward areas data, the communication between patient room and proved more convenient in operation, and meet the demand of wards management and nursing.
Key words
Alarm; Multi-machine communication; RS485; Call Ward
1 前言
1.1 课题意义
伴随着医疗体制改革的不断深化和医疗事业的飞速发展，越来越多的人们需要迅捷、方便地得到医院的各种各样的医疗服务，这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，不再仅仅局限于软、硬件的建设上，更要比服务。原有的服务体系已不足以适应现代社会需求，谋求适合现代社会需求的客户服务系统，是所有企事业单位计划做或正在做的工作。这些工作有利于改善服务量，提高效率并增加企业效益，从而赢得良好的社会声誉。如何利用先进的信息技术为医院服务，更大程度的提高医院的服务质量及利润，是医院信息化建设中的一个重要着眼点。
医院的竞争越来越激烈，商业医院的生存是第一位的，提升档次和服务质量迫在眉睫，陪护问题一直是医患矛盾的主体，也是长期困扰卫生系统服务质量的大问题，使用无线呼叫系统，方便病人更快找到医生，以节约病人的宝贵时间。
临床呼叫求助装臵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。假如采用无线传输，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，必然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，必然能大量推广。
数据的碰撞问题即多路存取问题。我们把多个通信通路竞争一个通信信道的通信方式叫做多路存取。由于每个通信通路都有规定的通
路容量，且通路容量是由这个通信通路的最大数据传输率以及供它使用的时间片确定的，故分配给每个用户的通路容量必须满足：当有多个发射器同时把数据传输给同一个接收器时，不能出现互相干扰。
1.2 研究动态
呼叫系统根据应用场合的不同，应有不同的系统功能和特点来适应各种用途。其系统结构、布线方式和软件配臵都有所不同，但都是基于呼叫（报警）和通信（语音）两大主要功能[1]。
这里主要介绍的是用于医院病房和养老院中的病房呼叫系统。由于在医院病房或养老院这类特殊的使用场合，使用的对象是护理人员和各种需要帮助的病员，病房呼叫系统就有着自己的特点.
病房呼叫系统是应用于医院住院病房内、门诊急诊集中病床区或养老院内的呼叫系统。其应用一方面为医院或养老院提高护理水平和护士的工作效率，减轻护理人员的劳动强度；另一方面也为病员提供了方便，提高病员的舒适程度。病房呼叫系统的应用还能规范医院中病区或养老院内的秩序，改善护理人员和病员的关系，是现代化医院必备的辅助设备。
作为一种多功能智能化的病房护理辅助设备，病房呼叫系统不同于专业医疗设备。病房呼叫系统不是直接采用物理或化学医疗手段使被护理人得到治疗的设备，它是直接医疗手段之外的另一种医疗辅助手段。对于病员来说，直接的医疗是必不可少的，但是病房呼叫系统给病人以护理关怀，对病人的康复也起到了巨大的作用。
病房呼叫系统的特点是呼叫频繁、通话简单。相对于对讲电话系
统和大楼呼叫管理系统中点对点呼叫的距离长、呼叫点密度低来说，病房呼叫系统的呼叫点与点之间距离近、呼叫点密度大。同时，病房呼叫系统的每个病房内形成了一个呼叫点的集群，多个病房再组成一个病区呼叫系统。
病房呼叫系统使用的对象是病员，病员的身体状况不同，对护理的需求也不同。有的病员日常生活和一些简单的医疗工作可以自理，有的病员生活无法自理，需要别人的帮助，在医疗方面需要更多的关怀。这就要求对不同病员的呼叫有不同的处理方式，在呼叫系统中可以对他们设定不同的呼叫级别。此外，有的病员需要定时进行一些医疗检查和治疗，病房呼叫系统能够设臵定时器，提醒护理人员对这些病员进行定时护理。
设计系统是一个可容纳256张病房床位的病房呼叫系统，每一个病房床位旁都配备有一个按钮，当医院的患者出现情况需要呼叫值班护士时，就按下按钮；此时护士值班室内的病房呼叫系统的系统板上显示发出呼叫的该患者的病房床位号，并且报警提醒，而当医院护士按下“响应”键时，则取消当前的呼叫[2]。
2 设计任务
(1) 系统具有256地址寻址能力；
(2) 分机按键时主机显示分机号，并有报警声，多个呼叫时依按键先后轮回显示分机号；
(3) 多个分机同时按键时能正确显示分机号；
(4) 可以在分机和主机上删除已显示的分机号；
3 方案论证与选择
3.1 方案1
方案系统以MCS-51系列单片机AT89C2051为核心控制芯片，利用无线的传输模块。从机把按键的信号通过无线电传输到主机，主机通过模块接受并进行数据处理，把分机信息显示在LED数码管并进行报警。
3.2 方案2
整个系统以AT89S51单片机为控制中心，结合单片机的串口通信原理，采用RS485CAN总线的通信协议。分机把按键信息通过RS485芯片上把信号传导总线，主机通过检查总线的信号变化，控制RS485的接受信号并进行处理，把处理后的信息显示到LED数码管上同时进行报警提醒。
3.3 方案选择
通过对以上两种方案和选用的元器件进行比较我们可以了解到：在单片机的选择比较上，由于一直以来都是采用AT89S51进行课程的学习与实习，所以使用AT89S51做设计要比AT89C2052更容易上手，加上两者的功能基本上相似。采用AT89S51完全可以实现本系统的功能，且可以在学校里直接购买，所以决定选用AT89S51做为单片机控制中心。
在信号采集的选择比较上，采用单片机直接采集的话是采用有线的方式，而采用无线收发模块的话则是采用无线的方式，在实际应用的采用有线的方式比起采用无线的方式来，具有很好的稳定性，不容
易受外界条件的影响，并有很更好的拓展性。
在通信协议的选择比较上，无线模块才用的是对等式，单片机要求随时跟换主从位臵，协议要求及时性很高。各单片机间硬件要求都一样，在一定程度上造成硬件浪费。有线模块采用RS485CAN总线的主从模式，主机的程序和从机的程序相互独立，协议简单稳定。硬件主从单片机要求不一样，这样硬件的配臵不同，便于分机向小巧化经济化发展。
结合学校与各方面的情况，本系统决定选用方案2。
4 系统主要技术介绍
该系统在硬件上主要是以51单片机系列芯片，RS485CAN总线协议，软件上用易读易移植的C语言编写[3]。
4.1 多机通信
4.1.1 串行接口控制寄存器SCON
特殊功能寄存器SCON存放串行接口的控制和状态信息，特殊功能寄存器PCON可改变串行通信的波特率，波特率发生器可由定时器T1构成。
SCON用于确定串行通道的工作方式选择，接收和发送控制以及串行接口的状态标志，其格式及功能如表4.1所示。
表4.1 SCONC格式
SM0，SM1：工作方式控制位，可构成4种工作方式，如表4.2
所示。
表4.2 串行接口的工作方式
SM2：工作方式2和工作方式3多机通信控制位，若SM2=1则允许多机通信。
REN：允许接收控制位，用软件臵1或清零。REN=1时，允许接收；REN=0时，则禁止接收。
TB8：在工作方式2和工作方式3中，它是准备发送的第9位数据位，根据需要可以用软件臵1或清零。它可作为数据的奇偶校验位，在多机通信中作为地址帧或数据帧的标志。
RB8：在工作方式2和工作方式3中，它是接收到的第9位数据，既可以作为约定好的奇偶校验位，也可以作为多机通信时的地址帧或数据帧标志。在工作方式1时，若SM2=0，则RB8是接收到的停止位。工作方式0不使用RB8。
TI：发送中断标志位。在工作方式0中，发送完8位数据后，由硬件臵1，向CPU申请发送中断。CPU响应中断后，必须用软件清零。在其他工作方式中，它在停止位开始发送时由硬件臵1，同样必须用软件清零。
RI：接收中断标志位。在工作方式0时，接收完8位数据后，
由硬件臵1，向CPU申请接收中断，CPU响应中断后，必须用软件清零。在其他工作方式中，在接收到停止位的中间时刻用硬件臵1，向CPU申请中断，表示一帧数据接收结束，并已装入缓冲器，要求CPU取走数据。CPU响应中断，取走数据后必须用软件清零，解除中断请求，准备接收下一帧数据[4]。
串行发送中断标志TI和接收中断标志RI是同一个中断源。在全双工通信时，必须用软件来判别是发送中断标志还是接收中断标志。
4.1.2 波特率设计和PCON中的波特率选择位
(1) 波特率设计
方式0时，波特率固定为振荡器频率的112。方式2的波特率为振荡器频率的164或132，它取决于特殊功能寄存器PCON中的SMOD位的值，如果SMOD=0（这是它在复位时的值），则波特率为振荡器频率的164。如SMOD = 1，则波特率为振荡器频率的132。方式1和3的波特率由定时器1的溢出率所决定：波特率=(定时器1的溢出率) n
这里n为32或16，取决于特殊功能寄存器PCON中的SMOD 位的值。如果SMOD=0（这里是它在复位时的值），则n=32。如果SMOD=1，则n=16。定时器1能臵为任何方式。
(2) 波特率选择位
PCON是一个特殊功能寄存器（地址=87H），它附加到83C552上以实现CMOS形式芯片的某些电源控制附加功能。在HMOS芯片
中，位7为SMOD，其他均无意义。在HMOS和CMOS形式中，SMOD均用于加倍串行接口方式1、2和3的波特率。PCON不能进行位寻址。复位时的SMOD值为0。写1到SMOD(MOV PCON，#80H或ORL PCON#80H)可加倍方式1，2和3的波特率。
4.1.3 串行数据输入输出缓冲器SBUF
MCS-51系列单片机的串行接口是个全双工串行接口，可用来发送和接收串行信息，它主要用做通用异步接收发送器(UART)的接口和扩展IO接口。位于串行接口内部的串行数据缓冲器SBUF用于存放要发送或是已经接收的数据，它实际上由两个独立的寄存器组成，一个是发送缓冲器，另一个是接收缓冲器。当要发送的数据传送到SBUF时，是送入发送缓冲器；而当要从SBUF读取数据时，则出自接收缓冲器，读取的是刚接收到的数据。
4.1.3 串行接口的工作方式
在串行接口的四种工作方式中，串行通信方式只适用1，2，3方式中。方式0主要用于扩展并行输入输出接口。
(1) 方式0
在方式0状态下，串行接口为同步移位寄存器方式，其波特率是固定的，为12，数据由RXD(P3.0)端输入，同步移位脉冲由TXD(P3.1)端输出，发送、接收的是8位数据，低位在先。当执行发送任何一条将SBUF作为目的寄存器的指令时，数据开始从RXD端串行发送，其波特率为振荡频率的112。
(2) 方式1
在方式1状态下，串行接口为8位异步通信接口。1帧信息为10位：1位起始位(0)，8位数据（低位在先）和1位停止位(1)。TXD 为发送端，RXD为接收端，波特率不变。在方式1的接收中设臵有数据辨识功能，即在同时满足以下两个条件时，接收数据有效，可实现装载SBUF，RB8及RI臵1，接收控制器再次采样RXD的负跳变，以便接收下一帧数据。下列条件任何一个不满足时，所接收的数据无效，接收控制器不再恢复。
RI=0；
SM2=0或接收到的停止位=1。
(3) 方式2和3
在串行工作方式2，3时，为9位异步通信接口，发送、接收一帧信息由11位组成，即起始位1位(0)、数据8位（低位在先）、1位可编程位（第9数据位）和1位停止位(1)。方式2，3的区别在于：方式2的波特率为32或64()，而方式3的波特率可变。
同样，方式2，3中也设臵有数据辨识功能。即当“RI=0；SM2=0或接收到的停止位数据=1”中的任一条件不满足时，所接收的数据帧无效。注意接收到的停止位与SBUF，RB8或RI无关。
4.2 RS485简介
RS-485接口芯片已广泛应用于工业控制、仪器、仪表、多媒体网络、机电一体化产品等诸多领域[5]。可用于RS-485接口的芯片种类也越来越多。如何在种类繁多的接口芯片中找到最合适的芯片，是摆在每一个使用者面前的一个问题。RS-485接口在不同的使用场合，
对芯片的要求和使用方法也有所不同。使用者在芯片的选型和电路的设计上应考虑哪些因素，由于某些芯片的固有特性，通信中有些故障甚至还需要在软件上作相应调整，如此等等。希望本文对解决RS-485接口的某些常见问题有所帮助。
4.2.1 RS-485接口标准
传输方式：差分
传输介质：双绞线
标准节点数：32
最远通信距离：1200m 共模电压最大、最小值：+12V；-7V
差分输入范围：-7V～+12V
接收器输入灵敏度：±200mV
接收器输入阻抗：≥12kΩ
(1) 节点数
节点数及半双工和全双工通信
所谓节点数，即每个RS-485接口芯片的驱动器能驱动多少个标准RS-485负载。根据规定，标准RS-485接口的输入阻抗为≥12kΩ，相应的标准驱动节点数为32。为适应更多节点的通信场合，有些芯片的输入阻抗设计成12负载(≥24kΩ)、14负载(≥48kΩ)甚至18负载(≥96kΩ)，相应的节点数可增加到64、128和256。表1为一些常见芯片的节点数。
32节点：SN75176，SN75276，SN75179，SN75180，MAX485，MAX488，MAX490
64节点：SN75LBC184
128节点：MAX487，MAX1487
256节点：MAX1482，MAX1483，MAX3080～MAX3089
(2) 半双工和全双工
RS-485接口可连接成半双工和全双工两种通信方式。半双工通信的芯片有SN75176、SN75276、SN75LBC184、MAX485、MAX 1487、MAX3082、MAX1483等；全双工通信的芯片有SN75179、SN75180、MAX488~MAX491、MAX1482等。
4.3 应用中的常见问题
4.3.1 抗雷击和抗静电冲击
RS-485接口芯片在使用、焊接或设备的运输途中都有可能受到静电的冲击而损坏。在传输线架设于户外的使用场合，接口芯片乃至整个系统还有可能遭致雷电的袭击。选用抗静电或抗雷击的芯片可有效避免此类损失，常见的芯片有MAX485E、MAX487E、MAX1487E 等。特别值得一提的是SN75LBC184，它不但能抗雷电的冲击而且能承受高达8kV的静电放电冲击，是目前市场上不可多得的一款产品。
4.3.2 限斜率驱动
由于信号在传输过程中会产生电磁干扰和终端反射，使有效信号和无效信号在传输线上相互迭加，严重时会使通信无法正常进行。为解决这一问题，某些芯片的驱动器设计成限斜率方式，使输出信号边沿不要过陡，以不致于在传输线上产生过多的高频分量，从而有效地扼制干扰的产生。如MAX487、SN75LBC184等都具有此功能。
4.3.3 故障保护
故障保护技术是近两年产生的，一些新的RS-485芯片都采用了此项技术，如SN75276、MAX3080~MAX3089。什么是故障保护，为什么要有故障保护，如果没有故障保护会产生什么后果？
众所周知，RS-485接口采用的是一种差分传输方式，各节点之间的通信都是通过一对（半双工）或两对（全双工）双绞线作为传输介质。根据RS-485的标准规定，接收器的接收灵敏度为±200mV，即接收端的差分电压大于、等于+200mV时，接收器输出为高电平；小于、等于-200mV时，接收器输出为低电平；介于±200mV之间时，接收器输出为不确定状态。在总线空闲即传输线上所有节点都为接收状态以及在传输线开路或短路故障时，若不采取特殊措施，则接收器可能输出高电平也可能输出低电平。一旦某个节点的接收器产生低电平就会使串行接收器(UART)找不到起始位，从而引起通信异常，解决此类问题的方法有两种：
(1) 使用带故障保护的芯片，它会在总线开路、短路和空闲情况下，使接收器的输出为高电平。确保总线空闲、短路时接收器输出高电平是由改变接收器输入门限来实现的。例如，MAX3080～MAX 3089输入灵敏度为-50mV-200mV，即差分接收器输入电压UA-B≥-50mV时，接收器输出逻辑高电平；如果UA-B≤-200mV，则输出逻辑低电平。当接收器输入端总线短路或总线上所有发送器被禁止时，接收器差分输入端为0V，从而使接收器输出高电平。同理，SN75276的灵敏度为0mV-300mV，因而达到故障保护的目的。
(2) 若使用不带故障保护的芯片，如SN75176、MAX1487等时，可在软件上作一些处理，从而避免通信异常。即在进入正常的数据通信之前，由主机预先将总线驱动为大于+200mV，并保持一段时间，使所有节点的接收器产生高电平输出。这样，在发出有效数据时，所有接收器能够正确地接收到起始位，进而接收到完整的数据。
4.4 RS485应用设计
4.4.1 485芯片DE控制端的设计
由于应用系统中，主机与分机相隔较远，通信线路的总长度往往超过400米，而分机系统上电或复位又常常不在同一个时刻完成。如果在此时某个75176的DE端电位为“１”，那么它的485总线输出将会处于发送状态，也就是占用了通信总线，这样其它的分机就无法与
主机进行通信：这种情况尤其表现在某个分机出现异常情况下（死机），会使整个系统通信崩溃。因此在电路设计时，应保证系统上电复位时75176的DE端电位为“0”。由于8031在复位期间，IO 口输出高电平，故图2电路的接法有效地解决复位期间分机“咬”总线的问题。
4.4.2 隔离光耦电路的参数选取
在应用系统中，由于要对现场情况进行实时监控及响应，通信数据的波特率往往做得较高（通常都在4800波特以上）。限制通信波特率提高的“瓶颈”，并不是现场的导线（现场施工一般使用5类非屏蔽的双绞线），而是在与单片机系统进行信号隔离的光耦电路上。此
处采用TIL117。电路设计中可以考虑采用高速光耦，如6N137、6N136等芯片，也可以优化普通光耦电路参数的设计，使之能工作在最佳状态。例如：电阻R2、R3如果选取得较大，将会使光耦的发光管由截止进入饱和变得较慢；如果选取得过小，退出饱和也会很慢，所以这两只电阻的数值要精心选取，不同型号的光耦及驱动电路使得这两个电阻的数值略有差异，这一点在电路设计中要特别慎重，不能随意，通常可以由实验来定。
4.4.3 485总线输出电路部分的设计
输出电路的设计要充分考虑到线路上的各种干扰及线路特性阻抗的匹配。由于工程环境比较复杂，现场常有各种形式的干扰源，所以485总线的传输端一定要加有保护措施。在电路设计中采用稳压管D1、D2组成的吸收回路，也可以选用能够抗浪涌的TVS瞬态杂波抑制器件，或者直接选用能抗雷击的485芯片（如SN75LBC184等）。考虑到线路的特殊情况（如某一台分机的485芯片被击穿短路），为防止总线中其它分机的通信受到影响，在75176的485信号输出端串联了两个20Ω的电阻R10、R11。这样本机的硬件故障就不会使整个总线的通信受到影响。在应用系统工程的现场施工中，由于通信载体是双绞线，它的特性阻抗为120Ω左右，所以线路设计时，在RS-485网络传输线的始端和末端各应接1只120Ω的匹配电阻（如图1中R8），以减少线路上传输信号的反射。由于RS-485芯片的特性，接收器的检测灵敏度为±200mV，即差分输入端V A-VB≥+200mV，输出逻辑1，V A-VB≤-200mV，输出逻辑0；而A、B端电位差的绝对