針對傳統(tǒng)病房呼叫系統(tǒng)存在的不足，本文設(shè)計了一款基于PLC的病房呼叫系統(tǒng)。當(dāng)病人通過按鍵請求醫(yī)護人員幫助時，病房呼叫系統(tǒng)將相關(guān)請求信息通過電力載波傳輸給上位機系統(tǒng)，醫(yī)護人員根據(jù)當(dāng)前請求信息給予病人相應(yīng)的幫助。

1、系統(tǒng)總體方案及工作原理

本文根據(jù)病房呼叫系統(tǒng)實際功能需求對病房呼叫系統(tǒng)硬件電路進行設(shè)計。系統(tǒng)硬件電路主要由電源模塊、電力載波發(fā)送模塊、電力載波接收模塊、時鐘模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、呼叫按鍵模塊、串口模塊和看門狗模塊等組成，其整體硬件電路如圖1所示。

圖１病房呼叫系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

文中設(shè)計的系統(tǒng)有效解決了傳統(tǒng)病房呼叫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工難度大、擴展能力差等問題。當(dāng)病人需要醫(yī)護人員幫助時，病人通過病房呼叫系統(tǒng)將呼叫請求信息傳輸給相應(yīng)的主治醫(yī)生或護士，主治醫(yī)生或值班護士接收到請求信息后，通過病房呼叫系統(tǒng)給予相應(yīng)的應(yīng)答，從而穩(wěn)定病人情緒，提高醫(yī)療整體服務(wù)水平。

2、控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

病房呼叫硬件電路主要由以下功能模塊組成，分別為電力載波發(fā)送模塊、電力載波接收模塊、電源模塊、串口模塊、人機交互模塊等。

2.1、電源模塊

對于任何一套系統(tǒng)，電源模塊整體穩(wěn)定性決定了系統(tǒng)整體可靠性和穩(wěn)定性。由于系統(tǒng)體積限制和實際功能需求，本文設(shè)計了一款高性能開關(guān)穩(wěn)壓電源。該電源選用美國POWER公司開發(fā)的TOP224Y芯片作為電源主控芯片，其電路如圖2所示。

圖２開關(guān)電源設(shè)計電路

開關(guān)穩(wěn)壓電源工作原理如下：220V交流電源經(jīng)過整流橋和濾波電容輸出波動的直流電源，該電源直接輸出給TOP224Y芯片的漏極引腳，TOP224Y芯片導(dǎo)通，電源電壓通過變壓器Q20初級線圈與源極形成回路，Q20次級線圈輸出電源電壓，同時系統(tǒng)利用整流二極管和濾波電容對輸出的電源電壓進行整流濾波處理。為了保證開關(guān)電源輸出穩(wěn)定的電源電壓，本系統(tǒng)采用變壓器次級線圈對輸出的電源電壓進行采樣，當(dāng)采集電壓大于12V時，光耦發(fā)光體導(dǎo)通，TOP224Y芯片關(guān)閉漏極引腳，從而降低開關(guān)電源輸出的電壓大小。由于變壓器初級線圈具有儲能作用，其在TOP224Y高頻開關(guān)過程中容易產(chǎn)生較高的尖峰脈沖，為了保證系統(tǒng)能夠正常T作，系統(tǒng)設(shè)計了由電阻R28、電容C32和二極管D36組成的吸收回路對尖峰脈沖進行吸收處理，從而有效避免開關(guān)電源因尖峰脈沖造成TOP224Y芯片的損壞。

2.2、電力載波發(fā)送模塊

在病房呼叫系統(tǒng)中，病人的請求信息和值班護士之間的數(shù)據(jù)通信采用電力線進行數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)病人通過呼叫請求按鍵進行請求時，單片機將當(dāng)前病人請求的床位信息和需求信息通過電力線載波發(fā)送模塊發(fā)送給相應(yīng)的主治醫(yī)生或值班護士。由于電力線主要用于傳輸電能，且醫(yī)院存在大量醫(yī)療設(shè)備，醫(yī)院電網(wǎng)具有大量的諧波噪聲。為了保證文中設(shè)計的病房呼叫系統(tǒng)能夠正常工作，系統(tǒng)采用推拉驅(qū)動電路對電力載波發(fā)送模塊進行設(shè)計，其電路如圖3所示。相比傳統(tǒng)的單管驅(qū)動而言，本文設(shè)計的電力載波發(fā)送模塊具有數(shù)據(jù)傳輸距離遠、抗干擾能力強等特點。同時系統(tǒng)采用12V電源對電力載波發(fā)送模塊進行驅(qū)動，提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男旁氡取?/p>

圖３電力載波發(fā)送模塊

電力載波發(fā)送模塊工作原理如下：當(dāng)病房呼叫系統(tǒng)需要進行數(shù)據(jù)傳輸時，Atmega64單片機將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息通過串口發(fā)送給BWP08A模塊，BWP08A將接收的數(shù)據(jù)信息按位通過VO引腳輸出。為了提高電力載波數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x，系統(tǒng)對VO輸出的數(shù)據(jù)信息進行推拉放大處理，經(jīng)過放大的數(shù)據(jù)信息通過電容C14耦合到變壓器T1的初級線圈，并由變壓器次級線圈通過電力線進行數(shù)據(jù)遠程傳輸。由于醫(yī)院電力線中存在較高的諧波噪聲，為了保證系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性，系統(tǒng)選用D10和D11組成的鉗位電路進行保護設(shè)計，從而避免外部噪聲造成電力載波發(fā)送模塊的損壞，提高了系統(tǒng)整體穩(wěn)定性。

2.3、電力載波接收模塊

當(dāng)主治醫(yī)生或值班護士接收到病人請求信息后，主治醫(yī)生或值班護士需及時通過電力載波進行數(shù)據(jù)應(yīng)答，從而穩(wěn)定病人情緒。由于醫(yī)院電能質(zhì)量較差，且電力線上存在較高的傳輸電阻，嚴重影響了電力載波數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量，針對我國電網(wǎng)特點，本系統(tǒng)設(shè)計了如圖4所示的電力載波接收電路。

圖４電力載波接收模塊

圖4中的電容C19、C20和電感L4并聯(lián)，諧振T作頻率f=120kHz，根據(jù)式（1）可知電容和電感大小。頻率計算公式：

3、軟件設(shè)計

3.1、軟件總體架構(gòu)設(shè)計

針對病房呼叫系統(tǒng)軟件功能需求，本系統(tǒng)白行構(gòu)建了一套多功能狀態(tài)機系統(tǒng)，系統(tǒng)軟件程序采用模塊化進行設(shè)計，利用定時器對各個功能模塊進行調(diào)度處理。同時，系統(tǒng)軟件具有較強的移植性和可擴展性，降低了系統(tǒng)后續(xù)維護成本。系統(tǒng)軟件主流程圖如圖5所示。

圖５主程序流程圖

3.2、電力載波發(fā)送模塊

當(dāng)病人觸發(fā)呼叫按鍵時，Atmega64單片機將當(dāng)前床位信息和需求信息存儲到串口發(fā)送緩沖區(qū)中，啟動串口中斷使能位，由Atmega64單片機通過串口中斷將數(shù)據(jù)信息傳輸給BWP08A電力載波芯片。BWP08A將接收的數(shù)據(jù)信息通過電力線傳輸給主治醫(yī)生或值班護士。為了保證電力載波傳輸數(shù)據(jù)的同步性，BWP08A芯片在傳輸信息前，首先發(fā)送40bit全為“1”的數(shù)據(jù)信息，接著BWP08A發(fā)送同步幀頭Ox09和OxAF，從而有效保證電力線載波數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼w同步性。BWP08A將接收的數(shù)據(jù)信息按位由VO引腳輸出，每發(fā)送一位數(shù)據(jù)信息后，位計數(shù)器減1，當(dāng)位計數(shù)器減為0時，該位數(shù)據(jù)信息發(fā)送完成，同時BWP08A內(nèi)部計數(shù)器減1，當(dāng)BWP08A接收的數(shù)據(jù)信息傳輸完成后，BWP08A將當(dāng)前發(fā)送狀態(tài)設(shè)置為接收狀態(tài)，從而保證BWP08A接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，其程序流程圖如圖6所示。

圖６電力載波發(fā)送模塊流程圖

3.3、電力載波接收模塊

當(dāng)主治醫(yī)生或值班護士接收到病人請求信息時，主治醫(yī)生或值班護士通過病房呼叫系統(tǒng)發(fā)送相應(yīng)的應(yīng)答信號，從而穩(wěn)定病人情緒。因此，病房呼叫終端設(shè)備需要具有數(shù)據(jù)接收處理模塊。當(dāng)病房呼叫系統(tǒng)接收到應(yīng)答信息時，BWP08A首先利用電力載波接收模塊進行數(shù)據(jù)接收處理，BWP08A每接收8bit數(shù)據(jù)信息，BWP08A芯片通過串口傳輸給Atmega64單片機，當(dāng)BWP08A接收數(shù)據(jù)完成后，Atmega64會將數(shù)據(jù)接收完成標(biāo)志位進行置位處理，并由主程序?qū)邮盏臄?shù)據(jù)信息進行解析，并執(zhí)行相應(yīng)的動作。電力載波接收軟件程序流程圖如圖7所示。

圖７電力載波接收模塊流程圖

4、實驗結(jié)果及對比分析

為了驗證文中設(shè)計的病房呼叫系統(tǒng)，本課題依據(jù)上述論述搭建了基于電力載波的病房呼叫系統(tǒng)，系統(tǒng)電路如圖8所示。

圖８電力載波病房呼叫系統(tǒng)實物圖

由于醫(yī)院非線性電子設(shè)備較多，其會產(chǎn)生較高的諧波噪聲，為了驗證病房呼叫系統(tǒng)整體穩(wěn)定性，系統(tǒng)對發(fā)送模塊進行了測試。載波數(shù)據(jù)耦合前波形和耦合后波形如圖9和圖10所示。從圖中可知，文中涉及的載波發(fā)送模塊各項性能滿足系統(tǒng)功能需求。

圖9電力載波發(fā)送耦合前

圖10 電力載波發(fā)送耦合后

為了保證系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確接收應(yīng)答數(shù)據(jù)信息，需對電力載波接收模塊進行了測試，以保證病房呼叫系統(tǒng)在較高的諧波噪聲環(huán)境下能夠準(zhǔn)確接收應(yīng)答數(shù)據(jù)信息。其接收端口波形圖如圖11和圖12所示。

圖11 電力載波接收波形

圖12 ?電力載波接收處理波形

為了驗證病房呼叫系統(tǒng)整體性能，本課題將設(shè)計的病房呼叫系統(tǒng)投入到大型醫(yī)院，并分別在無負載和有負載的情況下對病房呼叫系統(tǒng)進行測試，其實驗結(jié)果如表1和表2所示。實驗結(jié)果表明，本課題設(shè)計的病房呼叫系統(tǒng)在沒有負載的情況下能夠有效傳輸1400m左右：當(dāng)醫(yī)院啟動所有大型用電設(shè)備時，病房呼叫系統(tǒng)有效傳輸距離可以達到1100m左右。通過對實驗結(jié)果的分析可知，文中設(shè)計的病房呼叫系統(tǒng)滿足醫(yī)院的各項功能需求。

表1 ? ? 無負載測量結(jié)果分析

表2 ? ? ? 電力線外界大功率負載測量結(jié)果分析

5、結(jié)論

本文根據(jù)醫(yī)院各項功能需求設(shè)計了病房呼叫系統(tǒng)整體架構(gòu)，并依據(jù)系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計了病房呼叫系統(tǒng)硬件電路和軟件程序。由于系統(tǒng)采用電力載波進行遠程數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)只需要將病房呼叫系統(tǒng)掛接到醫(yī)院電力線上即可實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)通信。該系統(tǒng)能夠有效解決傳統(tǒng)病房呼叫系統(tǒng)分機容量低、擴展能力差、施工難度大、成本高等問題。該系統(tǒng)并非完美，但系統(tǒng)安裝簡單、操作便捷、易于擴展，具有更高的使用價值和推廣價值。