基于分布式控制的醫院呼叫通訊系統設計

摘 要：本文研究內容源于某醫科大學附屬醫院綜合呼叫管理系統的日常運行和維護過程，以及醫院的迅速發展及醫院基礎設施的擴建所需。希望通過本文的研究可以解決醫院現存的一些問題，為醫院的發展提供一些幫助。

關鍵詞：分布式控制 通訊系統 系統設計

中圖分類號：TP31 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）04（a）-0014-01

醫院綜合呼叫管理系統，是分布式系統應用的一個具體的例子。本文將選擇主流的總線式技術進行研究。采用總線技術的醫院綜合呼叫管理系統，是由多個計算機/微型計算機系統為節點、通信網絡、網絡協議等要素所構成的分布式通信控制系統。

主機電路以ATMEL公司的ATMEGA16A型單片機為核心。ATMEGA16A單片機最多可設置為32個IO端口，用于輸入或輸出數字信號。在主機上安裝3個按鍵，兩個（CONFIG和SET）用于設置有效子機的號碼，一個（CLR）用于清除子機的服務申請。3個按鍵共占用3個IO線。作為單片機的輸入信號，按鍵有效（按鍵被壓下）可以用高電平1表示，也可以用低電平0表示。如果以高電平表示有效，則必須保證平時狀態（未被壓下）為穩定的低電平；如果以低電平表示有效，則必須保證平時狀態為穩定的高電平。這意味著信號的輸入端必須接穩定的下拉電阻Rdown或上拉電阻Rup，如圖1所示。ATMEGA16 A單片機的每個IO端口都設計了上拉電阻Rpu，阻值在20 KΩ～50 KΩ之間（詳見ATMEL公司文檔doc8154，版本號8154 B AVR–07/09，第293頁），通過軟件設置，可以在輸入時起到上拉的作用，如果用低電平表示按鍵有效，就不必另外連接電阻了。

主機上安裝1個蜂鳴器，用于按鈕提示、錯誤提示等用途；安裝5個LED指示燈，其中3個對應于用戶的三種服務申請，一個作為工作指示燈，一個作為錯誤指示燈；安裝3個七段數碼顯示器，以顯示1000以內的子機號碼。蜂鳴器和LED共占用1+5=6個IO線（數碼顯示器的情況在下文說明）。在5 V工作條件下，灌電流（Sink current）和拉電流（Source current）能力都可以達到至少20 mA（詳見ATMEL公司文檔doc8154，版本號8154 B AVR–07/09，第293、294頁）。蜂鳴器、LED和數碼顯示器都是數字信號驅動的器件，耗電約5 mA以內，可以由單片機的IO口直接驅動，不需要額外的驅動芯片。

對數碼顯示器的驅動設計值得注意，是需要硬件電路與控制軟件相結合的。七段數碼顯示器實際上是把7個LED發光管組合在一起，每個發光管在塑料外殼的遮蔽下發出“一”字形亮光，7個“一”字排列為數字“8”的形狀，每次點亮其中的幾個筆畫，就可以顯示出阿拉伯數字0～9，以及用戶自行定義的其他字母或符號。市場上的成品顯示器都增加了第8個LED，用于顯示小數點，但仍然稱為“七段”顯示器。在顯示器內部，LED的管腳已經事先連接在一起，以減少引線的數量，二極管的陰極連接在一起作為公共端COM，稱為共陰極型顯示器，COM端通常接低電平驅動器，或直接連接到地線；與此對應的為共陽極型，COM端連接高電平驅動器或電源正極。由于數字電路（包括各種單片機）通常在輸出低電平時的電流驅動能力較強，高電平時驅動能力很弱，即灌電流（Sink current）的值比拉電流（Source current）要大許多，所以共陽極型顯示器更常用一些。

利用ATMEGA48PA的USART作為異步串行通信接口，同樣具有硬件的地址/數據標識位，可以方便地實現分布式通信系統。采用SN75LBC174和SN75LBC175芯片作為RS485總線電平轉換芯片，與主機相同。子機要裝配3個按鍵、1個蜂鳴器和3個LED指示燈，與主機的設計方法相同。3個按鍵表示三種不同的服務申請，LED指示燈作為按鍵的輔助顯示。由于設置ID號碼的需要，子機上還要安裝一個編碼開關，以便于人工設定。子機在通電運行時，首先讀取編碼開關的值，作為自身的ID號碼。編碼開關也可以用跳線帽代替。

ATMEGA48PA的仿真調試方法非常獨特。ATMEL發明的debugWIRE在線仿真系統，解決了這個問題。debugWIRE只占用單片機的一個管腳，就具有與JTAG仿真完全相同的功能，既可以實現芯片所有功能的仿真運行，也可以對片上的非易失存儲器進行編程燒寫。dW就是debugWIRE方式所使用的信號，該信號通常與復位端相復用，等效于不占用管腳資源。AVR芯片的一些硬件功能，是由所謂“熔絲”位控制的，當熔絲位被編程為不同的值1或0時，起到禁止（Disable）或使能（Enable）硬件電路，或者在兩個不同的電路模塊之間切換的作用。比如，硬件模塊Brown-out Detector是檢測電源跌落的，如果電源電壓低于設定值，就強迫單片機復位。該模塊是由熔絲位BODEN控制的，當BODEN為0時，該模塊被使能，為1時則被禁止，相當于這個模塊不存在。熔絲位必須在硬件運行之前進行編程，以保證硬件環境是確定的，而不是變化的。熔絲位的“可編程”，并非是指用戶編寫的C程序或者匯編程序，而是用專門的工具和軟件，通過仿真調試接口JTAG或者在線編程接口ISP，或者其他方式（高壓并行燒寫等），實現編程燒寫。在設計硬件時，有必要事先安排熔絲位的燒寫方法。同樣，debugWIRE功能是由熔絲位DWEN控制的，在芯片出廠時默認為禁止狀態，需要通過在線編程ISP來開啟。

參考文獻

[1]劉飛，須文波，潘豐.一種基于簡化OSI模型的主從總線通訊協議及實現[J].自動化與儀表，1996（3）：41-42.