一種短距離無線數據通信的病床呼叫系統*

(大連科技學院 電氣工程學院，大連 116052)

引 言

近年來，全國已經發生多起由于病人遇到突發情況，不能及時向醫護人員尋求救助的嚴重事故，往往錯過了最佳治療的時間，小病變成大病，大病釀成無藥可醫。因此，一種新型臨床無線呼叫儀器的研制成為近些年來的研究熱點之一。

nRF24L01是一款由挪威(Nordic)公司生產的新型單片射頻收發器件，其工作于2.4～2.5 GHz世界通用ISM頻段，工作電壓為1.9～3.6 V。可通過SPI寫入數據，最高可達10 Mb，數據傳輸速率最快可達2 Mb，并且具有自動應答和自動再發射功能。芯片融進了增強式ShockBurst技術，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。該芯片功耗低，在6 dBm功率發射時，工作電流為9 mA，接收時工作電流只有12.3 mA，可選擇的掉電模式和空閑模式使其應用設計更為方便。因此將nRF24L01作為無線收發模塊，實現病床呼叫系統的無線控制功能。

1 系統方案設計

基于nRF24L01的無線病床呼叫系統主要是由主機和從機組成。從機部分主要完成病床病號的數據采集和數據的傳輸功能；主機部分主要負責數據的接收、數據處理、顯示以及報警。發射與接收電路傳輸距離可達100 m。當接收到從機發過來的信號時，主機控制蜂鳴器和發光二極管發出聲光報警，提醒有病人呼叫，醫護人員按下主機的呼應鍵，取消對應的呼叫。nRF24L01具有自動重發功能、數據包識別及CRC校驗功能，增強型ShockBurstTM模式可同時控制應答及重發功能而無需增加MCU的工作量。

系統主要由7部分組成：主控制器、按鍵模塊、無線發送模塊、無線接收模塊、LCD1602液晶顯示模塊、聲光報警和電源電路。無線病房呼叫系統結構框圖如圖1所示。

圖1 無線病床呼叫系統結構框圖

2 硬件模塊電路設計

2.1 單片機最小系統

單片機最小系統由單片機STC89C52、復位電路、時鐘電路構成，如圖2所示。

STC89C52單片機的工作電壓范圍為4～5.5 V，所以通常給單片機5 V直流電源。連接方式為單片機中的40引腳，VCC接正極5 V，而20引腳VSS接電源地端。復位電路負責確定單片機的工作起始狀態，完成單片機的啟動過程。時鐘電路好比單片機的心臟，它控制著單片機的工作節奏，振蕩電路是向單片機提供一個正弦波信號作為基準，其決定單片機的執行速度。XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出，該反向放大器可以配置為片內振蕩器。如采用外部時鐘源驅動器件，XTAL2應不接。因為一個機器周期含有6個狀態周期，而每個狀態周期為2個振蕩周期，所以一個機器周期共有12個振蕩周期，如果外接石英晶體振蕩器的振蕩頻率為12 MHz，則一個振蕩周期為1/12 μs。

圖2 單片機最小系統模塊

2.2 無線傳輸模塊

圖3 nRF24L01無線發射與接收模塊接線圖

無線病床呼叫系統的主從機都采用nRF24L01無線傳輸模塊實現通信，電路接法如圖3所示，一端作為電能的發射，一端作為電能的接收。

2.3 聲光報警模塊

圖4 聲光報警模塊

無線病床呼叫系統主機中聲光報警電路采用NPN型S8550三極管驅動，當單片機的P1.1～1.3口輸出低電平時，三極管的VE>VB>VC>0。三極管的發射結正偏，集電結反偏，三極管飽和導通，此時發光二極管和蜂鳴器發出聲光報警，當單片機的P1.1～1.3口輸出高電平時，三極管截止，聲光報警停止工作。具體電路如圖4所示。

3 系統軟件實現

3.1 無線發射模塊軟件設計

首先進行初始化操作，初始化包括設置單片機I/O和SPI相關寄存器，兩部分都可以和nRF24L01通信。通過SPI總線配置射頻芯片使其進入正確的工作模式，發射數據時，首先將nRF24L01配置為發射模式，接著把發送端待發射數據的目標地址TX-ADDR和數據TX-PLD寫入nRF24L01緩沖區，延時后發射數據，其流程圖如圖5所示。

圖5 無線發射模塊軟件流程圖

病床無線呼叫系統從機無線發射模塊的SPI寫入數據代碼如下：

reg為寄存器地址，pBuf為待寫入數據地址，uchars寫入數據的個數。

uchar SPI_Write_Buf(uchar reg, uchar *pBuf, uchar uchars){

uchar status,i;

CSN=0;

status = SPI_RW(reg);

for(i=0; i

SPI_RW(*pBuf++);

CSN=1;

return status;

}

uint SPI_RW_Reg(uchar reg, uchar value){

uint status;

CSN = 0; // CSN low, init SPI transaction

status = SPI_RW(reg); // select register

SPI_RW(value); // ..and write value to it..

CSN = 1; // CSN high again

return(status); // return nRF24L01 status uchar

}

void init_NRF24L01(void){

CE=0; // chip enable

CSN=1; // Spi disable

SCK=0; // Spi clock line init high

SPI_Write_Buf(WRITE_REG + TX_ADDR, TX_ADDRESS, TX_ADR_WIDTH);// 寫本地地址

SPI_Write_Buf(WRITE_REG + RX_ADDR_P0, RX_ADDRESS, RX_ADR_WIDTH); // 寫接收端地址

SPI_RW_Reg(WRITE_REG + EN_AA, 0x3f);

//頻道0自動ACK應答允許

SPI_RW_Reg(WRITE_REG + EN_RXADDR, 0x3f);

//允許接收地址只有頻道0

SPI_RW_Reg(WRITE_REG + RF_CH, 0);

//設置信道工作為2.4 GHz，收發必須一致

SPI_RW_Reg(WRITE_REG + RX_PW_P0, RX_PLOAD_WIDTH);

//設置接收數據長度，本次設置為20字節

SPI_RW_Reg(WRITE_REG + RF_SETUP, 0x07);

//設置發射速率為1 MHz，發射功率為最大值0dB

SPI_RW_Reg(WRITE_REG + CONFIG, 0x0e);

// IRQ收發完成中斷響應，16位CRC，主發送

}

void nRF24L01_TxPacket(uchar * tx_buf){

CE=0;//StandBy I模式

SPI_Write_Buf(WRITE_REG + RX_ADDR_P0, TX_ADDRESS, TX_ADR_WIDTH); // 裝載接收端地址

SPI_Write_Buf(WR_TX_PLOAD, tx_buf, TX_PLOAD_WIDTH);

//裝載數據

CE=1; //置高CE，激發數據發送

Delay(10);

SPI_RW_Reg(WRITE_REG+STATUS,0XFF);

}

3.2 無線接收模塊軟件設計

接收數據時，首先將nRF24L01配置為接收模式。接著延遲進入接收狀態等待數據的到來。當接收方檢測到有效地址和CRC時，就將數據包儲存在接收堆棧中，同時狀態寄存器中的中斷標志位RX-DR置高，產生中斷使IRQ引腳變為低電平，以便通知MCU去取數據，其流程圖如圖6所示。

圖6 無線接收模塊軟件流程圖

病床無線呼叫系統主機無線接收模塊的SPI讀數據代碼如下：

reg為寄存器地址，pBuf為待寫入數據地址，uchars寫入數據的個數。

uchar SPI_Read_Buf(uchar reg, uchar *pBuf, uchar uchars){

uchar status,i;

CSN=0;

status = SPI_RW(reg);

for(i=0;i

pBuf[i] = SPI_RW(0);

CSN=1;

return status;

}

4 實驗結果

經實驗，對系統進行了一些動態值的測量，具體結果如表1所列。

表1 數據測試表

從表1中看出接收端與發射端都維持在低功耗，基本達到了設計的初衷，另外收發距離測試精度也達到了設計的要求。

結 語