基于PIC单片机的新型医用呼叫对讲系统设计

3 通信方式与传输协议
目前市场上有的呼叫系统采用CAN总线协议，使用带CAN通信模块的MCU，但是此类：MCU一般价格比较昂贵；还有的采用DTMF(双音多频)传输协议，即使用DTMF信号编解码芯片，主分机发送DTMF信号来通信，即主机机均使用DTMF信号编解码芯片，也存在着成本偏高的问题。因此该系统的设计，在考虑通信稳定的原则上，只在主机电路上使用DTMF信号编解码芯片，编写通信协议，通过增加软件设计的复杂程度，合理地降低产品成本。
3．1 分机发码方式
分机发码采用100 kHz的方波，由单片机GPIO4引脚输出并经三极管耦合至总线。分机呼叫时发送一定时长的方波，如图6所示，分机回复主机的信号是间隔性的方波，如图7所示。

3．2 主机发码方式
主机发码采用变长占空比发送码元，其中1：1的占空比表示0码元，而若占空比为3：1则表示码元1，主机发码示意图如图8所示。

3．3 通信协议
为保证通信过程的可靠性，特制定如下通信协议：主机发码数据格式规定为：控制命令+分机地址，每次发送11位数据，其中bit11～bit9为是命令码，低字节为指定分机的号码。主机发码时，先发起始信号，分机识别到起始信号后开始收码。分机的号码存储在各自E2PROM里，初始值均设为0，主机可对其在线编码，收到主机的改号命令，所有分机的LED指示灯点亮，提示用户按键，修改成功后将返回主机一个确认信号，否则将超时退出而不作处理。分机只有在主动呼叫或识别到主机的起始信号后才被唤醒，平时处于睡眠状态，因此极大地节省了功耗。
主机查询时，每查询一个分机后，都先检测是否有摘机，若摘机将会执行摘机流程。所有分机的忙标志从刚开始查询时就会被置位，此不允许分机呼叫时再发码，此时分机呼叫主机仍能检测到，只是总线上没有方波传输，因此保证了通信的稳定性。
主、分机进行语音通信时，其他分机仍可以发出呼叫，由于请求信号的方波是100 kHz，而语音频率范围为0．3～3．4 kHz，主机在电话挂机的状态下才查询呼叫的分机，不会相互干扰，因此语音信号和数字信号可以同时在总线上传输。分机呼叫时发送100 kHz方波到总线，主机由收到电路检测到低电平，触发中断进行收码，然后主机将先屏蔽此呼入中断，再开始按病床护理等级的高低依次查询，若查询到该分机，就回复应答信号，没有呼叫的分机不做应答。查询完以后恢复呼入电平中断，并发送命令通知分机复位的忙标志位。

4 主分机软件设计与实现
4．1 工作流程
系统主机、分机通信软件主要包括发送和接收2部分，分发送模块和主机收码流程分别如图9和图10所示。每个分机需包含分机地址码，广播机标志位，这些信息均存储在E2PROM中，当第一次启动分机后，写入初始值，以后只从指定地址读取分机信息。地址分配如表1所示。

为了保证发码的准确性，使波形更加精确，在发码模块采用了汇编语言提高，并通过参数控制发码周期，发送100 kHz的方波，精确到微秒级，经实验测得频率误差小于5％。收码均用定时器读取。由于主机采用变长编码，因此分机解码过程需要根据协议进行1或O门限判决；主机解码主要由锁相环集成芯片LM567完成，加上分机回复码只分有无回复二种。
4．2 系统稳定性
此系统很好解决了呼叫与请求总线的冲突，由于主机总是从1号分机查询到最后一个，主机在查询时分机都不能发100 kHz的方波，因此总线不会受到干扰，误码率大大降低，且不会遗漏分机请求，即使出现100个分机同时呼叫这种极端情况，主机也能一一响应。主机采用变长编码，分机用码时采用定时器读取，配以计数的状态机，使CPU能准确解码，而且能够消除毛刺带来的影响，保证了收码的准确性。主机和分机在主循环中同样采用状态机，用全局变量在各状态间切换并用变量及标志位控制，合理地分配CPU资源，能够及时处理最紧急事件。主机电话挂机还能复位输入的变量，即使操作失误，仍能通过挂机来取消。

5 结语
该系统采用载波技术，实现了两线无极性连接，使安装施工变得十分简单。分机采用低功耗稳压电源和PIC单片机，使分机具有较低功耗，从而系统具有较好的扩展性。主机与分机通信距离大于等于1 000 m，分机数大于等于100，能满足各种规模医院的要求，并预留了接口与PC进行通信。在通信稳定的基础上，使用了经济实惠的芯片，具有安装布线简单，便于检测维修，节约设计成本等优点。本文研发的样机已经经过实验运行验证了其有效性和实用价值，并已投入小批量试生产，具有良好的推广应用前景。