基于MSP430與DTMF技術的醫院呼叫對講系統的設計

朱柏輝，萬智萍

（中山大學 新華學院，廣東 廣州 510520）

隨著科學技術的迅速發展，尤其是電子信息技術的不斷更新，醫療衛生事業也逐步深化改革，實現現代化醫療成為醫院未來發展的趨勢，醫院呼叫對講系統是提高醫院的護理水平的重要設備之一，其基本功能就是通過一種簡便的途徑使護理對象與醫護人員達成溝通[1]。16位的MSP430單片機的集成度很高，片內資源豐富，主要的突出特點是低功耗，可以實現長時間的穩定工作，應用到該系統后，性能得到很好的優化，可以提高醫護人員的工作效率和降低他們的勞動強度，病人也能得到及時的護理和醫療，可以顯著提高醫院的服務水平和醫療質量。

1DTMF呼叫對講系統介紹

1.1DTMF技術的介紹

DTMF（Dual Tone Multi Frequency），即雙音多頻，由一個高頻信號與一個低頻信號疊加組合成的，分別代表一個數字或字符。雙音多頻信號，是用兩個特定的單音頻的組合來代表數字或功能[2]。高低頻信號各有4種，分別組成高頻群和低頻群，采用8選1的組合方式來構成DTMF信號，從而有16種組態，分別可以代表撥號鍵盤上的0-9、A-D、*、#等16個字符，按照信號頻率和字符對應列出表格（如表1所示）。由于其具有良好的抗噪聲特性，被廣泛用于通信系統撥號傳輸[3]。

1.2 呼叫對講系統的工作原理

系統的主機和分機都通過單片機進行控制，由于在整個呼叫系統中主機只有一個[4]，是系統的核心模塊，通過外部總線可以與分機連接，實現呼叫對講的功能。主機可以在任何時間接收分機的呼叫，同時數碼顯示屏和病人信息一覽顯示表能同步和準確地顯示相應的信息，設有一級、二級和三級護理級別，當有多路呼叫信號時，按護理級別和先后撥打順序循環顯示。

2 系統的總體設計

系統在空間上可分為3個部分，分別為醫護人員值班室、病房和走廊（如圖1所示）。主機、電話機和病人信息一覽顯示表等安裝在醫護人員值班室，分機安裝在各個病房的各個床位，數碼顯示屏安裝在走廊上。主機在待機的時候，走廊上的數碼顯示屏顯示日期時間等信息，當有病人使用分機呼叫主機時，在醫護人員值班室的主機會發出響鈴信號同時病人信息一覽顯示表和走廊上的數碼顯示屏會顯示相應病人的信息，電話接通后，醫護人員得知病人的情況，以便準備相應的醫療措施。

表1 DTMF信號頻率與撥號鍵盤的對應關系Tab.1 Corresponding relationship between DTMF signal frequency and dial-up call keyboard

3 系統主要硬件電路設計

3.1 主機的硬件設計

本系統主要由單片機、DTMF信號的發送電路、DTMF信號的接收電路、DTMF信號的解碼電路、振鈴檢測電路、摘掛機檢測電路等部分組成，如圖2所示。

圖2 主機的硬件框圖Fig.2 Block diagram of host hardware

主機的設計采用MSP430F149單片機作為核心控制模塊[5]，它不僅控制著主機和分機號碼的收發，還控制主機和分機的接通、振鈴信號的通斷、顯示等功能。系統處在正常工作狀態下，當主機呼叫分機時，通過相應的信號檢測，主機電話機摘機后，撥打分機號碼，經過DTMF信號解碼后發送到相應的分機，分機電話機摘機后，主機和分機便可以實現通話，通話結束后掛機。當醫護人員需要廣播時，啟動群呼功能，主機對所有分機廣播，掛機后結束。當有分機呼叫主機時，主機接收到信號后對其進行編碼，通過解碼電路送入單片機，CPU讀取信息后，顯示電路顯示相應分機的號碼和呼叫時間，主機電話機摘機后，振鈴信號清除，分機和主機便可以實現通話。

3.2 DTMF信號收發電路

本系統的DTMF信號收發電路采用MT8880，它集成度高，功耗低，能用于發送和接收DTMF信號。使用Protues設計收發電路，如圖3所示，A端口接入到總線，B端口是DTMF信號收發端。MT8880使用標準的單片機控制接口，單片機可以精確地完成接收和發送功能[6]。

圖3 DTMF信號收發電路Fig.3 DTMF signal receiving and sending circuit

處于發送狀態時，數據總線上的4位二進制碼鎖存到發送數據寄存器，發送的信號頻率由晶振頻率通過分頻產生，在基準頻率中分離出8個不同的頻率信號再按八取二的組合方式選擇出一組高低頻率從而合成一個DTMF信號。處于接收狀態時，DTMF信號輸入后，被分離成一組高低頻率信號，檢測到后譯成對應的4位二進制碼，隨后鎖存在接收數據鎖存器中。

3.3 信號的解碼電路

主機呼叫分機利用電話機的撥號原理[7]，主機電話機撥打分機號碼，發出的DTMF信號通過解碼電路獲得對應分機的地址信號。本系統采用MT8888作為解碼器芯片，它的功能強大，具有電路簡單、功耗低、穩定性高和抗干擾能力強等特點，該芯片外圍電子元件少，很容易與MCU接口相連[8]。由Protues設計出解碼電路，如圖4所示，單片機的P1.1端用作讀選通功能接到MT8888的RD端，P1.2端用作寫選通功能接到MT8888的WR端，圖中電路當有DTMF信號輸入時，鎖存到輸出寄存器中，使得IRQ端輸出高電平，CPU查詢到該信號后對MT8888進行控制，使得RD和CS端有效，同時把代表所撥號碼的4位二進制碼傳送至CPU處理。

圖4 DTMF信號解碼電路Fig.4 DTMF signal coding and decoding circuit

3.4 振鈴檢測電路

當有用戶呼叫本機時，電話交換機發來鈴流信號[9]，因此可以通過檢測有無鈴流信號來判斷有無呼叫信號。本系統的振鈴檢測電路由 4個二極管 D1～D4，2個穩壓二極管 D5、D6，1個電阻R和1個電容C組成，IN1端與IN2端是鈴流信號輸入端，OUT1端與OUT2端是振鈴檢測輸出端。當沒有振鈴信號輸入的時候，穩壓管D5不能導通，振鈴檢測電路的輸出端電壓近似為0V，此時檢測結果為沒有振鈴信號；當有振鈴信號輸入的時候，由于二極管D1～D4組成的電路具有整流作用，信號變換成脈動直流電，通過電阻R對電容C充電，振鈴檢測電路的輸出端產生電壓，此時檢測結果為有振鈴信號。在電路中的穩壓二極管D6的作用是限制振鈴信號的幅值，防止輸入電壓過大而燒壞電路元件。

3.5 摘掛機檢測電路

掛機檢測電路用于檢測摘掛機狀態，并將其輸入單片機控制系統[10]。摘掛機的檢測信號輸入到單片機的P1.3引腳，磁鐵裝在話筒上，干簧管裝在電話機內部，利用干簧管的合上與斷開可以實現話筒和話機合上與斷開。電話機摘機時，話筒和話機分開，由于失去了磁鐵的吸引作用，干簧管的彈片斷開，P1.3引腳輸入高電平；電話機掛機時，話筒與話機合上，由于磁鐵的的吸引作用，P1.3引腳輸入低電平，這樣可以通過查詢P1.3引腳的電平狀態來檢測摘掛機。

4 系統軟件設計

根據需要，設計出主機的呼叫工作流程圖 （如圖5所示）。主機處在空閑狀態下，即沒有呼叫和通話時，走廊上的數碼顯示屏會顯示實時的日期和時間等信息，同時主機會不斷進行中斷查詢，判斷此時是否有分機發送的呼叫信號，若沒有的話就執行按鍵查詢，判斷是否撥號呼叫；當主機與分機進行通話時，雙方接通后，此時數碼顯示屏會顯示病人的相關信息，如病房號、床位號等。

圖5 主機呼叫分機的工作流程圖Fig.5 Work flow diagram of the host calling extensions

5 實驗仿真分析

為了驗證DTMF信號的可靠性，應用MATLAB進行仿真實驗。需要設置一組DTMF信號頻率組，本實驗選擇按鍵“0”的DTMF信號，其對應的頻率組為1 366 Hz和941 Hz，導入到MATLAB后可以得到該信號的時域波形圖（如圖6所示），再選擇其它頻率組進行仿真實驗也得到類似的結果。由此實驗可說明一組高低頻率可以有效地組合成一個DTMF信號，并且能被準確的識別和處理，由于DTMF撥號速率的高效性，避免了傳統的撥號方式帶來的缺陷，確保信號準確無誤地傳送，可以肯定本系統的可行性。

圖6 DTMF信號的時域波形圖Fig.6 Time domain waveform diagram of DTMF signal

6 結束語

本系統結構設計比較簡單，以MSP430F149單片機作為控制核心，采用DTMF信號的通信技術，能有效地降低系統的成本，提高其可靠性和抗干擾能力。本系統的組裝和維護方便，操作簡單，便于醫護人員和病人使用，病人能直接與值班室的醫護人員交流，很好地改善了醫患關系，讓醫護人員及時了解病人的現狀，病人也能得到悉心的護理和對醫院的信任度也有所提高。本文所研究的系統重點在于設計一個有效、方便的呼叫對講系統，基本上達到了設計目標，但是科技總是不斷發展的，技術會逐步更新，今后醫院呼叫對講系統的功能也會不斷地完善。

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