基于PLC的病房呼叫系统的设计 - 全文

针对传统病房呼叫系统存在的不足，本文设计了一款基于PLC的病房呼叫系统。当病人通过按键请求医护人员帮助时，病房呼叫系统将相关请求信息通过电力载波传输给上位机系统，医护人员根据当前请求信息给予病人相应的帮助。

1、系统总体方案及工作原理

本文根据病房呼叫系统实际功能需求对病房呼叫系统硬件电路进行设计。系统硬件电路主要由电源模块、电力载波发送模块、电力载波接收模块、时钟模块、数据显示模块、呼叫按键模块、串口模块和看门狗模块等组成，其整体硬件电路如图1所示。

图１病房呼叫系统硬件结构框图

文中设计的系统有效解决了传统病房呼叫系统结构复杂、施工难度大、扩展能力差等问题。当病人需要医护人员帮助时，病人通过病房呼叫系统将呼叫请求信息传输给相应的主治医生或护士，主治医生或值班护士接收到请求信息后，通过病房呼叫系统给予相应的应答，从而稳定病人情绪，提高医疗整体服务水平。

2、控制系统的硬件设计

病房呼叫硬件电路主要由以下功能模块组成，分别为电力载波发送模块、电力载波接收模块、电源模块、串口模块、人机交互模块等。

2.1、电源模块

对于任何一套系统，电源模块整体稳定性决定了系统整体可靠性和稳定性。由于系统体积限制和实际功能需求，本文设计了一款高性能开关稳压电源。该电源选用美国POWER公司开发的TOP224Y芯片作为电源主控芯片，其电路如图2所示。

图２开关电源设计电路

开关稳压电源工作原理如下：220V交流电源经过整流桥和滤波电容输出波动的直流电源，该电源直接输出给TOP224Y芯片的漏极引脚，TOP224Y芯片导通，电源电压通过变压器Q20初级线圈与源极形成回路，Q20次级线圈输出电源电压，同时系统利用整流二极管和滤波电容对输出的电源电压进行整流滤波处理。为了保证开关电源输出稳定的电源电压，本系统采用变压器次级线圈对输出的电源电压进行采样，当采集电压大于12V时，光耦发光体导通，TOP224Y芯片关闭漏极引脚，从而降低开关电源输出的电压大小。由于变压器初级线圈具有储能作用，其在TOP224Y高频开关过程中容易产生较高的尖峰脉冲，为了保证系统能够正常T作，系统设计了由电阻R28、电容C32和二极管D36组成的吸收回路对尖峰脉冲进行吸收处理，从而有效避免开关电源因尖峰脉冲造成TOP224Y芯片的损坏。

2.2、电力载波发送模块

在病房呼叫系统中，病人的请求信息和值班护士之间的数据通信采用电力线进行数据传输。当病人通过呼叫请求按键进行请求时，单片机将当前病人请求的床位信息和需求信息通过电力线载波发送模块发送给相应的主治医生或值班护士。由于电力线主要用于传输电能，且医院存在大量医疗设备，医院电网具有大量的谐波噪声。为了保证文中设计的病房呼叫系统能够正常工作，系统采用推拉驱动电路对电力载波发送模块进行设计，其电路如图3所示。相比传统的单管驱动而言，本文设计的电力载波发送模块具有数据传输距离远、抗干扰能力强等特点。同时系统采用12V电源对电力载波发送模块进行驱动，提高了系统数据传输的信噪比。

图３电力载波发送模块

电力载波发送模块工作原理如下：当病房呼叫系统需要进行数据传输时，Atmega64单片机将需要传输的数据信息通过串口发送给BWP08A模块，BWP08A将接收的数据信息按位通过VO引脚输出。为了提高电力载波数据传输的距离，系统对VO输出的数据信息进行推拉放大处理，经过放大的数据信息通过电容C14耦合到变压器T1的初级线圈，并由变压器次级线圈通过电力线进行数据远程传输。由于医院电力线中存在较高的谐波噪声，为了保证系统传输数据的稳定性和可靠性，系统选用D10和D11组成的钳位电路进行保护设计，从而避免外部噪声造成电力载波发送模块的损坏，提高了系统整体稳定性。

2.3、电力载波接收模块

当主治医生或值班护士接收到病人请求信息后，主治医生或值班护士需及时通过电力载波进行数据应答，从而稳定病人情绪。由于医院电能质量较差，且电力线上存在较高的传输电阻，严重影响了电力载波数据传输的质量，针对我国电网特点，本系统设计了如图4所示的电力载波接收电路。

图４电力载波接收模块

图4中的电容C19、C20和电感L4并联，谐振T作频率f=120kHz，根据式（1）可知电容和电感大小。频率计算公式：

3、软件设计

3.1、软件总体架构设计

针对病房呼叫系统软件功能需求，本系统白行构建了一套多功能状态机系统，系统软件程序采用模块化进行设计，利用定时器对各个功能模块进行调度处理。同时，系统软件具有较强的移植性和可扩展性，降低了系统后续维护成本。系统软件主流程图如图5所示。

图５主程序流程图

3.2、电力载波发送模块

当病人触发呼叫按键时，Atmega64单片机将当前床位信息和需求信息存储到串口发送缓冲区中，启动串口中断使能位，由Atmega64单片机通过串口中断将数据信息传输给BWP08A电力载波芯片。BWP08A将接收的数据信息通过电力线传输给主治医生或值班护士。为了保证电力载波传输数据的同步性，BWP08A芯片在传输信息前，首先发送40bit全为“1”的数据信息，接着BWP08A发送同步帧头Ox09和OxAF，从而有效保证电力线载波数据传输的整体同步性。BWP08A将接收的数据信息按位由VO引脚输出，每发送一位数据信息后，位计数器减1，当位计数器减为0时，该位数据信息发送完成，同时BWP08A内部计数器减1，当BWP08A接收的数据信息传输完成后，BWP08A将当前发送状态设置为接收状态，从而保证BWP08A接收数据的准确性，其程序流程图如图6所示。

图６电力载波发送模块流程图

3.3、电力载波接收模块

当主治医生或值班护士接收到病人请求信息时，主治医生或值班护士通过病房呼叫系统发送相应的应答信号，从而稳定病人情绪。因此，病房呼叫终端设备需要具有数据接收处理模块。当病房呼叫系统接收到应答信息时，BWP08A首先利用电力载波接收模块进行数据接收处理，BWP08A每接收8bit数据信息，BWP08A芯片通过串口传输给Atmega64单片机，当BWP08A接收数据完成后，Atmega64会将数据接收完成标志位进行置位处理，并由主程序对接收的数据信息进行解析，并执行相应的动作。电力载波接收软件程序流程图如图7所示。

图７电力载波接收模块流程图

4、实验结果及对比分析

为了验证文中设计的病房呼叫系统，本课题依据上述论述搭建了基于电力载波的病房呼叫系统，系统电路如图8所示。

图８电力载波病房呼叫系统实物图

由于医院非线性电子设备较多，其会产生较高的谐波噪声，为了验证病房呼叫系统整体稳定性，系统对发送模块进行了测试。载波数据耦合前波形和耦合后波形如图9和图10所示。从图中可知，文中涉及的载波发送模块各项性能满足系统功能需求。

图9电力载波发送耦合前

图10 电力载波发送耦合后

为了保证系统能够准确接收应答数据信息，需对电力载波接收模块进行了测试，以保证病房呼叫系统在较高的谐波噪声环境下能够准确接收应答数据信息。其接收端口波形图如图11和图12所示。

图11 电力载波接收波形

图12  电力载波接收处理波形

为了验证病房呼叫系统整体性能，本课题将设计的病房呼叫系统投入到大型医院，并分别在无负载和有负载的情况下对病房呼叫系统进行测试，其实验结果如表1和表2所示。实验结果表明，本课题设计的病房呼叫系统在没有负载的情况下能够有效传输1400m左右：当医院启动所有大型用电设备时，病房呼叫系统有效传输距离可以达到1100m左右。通过对实验结果的分析可知，文中设计的病房呼叫系统满足医院的各项功能需求。

表1     无负载测量结果分析

表2       电力线外界大功率负载测量结果分析

5、结论

本文根据医院各项功能需求设计了病房呼叫系统整体架构，并依据系统整体架构设计了病房呼叫系统硬件电路和软件程序。由于系统采用电力载波进行远程数据传输，系统只需要将病房呼叫系统挂接到医院电力线上即可实现远程数据通信。该系统能够有效解决传统病房呼叫系统分机容量低、扩展能力差、施工难度大、成本高等问题。该系统并非完美，但系统安装简单、操作便捷、易于扩展，具有更高的使用价值和推广价值。