（机械电子工程专业论文）医院智能护理呼叫系统的设计.pdf

西南交通大学研究生学位论文 第 n页 ab s t r a c t t h e h o s p i t a l w a r d c a l l i n g s y s t e m i s t h e s y n t h e t i c p r o d u c t t h a t c o n t a i n s c o m m u n i c a t i o n t e c h n i q u e , n e t w o r k t e c h n i q u e c o m b i n i n g w i t h m i c r o c o m p u t e r , w h i c h c a n o ff e r h i g h q u a l i ty s e r v i c e s f o r t h e p a t i e n t s i n t i m e a n d t h e c o n v e n i e n c e f o r b o t h p a t i e n t s a n d t h e m e d i c a l p e r s o n n e l . i n t h i s t h e s i s , t h e d a t a t r a f f i c a d o p t s s e r i a l c o m m u n i c a t i o n o f t h e s in g l e - c h i p ( a t 8 9 c 2 0 5 1 , 8 9 c 5 1 ) , t h e v o i c e c o m m u n i c a t i o n a d o p t s v o i c e c h i p ( m c 3 4 0 1 4 ) a n d p e r i p h e r a l c i r c u it s , w h i c h a r e a l l t h e m a in p a rt o f t h e in t e l l i g e n t m e d i c a l c a l l i n g s y s t e m. t h e w h o l e s y s t e m h a s o n l y o n e s h i e l d e d l i n e w i t h t w a i n c o r e s , w h i c h c a n m o s t c o n n e c t o n e h u n d r e d e x t e n s i o n s . t h e s y s t e m c a n d i s p l a y t h e e x t e n s i o n n u m b e r a n d a c h i e v e d o u b l e c a l l i n g i n t h e p a t i e n t s a n d t h e n u r s e s . i n t h e t h e s i s , t h e d e v e l o p m e n t o f t h e s y s t e m , i n c l u d in g c o l l e c t i v i ty d e s i g n , p r o j e c t s e l e c t i o n , h a r d w a r e c ir c u i t s d e s i g n , s o ft w a r e d e s i g n , e m u l a t i o n a n d a s s e m b l e d e b u g g i n g a n d a n t i - d i s t u r b i n g d e s i g n o f t h e s y s t e m a r e p a r t i c u l a r d i s c u s s e d . t h e p r o b l e m s a b o u t t h e i m p l e m e n t o f h a r d w a r e c i r c u i t , t h e s e l e c t i o n g i s t o f a l l t h e e l e m e n t s , t h e c a l c u l a t i o n o f t h e p a r a m e t e r m a 咧t u d e a n d t h e w o r k c o u r s e o f t h e s y s t e m a r e e m p h a ti c a ll y a n a l y z e d . 1 k e y w o r d s h o s p i t a l w a r d , c a ll i n g s y s t e m , d a t a t r a ffic , v o i c e c o mm u n i c a t i o n , s i n g l e - c h i p , v o i c e c h i p 5 ， 翻a t 9 西南交通大学研究生学位论文 第 1页 第一章绪 论 1 . 1 选题依 据 此次论文工作是按成都航天科贸有限公司要求，负责为其开发一套 医用呼叫系统，取名为医院智能护理呼叫系统。该系统完成后主要作为 商 用 ， 即 该 公 司 把 完 成 后 的 此 系 统 作 为 其 公 司 开 发 的 一 项 产 品 负 责 向 各 家医院推荐出售，而不是专为某家医院所开发设计。本论文的主要任务 是根据公司对该系统的要求，完成系统总体方案设计、系统总的模块设 计、各个模块硬件电路的设计、元器件的选取、参数的取值计算、组装 调试等工作。 1 .2 呼叫系统及网络呼叫系统 呼叫系统是适应现代生活需要而发展的一项简单适用的通信技术， 像对讲机、电话的子母机等都是呼叫系统的典型实例。但随着网络的普 及发展，网络呼叫系统的应用越来越广。网络呼叫系统解决了单一点对 点单工呼叫系统在现实使用中的许多缺陷从而使呼叫系统的使用越来越 普及。 像现代住宅小区、学校公离管理、宾馆及医院等现代智能管理系 统都安装了不同形式、不同功能的网 络呼叫系统。本论文设计的医院智 能呼叫系统就是网络呼叫系统的一个典型例子， 它的主控芯片采用型号 为a t 8 9 c 2 0 5 1 的单片机， 涉及到单片机网 络与单片机网络通信。 1 .3 单片机网 络及单片机网 络 通信11 0 . 利用单片机的串行口，可以 进行单片机与单片机， 单片机与p c机之 间的串 行异步 通 信. 利用串 行通信 卡 如a 2 l 0 0 0 8 ， 能以1 1 0 , 1 3 4 . 5 , 3 0 0 , 1 2 0 0 , 2 4 0 0 , 4 8 0 0 , 9 6 0 0 , 1 9 2 0 0 b a u d八种传输速率进行串 行异步通 信，并以不同的数据位和停止位进行奇偶校验与检验和的校验。 1 .3 . 1单 片 机网 络系 统设 计 单片机网络系统主要根据网络通信的基本原理，利用单片机优良的 性价比和其内部具有全双工串行口 非常适合多机或联网应用的优点构成 各种分布式网 络通信系统，其结构简图 如图1 . 1 所示。 s 9 9 0 4 9 2 0 0 1 . 3 西南交通大学研究生学位论文 第 2页 t x d r x d ,t : 分机 图 1 . 1 txd rxd txd rxd 1 # 分机 1i # 分机 分布式单片机网络通信系统 1 .3 .2单 片 机 之间 的 数 据 传 抽 1 .并行通僧与串 行通伯 1 )并行通信数据的各位同时并行地传输。其优点是处理速度 快，缺点是传输线多。数据有多少位，就要多少条数据线，加上控制线 就更多了，而且传输距离短。因此，并行通信适用于近距离、处理速度 快的场合。 2 )串 行 通信 数据的各 位一 位一 位依次传 送. 其优点是 传送线 少，通信距离长. 特别适合于像单片机网络之间这样的远距离通信。串 行通信在计算机集散控制系统中 起着重要的作用。 2 .串 行 通 信的 通信 方式 串 行通信从传输方式分为单工、 半双工、 全双工三种。 1 )单工方式数据只能往一个方向传输，而不能往相反的方向传 输，如图1 . 2 ( a ) 所示，甲 只能向乙 发送数据信息。 2 )半双工方式允许数据往两个相反的方向传输，但不能同时传 输，只能交替进行。因此，可利用同一根传送线进行两个相反方向的数 据传送。 如图 1 . 2 ( b ) 所示，甲发时，乙 收;或乙发时，甲 收。 这种情 况下，需要对数据的传输方向进行协调。 3 )全双工方式数据可以同时往两个相反的方向传输。如图 1 . 2 ( c )所示，需要两条独立的数据通路分别传输两个相反方向的数据流。 3 9 8 0 4 9 2 0 0 1 . 3 西南交通大学研究生学位论文第 3页 发送器甲 接收 器乙 ( a )单工方式 一一一 -一- 一， - - - -一， r: r.1-1-. 、 甲 接收器 _ 了、 发送器 .。f . ，- - - - - - - - - - - 一 j 甲站乙站 ( b )半双工方式 ，1-.1:。、.1- 一 - - - 工 工 工 工 工 - 护 r. . -一-一一， 接收器 发送器 发送器 数据流 。: 接收器 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ ! :11.1.，.。:! 甲站乙站 ( c ) 全双工方式 图1 . 2申 行通信传物方式 3 .同步方式 两个单片机之间进行申行数据通信，为了保证接收方能正确地接受 数据信息，必须规定一种双方都认可的同步方式。对串行通信，同步方 式可分为同步方式同步和异步方式同步两种。 1 )异步方式 ( a s y n c ) 用一个起始位表示一个字符的开始，用停止位表示字符的结束，数 s 9 8 0 4 9 2 0 0 1 . 3 西南交通大学研究生学位论文 第 4页 据位介于起始位与停止位之间. 这样构成一帧， 如图1 . 3 ( a ) 所示。 在异步通信中，通信双方必须遵守两项基本约定: ( 1 )字符格式 即字符的编码形式，通信的单片机之间必须具有 相同的字符格式才能通信。 ( 2 ) 波特率即通信的速率， 通信机之间必须以同种波特率传输。 2 ) 同步方式 ( s y n c ) 是指每个数据位占用的时间都相等，发送机按一个基本的时间单位 发送一位， 接收机必须与传输符号同步，使取样的定时脉冲周期与码元 相匹配。也就是说， 发送时钟与接收时钟必须同步。其字符格式如图1 . 3 ( b )所示。 起始位i d od i i: !d w i 奇 偶位 i 停止位 ( a ) 异步通信字符格式 开始终止 ( b )同步通信字符格式 图1 . 3 数据传输的同步方式 1 .4 医院 智能 护理呼叫系 统通信方式的 选取 本系统是一个分布式单片机网络系统，其数据通信的特点是:通信 距离较长、传送线要求尽量少、传输速度要求不高、 传送的数据信息量 少，根据上面的并行通信与串行通信的比 较，选取申 行通信。 在确定了串行通信后，就要确定串行通信的方式。由前面串行通信 的三种通信方式的比较可知:适宜采用半双工通信方式，因为在该系统 中，要求数据的传输能同时在主机与分机、主机与指示控制板之间进行 双向传输，故不能采用单工通信方式。因为单工通信的数据只能往一个 方向 传输。同时系统要求只能用一条数据线进行数据的传输，因而不能 采用全双工的通信方式，因为全双工方式孺要两条独立的数据通道分别 s 9 8 伙 ，2 0 0 1 . 3 西南交通大学研究生学位论文 第 5页 传输两个相反方向的数据流.所以 通信方式只能选用半双工通信方式。 为了保证系统各部分之间传输的数据信息能被正确地接收到，在确 定了系统的数据传输的通信方式后，还需规定一种数据通信双方都认可 的同步方式。由前面的同步方式的比较，结合系统要求本身，本着可靠 实用的原则，采用异步方式同步的同步方式。因为异步通信常用于传输 信息量不大、传输速度比较低的场合，但对系统的要求不高、容错性好、 传输可靠，这些正是本系统的要求。 综合上面三个方面的叙述可知，本系统的通信方式采用串 行异步半 双工通信的方式。 1 .5 医院智能护理呼叫系统的设计目 的 随着呼叫系统，特别是网络呼叫系统的性能更加优化、功能进一步 完善，其应用范围也更加广泛。本论文就是网络呼叫系统应用的又一实 例。 现代社会，各行各业包括医院都存在激烈的竞争。能否为病人提供 完善、及时、准确的服务，是衡it一家医院是否合格的标准之一，也是 吸引病人的重要手段。本呼叫系统就是为了满足大中型医院中，医护人 员与病人之间能及时准确地进行半双工通话，达到既方便病人又方便医 护工作人员，更利于提高医院护理水平的目的而设计的. s 9 8 0 4 9 2 0 0 1 . 3 西南交通大学研究生学位论文第 6页 第二章医院 智能护理呼叫 系统的 总体设计 2 . 1 医院 病房呼叫 系统的 现状 医院病房呼叫系统的发展很快，由最先相当于一个广播的单工系统 发展到现在的微电脑编码技术、全双工对讲系统，可以说现在市场上存 在着许多种型号不一功能各异的医院病房呼叫系统，但这诸多的呼叫系 统中在系统的稳定性、数据、语音传递的准确性、设备的复杂性等方面 都或多或少存在一些不足。设计一种简单实用、安全可靠、性能稳定具 有良 好性能价格比的医院 病房呼叫系统是必要的。 2 . 2 医院 智能 护理呼 叫 系 统的总 体要求 医院智能护理呼叫系统是为了适应现代医院在护理病人方面更加方 便、快捷而设计的一种呼叫系统，它是在每个病床有一个分机，在护士 值班室有一个主机、一块指示板，其中病人可以 在一天2 4小时通过分机 随时向主机发出 通话请求，主机也可以在一天的 任何时候通过主机键盘 拨分机号而向 相应的分机号所对应的病人发出通话请求。这样的半双工 通话系统总体要求是: ( 1 ) 一台主机控制1 0 0 部分机的通信与通话; ( 2 ) 主分机可以实现无中断的通信，即在主机与一个分机通话时， 另一个分机可以发出 通话请求，并能让护士值班人员知道; ( 3 ) 在护士值班室的指示板上的数码管以 及发光二极管将请求通话 的分机及其分机号显示出来，以便值班护士据此作出 判断; ( 4 ) 整个系统只需一条两芯屏蔽线，其中一根为地线，另一根线为 总线。总线的作用是:为主分机提供电压、为主分机的语音和数据通信 提供载体。 ( 5 ) 分机不需要振铃，当主机主动向分机发出 通话要求时，只需通 过蜂鸣器或发光二极管来提醒分机 ( 病人) 。 ( 6 ) 主机也不需要振铃，只需要将产生通话请求的分机号在指示控 制板上显示出来; s 9 9 0 4 9 2 0 0 1 . 3 西南交通大学研究生学位论文 第 7页 (7 ) 分机通过按下 “ 请求”通话触发按钮， 将自己的编码号发送给 主机，向主机发出通话请求。主机通过键盘直接的拨分机号向相应分机 发出通话请求。 ( g ) 分机通过按下 “ 复位”触发按钮来截断自己的语音通话线路. 主机在提起听筒准备拨号时开通自己的语音通话线路，在通话完毕放下 听筒时截断自己的语音通话线路和分机的语音通话线路 ( 如果分机的语 音通话线路尚未复位) 。 ( 9 ) 主、分机间的通讯和主机与指示控制板间的通讯均采用串行口 通讯方式，只不过前者采用一点对多点的多机串行口通讯，而后者采用 点对点双机串行口 通讯方式。 ( 1 0 ) 主分机平时 都处于侦听状态，同时需要在软件上采取相应的措 施以防止系统 “ 走飞”或 “ 死锁、 ( 1 1 ) 进行必要的 抗干扰设计. ( 1 2 ) 各分机可能同 时向主机发出 通话请求， 从而产生信号冲突问 题，但各分机按下 “ 请求” 触发按钮的时间是 m s级，并且系统总共是 按 1 0 0台分机设计，发生这样冲突的概率是很小的，因而在本系统的设 计过程中暂时不予考虑。 2 . 3 医院智能 护理呼叫 系统的 工作过程分析 医院智能护理呼叫系统的工作过程如下: 1 . 病人 ( 分机端)按下请求触发按钮开关，通过串行通信口向护士 值班室 ( 主机)发出通话请求。此时分机发送的是请求通讯字以及通过 编码开关确定的自己的相应的分机号; 2 . 护士值班室 ( 主机)接收到通讯字及分机号后，知道有病人 ( 分 机)要求通话，通过串行口 将该分机号送至与之相连的指示板显示。指 示板的单片机接收到分机号后，一方面将指示板上相应的发光二极管点 亮以提醒值班护士病人有事需通话，另一方面通过其上的数码管将分机 号的数字显示出来供值班护士处理。 3 . 护士值班室的值班人员得到指示控制板上的报苦提示信息后，从 s 9 9 0 4 9 2 0 0 1 . 3 第 8页 西南交通大学研究生学位论文 对应的发光二极管可以知道有哪些病人 ( 分机) 有通话请求:从数码管 的显示可以知道当前最后一个发出通话请求的分机号。在此情况下，护 士值班人员有两种选择: 1 ) 允许通话:在有众多请求通话的分机的要求下，护士值班人员 可以根据自己掌握的情况，诸如病情的轻重等作出判断即首先解决与哪 一位病人 ( 分机)通话，然后摘下主机通话听筒， 使主机语音通信电路 开通，并通过键盘拨号分机编码，完毕按下通话按钮，此时将允许通讯 字以及分机号发送给所有分机。分机收到上述信息后，与自己的分机编 码号进行比较，如果相符合则向主机回发可以通讯字并产生中断启动相 应的通话线路，可以开始通话。 2 ) 不予理睬 ( 复位) : 根据护士值班人员对各病人的了 解程度，诸 如一看到指示控制板上某分机对应的发光二极管发亮就知道该病人此时 有什么需求，该干什么。在此情况下就没有必要再进行拨号通话，因而 就可以直接按下指示控制板上该分机对应的复位按钮， 使该分机对应的 发光二极管熄灭恢复该分机为 初始化状态。 4 . 主机也可以 通过直接的 键盘拨号向分机发出 通话请求。 2 .4 医院 智能 护理呼叫 系 统的 方 案拟订 根据上述所给定的系统总体要求、系统的工作过程分析，参照医用 呼叫系统的现状， 本着简单实用和较高性价比的原则，作出以 下方案: 2 .4 .1系 统 总 的 结 构 模 块 流 程 图 医院智能护理呼叫系统的模块流程图如图2 . 1 所示: 图2 . 1医院智能护理呼叫系统的模块流程图 2 . 4 . 2系统砚件 从图2 . 1 可以清楚地看到:整个医院智能护理呼系统总体上分为三大 s 9 创 4 9 2 0 0 1 . 3 西南交通大学研究生学位论文 第 9页 模块，即主机、 分机、指示控制板， 其中 各模块的功能要求如下: 主机 1 ) 控制与各分机之间的通讯与通话，使整个通信网络系统协调工 2 ) 将请求通话分机的分机号送到指示控制板的主控芯片中进行显 3 )控制主机的通话、系统的复位以 及本机键盘的处理. 2 . 分机 1 ) 将自 己的分机编码号发送给主机向 主机发出 通话请求; 2 ) 控制通话线路及复位本机。 3 . 指示控制板 1 ) 呼叫过的分机号由 对应的发光二极管显示; 2 ) 将最近一次呼叫的分机号由 数码管显示; 3 ) 对复位矩阵 扫描并对该矩阵进行译码: 4 ) 通过复 位按钮将显示复位; 2 . 5医院 智能 护理呼叫系统的 方案选型 按照上述系统的总体要求与工作过程所拟订的方案，可以知道系统 的工作总体上分为数据通信与语音通信两大部分。数据通信部分采用 5 1 类单片机实现，因为用单片机设计硬件电 路较简单， 而且软件编写方便， 易于扩充功能。 语音通信部分采用语音芯片及其外围电路来实现，因为 采用模块化的语音通信芯片及外围电路，设计简单、调整方便、不易出 错。另外数据通信部分还涉及到电 压比 较器的 选择问 题。 2 .5 .1效 据 通 信 芯 片的 选择 p i 数据通信芯片的选择有多种方案，因为 5 1 类单片机有许多种，但由 于系统设计要求是在满足功能的前提下本着简单实用与高性价比的原 则，同时希望所选元器件体积小、编程方便。通过比较，数据通信芯片 选择5 1 类的a t 8 9 c 2 0 5 1 ，它能很好地满足系统的功能需求。同时它的价 格较其它5 1 类芯片便宜;它不像其它5 1 类芯片4 0 脚封装，而是2 0 脚 封装，因而体积小:它具有可擦除 1 0 0 0次的 2 k s字节闪速可编程存储 5 9 8 0 4 9 2 0 0 1 . 3 西南交通大学研究生学位论文 第 1 0页 器，故编程简单。 a t 8 9 c 2 0 5 1 是a t m e l 公司开发的一种带2 k字节闪速可编程可擦除 只读存储器 ( p e r o m ) ，这种存储器是一种低电压、高性能的 c m o s 8 位微控制器。该器件采用 a t me l高密度、非易失存储器制造技术制造， 与工业标准的 mc s - 5 1 指令集和输出管脚相兼容.由于将多功能 8位 c p u和闪速存储器组合在单个芯片中，a t me l的a t 8 9 c 2 0 5 1 是一种高 效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 a t 8 9 c 2 0 5 1具有以下一个全双工串行口，一个精确的模拟比较器，片内 展荡器和时钟电路。此外， a t 8 9 c 2 0 5 1设有静态逻辑，可以 在低到零频 率的条件下工作，支持两种软件可选的省电模式。在闲置模式下，c p u 停止工作，但 r a m、定时器/ 计数器、串口和中断系统仍在工作;在掉 电模式下，保存 r a m 中的内 容并且冻结展荡器，禁止所有其它片内控 制单元功能，直到下一个硬件复位为止。 t . a t 8 9 c 2 0 5 1 的标准特性 .与m c s - 5 1 兼容 .2 k b 字节可编程闪 速存储器 .寿命:1 0 0 0 次写稼循环 .数据保留时间:1 0 年 .工作电压范围:2 . 7 v -6 v .1 2 8 x 8 位内 部r a m .巧条可编程1 / 0线 .2 个1 6 位定时器2 计数器 .5 个两极中断源 .全静态工作:o h z -2 4 6 m z .两极程序存储器锁定 .可编程串行u a r t 通道 .输出直接驱动l e d .片内模拟比较器 s 9 8 0 4 9 2 0 0 1 . 3 西南交通大学研究生学位论文 第 i i页 .低功耗的闲置和掉电 模式 2 . a t 8 9 c 2 0 5 1 的管脚说明 a t 8 9 c 2 0 5 1 的管脚配置如2 .2 所示: 尺st ( rxd) p3. 0 ( txo) p3. 1 xtal己 xt八l1 ( i nto ) p3己 ( i nt1 ) p3. 3 ( to ) p3. 4 ( 71 ) p3. 5 已闪d v cc p1 . 7 尸1 . 6 p15 p1 . 4 p13 尸1己 pi i ( ai nl ) p1 . 0 ( ai no ) p3 7 一氧怜阳口怕巧冈。n lru3礴567日910 图2 . 2 a t 8 9 c 2 0 5 1 的管脚配里图 其中，各管脚代表的含义说明如下: v c c :供电电 压 g n d:接地 p 1 口 :p 1 口是一个8 位双向v 0口，口的管脚p 1 .2 至p 1 . 7 提供内 部 上拉， p 1 .0 和 p 1 . 1 需要外部上拉。 p 1 .0和 p 1 . 1 也用作片内精确模拟比 较器的正向输入 ( a i n o )和反向输入 ( a i n i ) o p i口 输出缓冲器能接收 2 0 m a电流，并能直接驱动 l e d显示器。 p 1口 管脚写入 “ 1 ” 后，可用 作输入;当管脚p 1 .2 至p 1 . 7 用作输入，并被外部下拉为低电平时，它们 将输出电流 ( l ) ， 这是由 于内 部上拉的缘故。 在闪速编程和编程校验期 间， p i 口 也接收 编码数据。 p 3 口 : p 3口 管脚p 3 .0 至p 3 . 7( 不包括p 3 .6 ) 是7 个带内部上拉的双 向v 0管脚。p 3 .6己 硬连接为片内比 较器输出的输入，不能作为通用u o 管脚访问. p 3口的 输出 缓冲器能接收2 0 m a电 流. p 3口 管脚写入 “ 1 后，它们被内部上拉为高电平，并能用作输入。作为输入，由于外部下 接为低电 平， p 3口 将 输出电 流 ( 玩) ， 这是由 于内 部 上拉的 缘故. p 3口 也可用作a t 8 9 c 2 0 5 1 的一些特殊功能口，如下所列: r s t :复位输入。 只要 r s t转为高电 平， 所有的1 / 0管脚就复位至 5 9 8 0 4 9 2 0 0 1 .3 西南交通大学研究生学位论文 第 1 2页 1 77 。当 振荡器复位器件时， 要保持r s t 脚高电平两个机器循环周期。 x t a l i :反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 x t a l 2 :来自 反向 振荡放大器的输出。 3 . a t 8 9 c 2 0 5 1 的振荡器特性 x t a l i和 x t a l 2分别为反向 放大器的输入和输出，该反向放大器 可以配置为片内振荡器，如图 2 .3所示.石英晶振和陶瓷振荡器均可采 用。如采用外部时钟源驱动器件， x t a l 2应不连，而应如图2 .4所示驱 动 x t a l 1 。由于输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对 外部时钟信号的工作脉宽无任何要求， 但必须保证脉冲的高低电平所要 求的宽度。 图2 . 3 振荡器连接图2 .4外部时钟驱动配置 需注明一点的是: c l , c 2 的取值应相等且随材料的不同而有所区别. 当选用石英晶体时，c 1 = c 2 = 3 0 p f 士l o p f ;而选用陶瓷谐振器时， c 1 = c 2 = 4 0 p f 1 l o p f 。 一 般 情况 下， 前 一 种的 可靠 性与 精确 度都高 于 后一 种，因而常选择前一种。 4 . a t 8 9 c 2 0 5 1 的复位电路 1 )单 片 机的 复位状态 单片机的复位都是靠外部电 路实现的，在时钟电路工作后，只要在 单片机的r s t引脚上出现2 4 个时钟振荡脉冲 ( 2 个机器周期)以上的高 电 平， 单片机便实现初始化状态复位。为了保证应用系统可靠地复位， 应使 r s t引脚保持 l o in s 以上的高电平。只要 r s t保持高电平，则单片 5 9 8 0 4 9 2 0 0 1 . 3 西南交通大学研究生学位论文第 1 3页 机 a t 8 9 c 2 0 5 1 就 循环复 位;当r s t从高电 平 变为 低电 平以 后， 单片 机 a t 8 9 c 2 0 5 1 从o o o o h地址开始执行程序。 复位以后， p o 口与p 3 口 输出高电平，且使这些准双向口皆处于输入 状态，并且将 0 7 h写入栈指针 s p ( 即设定堆栈底为0 7 h ) ，同时， 将程序 计数器 p c和其余的特殊功能寄存器清零 ( 不定的除外) 。但复位不影响 单片机内部的r a m状态。 复位电路包含上电复位与复位键复位两部分，当上电未能复位时， 按复位键则能复位。另外在程序调试和运行时，有时也需要用复位键进 行复位，正确的复位是单片机得以正常运行的前提。其复位电路如图 2 . 5 所示: 二 厂 图2 . 5 上电复位及按键复位电 路 2 ) 上电复位电路 上电复位电路如图2 . 5 所示。选择r 1 , c 2 使上电时， a t 8 9 c 2 0 5 1 的 r e s e t引脚上的高电 平有足够的持续时间，即 至少应保持振荡器起振时 间 ( 一般不超过t o m s ) 加上两个机器周期 ( 或2 4 个振荡周期) 。随着c 2 上充电电压的增加， r e s e t 引脚电压逐渐降低， 最后为低电 平。 3 )复位按键复位电 路 复位按键复位电路如图 2 . 5中 r e s e t ( k 1 )所示。未按复位键时， k 1 是断开的， c l 充满电 压， a点是高电平。当按下复位键时， k 1 接通， 5 9 8 0 4 9 2 0 0 1 . 3 第 1 4页 西南交通大学研究生学位论文 快速放电， a点变为低电 平;当 放开复位键时， k 1 断开，电 源经r 3 对 c 1 充电，使 a点电压升高一定时间。 这种作用通过 7 4 l s 0 6 经 c 2 , r 1 使r e s e t复位。 7 4 l s 0 6 是六高反压输出 反相缓冲器/ 驱动器( o c , 3 0 v ) , 这里用了其中的一个反相器。 在智能护理呼叫系统中，仅采用第一种复位方式，即上电复位电路。 5 . a t 8 9 c 2 0 5 1 芯片的擦除 整个 p e r o m 阵列 ( 2 k字节) 和两个锁定位的电擦除可通过正确的 控制信号组合，并保持 p 3 .2管脚处于低电平 l o m s 来完成。在芯片擦除 操作中，代码阵列全被写 “ 1 ，且在任何非空存储字节能被重复编程之 前，该操作必须被执行。 1 ) x t a l i 管脚上的正脉冲提高. 2 )芯片擦除需一个l o m s p r o g脉冲。 3 )在编程期间， p 3 . 1 被 拉 为 低电 平 表 示r d y b s y . 6 . a t 8 9 c 2 0 5 1 读特征字节 特征字节的读取步骤和位置 o o o h , o o i h , 0 0 2 h的标准校验步骤相 似，所不同的是p 3 . 5 和p 3 .7 必须下拉为逻辑低电平。返回值如下所示: ( o o o h ) = 1 e h表示由a t m e l 生产 ( 0 0 1 h ) = 2 1 h表示是8 9 c 2 0 5 1 7 a t 8 9 c 2 0 5 1 的最大绝对值 a t 8 9 c 2 0 5 1 的最大绝对值如表2 . 1 所示。 表2 . 1 a t 8 9 c 2 0 5 1 的最大 绝对值 工作温度i - - 5 5 一 + 1 2 5 c 存储沮度一5 c-+ 1 5 0 c 任 一 管 脚 对 地电 压 - i . o v-+ 7 , o v 最大的工作电压 6 . 6 v 】 】 二 物出电流 2 5 . o ma * 注盆: 超过本农中造成水久性的翔伤。 衰 2 . 3所列出的仅是 翻定位 ( 不包括该拐件在任何其它超出这些厉示位的条件下的工作与功能娜悄况). 拐件处在月汰龙侧旧健位公件下的时间 过长 会份晌价件的 可书性。 s 9 8 0 4 9 2 0 0 1 .3 西南交通大学研究生学位论文 第 1 5页 2 . 5 .2语音通信芯片的 选择13 1 语音通信部分可以采用由单个元器件构成的模拟电路实现，也可以 选用语音芯片及其外围电 路来实现。最初采用由单个元器件构成的模拟 电路，但由于元器件较多，受到相互之间干扰等因素的影响，其结果并 不理想;后来也就是现在的 方案， 选用了 语音通信芯片m c 3 4 0 1 4 及其外 围电路这样的模块化结构，效果很理想。相对于单个元器件构成的模拟 电路而言，模块化的语音通信芯片及外围电路的设计简单、调整方便、 不易出错，而且造价也不高，可以说有良好的性价比。下面就是语音芯 片m c 3 4 0 1 4 及其外围电 路构成的语音通信模块的一些介绍。 mc 3 4 0 1 4是电话通话网络集成电路，它具有可调整的发送、接收和 侧音功能，还有一直流环路接口电路、音频拨号器接口以及脉冲/ 音频拨 号器的稳定输出电压.同时还包括一个均衡电路，用来补偿用户线长度 变化的增益。当电 源电 压低至1 .5 v时，可完成2 / 4 线变换。 mc 3 4 0 1 4 为 一标准1 8 引脚 ( 宽0 .3 英寸)的塑料d i p 和2 0 引脚的s o i l封装。在这 里， 采用前一种即标准的 1 8引 脚d i p封装。 m c 3 4 0 1 4是一通话网络， 指定 经过一 极性保护 桥路 连接至t i p 及r i n g( 电 话线路的 两根双绞线) 。 该电路有4 5 个放大器，即发送、接收、侧音以及均衡放大器。每个放大 器中的某些参数由外部元件放置.侧音及均衡放大器的增益随环路电流 大小而变化。此外，m c 3 4 0 1 4 还具有下述特性: . 用外部电阻设t发送、接收及消侧音增益 . 具有发送、接收及侧音功能的环路长度均衡 . 在通话方式， v , 为1 .5 v时 仍可工作 . 对c m o s 的拨号器， 提供稳定的电压 . 当脉冲和音频拨号时，静噪话音放大器噪音 . 用单个电阻调节d t mf 输出电平 . 可兼容两端驻极体送话器 . 可兼容1 5 0 0 及更高的受话器阻抗 1 .语音通信芯片mc 3 4 0 1 4 的引脚说明见表2 .2 . s 9 8 0 4 9 2 0 0 1 . 3 西南交通大学研究生学位论文 第 1 6页 表2 . 2 m c 3 4 0 1 4 的引脚说明 引脚号 d i p封装 名 称 说明 1mi c 送话器的负电 源端。由驻极体送话器来的偏流，通过本引脚及 一集电 极开路的n p n三极管回到 v 。该三极管的基极由一内 部 静嗓信号控制。在拨号时，该三极管截止， 禁止送话器工作。 2txi 发送放大器的输入端。输入阻抗为 i o k . 从送话器来的信号 电流经一电容送至t x i . 3 tx o 发送放大器的 输出 端。该端物出的交流信号流经 r 9送至 攻 端。 进入三极管以驱动接在v , 处的 用户线。 增加r 9 值将减少v , 处的 信号。 抽出偏压2于0 .6 5 v时， 允许交流信号有最大的摆幅。 由t x i 至t x o的闭环增益内部设i为2 6 d b . 4s t a 侧音放大器输出 端。从 t x o端来的信号输入至该放大段。该 放大器的输出信号 ( 在 s t a点) 可以消除接收放大器中的侧音 信号。在s t a端的信号电平随用户线长度的增加而增大。 6e q 均衡放大器愉出 端. v , 端信号的一部分通过均衡放大器送至e q 端， 用以 给发送放大器提供负反馈。 随着用户线环路长度的增加， 反该将减少，引 起电 路的交流阻抗增加。 7rx ! 接收放大器物入端。物入阻抗大于 l o o k 0 。从用户线来的信 号和从 侧音 放大器来的 信号在r x i 端盛 加. 8 rx o 接收 放大 器物出 端. r x o端的 偏里由2 .5 m a的电 流源供给. 反馈将直流偏it电 压保持在0 .6 5 v 。 在r x o端和 r x i 端之间的 电阻增大， 将增加接收增益。电容 c 4稳定该放大器。电容 c 3 将接收放大器的信号偶合到受话器。当拨号时， 2 . 5 m a的电 流源 将减少至0 a m a . 9 rm t 受话器静嗓端. 交流的受话器电 流通过一集电 极开路的n p n 三 极管和一与并联的i o k q电阻返回至v _ 端。该n p n 三极管的墓极 由内 部静嗓 信号 控制. 在拨号时， 该三极管 截止， 只由i o k q 电 阻和受话器申联在一起。 1 0v_ 负电 浑端。通常通过极性保护二极管桥路将受负载愉入端连接 至t i p 及r i n g . 1 1vr 毯压电 铆抽入端。 v r端物出电压被稳定在1 .2 v并给送话器及 通话电 路提供偏压。 在芯片内 和 v r申联的p n p晶体管使用户 线电 压德定于最低为1 . 5 v 。电 容器c 8 对德压器起称定作用. 1 2l c 支流负级电 容端。一外接电 容c t和一内接电阻在v , 和l r端 形成一低通泣波器，使r 5 只有直流信号通过， 并阻止交流通过。 迫使由l c 端至v - 的 直流电 流截止并增加v , 的电 压. 1 3l r 直流负峨电阻端。由l r端至 v _ 端的电阻r5抉 直流电 阻，并且把芯片内的功转移至r 5 上。 l r 引 比v , 端的电 压 低2 .8 v( 在音频拨号 方式时，比v . 定了电话机的 脚的偏t电压 端低4 . 5 v ) . 1 4 v , 正电 浑供给端. v , 是通过极性保护桥路的正用户1 和r i n g 来) 。 m c 3 4 0 1 4 的 全部电 路都由v , 端 供 给e 线电 压( 由t ip 匕 源。 5 9 8 0 4 9 2 0 0 1 . 3 第 1 7页 西南交通大学研究生学位论文 1 5 v d d v o d稳压 器物出端.v 。 是一 额定电 压为3 3 t的 分流型稳压 器的物出端。当拨号时， 额定输出电 流都由3 n 端供给电 源。 1 6别 日 静嗓输入端。 mt通过一内部 1 0 0 k q电阻连接至一个 n p n晶 体管的基极， 该晶体 管的 发 射极接至v d d . 当m t 为 逻辑 0 . ( 小 于 1 . 0 v )时，不论是脉冲拨号还是音频拨号方式，网络都处于 静嗓状态.当为 逻辑+ 1 ; ( 大于v d d -0 .3 v ) 时， 则将m c 3 4 0 1 4 里于通话方式。 2 . m c 3 4 0 1 4 的绝对极限参数 m c 3 4 0 1 4 的绝对极限参数见表2 .3 ， 其中电 压v _ 为基准， t , = 2 5 -c . 表2 .3 m c 3 4 0 1 4 的 绝对极限参数 参数值单位 v , 电 压- 1 .0 ,+ 1 8v , v , ( 外部应用， v . = o ) - 1 .0 , + 6 v 当外加电压信号为逻 辑 低电 平时 ( 其范 围 为0 到2 .9 v ) , n : 都 不 会 饱 和 导 通， 从 而增加了 电 路的冗余度，有效地抑制了 外加以 及由电路所产生的干扰电 压。 电 压比 较 器l m 3 9 3 的 第2 脚即 参 考 输 入端的 电 压v i, = 5 * 凡 /(凡 + 凡) = 5 * 3 .9 / ( 3 .9 + 4 .7 ) = 2 .3 v 。 之 所以 取v s 2.3 v ， 是 因 为t t l的 逻 辑 高电 平是 2 .4 v -5 v ;又因为对单片机 a t 8 9 c 2 0 5 1来说，其输入的逻辑高电 平 “ 1 ”应是标准的+ 5 v ,所以取l m3 9 3 的第8 脚电压为+ 5 v.其中阻值 为5 . 1 k的电阻风为上拉电阻， 其作用是保证当 从第3 脚输入的电压大 (2) 在本论文所涉及的三极管均为硅管 5 9 8 0 4 9 2 0 01 . 3 西南交通大学研究生学位论文第 2 1页 于第2 脚的 参考电 压时， 从第 1 脚输出 的电 压与 第8 脚v c 。 电 压相等为 + 5 v. 3 . 1 .2数据信号输出电路及复合管p 3 与n 3 的分析 数据信号输入电路与a t 8 9 c 2 0 5 1 的接口电路图如图3 . 2 所示。 一 胜 图3 .2 数据信号输入电 路与a t 8 9 c 2 0 5 1 的 接口电路图 当病人有通话请求时，按下 “ 请求” 按钮 ( 参见分机原理图) ，产生 一个外部中断，从而将由s w- d i p 8编码开关所确定的分机号以二进制数 据形式从a t 8 9 c 2 0 5 1 的t x d脚发出， 经由p 3 和n 3 组成的复合管放大， 再通过c 1 加载到总线上，到达主机的接收端。其中c i 的作用同c 2 . 复合管由 三极管n 3 与p 3 组成， 其中n 3 是型号为s 9 0 1 4 的n p n型 三极管， p 3 是型号为c 9 0 1 5的p n p型三极管。p 3 与n 3的工作电压极 性相反而特性相近，它们共同组成了准互补对称功率放大电路，起着功 率放大的作用，以利于数据在总线上传输。 其中n 3 管的发射极接地， p 3 管的 发 射极 接 + 1 2 v的电 源。 此时，由 于n 3 的 集电 极电 伍v c m ， 通 过r 9 作为p 3 的基极电 压， 所以 这个复合管能实现信号的直接偶合。 当分机号以数字信号形式从 a t 8 9 c 2 0 5 1的 t x d脚输出时，逻辑高 电平 “ 1 ”为+ 5 v ;逻辑低电平 0 ”为o v . 当t x d 输出 为 逻 辑高电 平时， 对n 3 : i b 5 / r 7 = 5 / 1 0 0 = 0 .0 5 a . i b s e c / ( 0 r c ) e , / r c = 1 2 / r 8 = 1 2 / 1 0 0 0 = 0 . 0 1 2 a ，即i b a b s ， 所以n 3 处于饱 和导 通状态。 此时， 对 n 3 ，由 前述三极管饱和导 通的 特性可知: v,-v, 即n 3 相当 于 一 个闭 合的开 关. 而对p 3 : 因 为n 3 的v c - v , = o ， 所以i b v b / r 9 -v e / r 9 = 1 2 / 1 0 0 = 0 . 1 2 a , i b s - e c /( 0 r c ) i a 3 ， 所以p 3 也处 于 饱 和导 通状态。因 此， 对n 3 而言， v c v e 即p 3 亦相当于一个闭 合的开关。 则p 3 的输出v 。 与其集电 极的电 压+ 1 2 v 近似相等，从而起到功率放大的作用，以利于