基于stm32病房呼叫系统毕业论文

毕业论文学生姓名马婷婷学号100701129学院信息科学与工程学院专业电子信息工程题目基于STM32的病房呼叫系统指导教师孟志永（讲师）评阅教师马洪涛（副教授）2014年6月河北科技大学毕业设计成绩评定表姓名马婷婷学号100701129成绩专业电子信息工程题目基于STM32的病房呼叫系统指导教师评语及成绩指导教师年月日评阅教师评语及成绩评阅教师年月日答辩小组评语及成绩答辩小组组长年月日答辩委员会意见学院答辩委员会主任年月日注该表一式两份，一份归档，一份装入学生毕业设计说明书中。毕业设计说明书中文摘要病房呼叫系统是为了提高医院的服务质量而提出的，它能使病人及时快捷的进行呼叫，以方便医院能快速准确的了解病人情况，并能及时施以救助。系统是基于无线网络开发的、以单片机STM32为核心的医院无线病房呼叫系统，利用无线网传输信号和语音信息，远程控制部分接收无线网发送来的信号，由STM32对其进行解码，解码后由数码管和灯屏显示，语音信息由话筒传出。其重点对STM32的外围扩展，硬件配置，软件设计，工作原理，功能以及技术性能进行了论述。系统以单片机作为控制和分析核心，采用语音芯片VS1053B，利用无线传输数据和信号，实现病房呼叫系统所有功能。关键词单片机无线网络语音芯片病房呼叫系统毕业设计说明书（论文）外文摘要TITLEWARDCALLSYSTEMBASEDONSTM32ABSTRACTWARDCALLSYSTEMISTOENHANCETHEQUALITYOFSERVICESANDTHEPROPOSEDHOSPITALITENABLESPATIENTHAVEATIMELYANDEFFICIENTCALL,TOOFACILITATEQUICKANDACCURATEUNDERSTANDINGTHEPATIENTSCONDITION,ANDCANIMPOSERESCUETIMELYSYSTEMISBASEDONAWIRELESSNETWORKDEVELOPEDSTM32MICROCONTROLLERASTHECOREOFTHEWIRELESSHOSPITALWARDCALLSYSTEMDEVICESUSINGAWIRELESSNETWORKTOTRANSMITSIGNALANDVOICEINFORMATIONREMOTECONTROLPORTIONRECEIVESTHERADIOSIGNALTRANSMITTEDTOTHENETWORKBYTHESTM32DECODEAFTERDECODINGTHEDIGITALTUBESANDLIGHTSCREENDISPLAY,VOICEMESSAGECAMEFROMTHEMICROPHONETHEFOCUSONTHEEXPANSIONOFSTM32PERIPHERALS,HARDWARECONFIGURATION,SOFTWAREDESIGN,WORKINGPRINCIPLE,FUNCTIONANDTECHNICALPERFORMANCEAREDISCUSSEDSYSTEMUSINGMICROCONTROLLERASTHECONTROLANDANALYSISCORE,USINGVOICECHIPVS1053BANDUSINGWIRELESSTOTRANSLATETHEDATAANDSIGNALS,TOACHIEVEALLFUNCTIONSOFTHEWARDCALLSYSTEMKEYWORDSSINGLECHIPWIRELESSNETWORKVOICECHIPWARDCALLSYSTEM本科毕业设计第I页共II页目录1绪论111课题的发展背景112课题研究的目的和意义213课题研究的内容和方法32系统总体设计方案321病房呼叫系统的总体构成322系统的基本工作过程43病房呼叫系统主机硬件电路设计531显示模块电路设计632键盘模块电路设计933语音模块电路设计1034报警模块电路设计1235无线网卡模块电路设计1336电源电路设计1337STM32最小系统电路设计144病房呼叫系统分机硬件电路设计1641呼叫器电路设计1742语音模块电路设计1743无线网卡模块电路设计1744电源电路设计1745STM32最小系统电路设计1746病房呼叫系统PCB版图设计175病房呼叫系统软件设计1851主程序设计1852语音模块程序设计1853显示模块程序设计19本科毕业设计第I页共II页54键盘模块程序设计2055无线传输模块程序设计2056软件调试21结论22致谢23参考文献24附录A源程序设计26本科毕业设计第1页共33页1绪论随着全球老龄化进程的加快，全球生存环境的恶化，以及人类对健康关注的增加，医疗行业正快速膨胀。人们对医疗水平的要求不断提高，特别是突发情况下病人请求值班医生或护士进行及时诊断或护理这一环节,对提高医院的管理服务质量显得尤其重要。因此通过病房呼叫系统完成向医生的求助是一种极为方便有效的手段,相关的应用设计正逐步推出。目前病房呼叫系统主要有两种,一种是有线式,一种是无线式。而在我国，大多数医院都是采用的传统的有线式病房呼叫系统。这种设计很难做到隐蔽和美观，而且安装与维护都不方便，抗电气干扰能力也不强。因此我们采用无线WIFI来设计病房呼叫系统。11课题的发展背景随着社会的进步和科技的发展，医疗水平的不断提高，现代医院护理需要快速、及时的获知并处理病人的突发病况，实现患者在住院的任何时间都能请求医生或护士进行诊断和护理。以便医院病房区的病患在有紧急情况或者有自己不方便处理的事件时呼叫医生或护士寻求帮助，医生或护士则通过响铃及站内指示灯获取求助信息的来源，并及时提供帮助。因此，一种新型的临床呼叫仪器的研制成为近些年来的研发热点之一。在以往医院里，病人遇到突发情况时，由于向医护人员得不到及时的救助，往往错过了最佳的治疗时间，最后造成小病酿成大病，大病酿成无法医，最后导致无药可医以至于死亡。因此，人们对医疗水平的要求不断提高，医院有必要将“智能化”引入医疗建设中。如何更好的满足患者的要求，提高患者的满意度，是从事医疗行业的所有管理人员应该思考的问题。医疗水平的提高很大一方面体现在医院运用多元化信息技术，并达到监护与信息交互的能力，因此实现新型的临床呼叫系统是实现医院医疗信息化的基础和实现最终建设目标的垫脚石。医院的病房呼叫系统所提供的功能有如下几项内容呼叫，报警，显示排队，优先级设定，存储记录，语音通话等。如图11所示，在传统的病房呼叫系统中，应用最为普及的是有线式病房呼叫系统。但是，随着科学技术的发展和医疗改革的不断升入，该方案已经无法满足越来越多的服务需求。例如，有线设备的位置相对固定，病人只能通过病床床头的呼叫器来实现呼叫功能，护士也只能通过病房外的液晶显示屏才能收到病人的呼叫信息，一旦护士离开液晶显示屏显示区域就无法及时收到病人的呼叫信息，无法快速响应病房突发事件。特别是医院出现紧急加床情况时，紧急加床根本无法实现紧急呼叫功能，这将给病患者带来很大的困扰。由于有线方案采用硬本科毕业设计第2页共33页线连接，因此随着使用时间的增加线路容易发生老化或被腐蚀、磨损的现象，系图11传统的呼叫求助系统统故障发生率也会越来越高。并且，传统的有线病房呼叫系统还有功能升级性差、布线繁琐、无法移动、成本高等弊端。另一方面,近几年短距离无线通信技术发展得如火如茶,WIFI、蓝牙和ZIGBEE等技术蜂拥而至,采用无线的解决方案将很轻松的避免上述问题。12课题研究的目的和意义病房呼叫系统是一种应用于医院病房、养老院等地方,用来联系沟通医护人员和病员的专用呼叫系统,是提高医院护理水平的必备设备之一。有了病床呼叫系统，医院的护理工作才能变得更加方便全面，不再为值班护士或医生未能及时发现突发病况而烦恼。病房呼叫系统的优劣直接关系到病员的安危,历来受到各大医院的普遍重视。它要求及时、准确可靠、简便可行、利于推广。同时由于人们生活水平的提高，人们对服务行业的要求也越来越高，尤其是关乎生命的医疗服务业，能可靠的进行日常监护工作，及时发现各种病情并进行抢救和护理，这样人们便可安心就诊，同时也保证了患者的生命安全，这是从事医疗行业的所有管理人员应该思考的问题。另外，使用无线后，医院可以利用无线网络传输代替传统的通信设备，可以在同一个网络里传输数据和语音，提供双向的语音通信。医护人员可以通过手柄设备接收患者的呼叫，并且直接和病患进行语音通话，更加及时了解病患的需求。因此，无线病房呼叫系统将会成为主流，代替传统的有线设备，它有着光明的前景。随着电子通讯技术的飞速发展，单片微机以其具有体积小、价格低、集成度高、性价比高等突出优点己在工业控制、智能仪表、数控机床、数据采集以及各本科毕业设计第3页共33页种家用电器等方面得到了广泛应用。因此利用单片机和一些简单的外围器件来开发一种适合于医院，养老院等重要场所的低价位、运行可靠、使用方便的病房呼叫系统，来监护那些患者或老人已经势在必行。13课题研究的内容和方法无线病房呼叫系统设计是为了改善有线病房呼叫系统的不足,提高整机的可靠性和灵活性而开发出的一种实用的呼叫系统，采用SAMSUNG公司的STM32单片机作为核心，开发其外围电路设计和软件设计。课题需要研究的内容主要有以下几个方面A根据系统功能要求进行系统的整体方案设计。该方案采用模块化设计方法，以方便系统的调试和用户的使用。B系统硬件设计。包括芯片的选型、所选芯片的功能、芯片外围电路的合理设计。主要内容有芯片的选择、键盘电路的设计、显示电路的设计和语音电路的设计、无线网卡电路的设计。C系统软件设计。主要包括系统主程序、动态扫描显示程序、语音程序、键盘扫描程序等。根据课题性质拟实现的功能和所要研究的内容，应采取以下研究步骤来实现系统整体功能分析与可行性研究、划分功能模块、各功能模块的电路原理设计、元器件芯片选择、各功能模块的软件调试、系统整体软件调试，通过反复不断的调试，使程序调试成功率增大。抗干扰设计应贯穿于整个设计过程之中。另外，在满足各项性能指标的前提下，不仅要考虑到系统的易用性，还要努力降低成本，在保证可靠性的情况下，尽量提高其灵活性。本科毕业设计第4页共33页2系统总体设计方案21病房呼叫系统的总体构成病房呼叫系统的开发方案是参照国内外相关技术的发展状况，在前人的基础上稍加修改，并借鉴现在一些科研机构的最新研究成果，同时根据我国医院病房监护建设的实际情况，为满足患者的要求，并充分考虑其经济性和可靠性，能真正实现智能化呼叫的要求来确定的。根据系统拟达到的总体功能，将其划分为以下功能模块显示电路（LED灯屏、数码管）、语音录放电路（手柄）、键盘电路、报警电路、呼叫分机、无线网卡等。系统组成框图如图21所示。本设计采用主机和从机相分离的模式。从机安装于各个病房，主机安装于护士站，多个从机处于等待外部呼叫信号的状态，主机则时刻处于等待接受从机呼叫信号的状态，并且从机和主机之间采用无线数据传输通信。单元模块的功能如下显示电路ALED指示灯显示STM32运行状态。BLED灯屏每个LED灯一一对应病床号。当呼叫传入后，STM32驱动相应的LED灯亮。C双面数码管（走廊）闲时显示时间，一旦有呼叫传入，显示呼叫病房号，当有多个呼叫传入，则循环显示病床号。图21无线病房呼叫系统组成框图语音电路使用音频编解码器芯片VS1053B，护士通过语音电路了解病患的情本科毕业设计第5页共33页况。输入输出设备包括键盘、报警蜂鸣器、按钮开关、各类指示灯等。键盘用于用户接听语音、呼叫号码的输入等通过报警蜂鸣器和各类指示灯的声、光信号通知医护人员并进行系统不同工作状态的指示按钮开关用于分机呼叫。呼叫分机的核心器件是单片机，由它来发送呼叫信号并通过无线传送到主机上，单片机采用的是当今流行的性价比较高的STM32单片机。分机和主机都分别接上一个无线网卡。主机和各个分机通过路由传输信息，当有一个分机接入时，其他分机就不能接入，主机与接入的分机传输完成，挂断后，其他分机才能再次接入。22系统的基本工作过程系统分为呼叫分机和接收主机。呼叫分机安装在病床旁，接收主机则安装在护士站。病人通过分机的呼叫器呼叫医生，编码使用STM32完成并通过无线网络发送给接收主机。主机接收到网线网络发来的信号，并进行解码、显示和报警，LED灯屏直观的显示呼叫病床位置，为避免不在护士站的医护人员及时作出应对措施，走廊内的双面数码管也会同时显示呼叫分机的病房号，当没有呼叫传入时，数码管显示当前时间。若有多个病号同时呼叫，则循环显示病房的代号，这样，护士或医生根据显示的病床号进行治疗和服务。同时病人与护士直接可以语音通话。主机与分机直接通过无线网络连接。本科毕业设计第6页共33页3病房呼叫系统主机硬件电路设计病房呼叫系统主机电路部分主要包括显示电路、键盘电路、语音电路、报警电路、无线网卡电路几大部分。由无线网卡电路实现信号的传输是主机部分的基本设计思想，信号通过无线网卡传输给路由，在经过路由发送给接收分机，大大降低了有线传输的局限性，提高了整个系统的可靠性和抗干扰性。基于ARM的数字化病房呼叫系统的主要芯片是STM32F103，以它为核心进行控制终端设备的接收和发送，采用RS232等通讯技术，实现了主机和分机之间的语音和通讯命令的传输。STM32介绍随着电子技术的发展，特别是随大规模集成电路产生而出现的微型计算机给人类生活带来了根本性的改变。如果说微型计算机的出现使现代科学研究得到了质的飞跃，那么可以毫不夸张的说，单片机技术的控制系统，数据采集系统，智能化仪器的仪表，办公自动化等在诸多领域得到极为广泛的应用，并已走向家庭，从洗衣机，微波炉到音响，汽车，到处都是可以见到单片机的踪影，因此，单片机技术开发和应用水平已逐步成为一个国家工业发展水平的标志之一。STM32作为其中有代表性的一种芯片，在各个方面都有很大的优势。内核ARM32位CORTEXM3CPU，最高工作频率72MHZ，125DMIPS/MHZ。存储器片上集成32512KB的FLASH存储器。664KB的SRAM存储器。时钟、复位和电源管理2036V的电源供电和I/O接口的驱动电压。POR、PDR和可编程的电压探测器（PVD）。416MHZ的晶振。内嵌出厂前调校的8MHZRC振荡电路。内部40KHZ的RC振荡电路。用于CPU时钟的PLL。带校准用于RTC的32KHZ的晶振。低功耗3种低功耗模式休眠，停止，待机模式。为RTC和备份寄存器供电的VBAT。调试模式串行调试（SWD）和JTAG接口。最多高达112个的快速I/O端口根据型号的不同，有26，37，51，80，和112的I/O端口，所有的端口都可以映射到16个外部中断向量。除了模拟输入，所有的都可以接受5V以内的输入。最多多达11个定时器4个16位定时器，每个定时器有4个IC/OC/PWM或者脉冲计数器。2个16位的6通道高级控制定时器最多6个通道可用于PWM输出。2个看门狗定时器（独立看门狗和窗口看门狗）。SYSTICK定时器24位倒计数器。2个16位基本定时器用于驱动DAC。最多多达13个通信接口2个IIC接口（SMBUS/PMBUS）。5个USART接口（ISO7816接口，LIN，IRDA兼容，调试控制）。3个SPI接口（18MBIT/S），两个和IIS复用。CAN接口（20B）。USB20全速接口。SDIO接口。本科毕业设计第7页共33页STM32还可以从外部存储器（U盘或MP3播放器）读取、解码和输出音频信号。以上种种优势都为我们提供了方便。31显示模块电路设计显示电路主要包括LED灯屏以及数码管显示电路。LED灯屏直观显示病房位置，数码管则是平时显示当前时间，一旦有呼叫传入，立即显示病房号，当有多个病床呼叫时，循环显示病床号。311LED灯屏D1LED0D9LED0D17LED0D25LED0本科毕业设计第8页共33页选和级联输出控制。15脚为并行输出状态控制端，低电平时，并行输出端处在高阻状态，在用CD4094做显示输出时，可以使显示数码闪烁。9脚QS，用于级联，在第九个串行时钟的上升沿开始输出。当CD4094电源为5V时，输出电流就会大于32MA，灌电流是1MA。串行时钟频率可以达到25MHZ。图32CD4093引脚图312数码管显示电路图33LED数码管笔段及引脚排列单片机的控制系统中最常用的显示器件之一就是LED数码管。LED数码管的笔段及引脚排列如图33所示，其中AG段是显示数字或字符的笔画；DP段显示小数点，而3脚和8脚连通作为公共端。在一英寸以下的LED数码管内，每一个笔段都有1个LED发光二极管，它的导通压降为1225V。依据LED数码管各笔段的LED数码管连接方式，可以将LED数码管分为共阴和共阳两大类。在共阴极数码管中，所有的LED发光二极管的负极连在一起，然而在共阳极数码管中，则是所有的正极连在一起。因为共阳LED数码管与OC、OD门驱动器连接方便，以此在单片机控制系统中，多用共阳LED数码管。本科毕业设计第9页共33页100PFC2CAPSEMI100PFC1CAPSEMIC010UFVCCR0180R1180R3180R5180R2180R6180R7180R4180STR1DAT2SCK3Q14Q25Q36Q47VSS8QS9QS10Q811Q712Q613Q514OTN15VCC16CD1CD4094STR1DAT2SCK3Q14Q25Q36Q47VSS8QS9QS10Q811Q712Q613Q514OTN15VCC16CD2CD4094A7B6C4D2E1F9G10DP5COM3COM8SMG1COMPONENT_1A7B6C4D2E1F9G10DP5COM3COM8本科毕业设计第10页共33页寄存器CD4094。数码管显示电路如图34所示。由于数码管显示电路占用I/O资源多，程序设计复杂，所以在硬件设计方面，我们应该尽量减少I/O口的占用。因此，我们同样采用两个位移位存储总线寄存器CD4094实现串入并出，来减少I/O口的使用，其中CD1作段选，CD2作位选。软件方面采用动态扫描的方式显示当前时间和病床号。电路图中所有数码管的ADP同名端分别连在一起，同时连着CD4094的8个并行输出口Q1Q8，其中R0R7为限流电阻，而每个数码管显示器的COM端各自独立的连接另一片CD4094的8个并行输出口Q1Q8。32键盘模块电路设计在单片机控制系统中广泛使用的机械键盘工作原理是利用动片和静片触点的接触和断开，来实现键盘两引脚的通或断。如图35所示。图35按键电气图形符号S1SWPBS14SWPBS5SWPBS13SWPBS9SWPBS2SWPBS10SWPBS6SWPBS3SWPBS7SWPBS11SWPBS15SWPBS8SWPBS4SWPBS12SWPBS16SWPB10KR17RES110KR18RES110KR19RES110KR20RES1Y0Y1Y2Y3X0X1X2X3VCC图36键盘电路图为了减少了I/O引脚数目的使用，键盘模块一般采用44的矩阵键盘，也称行列式键盘。使用这种键盘，编程也会更加灵活。电路如图36所示。它是由四条I/O线Y0Y3作为行线，四条I/O线X0X3作为列线组成的键盘。33语音模块电路设计为方便医护人员及时了解病患的情况并作出应对措施，语音通话功能显得尤为重要。语音模块主要采用STM32上的I2S音频协议,I2S是一个3引脚的同步串行接口通讯协议，支持四种音频标准，包括飞利浦I2S标准，MSB和LSB对齐标准，本科毕业设计第11页共33页以及PCM标准，在这里我们使用的PCM标准。在半双工的通讯中，可以工作在主、从两种模式下。I2S的功能如下单工通信仅发送或接收主或者从操作8位线性可编程预分频器，获得精确的音频采样频率8KHZ到96KHZ数据格式可以是16位，24位或者32位音频信道固定数据包帧为16位16位数据帧或32位16、24或32位数据帧可编程的时钟极性稳定态从发送模式下的下溢标志位和主/从接收模式下的溢出标志位16位数据寄存器用来发送和接收，在通道两端各有一个寄存器支持的I2S协议I2S飞利浦标准MSB对齐标准左对齐LSB对齐标准右对齐PCM标准16位通道帧上带长或短帧同步或者16位数据帧扩展为32位通道帧数据方向总是MSB在先发送和接收都具有DMA能力主时钟可以输出到外部音频设备，比率固定为256XFSFS为音频采样频率在互联型产品中，两个I2S模块I2S2和I2S3有一个专用的PLLPLL3，产生更加精准得时钟电路原理图如图37、图38所示，图37为语音采集模块，因为声音信号经麦克风传入时比较微弱，需要经LM358放大后再进入STM32中，最后由STM32中自带的ADC通过MIC通道将语音信号转换为数字量。图38为语音播放模块，采用LM386芯片将还原信号进行功率放大，滤波后由喇叭播放。LM386是低电压音频功率放大器，他自身功耗低、电压增益可以调整、电源电压的范围大、外接元件少并且总谐波失真小，所以广泛应用于录音机和收音机中。引脚图如图39所示。2脚为反相输入端，3脚为同相输入端，5脚为输出端，6脚、4脚分别是电源和地；1脚和8脚是电压增益设定端，这里暂时不用。通过查LM386的数据表可知，电源电压是412V，静态消耗电流时4MA；电压增益是20200DB，在1脚、8脚开路时，带宽是300KHZ，输入阻抗是50K，音频功率是本科毕业设计第12页共33页05W。PA424KR5VCCGNDGND10KR131KR7121C14104C1310UFC1210KR101KR610UFC7104C8GND0R8MK1MIC2104C33KR41MR3200KR1VCC110KR2104C2100UFC1VCCOUTPUT1INPUT2INPUT3GND4VCC8OUTPUT27INPUT26INPUT25LM358LM358图37语音采集模块电路图J1PHONEJACK3RNGNDLS1SPEAKERGND100UFC910RR9GAIN1IN2IN3GND4VOUT5VS6BYPASS7GAIN8本科毕业设计第13页共33页病房呼叫系统不仅要将呼叫信息实时的显示在屏幕上，而且为了方便及时性的需要，同时还要发出报警声音，提示医护人员有病患请求帮助。电声器件是指能将声音信号转换为音频电信号或者将音频电信号转换为声音信号的器件。它是利用电磁感应、静电感应或压电效应等来完成电声转换的,主要有传声器、蜂鸣器和扬声器等。传声器俗称话筒、麦克风,是一种“声一电“换能器件,可分为电动和静电两类。电动传声器是以电磁感应为原理,以在磁场中运动的导体上获得输出电压的传声器,常见的为动圈式传声器。静电传声器是以电场变化为原理的传声器,常见的为电容式传声器。驻极体传声器就是利用驻极材料制作的一种典型的电容式传声器。扬声器俗称喇叭,也是一种发声器件,与蜂鸣器不同的是扬声器可以发出多种音频。扬声器可以播放语音,也可以播放音乐,所以在实际生活中应用相当广泛。蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器,通常采用直流电压供电,广泛应用于计算机、打印机、报警器、电子玩具、电话机等电子产品中做发声器件。蜂鸣器只能发出单一的音频,不论输入蜂鸣器的是交流电压还是直流电压,只要达到蜂鸣器的额定电压,它就会发出声响。即使改变输入的电压或频率,蜂鸣器也只发出一个音频的声音。LS1BUZZERQ21NPN1KR57VCCBEEPBEEP图39报警模块电路图综合比较来看,蜂鸣器虽然功能最简单但完全能满足我们的发声需要,我们既不需要发声,也不需要播放音乐,只需要发出一个音频的声音达到提示作用即可,同时它比另外两种在成本上便宜很多,所以我们选择蜂鸣器作为发声器件。在硬件连接上也十分简单,我们只需要用一个普通I/O控制三极管通断进而达到控制蜂鸣器通断的效果。报警模块是由STM32驱动一个蜂鸣器加上其外围电路构成。NPN作为蜂鸣器的驱动，R57作限流电阻。35无线网卡模块电路设计本科毕业设计第14页共33页在通信领域，按照数据传输的顺序可以分为串行通信通信和并行两种。无线网卡模块与STM32之间使用的便是串行通信。串行通信方式有RS232，RS422和RS485。这里我们使用的串行通信接口是RS232，它是最早发布的接口。电路图如图310所示。它是美国电子工业协会EIA（ELECTRONICINDUSTRYASSOCIATION）制定的一种串行物理接口标准。其中，2脚RXD是串行数据接收引脚，输入引脚；3脚TXD是串行数据发送引脚，输出引脚。在TXD和RXD上逻辑1MARK3V15V；逻辑0SPACE315V,噪声容限为2V。STM32将信号通过无线网卡传输信号给路由，再由路由传输给带有其他网卡的STM32进行信号的解码、存储、显示等，完成信号的无线传输。1234567891110J0DCONNECTOR9TX0RX0RX0TX0图310串口电路图36电源电路设计电源是整个系统正常运行的最基本保障。STM32F103的供电电压范围为2036V。电源模块是电路关键的一部分，是整个系统工作的基础。因此，电源设计过程中需要考虑以下因素1输入电压、电流；2输出的电压、电流和功率；3电磁兼容和电磁干扰等。电源部分电路图如图311所示，由于单片机和串口皆为低功耗器件，其工作电压为33V,我们将来自USB接口的5V电源经过一对大小组合的电容滤波之后送入AMS11733V稳压芯片进行稳压，稳压后的电源同理再经过一对大小组合的电容滤波之后输出平稳的33V电压为系统供电。其中的主要芯片是AMS111733V。AMS111733是正向低压降稳压器，外观如图312所示，它的主要功能是将5V的直流电转换成33V的直流电进行输出，供给主芯片STM32、串口通信电路和其他外围芯片。图中，在33V的电源输出端口，我们通过一个红色LED和一个电阻串接到GND，这样，LED可作为系统电源的指示灯，当系统电源正常的时候，LED发出红光，当因为系统硬件电路出现故障或者外部输入的电压过大致使稳压芯片烧坏时，AMS117的输出端将无电压输出，红色LED熄灭。此时我们就可以通过LED的亮灭状态来一目了然的看出系统电源是否正常。本科毕业设计第15页共33页21JP1POWERC110UFC2C322UFC4DVDD33VR1470RDGNDDS1LED1GND1IN3OUT2OUT4U3AMS111733DGNDI/O11TAP12I/O13I/O24本科毕业设计第16页共33页芯片内部的复DGND12Y110M12Y232768K30PFC630PFC513PFC813PFC7DGNDDGNDC1401UFC1501UFDGNDC1601UFC1701UF本科毕业设计第17页共33页位；在VDD和VBAT两者都掉电的前提下，VDD或VBAT上电将导致备份区域复位。外部复位电路连接到NRST引脚，既可以通过复位按钮产生一个低电平的复位信号，使系统复位；还可以把内部的复位信号输出，用作其他电路部分的复位信号。外部复位电路如图313所示。复位电路采用按键复位，当按键按下后，使复位引脚产生低电平，STM32即可复位。下载电路是JTAG接口。另外在所有的STM32芯片上都有BOOT0和BOOT1两个管教，这两个管教在STM32复位时的电平状态决定了其复位后从哪个区域的程序开始执行。具体见表31。表31STM32三种启动模式BOOT1BOOT1X0从用户闪存启动，这是正常的工作模式。01从系统存储器启动，这种模式启动的程序功能由厂家设置11从内存SRAM启动，这种模式可以用于调试本科毕业设计第18页共33页4病房呼叫系统分机硬件电路设计病房呼叫系统分机由呼叫器、语音模块、电源电路、无线网卡以及STM32最小系统构成。阐明了芯片的选型比较，所选用芯片的内部组成、功能特点，并设计出具体的硬件电路。根据硬件连接和模块的功能要求，提出软件的设计方法并编程。S17SWPBGND1KR60RES1VCCFENJI1K图41呼叫器电路图41呼叫器电路设计呼叫器是由一个独立按键完成呼叫功能，当按键按下，低电平信号传给STM32，再由STM32通过无线传给主机。电路图如图41所示。42语音模块电路设计语音模块电路图如图37、38所示，原理如上。43无线网卡模块电路设计无线网卡模块与分机同样是通过串行接口RS232完成通讯，电路图如图310所示，原理如上。44电源电路设计分机与主机共用一个电源，电路图如图311所示，原理如上。45STM32最小系统电路设计STM32最小系统原理图如图313所示，原理如上。46病房呼叫系统PCB版图设计我们使用ALTIUMDESIGNER来设计病房呼叫系统的PCB板。在PCB设计中，布线的时候有很多原则需要我们注意。比如抗干扰性设计原则、热设计原则、抗震设计原则和可测试性设计原则等。布线的时候将数字地与模拟地通过磁珠隔离，使得系统地整体平稳，另外在布线的过程中还应该注意电容选取与放置、合理分配电源网络、过孔大小位置的排放等，同时还要尽量加宽回路的线宽和缩短关键信号走线长度。下面列举一些通用的设计原则尽量采用45度折现而不采用90度折角，这种布线方式可以减少高频信号对本科毕业设计第19页共33页外的发射与耦合。采用串联一个电阻的方法可以降低控制电路上下沿的跳变速率。石英晶振的外壳一般要接地，石英晶体下面和对噪声特别敏感的元器件下面尽量不要进行走线。闲置的门电路输出端尽量不要悬空，闲置不用的运放正输入端要接地，负输入端接输出端。I/O驱动电路尽量靠近PCB边缘，同时总线、时钟和片选信号等要尽量远离PCB中的I/O电缆。PCB中的任何信号都不要形成环路，如果实在不可避免出现环路，那么要尽量减少相应的环路面积。我们设计PCB时，要尽量遵循以上设计原则。布局布线完成后，我们还要进行PCB的设计检查。检查的工作可以分为以下四个方面布线的检查、孔和焊盘的检查、元器件的检查、PCB的检查。然后我们的PCB就整体完工了。本科毕业设计第20页共33页5病房呼叫系统软件设计病房呼叫系统软件部分采用模块化设计，分为主程序、语音模块、键盘模块、显示模块及无线传输模块。应用C语言编程，在KEILVISION4环境里运行。编程语言的软件设计采用C语言编写相关程序。C语音是最常用的编程语言，我们所能接触到的单片机几乎所有都支持C语言的开发。它有很多的优点语言简单、可移植性好、表达能力强、灵活的表达、可以是结构化编程、生成的代码质量高、可直接操控电脑硬件等。KEILMDK软件是一家德国软件公司为ARM公司目前最新推出的多款嵌入式处理器而研发的开发工具。UVISION4的开发过程如下1）新建一个工程，生成一个新的项目，选择芯片类型并对开发工具进行配置，做好必要的准备。2）编写C语言源代码即工程项目程序。3）对已经写好的源代码进行编译调试并生成目标文件，通过系统仿真查看相应寄存器或者指令的调用情况，对程序进行进一步修改。4）将目标程序通过JLINK仿真器下载到单片机中，同时设置断点，查看硬件在程序执行每一步的效果，验证程序执行的正确性。5）综上所述，为了降低系统的开发和维护的难度，缩短开发周期，本课题选择KEIL编译器为病房呼叫系统软件开发工具。51主程序设计病房呼叫系统程序设计使用的是STM32本身的固件库。系统开始运行后，首先检测电源状态,对STM32、数码管和LED灯屏等进行初始化，一切正常后等待中断的发生,主控制器开始检测是否有呼叫传入，当呼叫出传入后，运行子程序。52语音模块程序设计语音模块采用的VS1053B，它是通过一个串行输入总线来接收它的输入比特流，数据流被解码后会通过数字音量控制器送到一个高精度DAC，其中的解码器是通过一个串行控制总线来控制的。它控制整个系统完成语音录入，存储，发送，接受，播放等功能。首先，激活PCM录音模式，加载PATCH。PCM录音模式是通过设置SPI_MODE位来激活的，激活PCM录音之前，用户应该给SCI_AICTRL0写个SCI_AICTRL0的时钟分频值。采样率是CLKI/256D，其中CLKI是内部时钟，D是SCI_AICTRL0里面的分频值，如果D是0，并2倍频，外部晶振是12288M，那么采样率就是16KHZ，但是如果是线性的PCM,采样率就是采样值。线性录音的增益由SCI_AICTRL1控制，AGC增益的最大值由SCI_AICTRL2控制。然后初始化WAV头，程序中设置的采样率是8KHZ，线性PCM格式是16位，本科毕业设计第21页共33页但是因为录音还没有真正开始，文件的大小和数据的大小都是不能确定的，要等到录音结束才可以知道。读取PCM数据，经过前面几步的处理，这一步就比较简单了，只需要不停的从SCI_HDAT0中读取数据，然后存入WAV文件即可，不过这里我们还需要做文件大小统计，在最后的时候写入WAV头里面。计算整个文件大小，重新保存WAV头并关闭文件。在结束录音的时候，我们必须知道本次录音的大小（数据大小和整个文件大小），然后更新WAV头，重新写入文件，最后因为FATFS，在文件创建之后，必须调用F_CLOSE，文件才会真正体现在文件系统里面，否则是不会写入的所以最后还需要调用F_CLOSE，以保存文件。开机的时候先检测字库，然后初始化VS1053，进行RAM测试和正弦测试，之后，检测SD卡根目录是否存在RECORDER文件夹，如果不存在则创建，如果创建失败，则报错。在找到SD卡的RECORDER文件夹后，即设置VS1053进入录音模式，开始录音，如果有TPAD按下，则开始播放录音。流程图如图51所示。图51录音流程图53显示模块程序设计531数码管显示数码管动态显示程序包括数字的显示、小数点的显示、数码管的闪烁和数码管的消隐等。显示的字符跟数据对应关系如表51所示根据人的视觉暂留现象，一个数码管每秒必须点亮50次以上，才能达到稳定显示数据的目的。检查字库初始化检测RECORDER文件夹创建设置VS1053进入录音模式不存在存在成功报错失败本科毕业设计第22页共33页首先把段码数据通过串行通道送到端口上,然后位选通一个数码管,让这个数码管显示传输的数据,数据一般要保持15MS,然后通过软件关掉全部的数码管,再把下一个数码管的数据通过串行通道送到端口上,选通下一个数码管。当所有的数码管显示一遍后，我们称为一个扫描周期。在程序设计中我们一般采用两种方法直接延时和定时中断扫描。但是为了提高CPU效率,这次我们最好是使用定时中断扫描的方法。即每1MS显示一个数码管这样会达到很好的显示效果表51显示字符跟数据对应关系小数点的显示方式有1）固定式小数点的显示位置不能改变，程序设计较简单。2）特征位式每位二进制数控制一个小数点的亮暗情况，一个字节同时控制8个。3）计数式用数字控制第N位的小数点亮。如5表示第5位小数点亮，其它暗。4）ASCII码式送到显示缓冲区的数是ASCII码数据，在包含“时，相应位的小数点亮。在这里我们使用的是固定式。532LED灯屏显示LED灯屏显示同样也是采用了扫描的方式。先扫描行，在扫描列，一旦检测到高电平，则相应的LED灯就会点亮。54键盘模块程序设计键盘模块的程序首先需要进行初始化，初始化延时函数，初始化LED端口，初始化与按键连接的硬件接口。然后软件对按键去抖，写明每个按键的功能。55无线传输模块程序设计当数据从CPU经过串行端口发送出去时，字节数据转换为串行的位，在接收数据时，串行的位被转换为字节数据。无线网卡与STM32直接就是使用的串口通信。56软件调试系统源程序采用KEILVISION4版本软件仿真器进行软件调试，首先依据各功能模块的功能要求和工作过程画出程序的流程图，然后根据流程图和系统的硬件连接写出详细的C语言程序，在调试时可以一个模块一个模块调试，以减显示的字符0123456789数据00H01H02H03H04H05H06H07H08H09H显示的字符ABCDEFH全亮全暗数据0AH0BH0CH0DH0EH0FH10H11H12H13H本科毕业设计第23页共33页少错误的几率，各个功能模块调试完了，再对整个系统进行调试，一旦有报错信息，可以对功能模块再次仔细检查，直到调试成功为止。本科毕业设计第24页共33页结论基于STM32F103的无线病房呼叫系统采用无线传输信号的功能并用数码管和LED灯屏双重显示病房的呼叫，增大了呼叫的成功率、系统的可靠性和灵活性，其设有语音传输功能，在使用的过程中，可以通过通话更及时的了解病患的情况及需求，使呼叫更具人性化，同时系统的无线发射接收模块电路可以增大系统灵活性，避免临时加床时的不能呼叫的情况发生，是病患得到最好的服务。系统是基于ATSTM32F103单片机设计的，依靠其低功耗、强大的功能和使用方便等优点，使整个系统总体性能更高,其表现出的技术特点如下A利用两个标准的I2S接口实现语音录音和播放功能，使护士或者医生能及时了解病患需求。B系统采用LED灯屏和数码管双重显示的方法，有力的解决了漏听。C利用系统内部时钟设置时间并显示。D通过软件，对语音芯片不录放音时切换到低功耗省电模式，未用时不选中语音芯片的思想大大降低了功耗。本科毕业设计第25页共33页致谢四年的学习生涯即将结束了，很高兴能在最后的整个毕业设计过程中，受到我的指导老师孟志永教授的亲切关怀和悉心指导，孟老师以他高尚的师德、诲人不倦的精神、严谨的教学态度以及对我的谆谆教导，影响着我，激励着我，使我受益匪浅。从课题的选择到项目的最终完成，孟老师都始终给予我细心的指导和大量的修改意见，在此谨向刁老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。在毕业设计完成过程中，和我一个毕业设计组的同学们给了我很大的帮助，与他们进行了许多有益的探讨，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个个困难和疑惑，直至论文的顺利完成，在此表示诚挚的感谢在此，我还要感谢所有教育过我和帮助过我的老师们，你们的悉心教导是我一生中最宝贵的财富。感谢我所有的同学和朋友们，在一起生活和工作学习的美好时光里，你们所给予的真诚鼓励和无私帮助是我终生难忘的最后，我还要感谢培养我长大,含辛茹苦的父母，感谢你们多年来对我的默默付出和背后无私的支持,你们以微薄的收入支持着我的学习,你们的殷切期盼一直是我前进道路上不竭的动力,为了你们,我会更加努力拼搏、进取不辜负你们对我的期望谢谢你们本科毕业设计第26页共33页参考文献1陈新岗，赵阳阳，李泰鑫基于单片机的无线病房呼叫系器J重庆工学院学报，2008,22（10）1261302张华林，林达明无线病房呼叫系统的设计J国外电子元器件，2006,（8）22253王南阳单片优质语音录放集成电路应用手册北京机械工业出版社，200614周美娟，肖来胜单片机技术及系统设计北京清华大学出版社，200785蔡方凯单片机原理及基于单片机的嵌入式系统设计北京中国水利水电出版社，200746杨光祥，梁华，朱军STM32单片机原理与工程实践武汉武汉理工大学出版社，2013037刘军例说STM32北京北京航空航天大学出版社，2011048何立民单片机应用技术选编北京北京航空航天大学出版社，200659周润景ALTIUMDESIGNER原理图与PCB设计北京市电子工业出版社20090610李珩ALTIUMDESIGNER6电路设计实例与技巧北京市国防工业出版社，200811赵俊ARMCORTEXM0从这里开始北京市北京航空航天大学出版社，20120112王永虹，徐伟，郝立平STM32系列ARMCORTEXM3微控制器原理与实践北京市北京航空航天大学出版社，20080713刘国钰单片机原理及应用北京市北京大学出版社，20130314邢吉生嵌入式系统设计及应用北京市北京大学出版社，200110915杨恢先，黄辉先单片机原理及应用北京人民邮电出版社，20061016李念强，张羽，张鲁，王玉泰单片机原理及应用北京机械工业出版社，2007417曹秀英无线局域网安全系统北京市电子工业出版社，200418上海怡鼎信息科技有限公司，倪旭祥，计春雷ARMCORTEXA8嵌入式系统开发与实践WINCE与ANDROID平台北京市中国水利水电出版社，201101本科毕业设计第27页共33页19陈启军嵌入式系统及其应用基于CORTEXM3内核和STM32F103系列微控制器的系统设计与开发上海市同济大学出版社，20110520廖义奎CORTEXM3之STM32嵌入式系统设计北京市中国电力出版社，20120421周惠潮常用电子元件及典型应用北京电子工业出版社，2006522黄惟公，邓成中，王燕单片机原理及应用技术西安西安电子科技大学出版社，2007823GSCHEUNG，JYM，ASZI，DINTELLIGENCEINBUILDINGTHEPROTENTIALOFADVANCEDMODELINGLOVEDAYDLVIRKAUTOMATIONINCONSTURCTION1997，44746124SWANG,ASEKEYANDAGERSHOANOBJECTIVEMEASUREFORPREDICTINGSUBJECTIVEGUALITYOFSPEECHCODERS,IEEEJSELECT,AREASCOMMUN10NO5819829,1992625MICROELECTRONICSANALOGCOMMUNICATIONSHANDBOOKSMITEL,1991本科毕业设计第28页共33页附录A系统源程序主程序INCLUDE“LEDH“INCLUDE“DELAYH“INCLUDE“KEYH“INCLUDE“TPADH“INCLUDE“SYSH“INCLUDE“LCDH“INCLUDE“USARTH“INCLUDE“FLASHH“INCLUDE“SRAMH“INCLUDE“MALLOCH“INCLUDE“STRINGH“INCLUDE“MMC_SDH“INCLUDE“FFH“INCLUDE“EXFUNSH“INCLUDE“FONTUPDH“INCLUDE“TEXTH“INCLUDE“PICLIBH“INCLUDE“STRINGH“INCLUDE“USMARTH“INCLUDE“FATTESTERH“INCLUDE“PICLIBH“INCLUDE“VS10XXH“INCLUDE“MP3PLAYERH“INCLUDE“AUDIOSELH“INCLUDE“RECORDERH“INTMAINVOIDDELAY_INIT/延时函数初始化NVIC_CONFIGURATION/设置NVIC中断分组22位抢占优先级，2位响应优先级UART_INIT9600/串口初始化为9600LED_INIT/LED端口初始化TPAD_INIT/初始化触摸按键LCD_INIT/LCD初始化KEY_INIT/按键初始化AUDIOSEL_INIT/初始化音源选择USMART_DEVINIT72/USMART初始化MEM_INITSRAMIN/初始化内部内存池本科毕业设计第29页共33页VS_INIT录音程序INCLUDE“RECORDERH“INCLUDE“DELAYH“INCLUDE“USARTH“INCLUDE“KEYH“INCLUDE“LEDH“INCLUDE“LCDH“INCLUDE“VS10XXH“INCLUDE“MALLOCH“INCLUDE“FFH“INCLUDE“EXFUNSH“INCLUDE“