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摘要
单片机问世以来，由于其体积小，功能相对强大，非常适合于嵌入式系统的需要，得到了广泛的发展和应用，目前仍然处于高速发展的阶段。在实际的工程应用中，一般均要构成一个单片机系统，从而实现数据的传输与交换，如串行异步通信，几乎所有的单片机在芯片内部都集成了硬件的串行异步通信单元。病房呼叫管理系统，是患者与医护人员进行迅速沟通信息最简捷、高效的途径，将病人的需求信息零延时地传达给医护人员，从而能够使得医护人员在第一时间掌握病人的病情，进而及时采取相应的措施。病房呼叫管理系统可以高效、合理地调度医疗资源，减轻医护人员的劳动强度，提高病患的舒适度，使医院的日常管理工作更加规范统一。进一步的提高医院的医护水平，构建一个智能化、信息化的现代化医院。
本课题源于某医科大学附属医院综合呼叫管理系统的日常运行和维护过程，以及医院的迅速发展及医院基础设施的扩建所需。课题主要对分布式控制系统、开放系统标准化协议、电磁兼容理论进行了系统的研究与分析，选择分布式控制系统及主流的总线式技术进行设计。
本文对呼叫系统的通信方式进行了介绍与分析，包括串行异步通信的原理、电路结构、通信数据格式；串行异步通信在实际工程中的应用；多机通信的实现方式以及这种方式通信协议的具体设计方式；对各种信号电平的抗干扰性能、干扰对物理线路产生的影响，进行了充分的分析和研究。提出了主机对系统子机进行寻址、定位的方法，总结出“双绞线+差分信号的传输方式具有最佳抗干扰性能”的结论；进一步分析了提高抗干扰能力、增强通信距离的工程措施。
在对分布式通信系统深刻研究的基础上，通过充分分析各项功能、指标和要求，设计并完成了一套病房呼叫管理系统的原理样机，包括一台主机和三台子机。通过对呼叫系统中主机对子机群呼叫功能、群通话功能进行了探讨，设计了一套实用化的病房综合呼叫通信系统。
关键词：分布式控制系统；单片机；嵌入式系统；病房呼叫系统
Abstract
Single-chip computer, characterized by the small size and powerful function, isvery suitable for the embedded systems and has being widely developed and widelyapplied. In the actual engineering procedure, a single-chip system is oftenconstructed for the data transmission and exchange.For example, the serialasynchronous communication unit is almost integrated in every single-chip system.The ward call system, by which the need of patients can be passed to medical staffwithout delay so that doctor can take action promptly, is the most simply andefficiently communicating routine. The ward call system can efficiently andreasonably make use of medical resources, lower work intensity of medical staff,improve patients'comfort, and standardized the daily hospital management. Theward call system can improve medical service and prompt the hospital develop ofintelligentization and informatization.
My study is derived from increased pressure from the daily operation andmaintenance procedures of integrated ward call management system in an affiliatedHospital of a medical university. This research analyzed the DCS, standardizedprotocols of the OSI, and EMC theory. Its design is based on distributed controlsystem and the mainstream bus technology.
In this paper, the communication principles of the calling system was analyzed,which included the principles of serial asynchronous communication, circuitstructure, communication data format; the application of serial asynchronouscommunication in the practical engineering; multi-machine communication and itsactual design; the anti-jamming characteristics of the various signals and influenceof interference on physical line. I proposed a method of a host of sub-machineaddressing, and found that twisted pair + differential signal transmission mode hasthe best anti-interference performance. I also further analyzed engineering measuresto improve the anti-interference ability and increase the communication distance.
On the basis of thorough analysis for the distributed communication system, Idesigned a set of prototype of ward call management system, which including a hostand three counter machines. I further studied the topics about pair host machines inthe system call and group call, finally designed a practical ward comprehensive callcommunication system.
Keyword:Distributed control systems, SCM,Embedded Systems,Call system ofsickroom
目录
第1章 绪论
1.1研究背景
本课题源于某医科大学附属医院综合呼叫管理系统的日常运行和维护过程,以及医院的迅速发展及医院基础设施的扩建所需.希望通过本课题的研究可以解决医院现存的一些问题,为医院的发展提供一些帮助.
医院综合呼叫管理系统,是患者与医护人员进行迅速沟通最简捷、高效的途径,将病人的需求信息零延时地传达给医护人员,以便医院的医护人员能够及时的发现病人的情况,同时做出相应的救助措施.可以高效、合理地调度医疗资源,减轻医护人员的劳动强度,提高病患的舒适度,使医院的日常管理工作更加规范、统一、高效、方便.
在日常运行时,要求系统的稳定性高、可靠性强、故障率低.同时长期可靠的系统维护与系统保养也是十分重要的.在日常运行和维护过程中,也产生了对系统功能和指标设计的新的需求,积累了对安装与施工技术有益的经验.
1.2研究的目的及意义
近些年来世界各国开始不断地研究与发展医疗技术,各种新型科技与医疗手段也不断地应用于实际的医疗过程中.计算机、自动操作系统、高速通信等等对医疗领域有着深远的影响.分布式控制技术在病房呼叫管理系统中的应用,为高效、合理地调度医疗资源,提高医院的护理水平,减轻医护人员的劳动强度,提高病人的舒适度,实现医疗单位的科学管理体系,提供了必不可少的技术支持[1].这些技术的应用能够极大地帮助医护人员了解病人的实时病情,同时帮助病人在无人看护的情况下,能够及时的呼救.新技术的应用在提高医疗效率的同时,也减少了很多病人的痛苦.在呼叫管理系统的帮助下,无论是无人陪护的急病患者,还是普通患者,都能得到及时的护理和治疗.
在日常的运行和维护实践的支撑下,对病房呼叫管理系统的使用和维护进行总结,对分布式系统的原理、机制进行深入的研究,对于设计分布式系统以及功能、性能更加优化的呼叫管理系统,具有积极的作用.
本课题将从研究和分析DCS(Distributed Control System)分布式控制系统、OSI(Open System Interconnect)开放系统标准化协议、EMC(Electro MagneticCompatibility)电磁兼容理论入手,结合在病房呼叫管理系统的日常运行、维护、改造过程中的经验和教训,提出并设计具有新型功能特点的病房呼叫综合管理系统,并对安装、施工、使用过程中的EMC 问题提出有益的措施和建议.
1.3国内外研究现状分析
1.3.1DCS系统的历史与现状
DCS分布式控制系统是以微型计算机为系统的节点,网络通信技术为经脉,计算机系统为大脑,所构成的有机的整体;使用计算机来进行大面积节点以及各类实时信息的分析与管理,以实现分散的对象、功能、请求等信息的高度集中化.
DCS系统最早于1975年出现于美国,由于其功能强大、适应性强、灵活多变,迅速地在全世界范围内得到大力发展,广泛应用于制造业、石油、冶金、化工、电力、交通、医疗、安防、金融、行政等各个行业,甚至进入家庭和社区生活中.可以说,分布式系统是无孔不入的.
实际工程实践中已经广泛的应用了分布式系统,该系统在实现网络实时通信的基础上,将自动化控制技术发挥到了极致.世界上著名的DCS系统生产商和产品,主要有美国Honeywell的TDC2000、美国Foxboro的SPECTRUM、西门子公司的Teleperm M系统、ABB公司、日本横河的CEN2TUM系统、Bailey公司的网络90等.
DCS系统的结构具有"系统管理中心-现场操控中心-I/O及信号转换器"三级、分级递变的特点,本系统在实际应用过程中并不会将所有的信息以及操作集中在一部计算机中,是由很多台计算机和自动化仪器等设备组成的.由数据通信总线把各个节点连接起来,各司其职而又互相联络、协调动作,是典型的局域网.在工程应用中的实际控制网主要关注的是该网络的可靠性、安全性和实用性,对于一般的局域网并不需要注重这些方面,只需关注其网络的利用率即可.
DCS系统发展至今也是经历了几个重要阶段,目前世界范围内的DCS系统大致可以概括为以下这些发展过程:
首先是计算机、控制、通信、图形,俗称4C技术的发展,这些技术的研发实现了系统操作管理方式的集成以及系统控制技术的分散[2];
其次是实现了生产过程自动化、办公自动化、实验室自动化、工程自动化;
第三是在DCS系统中集成了最新的现场总线技术,使得管理中心能够采集到生产一线的实时信息,直接将生产现场的设备最为基层信息整合到整个系统当中.该技术的研制成功极大地促进了 DCS 系统的发展,使得该系统在实际工程应用中的范围进一步扩大.
今后DCS系统主要有以下几个发展方向:
综合方向:规模更大的系统的构建,这其中包括不同类型调制器的应用、PLC(Programmable Logic Controller)可编程控制器以及工业用PC等设施的应用,同时随着标准数据通信线路以及通信网络的发展,DCS系统已经逐渐的成为一个高集成度开放的系统;
智能化方向发展:人工智能技术在DCS系统中的实现,这同时也带动着数据库和推理机能的应用;
与PLC相融合与渗透:随着各项技术的不断发展,DCS和PLC已经不再单独承担工程任务,二者将联合起来在充分发挥各自优势的同时,不断地提高系统的智能化[3].
1.3.2病房呼叫通信系统的历史与现状
病房综合呼叫管理系统,是分布式系统应用的一个具体的例子.在传统的病房中,当患者需要帮助时,一般采用按铃、亮灯、有线对讲、直接见面等方法,将信息传达给医护人员.这些方法存在的缺陷和不足是显而易见的.病房呼叫管理系统,是患者与医护人员迅速沟通信息的简捷、高效的途径,将病人的需求信息零延时地传达给医护人员,以便医护人员能够及时的了解每一个病人的实时病情.可以高效、合理地调度医疗资源,减轻医护人员的劳动强度,提高病患的舒适度,使医院的日常管理工作更加规范统一,以便进一步的提高医院的工作效率,同时保证医疗措施的及时实施.是否装备可靠的呼叫管理系统,是衡量一个医疗机构水平高低的基本的条件.
目前大部分的医院所安装呼叫系统还都是一些传统结构,即由纯粹的数字电路组成.这种系统在结构上较为简单,病人可以按下呼叫系统终端按键,通过传输线路传送给医护值班人员,同时将病人具体的床号显示在主机上.这种系统虽然结构简单,能够发挥一定的作用,但是该系统在实际应用过程中出现故障的概率也很高[4].随着技术的进步,早期系统在实践中存在的不足和缺陷,逐步地得到解决和改善.比如:出现了可以对讲的呼叫管理系统,使医患之间可以通过语音进一步地进行沟通、联络.
早期的呼叫管理系统不具备记忆功能,容易造成数据丢失,后期的产品对此进行了改进.现行的呼叫系统主要包括单总线、双总线或者三总线的形式,同时在实际系统中应用的也是载波通信技术、I2C两线式串行总线技术、无线通信技术等[5].现在大部分的医院都是通过单总线技术进行呼叫系统的构建,这种系统在实际工程实施过程中布线较为简单,同时使用过程中的维护较为容易,系统的可靠性高、成本低.无线通信技术,具有易安装和易改变位置、操作方便、便于修理的优点,但信号受环境影响比较大,通信质量不如有线式稳定;更重要的是,无线通信必然要发射一定频率和功率的电磁波,容易干扰医院的其他医疗设备,所以在实际工程中这种技术应用较少,只有在具有较高电磁兼容性的仪器中才能够使用.
1.4研究内容及框架结构
根据对各种呼叫系统和技术方式的前期考察,本课题将选择主流的总线式技术进行研究.采用总线技术的病房综合呼叫管理系统,是由多个计算机/微型计算机系统为节点、通信网络、网络协议等要素所构成的分布式通信控制系统.同时计算机与微型计算机技术、网络与通信技术也在本课题中进行了较为详细的研究与分析.另外,任何先进的呼叫管理系统,都离不开工程安装和维护,良好的电磁兼容性是不可或缺的,有必要对电磁兼容的理论与实践进行较深入的研究.本课题主要研究的内容有:工程布线、面向DCS系统的通信接口技术、电磁干扰与电磁兼容性的分析、呼叫管理系统的样机实验设计.
按照上述的主要研究内容,本论文的各章节安排如下:
第1章主要介绍本课题的研究背景和分布式控制系统的历史与现状、病房呼叫通信系统的历史与现状,指出本论文的研究目的及意义,得出本文研究的重点内容.
第2章主要完成了呼叫通信系统的总体设计及系统的工程布线,分析了嵌入式系统及AVR系列单片机的应用特点.
第3章分析了工程核心技术、串行异步通信原理、多机通信原理以及电磁兼容与干扰,并介绍了串行异步通信的传输电平与距离,最终得出合理的传输方式及传输网络构建方法.
第4章对病房呼叫系统进行设计,包括病房呼叫系统的主要功能、呼叫系统的电路结构与通信过程、主机与子机的电路设计及编程.设计并完成一台原理样机,在样机的基础上,提出了一套可实用化、市场化的病房呼叫系统.
第2章 呼叫系统的总体设计及嵌入式系统
在通用型计算机系统中,CPU与存储器、输入输出设备是分开的,用于较大型的、通用性强的运算与控制系统.为了满足嵌入式系统体积小、专业化、面向小型运算与控制的需要,人们在保留基本的、必要的计算机功能的前提下,把这五个部分有机地分解、裁剪、融合,在一块很小的半导体晶片上集成了基本的、精简的计算机系统就是俗称的单片机[6].单片机技术自20世纪70年代问世以来,由于其体积小,功能强大,非常适合于嵌入式系统的需要,得到了广泛的发展和应用.数字信号处理器也是一种高速发展的嵌入式中央处理器,它的优势也将在不久的将来得以充分的体现[7].
2.1 单片机与嵌入式系统
2.1.1 AVR系列单片机的应用优势
2.1.2 嵌入式系统的优势
2.2 系统总体设计与工程布线
2.3 本章小结
第3章 呼叫系统技术原理及应用分析
3.1 串行异步通信原理
3.2 串行异步通信的实际应用情况
3.2.1 串行异步通信的多种格式
3.2.2 串行异步通信的工程应用
3.3 多机通信原理
3.4 串行通信的传输电平与距离
3.4.1 串行通信的速率和距离及误码率
3.4.2 串行通信总线工作特点分析
3.5 干扰源对导线的影响及双绞线
3.5.1 差分信号与地线
3.5.2 分布式通信系统的网络
3.6 本章小结
第4章 病房呼叫系统的设计
4.1 系统概况
4.1.1 系统的主要功能
4.1.2 确定系统的电路结构与通信过程
4.1.3 主机电路结构设计
4.1.4 子机电路结构设计
4.2 主机的电路图设计
4.2.1 ATMEGA16A的最小系统
4.2.2 按键和指示灯及数码显示器电路
4.2.3 RS485 电平转换电路
4.2.4 调试编程接口与其他
4.3 子机电路图设计
4.4 子机的程序设计与调试
4.4.1 子机相关程序设计
4.4.2 子机串行接口 USART 接收与发送模块
4.5 主机的程序设计与调试
4.5.1 主机程序框架及初始化程序
4.5.2 系统主机的主要模块设计
4.6 开发软件平台及制作PCB电路板
4.6.1 软件平台IAR Embedded Workench for AVR
4.6.2 制作PCB电路板
4.7 实用化的病房呼叫系统的设计
4.7.1 病房呼叫系统的功能和指标
4.7.2 主机与子机的通信及群呼叫功能
4.8 本章小结
结论
随着科学技术的迅猛发展,生活水平的显著提高,医疗环境设施也有了很大的改善.病房呼叫系统是医护工作人员与患者间联系的重要纽带,它的出现使医护人员能够快速响应患者的紧急求助,大大提高了护理工作效率和医疗服务水平,因此病房呼叫系统是现代医疗机构必不可少的通信设备.本文主要介绍了病房呼叫系统的基本结构及功能指标,以及单片计算机的历史,分析了单片机的技术特点与发展方向,并介绍了AVR系列单片机的结构、功能、性能和开发知识,为单片机的应用奠定了基础.论文主要研究内容如下:
(1)分析了串行异步通信的基本原理,对以此为基础的分布式通信系统的基本原理、通信过程、通信协议、关键技术,以及各种信号电平的抗干扰性能、干扰对物理线路产生的影响,进行了透彻的分析和研究,总结出"双绞线+差分信号的传输方式具有最佳抗干扰性能"的结论,并介绍了进一步提高抗干扰能力、增强通信距离的工程措施,为设计高效、优良的、工程化的分布式通信系统打下了坚实的基础.
(2)对分布式通信系统深刻研究的基础上,通过充分分析各项功能、指标和要求,设计并完成了一套病房呼叫管理系统的原理样机,包括一台主机和三台子机.本文详细说明了系统设计的全过程,包括对系统功能要求的分析、系统的总体设计方法、通信协议的制定、主机和子机的器件选择、具体电路的构建,以及主机和子机的总体程序结构、编写思路、各个模块的功能分配与接口关系、程序流程等.经过实验,原理样机达到了预期的功能.在样机的基础上,提出了一套可实用化、市场化的病房呼叫系统,为医院的信息化建设做出相应贡献,但病房呼叫系统研究是一个不断向前发展的课题,随着新的理论和新技术的出现,系统也将更加成熟和完善.
由于本人水平有限,在撰写论文时可能会存在一些问题和不足之处,恳请各位老师、专家给予批评和指正.
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致谢
值此论文完成之际,我首先要深深的感谢我的研究生导师刘宁庆老师,在哈尔滨工业大学三年的研究生学习生涯中给了我很大的帮助,本论文的撰写是在刘老师的精心指导和严格要求下完成的.刘老师严谨的治学态度和一丝不苟的工作态度,让我懂得,做人做事都要踏踏实实从一点一滴做起;刘老师渊博的学识、对研究方向的敏锐洞察力以及认真负责的为师育人的理念,都深深地影响了我的成长,使我终身受益.
感谢所有给我上过课的老师,是他们传授给我基础理论的知识,将我引入通信领域的殿堂,让我在第一年的上课生活中丰富而充实,拓宽自己的知识面,为以后的学习和发展奠定了基础.
其次,感谢一直支持和陪伴我的同学和朋友们.感谢各位同学在学习上和生活上对我的无微不至的帮助,不管什么时候,不论什么方面他们对我的问题都不厌其烦的进行解答.谢谢所有帮助过我的同学,感谢各位任课老师.
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