1、畢 業 論 文題 目： 基于stm32的病房呼叫系統 33 / 39科技大學畢業設計成績評定表姓 名學 號成 績專 業 電子信息工程題 目 基于STM32的病房呼叫系統指導教師評語與成績 指導教師： 年月日評閱教師評語與成績 評閱教師： 年月日答辯小組評語與成績答辯小組組長： 年月日答辯委員會意見 學院答辯委員會主任： 年月日 注：該表一式兩份，一份歸檔，一份裝入學生畢業設計說明書中。畢業設計說明書中文摘要病房呼叫系統是為了提高醫院的服務質量而提出的，它能使病人與時快捷的進行呼叫，以方便醫院能快速準確的了解病人情況，并能與時施以救助。系統是基于無線網絡開發的、以單片機stm32為核心的醫院無線

2、病房呼叫系統，利用無線網傳輸信號和語音信息，遠程控制部分接收無線網發送來的信號，由stm32對其進行解碼，解碼后由數碼管和燈屏顯示，語音信息由話筒傳出。其重點對STM32的外圍擴展，硬件配置，軟件設計，工作原理，功能以與技術性能進行了論述。系統以單片機作為控制和分析核心，采用語音芯片VS1053B，利用無線傳輸數據和信號，實現病房呼叫系統所有功能。關鍵詞 單片機 無線網絡 語音芯片 病房呼叫系統畢業設計說明書（論文）外文摘要TitleWard Call System Based on STM32AbstractWard call system is to enhance the quality

3、 of services and the proposed hospital.It enables patient have a timely and efficient call,too facilitate quick and accurate understanding the patient's condition, and can impose rescue timely.System is based on a wireless network developed stm32 microcontroller as the core of the wireless hospi

4、tal ward call system devices.Using a wireless network to transmit signal and voice information.Remote control portion receives the radio signal transmitted to the network.By the stm32 decode.After decoding the digital tubes and light screen display, voice message came from the microphone.The focus o

5、n the expansion of STM32 peripherals, hardware configuration, software design, working principle, function and technical performance are discussed.System using microcontroller as the control and analysis core, using voice chip VS1053B and using wireless to translate the data and signals, to achieve

6、all functions of the ward call system.Key WordsSingle-chip Wireless Network Voice chip Ward call system目 錄1 緒論11.1 課題的發展背景11.2課題研究的目的和意義21.3課題研究的容和方法32 系統總體設計方案32.1 病房呼叫系統的總體構成32.2 系統的基本工作過程43 病房呼叫系統主機硬件電路設計53.1 顯示模塊電路設計63.2 鍵盤模塊電路設計93.3 語音模塊電路設計103.4 報警模塊電路設計123.5 無線網卡模塊電路設計133.6 電源電路設計133.7 stm32最

7、小系統電路設計144 病房呼叫系統分機硬件電路設計164.1 呼叫器電路設計174.2 語音模塊電路設計174.3 無線網卡模塊電路設計174.4 電源電路設計174.5 stm32最小系統電路設計174.6 病房呼叫系統PCB版圖設計175 病房呼叫系統軟件設計185.1 主程序設計185.2 語音模塊程序設計185.3 顯示模塊程序設計195.4 鍵盤模塊程序設計205.5 無線傳輸模塊程序設計205.6 軟件調試21結論22致23參考文獻24附錄A 源程序設計261緒論隨著全球老齡化進程的加快，全球生存環境的惡化，以與人類對健康關注的增加，醫療行業正快速膨脹。人們對醫療水平的要求不斷提高

8、，特別是突發情況下病人請求值班醫生或護士進行與時診斷或護理這一環節,對提高醫院的管理服務質量顯得尤其重要。因此通過病房呼叫系統完成向醫生的求助是一種極為方便有效的手段,相關的應用設計正逐步推出。目前病房呼叫系統主要有兩種,一種是有線式,一種是無線式。而在我國，大多數醫院都是采用的傳統的有線式病房呼叫系統。這種設計很難做到隱蔽和美觀，而且安裝與維護都不方便，抗電氣干擾能力也不強。因此我們采用無線wifi來設計病房呼叫系統。1.1課題的發展背景隨著社會的進步和科技的發展，醫療水平的不斷提高，現代醫院護理需要快速、與時的獲知并處理病人的突發病況，實現患者在住院的任何時間都能請求醫生或護士進行診斷和護

9、理。以便醫院病房區的病患在有緊急情況或者有自己不方便處理的事件時呼叫醫生或護士尋求幫助，醫生或護士則通過響鈴與站指示燈獲取求助信息的來源，并與時提供幫助。因此，一種新型的臨床呼叫儀器的研制成為近些年來的研發熱點之一。在以往醫院里，病人遇到突發情況時，由于向醫護人員得不到與時的救助，往往錯過了最佳的治療時間，最后造成小病釀成大病，大病釀成無法醫，最后導致無藥可醫以至于死亡。因此，人們對醫療水平的要求不斷提高，醫院有必要將“智能化”引入醫療建設中。如何更好的滿足患者的要求，提高患者的滿意度，是從事醫療行業的所有管理人員應該思考的問題。醫療水平的提高很大一方面體現在醫院運用多元化信息技術，并達到監護

10、與信息交互的能力，因此實現新型的臨床呼叫系統是實現醫院醫療信息化的基礎和實現最終建設目標的墊腳石。醫院的病房呼叫系統所提供的功能有如下幾項容：呼叫，報警，顯示排隊，優先級設定，存儲記錄，語音通話等。如圖1-1所示，在傳統的病房呼叫系統中，應用最為普與的是有線式病房呼叫系統。但是，隨著科學技術的發展和醫療改革的不斷升入，該方案已經無法滿足越來越多的服務需求。例如，有線設備的位置相對固定，病人只能通過病床床頭的呼叫器來實現呼叫功能，護士也只能通過病房外的液晶顯示屏才能收到病人的呼叫信息，一旦護士離開液晶顯示屏顯示區域就無法與時收到病人的呼叫信息，無法快速響應病房突發事件。特別是醫院出現緊急加床情況

11、時，緊急加床根本無法實現緊急呼叫功能，這將給病患者帶來很大的困擾。由于有線方案采用硬線連接，因此隨著使用時間的增加線路容易發生老化或被腐蝕、磨損的現象，系圖1-1 傳統的呼叫求助系統統故障發生率也會越來越高。并且，傳統的有線病房呼叫系統還有功能升級性差、布線繁瑣、無法移動、成本高等弊端。另一方面,近幾年短距離無線通信技術發展得如火如茶,WiFi、藍牙和ZigBee等技術蜂擁而至,采用無線的解決方案將很輕松的避免上述問題。1.2課題研究的目的和意義病房呼叫系統是一種應用于醫院病房、養老院等地方,用來聯系溝通醫護人員和病員的專用呼叫系統,是提高醫院護理水平的必備設備之一。有了病床呼叫系統，醫院的護

12、理工作才能變得更加方便全面，不再為值班護士或醫生未能與時發現突發病況而煩惱。病房呼叫系統的優劣直接關系到病員的安危,歷來受到各大醫院的普遍重視。它要求與時、準確可靠、簡便可行、利于推廣。同時由于人們生活水平的提高，人們對服務行業的要求也越來越高，尤其是關乎生命的醫療服務業，能可靠的進行日常監護工作，與時發現各種病情并進行搶救和護理，這樣人們便可安心就診，同時也保證了患者的生命安全，這是從事醫療行業的所有管理人員應該思考的問題。另外，使用無線后，醫院可以利用無線網絡傳輸代替傳統的通信設備，可以在同一個網絡里傳輸數據和語音，提供雙向的語音通信。醫護人員可以通過手柄設備接收患者的呼叫，并且直接和病患

13、進行語音通話，更加與時了解病患的需求。因此，無線病房呼叫系統將會成為主流，代替傳統的有線設備，它有著光明的前景。隨著電子通訊技術的飛速發展，單片微機以其具有體積小、價格低、集成度高、性價比高等突出優點己在工業控制、智能儀表、數控機床、數據采集以與各種家用電器等方面得到了廣泛應用。因此利用單片機和一些簡單的外圍器件來開發一種適合于醫院，養老院等重要場所的低價位、運行可靠、使用方便的病房呼叫系統，來監護那些患者或老人已經勢在必行。1.3課題研究的容和方法無線病房呼叫系統設計是為了改善有線病房呼叫系統的不足,提高整機的可靠性和靈活性而開發出的一種實用的呼叫系統，采用Samsung公司的STM32單片

14、機作為核心，開發其外圍電路設計和軟件設計。課題需要研究的容主要有以下幾個方面:a) 根據系統功能要求進行系統的整體方案設計。該方案采用模塊化設計方法，以方便系統的調試和用戶的使用。b) 系統硬件設計。包括芯片的選型、所選芯片的功能、芯片外圍電路的合理設計。主要容有芯片的選擇、鍵盤電路的設計、顯示電路的設計和語音電路的設計、無線網卡電路的設計。c) 系統軟件設計。主要包括系統主程序、動態掃描顯示程序、語音程序、鍵盤掃描程序等。根據課題性質擬實現的功能和所要研究的容，應采取以下研究步驟來實現:系統整體功能分析與可行性研究、劃分功能模塊、各功能模塊的電路原理設計、元器件(芯片)選擇、各功能模塊的軟件

15、調試、系統整體軟件調試，通過反復不斷的調試，使程序調試成功率增大。抗干擾設計應貫穿于整個設計過程之中。另外，在滿足各項性能指標的前提下，不僅要考慮到系統的易用性，還要努力降低成本，在保證可靠性的情況下，盡量提高其靈活性。2系統總體設計方案2.1病房呼叫系統的總體構成病房呼叫系統的開發方案是參照國外相關技術的發展狀況，在前人的基礎上稍加修改，并借鑒現在一些科研機構的最新研究成果，同時根據我國醫院病房監護建設的實際情況，為滿足患者的要求，并充分考慮其經濟性和可靠性，能真正實現智能化呼叫的要求來確定的。根據系統擬達到的總體功能，將其劃分為以下功能模塊:顯示電路（LED燈屏、數碼管）、語音錄放電路（手

16、柄）、鍵盤電路、報警電路、呼叫分機、無線網卡等。系統組成框圖如圖2-1所示。本設計采用主機和從機相分離的模式。從機安裝于各個病房，主機安裝于護士站，多個從機處于等待外部呼叫信號的狀態，主機則時刻處于等待接受從機呼叫信號的狀態，并且從機和主機之間采用無線數據傳輸通信。單元模塊的功能如下:顯示電路a) LED指示燈：顯示stm32運行狀態。B) LED燈屏：每個LED燈一一對應病床號。當呼叫傳入后，stm32驅動相應的LED燈亮。C) 雙面數碼管（走廊）：閑時顯示時間，一旦有呼叫傳入，顯示呼叫病房號，當有多個呼叫傳入，則循環顯示病床號。圖2-1 無線病房呼叫系統組成框圖語音電路使用音頻編解碼器芯片

17、VS1053B，護士通過語音電路了解病患的情況。輸入輸出設備包括鍵盤、報警蜂鳴器、按鈕開關、各類指示燈等。鍵盤用于用戶接聽語音、呼叫的輸入等;通過報警蜂鳴器和各類指示燈的聲、光信號通知醫護人員并進行系統不同工作狀態的指示;按鈕開關用于分機呼叫。呼叫分機的核心器件是單片機，由它來發送呼叫信號并通過無線傳送到主機上，單片機采用的是當今流行的性價比較高的STM32單片機。分機和主機都分別接上一個無線網卡。主機和各個分機通過路由傳輸信息，當有一個分機接入時，其他分機就不能接入，主機與接入的分機傳輸完成，掛斷后，其他分機才能再次接入。2.2系統的基本工作過程系統分為呼叫分機和接收主機。呼叫分機安裝在病床

18、旁，接收主機則安裝在護士站。病人通過分機的呼叫器呼叫醫生，編碼使用stm32完成并通過無線網絡發送給接收主機。主機接收到網線網絡發來的信號，并進行解碼、顯示和報警，LED燈屏直觀的顯示呼叫病床位置，為避免不在護士站的醫護人員與時作出應對措施，走廊的雙面數碼管也會同時顯示呼叫分機的病房號，當沒有呼叫傳入時，數碼管顯示當前時間。若有多個病號同時呼叫，則循環顯示病房的代號，這樣，護士或醫生根據顯示的病床號進行治療和服務。同時病人與護士直接可以語音通話。主機與分機直接通過無線網絡連接。3 病房呼叫系統主機硬件電路設計病房呼叫系統主機電路部分主要包括顯示電路、鍵盤電路、語音電路、報警電路、無線網卡電路幾

19、大部分。由無線網卡電路實現信號的傳輸是主機部分的基本設計思想，信號通過無線網卡傳輸給路由，在經過路由發送給接收分機，大大降低了有線傳輸的局限性，提高了整個系統的可靠性和抗干擾性。基于ARM的數字化病房呼叫系統的主要芯片是stm32f103，以它為核心進行控制終端設備的接收和發送，采用RS232等通訊技術，實現了主機和分機之間的語音和通訊命令的傳輸。STM32介紹：隨著電子技術的發展，特別是隨大規模集成電路產生而出現的微型計算機給人類生活帶來了根本性的改變。如果說微型計算機的出現使現代科學研究得到了質的飛躍，那么可以毫不夸的說，單片機技術的控制系統，數據采集系統，智能化儀器的儀表，辦公自動化等在

20、諸多領域得到極為廣泛的應用，并已走向家庭，從洗衣機，微波爐到音響，汽車，到處都是可以見到單片機的蹤影，因此，單片機技術開發和應用水平已逐步成為一個國家工業發展水平的標志之一。Stm32作為其中有代表性的一種芯片，在各個方面都有很大的優勢。核：ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作頻率72MHz，1.25DMIPS/MHz。存儲器：片上集成32-512KB的Flash存儲器。6-64KB的SRAM存儲器。時鐘、復位和電源管理：2.0-3.6V的電源供電和I/O接口的驅動電壓。POR、PDR和可編程的電壓探測器（PVD）。4-16MHz的晶振。嵌出廠前調校的8MHz RC振蕩電路。部40

21、 kHz的RC振蕩電路。用于CPU時鐘的PLL。帶校準用于RTC的32kHz的晶振。低功耗：3種低功耗模式：休眠，停止，待機模式。為RTC和備份寄存器供電的VBAT。調試模式：串行調試（SWD）和JTAG接口。最多高達112個的快速I/O端口：根據型號的不同，有26，37，51，80，和112的I/O端口，所有的端口都可以映射到16個外部中斷向量。除了模擬輸入，所有的都可以接受5V以的輸入。最多多達11個定時器：4個16位定時器，每個定時器有4個IC/OC/PWM或者脈沖計數器。2個16位的6通道高級控制定時器：最多6個通道可用于PWM輸出。2個看門狗定時器（獨立看門狗和窗口看門狗）。Syst

22、ick定時器：24位倒計數器。2個16位基本定時器用于驅動DAC。最多多達13個通信接口：2個IIC接口（SMBus/PMBus）。5個USART接口（ISO7816接口，LIN，IrDA兼容，調試控制）。3個SPI接口（18 Mbit/s），兩個和IIS復用。CAN接口（2.0B）。USB 2.0全速接口。SDIO接口。STM32還可以從外部存儲器（U盤或MP3播放器）讀取、解碼和輸出音頻信號。以上種種優勢都為我們提供了方便。3.1顯示模塊電路設計顯示電路主要包括LED燈屏以與數碼管顯示電路。LED燈屏直觀顯示病房位置，數碼管則是平時顯示當前時間，一旦有呼叫傳入，立即顯示病房號，當有多個病床

23、呼叫時，循環顯示病床號。3.1.1 LED燈屏圖3-1 LED燈屏LED燈屏如圖3-1所示是由8*8的64個led燈組成的點陣式電路，行、列交叉點對應一只發光二極管。CD4094是帶輸出鎖存和三態控制的串入/并出高速轉換器，具有使用簡單、功耗低、驅動能力強和控制靈活等優點。因此我們采用兩個位移位存儲總線寄存器CD4094實現串入并出，節省I/0口，其中CD1作行信號輸出，CD2作列信號輸出。CD4094引腳圖如圖3-2所示，其中1腳為鎖存端，2腳為串行數據輸入端，3腳為串行時鐘端。1腳為高電平時，8位并行輸出口Q1-Q8在時鐘的上升沿會隨串行輸入而變化；1腳為低電平是，輸出鎖定。利用鎖存端可以

24、方便的進行片選和級聯輸出控制。15腳為并行輸出狀態控制端，低電平時，并行輸出端處在高阻狀態，在用CD4094做顯示輸出時，可以使顯示數碼閃爍。9腳QS，用于級聯，在第九個串行時鐘的上升沿開始輸出。當CD4094電源為5v時，輸出電流就會大于3.2mA，灌電流是1mA。串行時鐘頻率可以達到2.5MHz。圖3-2 CD4093引腳圖3.1.2 數碼管顯示電路圖3-3 LED數碼管筆段與引腳排列單片機的控制系統中最常用的顯示器件之一就是LED數碼管。LED數碼管的筆段與引腳排列如圖3-3所示，其中a-g段是顯示數字或字符的筆畫；dp段顯示小數點，而3腳和8腳連通作為公共端。在一英寸以下的LED數碼管

25、，每一個筆段都有1個LED發光二極管，它的導通壓降為1.2-2.5v。依據LED數碼管各筆段的LED數碼管連接方式，可以將LED數碼管分為共陰和共陽兩大類。在共陰極數碼管中，所有的LED發光二極管的負極連在一起，然而在共陽極數碼管中，則是所有的正極連在一起。因為共陽LED數碼管與OC、OD門驅動器連接方便，以此在單片機控制系統中，多用共陽LED數碼管。圖3-4 數碼管顯示電路圖單片機驅動數碼管顯示的方法有很多種，按顯示方式分為靜態和動態掃描兩種，按譯碼方式可以分為硬件譯碼和軟件譯碼兩種。靜態顯示即數碼管的每個段碼都由單片機的一個I/O口驅動，編程簡單，占用CPU時間少，顯示亮度高，但是占用的I

26、/O口多，增加了硬件電路的復雜性。動態顯示則需要CPU時刻對數碼管就行數據刷新，顯示數據有閃爍感，占用CPU時間多。無論是靜態還是動態顯示方式都各有利弊，靜態顯示方式雖然數據比較穩定，但是每個顯示單元都需要單獨的顯示驅動電路，需要的硬件卻比較多；動態顯示雖然有閃爍感，占用CPU的時間多，但是需要的硬件少，大大節省了硬件電路板空間。因此，我們選用動態掃描方式，其實，只要LED數碼管的刷新頻率大于25Hz，即同一個LED數碼管相鄰兩次點亮時間間隔小于40ms，閃爍現象就不會出現。比較常用的顯示驅動芯片有：CD4094、AMT9595、74LS164等許多種,利用這些芯片實現串入并出擴展輸入口，都是

27、簡單、實用的I/O口擴展方式。在這里我們選擇位移位存儲總線寄存器CD4094。數碼管顯示電路如圖3-4所示。由于數碼管顯示電路占用I/O資源多，程序設計復雜，所以在硬件設計方面，我們應該盡量減少I/O口的占用。因此，我們同樣采用兩個位移位存儲總線寄存器CD4094實現串入并出，來減少I/O口的使用，其中CD1作段選，CD2作位選。軟件方面采用動態掃描的方式顯示當前時間和病床號。電路圖中所有數碼管的A-DP同名端分別連在一起，同時連著CD4094的8個并行輸出口Q1-Q8，其中R0-R7為限流電阻，而每個數碼管顯示器的com端各自獨立的連接另一片CD4094的8個并行輸出口Q1-Q8。3.2 鍵

28、盤模塊電路設計在單片機控制系統中廣泛使用的機械鍵盤工作原理是：利用動片和靜片觸點的接觸和斷開，來實現鍵盤兩引腳的通或斷。如圖3-5所示。圖3-5 按鍵電氣圖形符號圖3-6 鍵盤電路圖為了減少了I/O引腳數目的使用，鍵盤模塊一般采用4*4的矩陣鍵盤，也稱行列式鍵盤。使用這種鍵盤，編程也會更加靈活。電路如圖3-6所示。它是由四條I/O線Y0-Y3作為行線，四條I/O線X0-X3作為列線組成的鍵盤。3.3 語音模塊電路設計為方便醫護人員與時了解病患的情況并作出應對措施，語音通話功能顯得尤為重要。語音模塊主要采用stm32上的I2S音頻協議,I2S是一個3引腳的同步串行接口通訊協議，支持四種音頻標準，

29、包括飛利浦I2S標準，MSB和LSB對齊標準，以與PCM標準，在這里我們使用的PCM標準。在半雙工的通訊中，可以工作在主、從兩種模式下。I2S的功能如下： 單工通信(僅發送或接收) 主或者從操作 8位線性可編程預分頻器，獲得精確的音頻采樣頻率(8KHz到96kHz) 數據格式可以是16位，24位或者32位 音頻信道固定數據包幀為16位(16位數據幀)或32位(16、24或32位數據幀) 可編程的時鐘極性(穩定態) 從發送模式下的下溢標志位和主/從接收模式下的溢出標志位 16位數據寄存器用來發送和接收，在通道兩端各有一個寄存器 支持的I2S協議： I2S飛利浦標準 MSB對齊標準(左對齊) LS

30、B對齊標準(右對齊) PCM標準(16位通道幀上帶長或短幀同步或者16位數據幀擴展為32位通道幀) 數據方向總是MSB在先 發送和接收都具有DMA能力 主時鐘可以輸出到外部音頻設備，比率固定為256xFs(Fs為音頻采樣頻率) 在互聯型產品中，兩個I2S模塊(I2S2和I2S3)有一個專用的PLL(PLL3)，產生更加精準得時鐘 電路原理圖如圖3-7、圖3-8所示，圖3-7為語音采集模塊，因為聲音信號經麥克風傳入時比較微弱，需要經lm358放大后再進入stm32中，最后由stm32中自帶的ADC通過MIC通道將語音信號轉換為數字量。圖3-8為語音播放模塊，采用lm386芯片將還原信號進行功率放

31、大，濾波后由喇叭播放。lm386是低電壓音頻功率放大器，他自身功耗低、電壓增益可以調整、電源電壓的圍大、外接元件少并且總諧波失真小，所以廣泛應用于錄音機和收音機中。引腳圖如圖3-9所示。2腳為反相輸入端，3腳為同相輸入端，5腳為輸出端，6腳、4腳分別是電源和地；1腳和8腳是電壓增益設定端，這里暫時不用。通過查lm386的數據表可知，電源電壓是4-12v，靜態消耗電流時4mA；電壓增益是20-200db，在1腳、8腳開路時，帶寬是300khz，輸入阻抗是50k，音頻功率是0.5w。圖3-7 語音采集模塊電路圖圖3-8 語音播放模塊電路圖圖3-9 lm386引腳圖3.4 報警模塊電路設計病房呼叫系

32、統不僅要將呼叫信息實時的顯示在屏幕上，而且為了方便與時性的需要，同時還要發出報警聲音，提示醫護人員有病患請求幫助。電聲器件是指能將聲音信號轉換為音頻電信號或者將音頻電信號轉換為聲音信號的器件。它是利用電磁感應、靜電感應或壓電效應等來完成電聲轉換的,主要有傳聲器、蜂鳴器和揚聲器等。傳聲器俗稱話筒、麥克風,是一種"聲一電"換能器件,可分為電動和靜電兩類。電動傳聲器是以電磁感應為原理,以在磁場中運動的導體上獲得輸出電壓的傳聲器,常見的為動圈式傳聲器。靜電傳聲器是以電場變化為原理的傳聲器,常見的為電容式傳聲器。駐極體傳聲器就是利用駐極材料制作的一種典型的電容式傳聲器。揚聲器俗稱喇叭

33、,也是一種發聲器件,與蜂鳴器不同的是揚聲器可以發出多種音頻。揚聲器可以播放語音,也可以播放音樂,所以在實際生活中應用相當廣泛。蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響器,通常采用直流電壓供電,廣泛應用于計算機、打印機、報警器、電子玩具、機等電子產品中做發聲器件。蜂鳴器只能發出單一的音頻,不論輸入蜂鳴器的是交流電壓還是直流電壓,只要達到蜂鳴器的額定電壓,它就會發出聲響。即使改變輸入的電壓或頻率,蜂鳴器也只發出一個音頻的聲音。圖3-9 報警模塊電路圖綜合比較來看,蜂鳴器雖然功能最簡單但完全能滿足我們的發聲需要,我們既不需要發聲,也不需要播放音樂,只需要發出一個音頻的聲音達到提示作用即可,同時它比另外兩種在

34、成本上便宜很多,所以我們選擇蜂鳴器作為發聲器件。在硬件連接上也十分簡單,我們只需要用一個普通I/O控制三極管通斷進而達到控制蜂鳴器通斷的效果。報警模塊是由stm32驅動一個蜂鳴器加上其外圍電路構成。NPN作為蜂鳴器的驅動，R57作限流電阻。3.5 無線網卡模塊電路設計在通信領域，按照數據傳輸的順序可以分為串行通信通信和并行兩種。無線網卡模塊與stm32之間使用的便是串行通信。串行通信方式有RS232，RS422和RS485。這里我們使用的串行通信接口是RS232，它是最早發布的接口。電路圖如圖3-10所示。它是美國電子工業協會EIA（Electronic Industry Associatio

35、n）制定的一種串行物理接口標準。其中，2腳RXD是串行數據接收引腳，輸入引腳；3腳TXD是串行數據發送引腳，輸出引腳。在TXD和RXD上：邏輯1(MARK)=-3V-15V；邏輯0(SPACE)=+3+15V,噪聲容限為2V。Stm32將信號通過無線網卡傳輸信號給路由，再由路由傳輸給帶有其他網卡的stm32進行信號的解碼、存儲、顯示等，完成信號的無線傳輸。圖3-10 串口電路圖3.6 電源電路設計電源是整個系統正常運行的最基本保障。STM32F103的供電電壓圍為2036V。電源模塊是電路關鍵的一部分，是整個系統工作的基礎。因此，電源設計過程中需要考慮以下因素：1)輸入電壓、電流；2)輸出的電

36、壓、電流和功率；3)電磁兼容和電磁干擾等。電源部分電路圖如圖3-11所示，由于單片機和串口皆為低功耗器件，其工作電壓為3.3V,我們將來自USB接口的5V電源經過一對大小組合的電容濾波之后送入AMS117-3.3V穩壓芯片進行穩壓，穩壓后的電源同理再經過一對大小組合的電容濾波之后輸出平穩的3.3V電壓為系統供電。其中的主要芯片是AMS1117-3.3v。AMS1117-3.3是正向低壓降穩壓器，外觀如圖3-12所示，它的主要功能是將5v的直流電轉換成3.3v的直流電進行輸出，供給主芯片stm32、串口通信電路和其他外圍芯片。圖中，在3.3V的電源輸出端口，我們通過一個紅色LED和一個電阻串接到

37、GND，這樣，LED可作為系統電源的指示燈，當系統電源正常的時候，LED發出紅光，當因為系統硬件電路出現故障或者外部輸入的電壓過大致使穩壓芯片燒壞時，AMS117的輸出端將無電壓輸出，紅色LED熄滅。此時我們就可以通過LED的亮滅狀態來一目了然的看出系統電源是否正常。圖3-11 電源電路圖圖3-12 AMS117-3.3v外觀圖3.7 stm32最小系統電路設計Stm32最小系統如圖3-13所示，包括晶振模塊，復位電路，下載電路等。晶振電路中的兩個分別是10mhz和32.768khz的晶體振蕩器，其中32.768的晶體振蕩器一般用于時鐘電路，因為通過15次的二分頻就能得到1s的定時周期；10m

38、的晶體振蕩器作為高速外部時鐘信號源，可以為系統提供精確的主時鐘。在OSC_IN引腳和地，OSC_OUT引腳和地之間串聯適當容值的電容，可以保證晶體振蕩器正常的震蕩，以便個哦系統提供穩定的外部時鐘信號。設計硬件時，為了我們應該讓晶體振蕩器和負載電容最接近振蕩器的引腳，用來縮短震蕩的穩定時間，減小輸出失真。晶振系統時鐘有三種選擇，當sw為00時，選擇部時鐘；sw為01時，選擇外部時鐘；sw為10時選擇鎖相環。STM32支持的復位方式有系統復位、電源復位和后備域復位三種。系統復位將復位除時鐘控制寄存器CSR的復位標志和備份區域中的寄存器以外的所有寄存器，復位后數值為默認數值。當下列事件中的任意一件發

39、生時，將產生系統復位：當 NRST 引腳為低電平時產生外部復位；獨立看門狗終止計數產生復位 (IWDG 復位)；窗口看門狗終止計數產生復位 (WWDG復位)；軟件復位(SW 復位)；低功耗管理復位。可通過查看 RCC_CSR 寄存器中的復位狀態標志位來確定復位事件的來源。電源復位將復位除備份區域寄存器外的所有寄存器。當下列事件中任意一件發生時，將產生電源復位：上電/掉電復位(POR/PDR 復位)和欠壓復位(BOR 復位)；退出待機模式。復位源將最終作用于 NRST 引腳，并在延遲階段中保持低電平。芯片部的復圖3-13 stm32最小系統電路圖位信號會在 NRST引腳上輸出，脈沖發生器保證每一

40、個復位源(部或外部)的脈沖寬度至少有 20µs；假如當 NRST 引腳被拉低為低電平產生外部復位時，將產生復位脈沖。備份區域復位將所有的 RTC 寄存器和 RCC_BDCR 寄存器重置為默認值。但是復位不影響BKPSRAM。復位 BKPSRAM 的唯一方法就是通過要求一個從 1 到 0 的防護等級通過 Flash 界面。當下列事件中任意一件發生時，將產生備份區域復位：軟件復位，通過設置備份域控制寄存器(RCC_BDCR)中的 BDRST 位產生復位；在 VDD 和 VBAT 兩者都掉電的前提下，VDD 或 VBAT 上電將導致備份區域復位。外部復位電路連接到 NRST 引腳，既可以通

41、過復位按鈕產生一個低電平的復位信號，使系統復位；還可以把部的復位信號輸出，用作其他電路部分的復位信號。外部復位電路如圖 3-13 所示。復位電路采用按鍵復位，當按鍵按下后，使復位引腳產生低電平，stm32即可復位。下載電路是JTAG接口。另外在所有的STM32芯片上都有BOOT0和BOOT1兩個管教，這兩個管教在STM32復位時的電平狀態決定了其復位后從哪個區域的程序開始執行。具體見表3-1。表3-1 STM32三種啟動模式BOOT1BOOT1X0從用戶閃存啟動，這是正常的工作模式。01從系統存儲器啟動，這種模式啟動的程序功能由廠家設置11從存SRAM啟動，這種模式可以用于調試4 病房呼叫系統

42、分機硬件電路設計病房呼叫系統分機由呼叫器、語音模塊、電源電路、無線網卡以與stm32最小系統構成。闡明了芯片的選型比較，所選用芯片的部組成、功能特點，并設計出具體的硬件電路。根據硬件連接和模塊的功能要求，提出軟件的設計方法并編程。圖4-1 呼叫器電路圖4.1 呼叫器電路設計呼叫器是由一個獨立按鍵完成呼叫功能，當按鍵按下，低電平信號傳給stm32，再由stm32通過無線傳給主機。電路圖如圖4-1所示。4.2 語音模塊電路設計語音模塊電路圖如圖3-7、3-8所示，原理如上。4.3 無線網卡模塊電路設計無線網卡模塊與分機同樣是通過串行接口RS-232完成通訊，電路圖如圖3-10所示，原理如上。4.4

43、 電源電路設計分機與主機共用一個電源，電路圖如圖3-11所示，原理如上。4.5 stm32最小系統電路設計Stm32最小系統原理圖如圖3-13所示，原理如上。4.6 病房呼叫系統PCB版圖設計我們使用altium designer來設計病房呼叫系統的PCB板。在PCB設計中，布線的時候有很多原則需要我們注意。比如：抗干擾性設計原則、熱設計原則、抗震設計原則和可測試性設計原則等。布線的時候將數字地與模擬地通過磁珠隔離，使得系統地整體平穩，另外在布線的過程中還應該注意電容選取與放置、合理分配電源網絡、過孔大小位置的排放等，同時還要盡量加寬回路的線寬和縮短關鍵信號走線長度。下面列舉一些通用的設計原則

44、：盡量采用45度折現而不采用90度折角，這種布線方式可以減少高頻信號對外的發射與耦合。采用串聯一個電阻的方法可以降低控制電路上下沿的跳變速率。石英晶振的外殼一般要接地，石英晶體下面和對噪聲特別敏感的元器件下面盡量不要進行走線。閑置的門電路輸出端盡量不要懸空，閑置不用的運放正輸入端要接地，負輸入端接輸出端。I/O驅動電路盡量靠近PCB邊緣，同時總線、時鐘和片選信號等要盡量遠離PCB中的I/O電纜。PCB中的任何信號都不要形成環路，如果實在不可避免出現環路，那么要盡量減少相應的環路面積。我們設計PCB時，要盡量遵循以上設計原則。布局布線完成后，我們還要進行PCB的設計檢查。檢查的工作可以分為以下四

45、個方面：布線的檢查、孔和焊盤的檢查、元器件的檢查、PCB的檢查。然后我們的PCB就整體完工了。5 病房呼叫系統軟件設計病房呼叫系統軟件部分采用模塊化設計，分為主程序、語音模塊、鍵盤模塊、顯示模塊與無線傳輸模塊。應用C語言編程，在keil Vision4環境里運行。編程語言的軟件設計采用C語言編寫相關程序。C語音是最常用的編程語言，我們所能接觸到的單片機幾乎所有都支持C語言的開發。它有很多的優點：語言簡單、可移植性好、表達能力強、靈活的表達、可以是結構化編程、生成的代碼質量高、可直接操控電腦硬件等。KEIL MDK軟件是一家德國軟件公司為ARM公司目前最新推出的多款嵌入式處理器而研發的開發工具。

46、uVision4的開發過程如下：1） 新建一個工程，生成一個新的項目，選擇芯片類型并對開發工具進行配置，做好必要的準備。2） 編寫C語言源代碼即工程項目程序。3） 對已經寫好的源代碼進行編譯調試并生成目標文件，通過系統仿真查看相應寄存器或者指令的調用情況，對程序進行進一步修改。4） 將目標程序通過J-LINK仿真器下載到單片機中，同時設置斷點，查看硬件在程序執行每一步的效果，驗證程序執行的正確性。5） 綜上所述，為了降低系統的開發和維護的難度，縮短開發周期，本課題選擇keil編譯器為病房呼叫系統軟件開發工具。5.1主程序設計病房呼叫系統程序設計使用的是STM32本身的固件庫。系統開始運行后，首

47、先檢測電源狀態,對STM32、數碼管和LED燈屏等進行初始化，一切正常后等待中斷的發生,主控制器開始檢測是否有呼叫傳入，當呼叫出傳入后，運行子程序。5.2 語音模塊程序設計語音模塊采用的VS1053b，它是通過一個串行輸入總線來接收它的輸入比特流，數據流被解碼后會通過數字音量控制器送到一個高精度DAC，其中的解碼器是通過一個串行控制總線來控制的。它控制整個系統完成語音錄入，存儲，發送，接受，播放等功能。首先，激活PCM錄音模式，加載patch。PCM錄音模式是通過設置SPI_MODE位來激活的，激活PCM錄音之前，用戶應該給SCI_AICTRL0寫個SCI_AICTRL0的時鐘分頻值。采樣率是

48、CLKI/256*d，其中CLKI是部時鐘，d是SCI_AICTRL0里面的分頻值，如果d是0，并2倍頻，外部晶振是12.288m，那么采樣率就是16KHz，但是如果是線性的PCM,采樣率就是采樣值。線性錄音的增益由SCI_AICTRL1控制，AGC增益的最大值由SCI_AICTRL2控制。然后初始化wav頭，程序中設置的采樣率是8khz，線性PCM格式是16位，但是因為錄音還沒有真正開始，文件的大小和數據的大小都是不能確定的，要等到錄音結束才可以知道。讀取PCM數據，經過前面幾步的處理，這一步就比較簡單了，只需要不停的從SCI_HDAT0中讀取數據，然后存入wav文件即可，不過這里我們還需要

49、做文件大小統計，在最后的時候寫入wav頭里面。計算整個文件大小，重新保存wav頭并關閉文件。在結束錄音的時候，我們必須知道本次錄音的大小（數據大小和整個文件大小），然后更新wav頭，重新寫入文件，最后因為FATFS，在文件創建之后，必須調用f_close，文件才會真正體現在文件系統里面，否則是不會寫入的！所以最后還需要調用f_close，以保存文件。開機的時候先檢測字庫，然后初始化VS1053，進行RAM測試和正弦測試，之后，檢測SD卡根目錄是否存在RECORDER文件夾，如果不存在則創建，如果創建失敗，則報錯。在找到SD卡的RECORDER文件夾后，即設置VS1053進入錄音模式，開始錄音，

50、如果有TPAD按下，則開始播放錄音。流程圖如圖5-1所示。檢查字庫初始化不存在檢測RECORDER文件夾創建存在失敗成功報錯設置VS1053進入錄音模式圖5-1 錄音流程圖5.3 顯示模塊程序設計5.3.1 數碼管顯示數碼管動態顯示程序包括數字的顯示、小數點的顯示、數碼管的閃爍和數碼管的消隱等。顯示的字符跟數據對應關系如表5-1所示：根據人的視覺暫留現象，一個數碼管每秒必須點亮50次以上，才能達到穩定顯示數據的目的。首先把段碼數據通過串行通道送到端口上,然后位選通一個數碼管,讓這個數碼管顯示傳輸的數據,數據一般要保持1-5ms,然后通過軟件關掉全部的數碼管,再把下一個數碼管的數據通過串行通道送

51、到端口上,選通下一個數碼管。當所有的數碼管顯示一遍后，我們稱為一個掃描周期。在程序設計中我們一般采用兩種方法：直接延時和定時中斷掃描。但是為了提高CPU效率,這次我們最好是使用定時中斷掃描的方法。即每1ms顯示一個數碼管.這樣會達到很好的顯示效果.表5-1 顯示字符跟數據對應關系顯示的字符0123456789數據00H01H02H03H04H05H06H07H08H09H顯示的字符ABCDEFH全亮全暗-數據0AH0BH0CH0DH0EH0FH10H11H12H13H小數點的顯示方式有：1）固定式：小數點的顯示位置不能改變，程序設計較簡單。2）特征位式：每位二進制數控制一個小數點的亮暗情況，一

52、個字節同時控制8個。3）計數式：用數字控制第N位的小數點亮。如：5表示第5位小數點亮，其它暗。4）ASCII碼式：送到顯示緩沖區的數是ASCII碼數據，在包含“.“時，相應位的小數點亮。在這里我們使用的是固定式。5.3.2 LED燈屏顯示LED燈屏顯示同樣也是采用了掃描的方式。先掃描行，在掃描列，一旦檢測到高電平，則相應的LED燈就會點亮。5.4 鍵盤模塊程序設計鍵盤模塊的程序首先需要進行初始化，初始化延時函數，初始化LED端口，初始化與按鍵連接的硬件接口。然后軟件對按鍵去抖，寫明每個按鍵的功能。5.5 無線傳輸模塊程序設計當數據從CPU經過串行端口發送出去時，字節數據轉換為串行的位，在接收數

53、據時，串行的位被轉換為字節數據。無線網卡與stm32直接就是使用的串口通信。5.6軟件調試系統源程序采用 keil Vision 4版本軟件仿真器進行軟件調試，首先依據各功能模塊的功能要求和工作過程畫出程序的流程圖，然后根據流程圖和系統的硬件連接寫出詳細的C語言程序，在調試時可以一個模塊一個模塊調試，以減少錯誤的幾率，各個功能模塊調試完了，再對整個系統進行調試，一旦有報錯信息，可以對功能模塊再次仔細檢查，直到調試成功為止。結 論基于STM32F103的無線病房呼叫系統采用無線傳輸信號的功能并用數碼管和LED燈屏雙重顯示病房的呼叫，增大了呼叫的成功率、系統的可靠性和靈活性，其設有語音傳輸功能，在使用的過程中，可以通過通話更與時的了解病患的情況與需求，使呼叫更具人性化，同時系統的無線發射接收模塊電路可以增大系統靈活性，避免臨時加床時的不能呼叫的情況發生，是病患得到最好的服務。系統是基于ATSTM32F103單片機設計的，依靠其低功耗、強大的功能和使用方便等優點，使整個系統總體性能更高,其表現出的技術特點如下：a) 利用兩個標準的I2S接口實現語音錄音和播放功能，使護士或者醫生能與時了解病患需求。b) 系統采用LED燈屏和數碼管雙重顯示的方法，有力的解決了漏聽。c) 利用系統