針對傳統病房呼叫系統存在的不足，本文設計了一款基于PLC的病房呼叫系統。當病人通過按鍵請求醫護人員幫助時，病房呼叫系統將相關請求信息通過電力載波傳輸給上位機系統，醫護人員根據當前請求信息給予病人相應的幫助。

1、系統總體方案及工作原理

本文根據病房呼叫系統實際功能需求對病房呼叫系統硬件電路進行設計。系統硬件電路主要由電源模塊、電力載波發送模塊、電力載波接收模塊、時鐘模塊、數據顯示模塊、呼叫按鍵模塊、串口模塊和看門狗模塊等組成，其整體硬件電路如圖1所示。

圖１病房呼叫系統硬件結構框圖

文中設計的系統有效解決了傳統病房呼叫系統結構復雜、施工難度大、擴展能力差等問題。當病人需要醫護人員幫助時，病人通過病房呼叫系統將呼叫請求信息傳輸給相應的主治醫生或護士，主治醫生或值班護士接收到請求信息后，通過病房呼叫系統給予相應的應答，從而穩定病人情緒，提高醫療整體服務水平。

2、控制系統的硬件設計

病房呼叫硬件電路主要由以下功能模塊組成，分別為電力載波發送模塊、電力載波接收模塊、電源模塊、串口模塊、人機交互模塊等。

2.1、電源模塊

對于任何一套系統，電源模塊整體穩定性決定了系統整體可靠性和穩定性。由于系統體積限制和實際功能需求，本文設計了一款高性能開關穩壓電源。該電源選用美國POWER公司開發的TOP224Y芯片作為電源主控芯片，其電路如圖2所示。

圖２開關電源設計電路

開關穩壓電源工作原理如下：220V交流電源經過整流橋和濾波電容輸出波動的直流電源，該電源直接輸出給TOP224Y芯片的漏極引腳，TOP224Y芯片導通，電源電壓通過變壓器Q20初級線圈與源極形成回路，Q20次級線圈輸出電源電壓，同時系統利用整流二極管和濾波電容對輸出的電源電壓進行整流濾波處理。為了保證開關電源輸出穩定的電源電壓，本系統采用變壓器次級線圈對輸出的電源電壓進行采樣，當采集電壓大于12V時，光耦發光體導通，TOP224Y芯片關閉漏極引腳，從而降低開關電源輸出的電壓大小。由于變壓器初級線圈具有儲能作用，其在TOP224Y高頻開關過程中容易產生較高的尖峰脈沖，為了保證系統能夠正常T作，系統設計了由電阻R28、電容C32和二極管D36組成的吸收回路對尖峰脈沖進行吸收處理，從而有效避免開關電源因尖峰脈沖造成TOP224Y芯片的損壞。

2.2、電力載波發送模塊

在病房呼叫系統中，病人的請求信息和值班護士之間的數據通信采用電力線進行數據傳輸。當病人通過呼叫請求按鍵進行請求時，單片機將當前病人請求的床位信息和需求信息通過電力線載波發送模塊發送給相應的主治醫生或值班護士。由于電力線主要用于傳輸電能，且醫院存在大量醫療設備，醫院電網具有大量的諧波噪聲。為了保證文中設計的病房呼叫系統能夠正常工作，系統采用推拉驅動電路對電力載波發送模塊進行設計，其電路如圖3所示。相比傳統的單管驅動而言，本文設計的電力載波發送模塊具有數據傳輸距離遠、抗干擾能力強等特點。同時系統采用12V電源對電力載波發送模塊進行驅動，提高了系統數據傳輸的信噪比。

圖３電力載波發送模塊

電力載波發送模塊工作原理如下：當病房呼叫系統需要進行數據傳輸時，Atmega64單片機將需要傳輸的數據信息通過串口發送給BWP08A模塊，BWP08A將接收的數據信息按位通過VO引腳輸出。為了提高電力載波數據傳輸的距離，系統對VO輸出的數據信息進行推拉放大處理，經過放大的數據信息通過電容C14耦合到變壓器T1的初級線圈，并由變壓器次級線圈通過電力線進行數據遠程傳輸。由于醫院電力線中存在較高的諧波噪聲，為了保證系統傳輸數據的穩定性和可靠性，系統選用D10和D11組成的鉗位電路進行保護設計，從而避免外部噪聲造成電力載波發送模塊的損壞，提高了系統整體穩定性。

2.3、電力載波接收模塊

當主治醫生或值班護士接收到病人請求信息后，主治醫生或值班護士需及時通過電力載波進行數據應答，從而穩定病人情緒。由于醫院電能質量較差，且電力線上存在較高的傳輸電阻，嚴重影響了電力載波數據傳輸的質量，針對我國電網特點，本系統設計了如圖4所示的電力載波接收電路。

圖４電力載波接收模塊

圖4中的電容C19、C20和電感L4并聯，諧振T作頻率f=120kHz，根據式（1）可知電容和電感大小。頻率計算公式：

3、軟件設計

3.1、軟件總體架構設計

針對病房呼叫系統軟件功能需求，本系統白行構建了一套多功能狀態機系統，系統軟件程序采用模塊化進行設計，利用定時器對各個功能模塊進行調度處理。同時，系統軟件具有較強的移植性和可擴展性，降低了系統后續維護成本。系統軟件主流程圖如圖5所示。

圖５主程序流程圖

3.2、電力載波發送模塊

當病人觸發呼叫按鍵時，Atmega64單片機將當前床位信息和需求信息存儲到串口發送緩沖區中，啟動串口中斷使能位，由Atmega64單片機通過串口中斷將數據信息傳輸給BWP08A電力載波芯片。BWP08A將接收的數據信息通過電力線傳輸給主治醫生或值班護士。為了保證電力載波傳輸數據的同步性，BWP08A芯片在傳輸信息前，首先發送40bit全為“1”的數據信息，接著BWP08A發送同步幀頭Ox09和OxAF，從而有效保證電力線載波數據傳輸的整體同步性。BWP08A將接收的數據信息按位由VO引腳輸出，每發送一位數據信息后，位計數器減1，當位計數器減為0時，該位數據信息發送完成，同時BWP08A內部計數器減1，當BWP08A接收的數據信息傳輸完成后，BWP08A將當前發送狀態設置為接收狀態，從而保證BWP08A接收數據的準確性，其程序流程圖如圖6所示。

圖６電力載波發送模塊流程圖

3.3、電力載波接收模塊

當主治醫生或值班護士接收到病人請求信息時，主治醫生或值班護士通過病房呼叫系統發送相應的應答信號，從而穩定病人情緒。因此，病房呼叫終端設備需要具有數據接收處理模塊。當病房呼叫系統接收到應答信息時，BWP08A首先利用電力載波接收模塊進行數據接收處理，BWP08A每接收8bit數據信息，BWP08A芯片通過串口傳輸給Atmega64單片機，當BWP08A接收數據完成后，Atmega64會將數據接收完成標志位進行置位處理，并由主程序對接收的數據信息進行解析，并執行相應的動作。電力載波接收軟件程序流程圖如圖7所示。

圖７電力載波接收模塊流程圖

4、實驗結果及對比分析

為了驗證文中設計的病房呼叫系統，本課題依據上述論述搭建了基于電力載波的病房呼叫系統，系統電路如圖8所示。

圖８電力載波病房呼叫系統實物圖

由于醫院非線性電子設備較多，其會產生較高的諧波噪聲，為了驗證病房呼叫系統整體穩定性，系統對發送模塊進行了測試。載波數據耦合前波形和耦合后波形如圖9和圖10所示。從圖中可知，文中涉及的載波發送模塊各項性能滿足系統功能需求。

圖9電力載波發送耦合前

圖10電力載波發送耦合后

為了保證系統能夠準確接收應答數據信息，需對電力載波接收模塊進行了測試，以保證病房呼叫系統在較高的諧波噪聲環境下能夠準確接收應答數據信息。其接收端口波形圖如圖11和圖12所示。

圖11電力載波接收波形

圖12電力載波接收處理波形

為了驗證病房呼叫系統整體性能，本課題將設計的病房呼叫系統投入到大型醫院，并分別在無負載和有負載的情況下對病房呼叫系統進行測試，其實驗結果如表1和表2所示。實驗結果表明，本課題設計的病房呼叫系統在沒有負載的情況下能夠有效傳輸1400m左右：當醫院啟動所有大型用電設備時，病房呼叫系統有效傳輸距離可以達到1100m左右。通過對實驗結果的分析可知，文中設計的病房呼叫系統滿足醫院的各項功能需求。

表1無負載測量結果分析

表2電力線外界大功率負載測量結果分析

5、結論

本文根據醫院各項功能需求設計了病房呼叫系統整體架構，并依據系統整體架構設計了病房呼叫系統硬件電路和軟件程序。由于系統采用電力載波進行遠程數據傳輸，系統只需要將病房呼叫系統掛接到醫院電力線上即可實現遠程數據通信。該系統能夠有效解決傳統病房呼叫系統分機容量低、擴展能力差、施工難度大、成本高等問題。該系統并非完美，但系統安裝簡單、操作便捷、易于擴展，具有更高的使用價值和推廣價值。