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分布式控制系統在醫院呼叫中的的開發與應用

添加時間:2020/05/18 來源:哈爾濱工業大學 作者:胡玉民
醫院綜合呼叫管理系統,是患者與醫護人員進行迅速溝通最簡捷、高效的途徑,將病人的需求信息零延時地傳達給醫護人員,以便醫院的醫護人員能夠及時的發現病人的情況,同時做出相應的救助措施.
以下為本篇論文正文:

  摘要

  單片機問世以來,由于其體積小,功能相對強大,非常適合于嵌入式系統的需要,得到了廣泛的發展和應用,目前仍然處于高速發展的階段。在實際的工程應用中,一般均要構成一個單片機系統,從而實現數據的傳輸與交換,如串行異步通信,幾乎所有的單片機在芯片內部都集成了硬件的串行異步通信單元。病房呼叫管理系統,是患者與醫護人員進行迅速溝通信息最簡捷、高效的途徑,將病人的需求信息零延時地傳達給醫護人員,從而能夠使得醫護人員在第一時間掌握病人的病情,進而及時采取相應的措施。病房呼叫管理系統可以高效、合理地調度醫療資源,減輕醫護人員的勞動強度,提高病患的舒適度,使醫院的日常管理工作更加規范統一。進一步的提高醫院的醫護水平,構建一個智能化、信息化的現代化醫院。

  本課題源于某醫科大學附屬醫院綜合呼叫管理系統的日常運行和維護過程,以及醫院的迅速發展及醫院基礎設施的擴建所需。課題主要對分布式控制系統、開放系統標準化協議、電磁兼容理論進行了系統的研究與分析,選擇分布式控制系統及主流的總線式技術進行設計。

  本文對呼叫系統的通信方式進行了介紹與分析,包括串行異步通信的原理、電路結構、通信數據格式;串行異步通信在實際工程中的應用;多機通信的實現方式以及這種方式通信協議的具體設計方式;對各種信號電平的抗干擾性能、干擾對物理線路產生的影響,進行了充分的分析和研究。提出了主機對系統子機進行尋址、定位的方法,總結出“雙絞線+差分信號的傳輸方式具有最佳抗干擾性能”的結論;進一步分析了提高抗干擾能力、增強通信距離的工程措施。

  在對分布式通信系統深刻研究的基礎上,通過充分分析各項功能、指標和要求,設計并完成了一套病房呼叫管理系統的原理樣機,包括一臺主機和三臺子機。通過對呼叫系統中主機對子機群呼叫功能、群通話功能進行了探討,設計了一套實用化的病房綜合呼叫通信系統。

  關鍵詞:分布式控制系統;單片機;嵌入式系統;病房呼叫系統

  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

  目錄

  第1章 緒論

  1.1研究背景

  本課題源于某醫科大學附屬醫院綜合呼叫管理系統的日常運行和維護過程,以及醫院的迅速發展及醫院基礎設施的擴建所需.希望通過本課題的研究可以解決醫院現存的一些問題,為醫院的發展提供一些幫助.

  醫院綜合呼叫管理系統,是患者與醫護人員進行迅速溝通最簡捷、高效的途徑,將病人的需求信息零延時地傳達給醫護人員,以便醫院的醫護人員能夠及時的發現病人的情況,同時做出相應的救助措施.可以高效、合理地調度醫療資源,減輕醫護人員的勞動強度,提高病患的舒適度,使醫院的日常管理工作更加規范、統一、高效、方便.

  在日常運行時,要求系統的穩定性高、可靠性強、故障率低.同時長期可靠的系統維護與系統保養也是十分重要的.在日常運行和維護過程中,也產生了對系統功能和指標設計的新的需求,積累了對安裝與施工技術有益的經驗.

  1.2研究的目的及意義

  近些年來世界各國開始不斷地研究與發展醫療技術,各種新型科技與醫療手段也不斷地應用于實際的醫療過程中.計算機、自動操作系統、高速通信等等對醫療領域有著深遠的影響.分布式控制技術在病房呼叫管理系統中的應用,為高效、合理地調度醫療資源,提高醫院的護理水平,減輕醫護人員的勞動強度,提高病人的舒適度,實現醫療單位的科學管理體系,提供了必不可少的技術支持[1].這些技術的應用能夠極大地幫助醫護人員了解病人的實時病情,同時幫助病人在無人看護的情況下,能夠及時的呼救.新技術的應用在提高醫療效率的同時,也減少了很多病人的痛苦.在呼叫管理系統的幫助下,無論是無人陪護的急病患者,還是普通患者,都能得到及時的護理和治療.

  在日常的運行和維護實踐的支撐下,對病房呼叫管理系統的使用和維護進行總結,對分布式系統的原理、機制進行深入的研究,對于設計分布式系統以及功能、性能更加優化的呼叫管理系統,具有積極的作用.

  本課題將從研究和分析DCS(Distributed Control System)分布式控制系統、OSI(Open System Interconnect)開放系統標準化協議、EMC(Electro MagneticCompatibility)電磁兼容理論入手,結合在病房呼叫管理系統的日常運行、維護、改造過程中的經驗和教訓,提出并設計具有新型功能特點的病房呼叫綜合管理系統,并對安裝、施工、使用過程中的EMC 問題提出有益的措施和建議.

  1.3國內外研究現狀分析

  1.3.1DCS系統的歷史與現狀

  DCS分布式控制系統是以微型計算機為系統的節點,網絡通信技術為經脈,計算機系統為大腦,所構成的有機的整體;使用計算機來進行大面積節點以及各類實時信息的分析與管理,以實現分散的對象、功能、請求等信息的高度集中化.

  DCS系統最早于1975年出現于美國,由于其功能強大、適應性強、靈活多變,迅速地在全世界范圍內得到大力發展,廣泛應用于制造業、石油、冶金、化工、電力、交通、醫療、安防、金融、行政等各個行業,甚至進入家庭和社區生活中.可以說,分布式系統是無孔不入的.

  實際工程實踐中已經廣泛的應用了分布式系統,該系統在實現網絡實時通信的基礎上,將自動化控制技術發揮到了極致.世界上著名的DCS系統生產商和產品,主要有美國Honeywell的TDC2000、美國Foxboro的SPECTRUM、西門子公司的Teleperm M系統、ABB公司、日本橫河的CEN2TUM系統、Bailey公司的網絡90等.

  DCS系統的結構具有"系統管理中心-現場操控中心-I/O及信號轉換器"三級、分級遞變的特點,本系統在實際應用過程中并不會將所有的信息以及操作集中在一部計算機中,是由很多臺計算機和自動化儀器等設備組成的.由數據通信總線把各個節點連接起來,各司其職而又互相聯絡、協調動作,是典型的局域網.在工程應用中的實際控制網主要關注的是該網絡的可靠性、安全性和實用性,對于一般的局域網并不需要注重這些方面,只需關注其網絡的利用率即可.

  DCS系統發展至今也是經歷了幾個重要階段,目前世界范圍內的DCS系統大致可以概括為以下這些發展過程:

  首先是計算機、控制、通信、圖形,俗稱4C技術的發展,這些技術的研發實現了系統操作管理方式的集成以及系統控制技術的分散[2];

  其次是實現了生產過程自動化、辦公自動化、實驗室自動化、工程自動化;

  第三是在DCS系統中集成了最新的現場總線技術,使得管理中心能夠采集到生產一線的實時信息,直接將生產現場的設備最為基層信息整合到整個系統當中.該技術的研制成功極大地促進了 DCS 系統的發展,使得該系統在實際工程應用中的范圍進一步擴大.

  今后DCS系統主要有以下幾個發展方向:

  綜合方向:規模更大的系統的構建,這其中包括不同類型調制器的應用、PLC(Programmable  Logic  Controller)可編程控制器以及工業用PC等設施的應用,同時隨著標準數據通信線路以及通信網絡的發展,DCS系統已經逐漸的成為一個高集成度開放的系統;

  智能化方向發展:人工智能技術在DCS系統中的實現,這同時也帶動著數據庫和推理機能的應用;

  與PLC相融合與滲透:隨著各項技術的不斷發展,DCS和PLC已經不再單獨承擔工程任務,二者將聯合起來在充分發揮各自優勢的同時,不斷地提高系統的智能化[3].

  1.3.2病房呼叫通信系統的歷史與現狀

  病房綜合呼叫管理系統,是分布式系統應用的一個具體的例子.在傳統的病房中,當患者需要幫助時,一般采用按鈴、亮燈、有線對講、直接見面等方法,將信息傳達給醫護人員.這些方法存在的缺陷和不足是顯而易見的.病房呼叫管理系統,是患者與醫護人員迅速溝通信息的簡捷、高效的途徑,將病人的需求信息零延時地傳達給醫護人員,以便醫護人員能夠及時的了解每一個病人的實時病情.可以高效、合理地調度醫療資源,減輕醫護人員的勞動強度,提高病患的舒適度,使醫院的日常管理工作更加規范統一,以便進一步的提高醫院的工作效率,同時保證醫療措施的及時實施.是否裝備可靠的呼叫管理系統,是衡量一個醫療機構水平高低的基本的條件.

  目前大部分的醫院所安裝呼叫系統還都是一些傳統結構,即由純粹的數字電路組成.這種系統在結構上較為簡單,病人可以按下呼叫系統終端按鍵,通過傳輸線路傳送給醫護值班人員,同時將病人具體的床號顯示在主機上.這種系統雖然結構簡單,能夠發揮一定的作用,但是該系統在實際應用過程中出現故障的概率也很高[4].隨著技術的進步,早期系統在實踐中存在的不足和缺陷,逐步地得到解決和改善.比如:出現了可以對講的呼叫管理系統,使醫患之間可以通過語音進一步地進行溝通、聯絡.

  早期的呼叫管理系統不具備記憶功能,容易造成數據丟失,后期的產品對此進行了改進.現行的呼叫系統主要包括單總線、雙總線或者三總線的形式,同時在實際系統中應用的也是載波通信技術、I2C兩線式串行總線技術、無線通信技術等[5].現在大部分的醫院都是通過單總線技術進行呼叫系統的構建,這種系統在實際工程實施過程中布線較為簡單,同時使用過程中的維護較為容易,系統的可靠性高、成本低.無線通信技術,具有易安裝和易改變位置、操作方便、便于修理的優點,但信號受環境影響比較大,通信質量不如有線式穩定;更重要的是,無線通信必然要發射一定頻率和功率的電磁波,容易干擾醫院的其他醫療設備,所以在實際工程中這種技術應用較少,只有在具有較高電磁兼容性的儀器中才能夠使用.

  1.4研究內容及框架結構

  根據對各種呼叫系統和技術方式的前期考察,本課題將選擇主流的總線式技術進行研究.采用總線技術的病房綜合呼叫管理系統,是由多個計算機/微型計算機系統為節點、通信網絡、網絡協議等要素所構成的分布式通信控制系統.同時計算機與微型計算機技術、網絡與通信技術也在本課題中進行了較為詳細的研究與分析.另外,任何先進的呼叫管理系統,都離不開工程安裝和維護,良好的電磁兼容性是不可或缺的,有必要對電磁兼容的理論與實踐進行較深入的研究.本課題主要研究的內容有:工程布線、面向DCS系統的通信接口技術、電磁干擾與電磁兼容性的分析、呼叫管理系統的樣機實驗設計.

  按照上述的主要研究內容,本論文的各章節安排如下:

  第1章主要介紹本課題的研究背景和分布式控制系統的歷史與現狀、病房呼叫通信系統的歷史與現狀,指出本論文的研究目的及意義,得出本文研究的重點內容.

  第2章主要完成了呼叫通信系統的總體設計及系統的工程布線,分析了嵌入式系統及AVR系列單片機的應用特點.

  第3章分析了工程核心技術、串行異步通信原理、多機通信原理以及電磁兼容與干擾,并介紹了串行異步通信的傳輸電平與距離,最終得出合理的傳輸方式及傳輸網絡構建方法.

  第4章對病房呼叫系統進行設計,包括病房呼叫系統的主要功能、呼叫系統的電路結構與通信過程、主機與子機的電路設計及編程.設計并完成一臺原理樣機,在樣機的基礎上,提出了一套可實用化、市場化的病房呼叫系統.

  第2章 呼叫系統的總體設計及嵌入式系統

  在通用型計算機系統中,CPU與存儲器、輸入輸出設備是分開的,用于較大型的、通用性強的運算與控制系統.為了滿足嵌入式系統體積小、專業化、面向小型運算與控制的需要,人們在保留基本的、必要的計算機功能的前提下,把這五個部分有機地分解、裁剪、融合,在一塊很小的半導體晶片上集成了基本的、精簡的計算機系統就是俗稱的單片機[6].單片機技術自20世紀70年代問世以來,由于其體積小,功能強大,非常適合于嵌入式系統的需要,得到了廣泛的發展和應用.數字信號處理器也是一種高速發展的嵌入式中央處理器,它的優勢也將在不久的將來得以充分的體現[7].












  2.1 單片機與嵌入式系統

  2.1.1 AVR系列單片機的應用優勢

  2.1.2 嵌入式系統的優勢

  2.2 系統總體設計與工程布線

  2.3 本章小結

  第3章 呼叫系統技術原理及應用分析

  3.1 串行異步通信原理

  3.2 串行異步通信的實際應用情況

  3.2.1 串行異步通信的多種格式

  3.2.2 串行異步通信的工程應用

  3.3 多機通信原理

  3.4 串行通信的傳輸電平與距離

  3.4.1 串行通信的速率和距離及誤碼率

  3.4.2 串行通信總線工作特點分析

  3.5 干擾源對導線的影響及雙絞線

  3.5.1 差分信號與地線

  3.5.2 分布式通信系統的網絡

  3.6 本章小結

  第4章 病房呼叫系統的設計

  4.1 系統概況

  4.1.1 系統的主要功能

  4.1.2 確定系統的電路結構與通信過程

  4.1.3 主機電路結構設計

  4.1.4 子機電路結構設計

  4.2 主機的電路圖設計

  4.2.1 ATMEGA16A的最小系統

  4.2.2 按鍵和指示燈及數碼顯示器電路

  4.2.3 RS485 電平轉換電路

  4.2.4 調試編程接口與其他

  4.3 子機電路圖設計

  4.4 子機的程序設計與調試

  4.4.1 子機相關程序設計

  4.4.2 子機串行接口 USART 接收與發送模塊

  4.5 主機的程序設計與調試

  4.5.1 主機程序框架及初始化程序

  4.5.2 系統主機的主要模塊設計

  4.6 開發軟件平臺及制作PCB電路板

  4.6.1 軟件平臺IAR Embedded Workench for AVR

  4.6.2 制作PCB電路板

  4.7 實用化的病房呼叫系統的設計

  4.7.1 病房呼叫系統的功能和指標

  4.7.2 主機與子機的通信及群呼叫功能

  4.8 本章小結

  結論

  隨著科學技術的迅猛發展,生活水平的顯著提高,醫療環境設施也有了很大的改善.病房呼叫系統是醫護工作人員與患者間聯系的重要紐帶,它的出現使醫護人員能夠快速響應患者的緊急求助,大大提高了護理工作效率和醫療服務水平,因此病房呼叫系統是現代醫療機構必不可少的通信設備.本文主要介紹了病房呼叫系統的基本結構及功能指標,以及單片計算機的歷史,分析了單片機的技術特點與發展方向,并介紹了AVR系列單片機的結構、功能、性能和開發知識,為單片機的應用奠定了基礎.論文主要研究內容如下:

  (1)分析了串行異步通信的基本原理,對以此為基礎的分布式通信系統的基本原理、通信過程、通信協議、關鍵技術,以及各種信號電平的抗干擾性能、干擾對物理線路產生的影響,進行了透徹的分析和研究,總結出"雙絞線+差分信號的傳輸方式具有最佳抗干擾性能"的結論,并介紹了進一步提高抗干擾能力、增強通信距離的工程措施,為設計高效、優良的、工程化的分布式通信系統打下了堅實的基礎.

  (2)對分布式通信系統深刻研究的基礎上,通過充分分析各項功能、指標和要求,設計并完成了一套病房呼叫管理系統的原理樣機,包括一臺主機和三臺子機.本文詳細說明了系統設計的全過程,包括對系統功能要求的分析、系統的總體設計方法、通信協議的制定、主機和子機的器件選擇、具體電路的構建,以及主機和子機的總體程序結構、編寫思路、各個模塊的功能分配與接口關系、程序流程等.經過實驗,原理樣機達到了預期的功能.在樣機的基礎上,提出了一套可實用化、市場化的病房呼叫系統,為醫院的信息化建設做出相應貢獻,但病房呼叫系統研究是一個不斷向前發展的課題,隨著新的理論和新技術的出現,系統也將更加成熟和完善.

  由于本人水平有限,在撰寫論文時可能會存在一些問題和不足之處,懇請各位老師、專家給予批評和指正.

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  致謝

  值此論文完成之際,我首先要深深的感謝我的研究生導師劉寧慶老師,在哈爾濱工業大學三年的研究生學習生涯中給了我很大的幫助,本論文的撰寫是在劉老師的精心指導和嚴格要求下完成的.劉老師嚴謹的治學態度和一絲不茍的工作態度,讓我懂得,做人做事都要踏踏實實從一點一滴做起;劉老師淵博的學識、對研究方向的敏銳洞察力以及認真負責的為師育人的理念,都深深地影響了我的成長,使我終身受益.

  感謝所有給我上過課的老師,是他們傳授給我基礎理論的知識,將我引入通信領域的殿堂,讓我在第一年的上課生活中豐富而充實,拓寬自己的知識面,為以后的學習和發展奠定了基礎.

  其次,感謝一直支持和陪伴我的同學和朋友們.感謝各位同學在學習上和生活上對我的無微不至的幫助,不管什么時候,不論什么方面他們對我的問題都不厭其煩的進行解答.謝謝所有幫助過我的同學,感謝各位任課老師.

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