基于Multisim的病床呼叫電路仿真設(shè)計與研究*

廖春藍

(廣州番禺職業(yè)技術(shù)學院智能制造學院，廣東 廣州 511400)

0 引言

數(shù)字系統(tǒng)以二值數(shù)字邏輯為基礎(chǔ)，用數(shù)字信號對數(shù)字量進行算術(shù)運算和邏輯運算，數(shù)字系統(tǒng)又被稱為數(shù)字電路。數(shù)字電路集成度高，穩(wěn)定可靠，功能容易實現(xiàn)，應(yīng)用十分廣泛[1]。

自上而下的設(shè)計方法是從系統(tǒng)設(shè)計開始，逐漸向模塊設(shè)計、器件設(shè)計和版圖設(shè)計等物理層次推進。系統(tǒng)設(shè)計是將設(shè)計要求在系統(tǒng)層面對功能和技術(shù)指標進行描述，并將系統(tǒng)劃分成不同功能的子系統(tǒng)，同時確定各子系統(tǒng)之間的接口關(guān)系；模塊設(shè)計是在子系統(tǒng)一級描述電路模塊的功能，將子系統(tǒng)劃分成更細的邏輯模塊；器件設(shè)計是將邏輯模塊的功能采用通用集成電路或者ASIC來實現(xiàn)；版圖設(shè)計則包含ASIC芯片版圖設(shè)計和PCB版圖設(shè)計[2]。

Multisim 是一款功能強大的電子電路仿真軟件，該軟件界面友好、操作方便[3]，不僅提供了龐大的元件數(shù)據(jù)庫和各種虛擬測試儀表，還能夠十分方便地實現(xiàn)原理圖捕獲、電路設(shè)計、電路仿真、射頻分析和單片機等高級應(yīng)用，非常適用于電子電路設(shè)計[4]。

依據(jù)《“健康中國2030”規(guī)劃綱要》，繼續(xù)完善國家基本公共衛(wèi)生服務(wù)項目，充分發(fā)揮科技創(chuàng)新的引領(lǐng)支撐作用，構(gòu)建更加完善的社區(qū)醫(yī)院服務(wù)體系是當務(wù)之急。隨著社區(qū)醫(yī)院的發(fā)展壯大，病床呼叫系統(tǒng)逐漸成為每個社區(qū)醫(yī)院的必備設(shè)備。本文根據(jù)社區(qū)醫(yī)院病床呼叫系統(tǒng)的功能要求，采用自上而下的設(shè)計方法，利用Multisim軟件設(shè)計了病床呼叫系統(tǒng)電路并實現(xiàn)了電路分析、電路仿真和仿真測試等。利用Multisim進行數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計具有開發(fā)周期短、功能強大等優(yōu)點，應(yīng)用前景十分廣闊。

1 病床呼叫電路的系統(tǒng)設(shè)計

病床呼叫系統(tǒng)適用于社區(qū)醫(yī)院的多人病房，可以實現(xiàn)病房內(nèi)多病床的呼叫。本文以三人病房為例，按照自上而下的設(shè)計方法首先進行系統(tǒng)設(shè)計。

三人病房的病床呼叫系統(tǒng)可以實現(xiàn)呼叫顯示提醒功能，假如1號病床的患者按下按鈕，護士站就會顯示對應(yīng)的床號數(shù)字“1”，同時病房指示燈閃爍發(fā)光，蜂鳴器發(fā)出一段時間的鳴叫，提醒醫(yī)生護士關(guān)注。當護士進入病房按下1號床的按鈕后，護士站顯示的床號復(fù)位，指示燈熄滅。該電路的具體邏輯功能如表1所示。

表1 病床呼叫系統(tǒng)的邏輯功能

2 病床呼叫電路的模塊設(shè)計

依據(jù)自上而下的設(shè)計方法，病床呼叫電路分為編碼電路、譯碼電路、數(shù)字顯示電路、多諧振蕩閃燈電路、單穩(wěn)態(tài)聲響電路五個模塊，整個電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 病床呼叫電路框圖

五個模塊負責實現(xiàn)各自的功能：編碼電路模塊實現(xiàn)將患者按下開關(guān)的邏輯信號轉(zhuǎn)化成二進制代碼；譯碼電路模塊實現(xiàn)將二進制代碼轉(zhuǎn)化成十進制數(shù)碼；數(shù)字顯示電路模塊將十進制數(shù)碼顯示出來；多諧振蕩閃燈電路模塊驅(qū)動LED指示燈閃爍；單穩(wěn)態(tài)聲響電路模塊驅(qū)動蜂鳴器鳴叫。

3 病床呼叫電路的器件設(shè)計

圖2為電路原理圖，它展示了整個電路系統(tǒng)具體的器件設(shè)計。其中，編碼電路主要由編碼器74LS148、電阻R1～R4和開關(guān)J1～J3組成。譯碼電路主要包括74LS48和相關(guān)電阻電容。數(shù)字顯示電路主要由共陰極數(shù)顯器和限流電阻組成。多諧振蕩閃燈電路包括由NE555構(gòu)成的多諧振蕩器和LED1組成。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)聲響電路主要包括由NE555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和蜂鳴器組成[5]。此外，在模塊電路之間加入了控制電路，實現(xiàn)按下任何一個按鈕，指示燈都會閃爍，蜂鳴器都會鳴叫；等護士再次按下相應(yīng)按鈕后，數(shù)顯器上的數(shù)字復(fù)位，指示燈熄滅，電路回到初始狀態(tài)。

圖2 病床呼叫電路原理圖

電路中的開關(guān)J1、J2、J3分別是1號、2號、3號病床的按鈕開關(guān)，J4和J5是局部電路控制開關(guān)，分別控制多諧振蕩器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是否工作。U1和U2分別是編碼器和譯碼器。U3是安裝在護士站的顯示器，用于顯示對應(yīng)的病床號數(shù)字。U4是蜂鳴器，U5和U6是NE555定時器，分別構(gòu)成多諧振蕩器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，實現(xiàn)驅(qū)動指示燈閃爍和蜂鳴器鳴叫的功能。

當J1、J2、J3中的任何一個開關(guān)閉合時，編碼器74LS148的D4、D5、D6接收到相應(yīng)的低電平信號，編碼器U1工作，將按下按鈕這一信息轉(zhuǎn)化成二進制代碼傳遞給譯碼器U2，同時，輸出端EO輸出高電平信號傳送給三極管Q1和Q2，兩個三極管導(dǎo)通。譯碼器U2經(jīng)過譯碼后，將二進制代碼轉(zhuǎn)化成十進制數(shù)碼，驅(qū)動數(shù)字顯示器顯示對應(yīng)的“1、2、3”數(shù)字。Q1導(dǎo)通后，多諧振蕩器U5開始自激振蕩，從第3引腳輸出矩形波，驅(qū)動LED1閃爍。Q2導(dǎo)通后，譯碼器U2的D輸入端得到低電平信號，同時，U6的第2引腳得到一個低電平信號，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器被觸發(fā)工作，從U6的第3引腳輸出一段時間的高電平信號，驅(qū)動蜂鳴器鳴叫。通過設(shè)置R11和C5的參數(shù)使得單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的高電平持續(xù)時間tP約為5秒。其計算公式如下：

tP=R11C5ln3≈1.1R11C5=1.1×100 k×47 uF=5.17s.

(1)

式中：tP表示暫態(tài)持續(xù)時間；R11表示電阻R11的阻值；C5表示電容C5的容值。

當護士或者醫(yī)生到病房按下剛剛被按下的按鈕后，U1的輸出端A1、A2、A3均恢復(fù)輸出高電平信號傳送至譯碼器，EO恢復(fù)輸出低電平信號傳送至三極管Q1和Q2，兩個三極管截止，多諧振蕩器停止工作，LED1熄滅。根據(jù)譯碼器的邏輯功能，此時U2的A、B、C、D、E、F、G端全部輸出低電平信號，數(shù)字顯示器U3上的數(shù)字消失。至此，電路恢復(fù)到初始狀態(tài)，等待下一次觸發(fā)。

4 病床呼叫電路的Multisim仿真

器件設(shè)計之后，在產(chǎn)品打版制作之前需要驗證該設(shè)計方案是否可行。本文利用Multisim軟件進行了病床呼叫系統(tǒng)的電路仿真。

為便于觀察，在Q1的基極端A點放置了一個電壓表，用來檢測該點工作電位；在蜂鳴器兩端并聯(lián)了一個示波器XSC1，便于捕捉單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的電壓波形。

閉合開關(guān)J4和J5后開始仿真，沒有患者呼叫，即沒有閉合J1、J2、J3中任何一個開關(guān)時，數(shù)顯器U3上沒有任何數(shù)字顯示，A點電位顯示為23.9 nV，即低電平，示波器輸出波形為一條值為零的直線。如圖3所示，若閉合J1開關(guān)，數(shù)顯器U3顯示病床號數(shù)字“1”，A點電位顯示為3.92 V，即高電平，Q1和Q2導(dǎo)通，紅色指示燈LED1閃爍，示波器輸出如圖4所示的電壓波形，電腦發(fā)出鳴叫的聲音。根據(jù)示波器的參數(shù)設(shè)置，可推算出蜂鳴器鳴叫時間約為5秒。驅(qū)動蜂鳴器發(fā)聲的驅(qū)動電壓約為5 V。斷開J1，數(shù)顯器U3上的數(shù)字“1”消失，A點電位顯示為23.6 nV，電路恢復(fù)初始狀態(tài)。隨后再閉合J2或者J3，電路都能正常工作，實現(xiàn)所有預(yù)期功能。

圖3 病床呼叫電路仿真圖

圖4 示波器顯示的電壓波形圖

至此，電路仿真成功，表明電路設(shè)計合理，方案可行。

5 病床呼叫電路的版圖設(shè)計

本文運用嘉立創(chuàng)公司的EDA繪圖軟件繪制了PCB線路圖并成功打版，圖5所示為病床呼叫電路的版圖。版圖為雙層板，K1、K2、K3分別對應(yīng)J1、J2、J3。為便于安裝引線，開關(guān)K1、K2、K3，電源模塊和指示燈LED都是設(shè)計成插座。

圖5 病床呼叫電路的版圖

在PCB板上焊接完成所有電子元器件后，經(jīng)過調(diào)試，病床呼叫電路能實現(xiàn)病床號顯示、指示燈閃爍和蜂鳴器短時鳴叫等所有功能。

6 小結(jié)

本文積極響應(yīng)國家“健康中國”的號召，通過分解社區(qū)醫(yī)院病床呼叫系統(tǒng)的功能，采用自上而下的設(shè)計方法，進行了病床呼叫電路的系統(tǒng)設(shè)計、模塊設(shè)計、器件設(shè)計和版圖設(shè)計，并利用Multisim進行了電路仿真驗證。利用Multisim仿真工具進行數(shù)字電路設(shè)計，具有很強的實用性和科學性，應(yīng)用前景廣闊。

本文設(shè)計的病床呼叫系統(tǒng)電路已經(jīng)在數(shù)字電子技術(shù)專業(yè)課程教學和省級教學能力比賽項目中應(yīng)用，并取得了良好的教學效果和比賽成績。其設(shè)計方法可以推廣到其它智能電子產(chǎn)品中，具有極大的參考價值。