基于Multisim的病床呼叫電路仿真設計與研究*

廖春藍

(廣州番禺職業技術學院智能制造學院，廣東 廣州 511400)

0 引言

數字系統以二值數字邏輯為基礎，用數字信號對數字量進行算術運算和邏輯運算，數字系統又被稱為數字電路。數字電路集成度高，穩定可靠，功能容易實現，應用十分廣泛[1]。

自上而下的設計方法是從系統設計開始，逐漸向模塊設計、器件設計和版圖設計等物理層次推進。系統設計是將設計要求在系統層面對功能和技術指標進行描述，并將系統劃分成不同功能的子系統，同時確定各子系統之間的接口關系；模塊設計是在子系統一級描述電路模塊的功能，將子系統劃分成更細的邏輯模塊；器件設計是將邏輯模塊的功能采用通用集成電路或者ASIC來實現；版圖設計則包含ASIC芯片版圖設計和PCB版圖設計[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據庫和各種虛擬測試儀表，還能夠十分方便地實現原理圖捕獲、電路設計、電路仿真、射頻分析和單片機等高級應用，非常適用于電子電路設計[4]。

依據《“健康中國2030”規劃綱要》，繼續完善國家基本公共衛生服務項目，充分發揮科技創新的引領支撐作用，構建更加完善的社區醫院服務體系是當務之急。隨著社區醫院的發展壯大，病床呼叫系統逐漸成為每個社區醫院的必備設備。本文根據社區醫院病床呼叫系統的功能要求，采用自上而下的設計方法，利用Multisim軟件設計了病床呼叫系統電路并實現了電路分析、電路仿真和仿真測試等。利用Multisim進行數字系統設計具有開發周期短、功能強大等優點，應用前景十分廣闊。

1 病床呼叫電路的系統設計

病床呼叫系統適用于社區醫院的多人病房，可以實現病房內多病床的呼叫。本文以三人病房為例，按照自上而下的設計方法首先進行系統設計。

三人病房的病床呼叫系統可以實現呼叫顯示提醒功能，假如1號病床的患者按下按鈕，護士站就會顯示對應的床號數字“1”，同時病房指示燈閃爍發光，蜂鳴器發出一段時間的鳴叫，提醒醫生護士關注。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 病床呼叫系統的邏輯功能

2 病床呼叫電路的模塊設計

依據自上而下的設計方法，病床呼叫電路分為編碼電路、譯碼電路、數字顯示電路、多諧振蕩閃燈電路、單穩態聲響電路五個模塊，整個電路的結構框圖如圖1所示。

圖1 病床呼叫電路框圖

五個模塊負責實現各自的功能：編碼電路模塊實現將患者按下開關的邏輯信號轉化成二進制代碼；譯碼電路模塊實現將二進制代碼轉化成十進制數碼；數字顯示電路模塊將十進制數碼顯示出來；多諧振蕩閃燈電路模塊驅動LED指示燈閃爍；單穩態聲響電路模塊驅動蜂鳴器鳴叫。

3 病床呼叫電路的器件設計

圖2為電路原理圖，它展示了整個電路系統具體的器件設計。其中，編碼電路主要由編碼器74LS148、電阻R1～R4和開關J1～J3組成。譯碼電路主要包括74LS48和相關電阻電容。數字顯示電路主要由共陰極數顯器和限流電阻組成。多諧振蕩閃燈電路包括由NE555構成的多諧振蕩器和LED1組成。單穩態觸發聲響電路主要包括由NE555構成的單穩態觸發器和蜂鳴器組成[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按鈕后，數顯器上的數字復位，指示燈熄滅，電路回到初始狀態。

圖2 病床呼叫電路原理圖

電路中的開關J1、J2、J3分別是1號、2號、3號病床的按鈕開關，J4和J5是局部電路控制開關，分別控制多諧振蕩器和單穩態觸發器是否工作。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，用于顯示對應的病床號數字。U4是蜂鳴器，U5和U6是NE555定時器，分別構成多諧振蕩器和單穩態觸發器，實現驅動指示燈閃爍和蜂鳴器鳴叫的功能。

當J1、J2、J3中的任何一個開關閉合時，編碼器74LS148的D4、D5、D6接收到相應的低電平信號，編碼器U1工作，將按下按鈕這一信息轉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Q2，兩個三極管導通。譯碼器U2經過譯碼后，將二進制代碼轉化成十進制數碼，驅動數字顯示器顯示對應的“1、2、3”數字。Q1導通后，多諧振蕩器U5開始自激振蕩，從第3引腳輸出矩形波，驅動LED1閃爍。Q2導通后，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，單穩態觸發器被觸發工作，從U6的第3引腳輸出一段時間的高電平信號，驅動蜂鳴器鳴叫。通過設置R11和C5的參數使得單穩態觸發器輸出的高電平持續時間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表示暫態持續時間；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均恢復輸出高電平信號傳送至譯碼器，EO恢復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，數字顯示器U3上的數字消失。至此，電路恢復到初始狀態，等待下一次觸發。

4 病床呼叫電路的Multisim仿真

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

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；在蜂鳴器兩端并聯了一個示波器XSC1，便于捕捉單穩態觸發器輸出的電壓波形。

閉合開關J4和J5后開始仿真，沒有患者呼叫，即沒有閉合J1、J2、J3中任何一個開關時，數顯器U3上沒有任何數字顯示，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，數顯器U3顯示病床號數字“1”，A點電位顯示為3.92 V，即高電平，Q1和Q2導通，紅色指示燈LED1閃爍，示波器輸出如圖4所示的電壓波形，電腦發出鳴叫的聲音。根據示波器的參數設置，可推算出蜂鳴器鳴叫時間約為5秒。驅動蜂鳴器發聲的驅動電壓約為5 V。斷開J1，數顯器U3上的數字“1”消失，A點電位顯示為23.6 nV，電路恢復初始狀態。隨后再閉合J2或者J3，電路都能正常工作，實現所有預期功能。

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，表明電路設計合理，方案可行。

5 病床呼叫電路的版圖設計

本文運用嘉立創公司的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J1、J2、J3。為便于安裝引線，開關K1、K2、K3，電源模塊和指示燈LED都是設計成插座。

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，經過調試，病床呼叫電路能實現病床號顯示、指示燈閃爍和蜂鳴器短時鳴叫等所有功能。

6 小結

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

本文設計的病床呼叫系統電路已經在數字電子技術專業課程教學和省級教學能力比賽項目中應用，并取得了良好的教學效果和比賽成績。其設計方法可以推廣到其它智能電子產品中，具有極大的參考價值。