基于Multisim的病床呼叫电路仿真设计与研究*

2021-12-24廖春蓝

山西电子技术 2021年6期

廖春蓝

(广州番禺职业技术学院智能制造学院，广东广州 511400)

0 引言

数字系统以二值数字逻辑为基础，用数字信号对数字量进行算术运算和逻辑运算，数字系统又被称为数字电路。数字电路集成度高，稳定可靠，功能容易实现，应用十分广泛[1]。

自上而下的设计方法是从系统设计开始，逐渐向模块设计、器件设计和版图设计等物理层次推进。系统设计是将设计要求在系统层面对功能和技术指标进行描述，并将系统划分成不同功能的子系统，同时确定各子系统之间的接口关系；模块设计是在子系统一级描述电路模块的功能，将子系统划分成更细的逻辑模块；器件设计是将逻辑模块的功能采用通用集成电路或者ASIC来实现；版图设计则包含ASIC芯片版图设计和PCB版图设计[2]。

Multisim 是一款功能强大的电子电路仿真软件，该软件界面友好、操作方便[3]，不仅提供了庞大的元件数据库和各种虚拟测试仪表，还能够十分方便地实现原理图捕获、电路设计、电路仿真、射频分析和单片机等高级应用，非常适用于电子电路设计[4]。

依据《“健康中国2030”规划纲要》，继续完善国家基本公共卫生服务项目，充分发挥科技创新的引领支撑作用，构建更加完善的社区医院服务体系是当务之急。随着社区医院的发展壮大，病床呼叫系统逐渐成为每个社区医院的必备设备。本文根据社区医院病床呼叫系统的功能要求，采用自上而下的设计方法，利用Multisim软件设计了病床呼叫系统电路并实现了电路分析、电路仿真和仿真测试等。利用Multisim进行数字系统设计具有开发周期短、功能强大等优点，应用前景十分广阔。

1 病床呼叫电路的系统设计

病床呼叫系统适用于社区医院的多人病房，可以实现病房内多病床的呼叫。本文以三人病房为例，按照自上而下的设计方法首先进行系统设计。

三人病房的病床呼叫系统可以实现呼叫显示提醒功能，假如1号病床的患者按下按钮，护士站就会显示对应的床号数字“1”，同时病房指示灯闪烁发光，蜂鸣器发出一段时间的鸣叫，提醒医生护士关注。当护士进入病房按下1号床的按钮后，护士站显示的床号复位，指示灯熄灭。该电路的具体逻辑功能如表1所示。

表1 病床呼叫系统的逻辑功能

2 病床呼叫电路的模块设计

依据自上而下的设计方法，病床呼叫电路分为编码电路、译码电路、数字显示电路、多谐振荡闪灯电路、单稳态声响电路五个模块，整个电路的结构框图如图1所示。

图1 病床呼叫电路框图

五个模块负责实现各自的功能：编码电路模块实现将患者按下开关的逻辑信号转化成二进制代码；译码电路模块实现将二进制代码转化成十进制数码；数字显示电路模块将十进制数码显示出来；多谐振荡闪灯电路模块驱动LED指示灯闪烁；单稳态声响电路模块驱动蜂鸣器鸣叫。

3 病床呼叫电路的器件设计

图2为电路原理图，它展示了整个电路系统具体的器件设计。其中，编码电路主要由编码器74LS148、电阻R1～R4和开关J1～J3组成。译码电路主要包括74LS48和相关电阻电容。数字显示电路主要由共阴极数显器和限流电阻组成。多谐振荡闪灯电路包括由NE555构成的多谐振荡器和LED1组成。单稳态触发声响电路主要包括由NE555构成的单稳态触发器和蜂鸣器组成[5]。此外，在模块电路之间加入了控制电路，实现按下任何一个按钮，指示灯都会闪烁，蜂鸣器都会鸣叫；等护士再次按下相应按钮后，数显器上的数字复位，指示灯熄灭，电路回到初始状态。

图2 病床呼叫电路原理图

电路中的开关J1、J2、J3分别是1号、2号、3号病床的按钮开关，J4和J5是局部电路控制开关，分别控制多谐振荡器和单稳态触发器是否工作。U1和U2分别是编码器和译码器。U3是安装在护士站的显示器，用于显示对应的病床号数字。U4是蜂鸣器，U5和U6是NE555定时器，分别构成多谐振荡器和单稳态触发器，实现驱动指示灯闪烁和蜂鸣器鸣叫的功能。

当J1、J2、J3中的任何一个开关闭合时，编码器74LS148的D4、D5、D6接收到相应的低电平信号，编码器U1工作，将按下按钮这一信息转化成二进制代码传递给译码器U2，同时，输出端EO输出高电平信号传送给三极管Q1和Q2，两个三极管导通。译码器U2经过译码后，将二进制代码转化成十进制数码，驱动数字显示器显示对应的“1、2、3”数字。Q1导通后，多谐振荡器U5开始自激振荡，从第3引脚输出矩形波，驱动LED1闪烁。Q2导通后，译码器U2的D输入端得到低电平信号，同时，U6的第2引脚得到一个低电平信号，单稳态触发器被触发工作，从U6的第3引脚输出一段时间的高电平信号，驱动蜂鸣器鸣叫。通过设置R11和C5的参数使得单稳态触发器输出的高电平持续时间tP约为5秒。其计算公式如下：

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

(1)

式中：tP表示暂态持续时间；R11表示电阻R11的阻值；C5表示电容C5的容值。

当护士或者医生到病房按下刚刚被按下的按钮后，U1的输出端A1、A2、A3均恢复输出高电平信号传送至译码器，EO恢复输出低电平信号传送至三极管Q1和Q2，两个三极管截止，多谐振荡器停止工作，LED1熄灭。根据译码器的逻辑功能，此时U2的A、B、C、D、E、F、G端全部输出低电平信号，数字显示器U3上的数字消失。至此，电路恢复到初始状态，等待下一次触发。

4 病床呼叫电路的Multisim仿真

器件设计之后，在产品打版制作之前需要验证该设计方案是否可行。本文利用Multisim软件进行了病床呼叫系统的电路仿真。

为便于观察，在Q1的基极端A点放置了一个电压表，用来检测该点工作电位；在蜂鸣器两端并联了一个示波器XSC1，便于捕捉单稳态触发器输出的电压波形。

闭合开关J4和J5后开始仿真，没有患者呼叫，即没有闭合J1、J2、J3中任何一个开关时，数显器U3上没有任何数字显示，A点电位显示为23.9 nV，即低电平，示波器输出波形为一条值为零的直线。如图3所示，若闭合J1开关，数显器U3显示病床号数字“1”，A点电位显示为3.92 V，即高电平，Q1和Q2导通，红色指示灯LED1闪烁，示波器输出如图4所示的电压波形，电脑发出鸣叫的声音。根据示波器的参数设置，可推算出蜂鸣器鸣叫时间约为5秒。驱动蜂鸣器发声的驱动电压约为5 V。断开J1，数显器U3上的数字“1”消失，A点电位显示为23.6 nV，电路恢复初始状态。随后再闭合J2或者J3，电路都能正常工作，实现所有预期功能。