基于Multisim的病床呼叫电路仿真设计与研究*

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。

图3 病床呼叫电路仿真图

图4 示波器显示的电压波形图

至此，电路仿真成功，表明电路设计合理，方案可行。

5 病床呼叫电路的版图设计

本文运用嘉立创公司的EDA绘图软件绘制了PCB线路图并成功打版，图5所示为病床呼叫电路的版图。版图为双层板，K1、K2、K3分别对应J1、J2、J3。为便于安装引线，开关K1、K2、K3，电源模块和指示灯LED都是设计成插座。

图5 病床呼叫电路的版图

在PCB板上焊接完成所有电子元器件后，经过调试，病床呼叫电路能实现病床号显示、指示灯闪烁和蜂鸣器短时鸣叫等所有功能。

6 小结

本文积极响应国家“健康中国”的号召，通过分解社区医院病床呼叫系统的功能，采用自上而下的设计方法，进行了病床呼叫电路的系统设计、模块设计、器件设计和版图设计，并利用Multisim进行了电路仿真验证。利用Multisim仿真工具进行数字电路设计，具有很强的实用性和科学性，应用前景广阔。

本文设计的病床呼叫系统电路已经在数字电子技术专业课程教学和省级教学能力比赛项目中应用，并取得了良好的教学效果和比赛成绩。其设计方法可以推广到其它智能电子产品中，具有极大的参考价值。