廖春藍(lán)

(廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)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(hào)對(duì)數(shù)字量進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)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(shí)現(xiàn)，應(yīng)用十分廣泛[1]。

自上而下的設(shè)計(jì)方法是從系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)始，逐漸向模塊設(shè)計(jì)、器件設(shè)計(jì)和版圖設(shè)計(jì)等物理層次推進(jìn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)是將設(shè)計(jì)要求在系統(tǒng)層面對(duì)功能和技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行描述，并將系統(tǒng)劃分成不同功能的子系統(tǒng)，同時(shí)確定各子系統(tǒng)之間的接口關(guān)系；模塊設(shè)計(jì)是在子系統(tǒng)一級(jí)描述電路模塊的功能，將子系統(tǒng)劃分成更細(xì)的邏輯模塊；器件設(shè)計(jì)是將邏輯模塊的功能采用通用集成電路或者ASIC來(lái)實(shí)現(xiàn)；版圖設(shè)計(jì)則包含ASIC芯片版圖設(shè)計(jì)和PCB版圖設(shè)計(jì)[2]。

Multisim 是一款功能強(qiáng)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(kù)和各種虛擬測(cè)試儀表，還能夠十分方便地實(shí)現(xiàn)原理圖捕獲、電路設(shè)計(jì)、電路仿真、射頻分析和單片機(jī)等高級(jí)應(yīng)用，非常適用于電子電路設(shè)計(jì)[4]。

依據(jù)《“健康中國(guó)2030”規(guī)劃綱要》，繼續(xù)完善國(guó)家基本公共衛(wèi)生服務(wù)項(xiàng)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(dāng)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(gè)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(jì)方法，利用Multisim軟件設(shè)計(jì)了病床呼叫系統(tǒng)電路并實(shí)現(xiàn)了電路分析、電路仿真和仿真測(cè)試等。利用Multisim進(jìn)行數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有開(kāi)發(fā)周期短、功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景十分廣闊。

1 病床呼叫電路的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

病床呼叫系統(tǒng)適用于社區(qū)醫(yī)院的多人病房，可以實(shí)現(xiàn)病房?jī)?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(jì)方法首先進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

三人病房的病床呼叫系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)呼叫顯示提醒功能，假如1號(hào)病床的患者按下按鈕，護(hù)士站就會(huì)顯示對(duì)應(yīng)的床號(hào)數(shù)字“1”，同時(shí)病房指示燈閃爍發(fā)光，蜂鳴器發(fā)出一段時(shí)間的鳴叫，提醒醫(yī)生護(hù)士關(guān)注。當(dāng)護(hù)士進(jìn)入病房按下1號(hào)床的按鈕后，護(hù)士站顯示的床號(hào)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(jì)

依據(jù)自上而下的設(shè)計(jì)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(gè)模塊，整個(gè)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(gè)模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)各自的功能：編碼電路模塊實(shí)現(xiàn)將患者按下開(kāi)關(guān)的邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制代碼；譯碼電路模塊實(shí)現(xiàn)將二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)化成十進(jìn)制數(shù)碼；數(shù)字顯示電路模塊將十進(jìn)制數(shù)碼顯示出來(lái)；多諧振蕩閃燈電路模塊驅(qū)動(dòng)LED指示燈閃爍；單穩(wěn)態(tài)聲響電路模塊驅(qū)動(dòng)蜂鳴器鳴叫。

3 病床呼叫電路的器件設(shè)計(jì)

圖2為電路原理圖，它展示了整個(gè)電路系統(tǒng)具體的器件設(shè)計(jì)。其中，編碼電路主要由編碼器74LS148、電阻R1～R4和開(kāi)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(shí)現(xiàn)按下任何一個(gè)按鈕，指示燈都會(huì)閃爍，蜂鳴器都會(huì)鳴叫；等護(hù)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(kāi)關(guān)J1、J2、J3分別是1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)病床的按鈕開(kāi)關(guān)，J4和J5是局部電路控制開(kāi)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(hù)士站的顯示器，用于顯示對(duì)應(yīng)的病床號(hào)數(shù)字。U4是蜂鳴器，U5和U6是NE555定時(shí)器，分別構(gòu)成多諧振蕩器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)指示燈閃爍和蜂鳴器鳴叫的功能。

當(dāng)J1、J2、J3中的任何一個(gè)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，編碼器74LS148的D4、D5、D6接收到相應(yīng)的低電平信號(hào)，編碼器U1工作，將按下按鈕這一信息轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制代碼傳遞給譯碼器U2，同時(shí)，輸出端EO輸出高電平信號(hào)傳送給三極管Q1和Q2，兩個(gè)三極管導(dǎo)通。譯碼器U2經(jīng)過(guò)譯碼后，將二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)化成十進(jìn)制數(shù)碼，驅(qū)動(dòng)數(shù)字顯示器顯示對(duì)應(yīng)的“1、2、3”數(shù)字。Q1導(dǎo)通后，多諧振蕩器U5開(kāi)始自激振蕩，從第3引腳輸出矩形波，驅(qū)動(dòng)LED1閃爍。Q2導(dǎo)通后，譯碼器U2的D輸入端得到低電平信號(hào)，同時(shí)，U6的第2引腳得到一個(gè)低電平信號(hào)，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(shí)間的高電平信號(hào)，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器鳴叫。通過(guò)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(shí)間tP約為5秒。其計(jì)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(shí)間；R11表示電阻R11的阻值；C5表示電容C5的容值。

當(dāng)護(hù)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(hào)傳送至譯碼器，EO恢復(fù)輸出低電平信號(hào)傳送至三極管Q1和Q2，兩個(gè)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(shí)U2的A、B、C、D、E、F、G端全部輸出低電平信號(hào)，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(jì)之后，在產(chǎn)品打版制作之前需要驗(yàn)證該設(shè)計(jì)方案是否可行。本文利用Multisim軟件進(jìn)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(diǎn)放置了一個(gè)電壓表，用來(lái)檢測(cè)該點(diǎn)工作電位；在蜂鳴器兩端并聯(lián)了一個(gè)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(kāi)關(guān)J4和J5后開(kāi)始仿真，沒(méi)有患者呼叫，即沒(méi)有閉合J1、J2、J3中任何一個(gè)開(kāi)關(guān)時(shí)，數(shù)顯器U3上沒(méi)有任何數(shù)字顯示，A點(diǎn)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(kāi)關(guān)，數(shù)顯器U3顯示病床號(hào)數(shù)字“1”，A點(diǎn)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(shí)間約為5秒。驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲的驅(qū)動(dòng)電壓約為5 V。斷開(kāi)J1，數(shù)顯器U3上的數(shù)字“1”消失，A點(diǎn)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(shí)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(jì)合理，方案可行。

5 病床呼叫電路的版圖設(shè)計(jì)

本文運(yùn)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(duì)應(yīng)J1、J2、J3。為便于安裝引線，開(kāi)關(guān)K1、K2、K3，電源模塊和指示燈LED都是設(shè)計(jì)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(guò)調(diào)試，病床呼叫電路能實(shí)現(xiàn)病床號(hào)顯示、指示燈閃爍和蜂鳴器短時(shí)鳴叫等所有功能。

6 小結(jié)

本文積極響應(yīng)國(guó)家“健康中國(guó)”的號(hào)召，通過(guò)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(jì)方法，進(jìn)行了病床呼叫電路的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、模塊設(shè)計(jì)、器件設(shè)計(jì)和版圖設(shè)計(jì)，并利用Multisim進(jìn)行了電路仿真驗(yàn)證。利用Multisim仿真工具進(jìn)行數(shù)字電路設(shè)計(jì)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和科學(xué)性，應(yīng)用前景廣闊。

本文設(shè)計(jì)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(xué)和省級(jí)教學(xué)能力比賽項(xiàng)目中應(yīng)用，并取得了良好的教學(xué)效果和比賽成績(jī)。其設(shè)計(jì)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(jià)值。