數(shù)字電路設(shè)計(jì)實(shí)例

1、7.7 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例*本章前面介紹的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是一種由頂向下的方法，其過(guò)程大致分為三步： （1）系統(tǒng)調(diào)研，確定初步方案； （2）模塊劃分，確定詳細(xì)方案； （3）選用模塊，完成具體設(shè)計(jì)。 下面通過(guò)保險(xiǎn)箱數(shù)字鎖控制電路的設(shè)計(jì)實(shí)例，進(jìn)一步體驗(yàn)小型數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和過(guò)程，并取得實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。 7.7.1初步方案承接一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)的課題后，一方面要對(duì)課題的任務(wù)、要求、原理、使用環(huán)境作詳細(xì)的分析，另一方面也應(yīng)調(diào)研相類似的課題目前有哪些解決方法及其優(yōu)缺點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上確定初步方案。 1.基本要求和設(shè)計(jì)環(huán)境分析對(duì)一只保險(xiǎn)箱而言，基本要求是：a.安全性，開(kāi)鎖的密碼被破譯的可能性要盡可能小；b.操作方便，開(kāi)鎖

2、的程序不能過(guò)于復(fù)雜；c.密碼可以更換，遇到不正常情況應(yīng)及時(shí)啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)；d.使用者在撥錯(cuò)號(hào)碼時(shí)可將原撥號(hào)予以清除并重?fù)堋?系統(tǒng)基本操作流程圖如下所示：2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的幾個(gè)具體問(wèn)題研究輸入問(wèn)題 開(kāi)始、建立等控制信號(hào)可用按鍵開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)，門把手轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生開(kāi)門信號(hào)OPEN，可也用一OPEN鍵代替。密碼輸入采用10個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)，不同的數(shù)碼采用不同的鍵，如同電話機(jī)的按鍵。輸出問(wèn)題 數(shù)字鎖的輸出有兩種情況：a.開(kāi)門信號(hào)，當(dāng)撥號(hào)正確又按動(dòng)OPEN按鍵后，應(yīng)發(fā)出信號(hào)，打開(kāi)數(shù)字鎖。此時(shí)可用一只綠色信號(hào)燈LO標(biāo)示開(kāi)門狀態(tài)。b.當(dāng)密碼或開(kāi)鎖程序不對(duì)時(shí)，按動(dòng)OPEN鍵將發(fā)出報(bào)警信號(hào)。報(bào)警信號(hào)可用一種單頻率的方波震蕩，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器

3、發(fā)聲，還可以用紅色信號(hào)燈LA表示。以上開(kāi)門信號(hào)、報(bào)警信號(hào)一旦出現(xiàn)，就一直保持下去，直到使用者或保安人員按動(dòng)SETUP為止。預(yù)置數(shù)問(wèn)題 預(yù)置數(shù)就是設(shè)置系統(tǒng)的密碼，宜每隔一段時(shí)間更換一次，因此應(yīng)有置數(shù)裝置。每次置入三位十進(jìn)制數(shù)的方法有多種。為分析方便，現(xiàn)采用的方法是安排12個(gè)輸入端，每個(gè)輸入端通過(guò)一只雙列直插式組件開(kāi)關(guān)、將其輸入切至Ucc或GND。綜合上述討論，確定保險(xiǎn)箱密碼鎖的基本方案如下： （1）采用3位十進(jìn)制數(shù)密碼，密碼用DIP開(kāi)關(guān)確定，必要時(shí)可以更換。 （2）系統(tǒng)通電后須關(guān)上門，且按動(dòng)SETUP鍵后方投入運(yùn)行。運(yùn)行時(shí)標(biāo)志開(kāi)門的燈或警報(bào)燈和警鈴皆不工作，系統(tǒng)處于安鎖狀態(tài)。 （3）開(kāi)鎖過(guò)程如下

4、：按START鍵啟動(dòng)開(kāi)鎖程序，此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)各部分應(yīng)處于初始狀態(tài)；依次鍵入3個(gè)十進(jìn)制數(shù)碼按開(kāi)門鍵OPEN。 （4）開(kāi)鎖處理事務(wù)完畢后，應(yīng)將門關(guān)上，按SETUP鍵，使系統(tǒng)重新進(jìn)入安鎖狀態(tài)。若在報(bào)警狀態(tài)，按SETUP鍵或START鍵應(yīng)不起作用，需另用一內(nèi)部ISET鍵才能使系統(tǒng)進(jìn)入安鎖狀態(tài)，此ISET鍵應(yīng)放在保安人員值班室。 （5）使用者如按錯(cuò)密碼，可在按OPEN鍵以前按START鍵，重新啟動(dòng)開(kāi)鎖程序。 （6）號(hào)碼0一9，START，SETUP，OPEN均用按鍵產(chǎn)生。 根據(jù)上述考慮，可以畫(huà)出系統(tǒng)的粗略框圖如圖7.34（b）所示，它說(shuō)明了整個(gè)系統(tǒng)的外部輸入和輸出情況。 加上圖7.34（a）描述系統(tǒng)行為的流

5、程圖，就勾畫(huà)了這一系統(tǒng)的總體邏輯功能。 圖7.34（c）中畫(huà)出了數(shù)字鎖簡(jiǎn)單的工作波形圖，對(duì)輸入、輸出信號(hào)的時(shí)序做了進(jìn)一步描述。 7.7.2詳細(xì)方案由頂向下設(shè)計(jì)的主要方法是將系統(tǒng)劃分為控制器和被控電路兩部分，而被控電路又采用各種模塊實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在的任務(wù)就是根據(jù)上一步確定的系統(tǒng)功能，決定使用哪些模塊（抽象的模塊，不涉及具體器件），確定這些模塊與控制器之間的關(guān)系，即控制器向模塊發(fā)出什么控制信號(hào)，而模塊向控制器反饋哪些信號(hào)。 1、被控部分電路模塊的設(shè)計(jì) 圖7.33是數(shù)字鎖的詳細(xì)方案框圖。除了控制器，其余部分均稱為被控電路。由于上一步已確定密碼輸入采用鍵盤，其中0一9等十個(gè)數(shù)字送入系統(tǒng)應(yīng)首先經(jīng)過(guò)10：4線編

6、碼器編成BCD碼，并與原存儲(chǔ)于系統(tǒng)中的密碼相比較，故需要一個(gè)4bit的數(shù)碼比較器，比較結(jié)果DeP反饋給控制器。這兩個(gè)模塊都是組合邏輯電路。 由于密碼是串行輸入，每次分別與一個(gè)預(yù)置碼比較，而3個(gè)十進(jìn)制預(yù)置碼分別由12個(gè)輸入端輸入，故采用3選1的數(shù)據(jù)選擇器MUX來(lái)選擇，其位置碼用一個(gè)計(jì)數(shù)器控制?？刂破飨蛴?jì)數(shù)器提供復(fù)位信號(hào)RESET-C和時(shí)鐘信號(hào)CNP。計(jì)數(shù)器為模4計(jì)數(shù)器（0，1，2，3四個(gè)狀態(tài)），每鍵入一個(gè)碼，控制器向計(jì)數(shù)器提供一個(gè)時(shí)鐘脈沖CNP，使計(jì)數(shù)器狀態(tài)加1。當(dāng)計(jì)數(shù)器狀態(tài)為3時(shí)，說(shuō)明已送入3個(gè)密碼，此時(shí)計(jì)數(shù)器應(yīng)向控制器反饋信號(hào)Ce3，告訴控制器應(yīng)進(jìn)入待啟狀態(tài)或預(yù)警狀態(tài)。START，OPEN等

7、信號(hào)可直接送往控制器，控制其狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。但這些信號(hào)由按鍵產(chǎn)生，其產(chǎn)生時(shí)刻和持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短是隨機(jī)的，且存在開(kāi)關(guān)簧片引起的電平抖動(dòng)現(xiàn)象，因此必須在每個(gè)開(kāi)關(guān)后面安排一個(gè)消抖和同步化的模塊，以保證每按一次鍵只形成一個(gè)寬度等于系統(tǒng)周期的脈沖?？刂破髟谙到y(tǒng)每收到一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)向計(jì)數(shù)器發(fā)出一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。當(dāng)系統(tǒng)在按OPEN鍵以前收到第4個(gè)時(shí)鐘信號(hào)時(shí)應(yīng)轉(zhuǎn)入預(yù)警狀態(tài)，等待OPEN信號(hào)到達(dá)后報(bào)警。因此每鍵入一個(gè)數(shù)碼，應(yīng)向控制器送入一個(gè)脈沖DATA，此信號(hào)也應(yīng)同步化，即形成寬度只占一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期的脈沖。 系統(tǒng)的一個(gè)輸出是開(kāi)門指示燈LO（綠），其工作用一個(gè)RS觸發(fā)器控制。控制器向它提供置位信號(hào)SLO，在按SETUP鍵時(shí)向它

8、提供復(fù)位信號(hào)RESET-L。至于驅(qū)動(dòng)開(kāi)門繼電器的電路，此處不再討論。 系統(tǒng)的另一個(gè)輸出是報(bào)警信號(hào)。因?yàn)槭褂脝晤l信號(hào)鳴叫和用紅燈LA顯示，因此也只要一個(gè)RS觸發(fā)器控制LA的輝亮，并連接500Hz振蕩器與揚(yáng)聲器的開(kāi)關(guān)?？刂破飨騌S觸發(fā)器提供置位信號(hào)SLA和復(fù)位信號(hào)RESET-L。 2、控制器的算法設(shè)計(jì) 圖7.34（a）表示控制器的算法狀態(tài)流程圖（ASM圖），它清楚地表明了數(shù)字鎖控制器的流程，或者說(shuō)確定了控制器的算法。算法中應(yīng)包含如下?tīng)顟B(tài)： 待鎖狀態(tài) 系統(tǒng)處于開(kāi)門、報(bào)警或上電后的狀態(tài)。此時(shí)數(shù)字鎖尚未"鎖好"，還未進(jìn)入正常運(yùn)行，因此系統(tǒng)將不接收SETUP（或ISET）外的任何輸入信

9、號(hào)。當(dāng)鍵入SETUP后，系統(tǒng)將進(jìn)入安鎖狀態(tài)，且將開(kāi)門標(biāo)志燈LO或報(bào)警燈LA熄滅，警報(bào)器聲音切斷，因而需要輸出RESET-L信號(hào)。待鎖狀態(tài)的行為可以用圖7.34(a)中最上面由矩形、菱形、平行四邊形三框組成的算法狀態(tài)單元表示。其中矩形框代表該算法狀態(tài)；菱形框代表分支條件-SETUP=1時(shí)進(jìn)入第2狀態(tài)，SETUP=0則維持原狀態(tài)；平行四邊形框代表?xiàng)l件輸出，即當(dāng)SETUP=1時(shí)，輸出RESET-L信號(hào)。至于EN信號(hào)，是用來(lái)控制DATA，OPEN信號(hào)輸入的，在本狀態(tài)皆應(yīng)無(wú)效且與條件SETUP無(wú)關(guān)，是一種無(wú)條件輸出，因而標(biāo)在算法狀態(tài)框旁邊，并用箭頭表示無(wú)效。 安鎖狀態(tài) 系統(tǒng)的第2狀態(tài)是在按下SETUP鍵

10、以后數(shù)字鎖已"鎖好"，系統(tǒng)正常運(yùn)行，等待執(zhí)行開(kāi)鎖程序，故稱為安鎖狀態(tài)。當(dāng)START信號(hào)到來(lái)時(shí)，將轉(zhuǎn)入第3狀態(tài)，開(kāi)鎖程序開(kāi)始執(zhí)行，此時(shí)應(yīng)將計(jì)數(shù)器復(fù)零，故在第2算法狀態(tài)單元中有一條件輸出框，輸出計(jì)數(shù)器清零信號(hào)RESET-C。撥號(hào)狀態(tài) 第3狀態(tài)是送入密碼的狀態(tài)。進(jìn)入此狀態(tài)時(shí)EN信號(hào)有效，允許密碼信號(hào)OPEN信號(hào)鍵入，故在狀態(tài)框旁邊標(biāo)有EN。該狀態(tài)每收到一個(gè)信號(hào)應(yīng)先判斷是DATA信號(hào)還是OPEN信號(hào)。如是OPEN信號(hào)，則不符合開(kāi)鎖程序，應(yīng)立刻報(bào)警，即發(fā)出SLA信號(hào)，并使?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)入報(bào)警狀態(tài)；若是DATA信號(hào)，則應(yīng)向計(jì)數(shù)器發(fā)出計(jì)數(shù)信號(hào)CNP，令計(jì)數(shù)器加1，選出對(duì)應(yīng)的預(yù)置密碼與輸入數(shù)據(jù)碼比

11、較，然后根據(jù)比較器輸出DeP來(lái)判斷：若DeP=0，意味著號(hào)碼不對(duì)，應(yīng)轉(zhuǎn)入預(yù)警狀態(tài)，否則檢查計(jì)數(shù)器狀態(tài)是否已達(dá)3，若Ce3有效，表示已接收到3個(gè)正確數(shù)碼，可轉(zhuǎn)入下一狀態(tài)（待啟狀態(tài)），否則返回本狀態(tài)，繼續(xù)接收其他數(shù)碼。在轉(zhuǎn)移到狀態(tài)5或4以前，如果收到START信號(hào)，控制器發(fā)出RESET-C信號(hào)，使計(jì)數(shù)器清零，則前面收到的密碼無(wú)效，重新進(jìn)行撥號(hào)操作。 待啟狀態(tài) 第4狀態(tài)是待啟狀態(tài)。若有信號(hào)鍵入，應(yīng)先判斷它是數(shù)據(jù)信號(hào)還是OPEN信號(hào)。若是OPEN，則發(fā)出SLO信號(hào)，點(diǎn)亮綠燈LO，啟動(dòng)開(kāi)門繼電器；若是數(shù)據(jù)信號(hào)，則進(jìn)入報(bào)警狀態(tài)。在接受信號(hào)以前如果按START鍵，則系統(tǒng)將發(fā)出RESET-C信號(hào)，并回到撥號(hào)狀

12、態(tài)。 預(yù)警狀態(tài) 第5狀態(tài)是預(yù)警狀態(tài)，此時(shí)若按START鍵，系統(tǒng)發(fā)出RESET-C信號(hào)后回到狀態(tài)3。輸入其他數(shù)據(jù)，狀態(tài)不變化。若輸入OPEN信號(hào)，則發(fā)出報(bào)警信號(hào)進(jìn)入狀態(tài)6。 報(bào)警狀態(tài) 此狀態(tài)紅燈LA亮；警報(bào)器鳴叫，須按ISET鍵方回到安鎖狀態(tài)。 圖7.34（a）與圖7.33配合，清楚地描述了系統(tǒng)的功能。初步方案中作出的描述時(shí)間關(guān)系的波形圖，進(jìn)一步擴(kuò)展為圖7.34（b）所示的詳細(xì)波形圖。 7.7.3具體電路設(shè)計(jì)下面的任務(wù)是設(shè)計(jì)具體電路。對(duì)于被控部分的模塊，由于需要實(shí)現(xiàn)的功能已經(jīng)明確，只需尋找合適的器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，而控制電路，則要專門設(shè)計(jì)。1.被控部分電路設(shè)計(jì) 圖7.35示出受控部分模塊的具體電路設(shè)計(jì)，

13、它們基于Lattice系統(tǒng)宏的設(shè)計(jì)。 輸入電路 SETUP，START，ISET，OPEN輸入各需一個(gè)同步化電路。每個(gè)同步化電路采用兩個(gè)二輸入或門（NOR2）、兩個(gè)D觸發(fā)器（FD21）和一個(gè)二輸入與門（AND2）組成，見(jiàn)圖7.35（a）所示。 0一9十個(gè)按鍵送入的是數(shù)據(jù)信號(hào)而不是控制信號(hào)，只需要消抖而不需要同步化，因此每個(gè)輸入只需兩個(gè)NOR2就夠了。 編碼比較電路 編碼器應(yīng)是10：4線的BCD編碼器，這里采用PREN10E。比較器則采用等值比較器CMP4，只需要比較二數(shù)是否相等，不需要知道誰(shuí)大誰(shuí)小。其電路見(jiàn)圖7.35（a）所示。 計(jì)數(shù)選擇電路 數(shù)據(jù)選擇器采用MUX44（四個(gè)4選1MUX），其位

14、置碼受計(jì)數(shù)器控制。計(jì)數(shù)器則選用CBU12，其時(shí)鐘和清零信號(hào)取自控制器的輸出CNP和RESET-C。這部分電路見(jiàn)圖7.35(c)所示。 輸出報(bào)警電路 標(biāo)志燈LO或LA皆使用RS觸發(fā)器，故選用LSR1，控制器提供的置數(shù)和復(fù)位信號(hào)都是低電平有效。兩個(gè)觸發(fā)器的輸出控制驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)兩個(gè)標(biāo)志燈。 報(bào)警裝置是一只揚(yáng)聲器，受500Hz振蕩信號(hào)驅(qū)動(dòng)，振蕩信號(hào)用555定時(shí)器產(chǎn)生。其復(fù)位輸入端受觸發(fā)器輸出SLA控制：當(dāng)SLA為0時(shí)，555定時(shí)器不振蕩；當(dāng)SLA為1時(shí)，555定時(shí)器振蕩，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲，見(jiàn)圖7.35（d）所示。 2、控制器電路設(shè)計(jì) 控制器是系統(tǒng)的最核心部分，它在系統(tǒng)中只有一個(gè)。對(duì)控制器的設(shè)計(jì)常常不是

15、考慮如何使電路最簡(jiǎn)，而是考慮使邏輯關(guān)系清楚，便于修改。 控制器是一個(gè)時(shí)序邏輯電路，設(shè)計(jì)的依據(jù)是圖7.34（a）所示的ASM圖。 ASM圖的判別框（菱形）用分支條件表達(dá)。待鎖狀態(tài)根據(jù)SETUP的值有兩個(gè)分支，即用SETUP和SETUP表示分支的條件。 如果在一個(gè)單元內(nèi)有多個(gè)判別框的情況下，對(duì)分支條件應(yīng)按下面規(guī)則處理： 當(dāng)從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)向另一個(gè)狀態(tài)時(shí)，若經(jīng)過(guò)的判別框串聯(lián)，則將這些框在這個(gè)方向上的條件相乘；而若經(jīng)過(guò)的判別框并聯(lián)，則將這個(gè)方向的判別條件相加。 無(wú)條件輸出標(biāo)注于狀態(tài)旁邊，箭頭上表示進(jìn)入本狀態(tài)有效，箭頭下表示進(jìn)入本狀態(tài)無(wú)效，箭頭上下表示只在本狀態(tài)有效。 對(duì)條件輸出，也應(yīng)當(dāng)標(biāo)注在狀態(tài)旁邊，其格

16、式是 輸出名（有效性）s=狀態(tài)·條件 根據(jù)圖7.34所示的ASM圖，可進(jìn)行硬聯(lián)線控制器的設(shè)計(jì)。這是一個(gè)時(shí)序機(jī)的設(shè)計(jì)問(wèn)題。現(xiàn)采用"一對(duì)一"的方式，即每個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)一個(gè)觸發(fā)器，可用六個(gè)觸發(fā)器QA，QB，QC，QD，QE，QF分別表示六個(gè)狀態(tài)，則六個(gè)觸發(fā)器的激勵(lì)方程分別為： QA=SETUP·QA+DATA·START·OD+QA·QB·QC·QD·QE·QF QA=SETUP·QA+START·QB+ISET·QF QB=SETUP·（QB+QC+QD

17、+QE）+OPEN·（DATA+DeP·Ce3+START）·QC QD=OPEN·START·DATA·DeP·Ce3·QC+DATA·START·OPEN·QD QE=OPEN·START·DATA·DeP·QC+DATA·QD+START·OPEN·QE QF=OPEN·QC+START·OPEN·QE+ISET·QF 各輸出控制信號(hào)為： EN=QC+QD RESET-L=QA·SETUP+QF·ISET RESET-C=（QB+QC+QD+QE）·START CP=QC·DATA SLO=QD