數(shù)字電子設計報告生理刺激反應時間測試儀

1、數(shù)字電子設計報告 生理刺激反應時間測試儀一設計背景 .2二.設計指要求 . 2設計要求 .2三設計原理分析 .23.1隨機信號的產(chǎn)生.33.2最低位計數(shù)值的四舍五入處理 .43.3邏輯控制電路 . .4四 .系統(tǒng)概述 . 44.1設計思想 . 54.2可行性論證 . 54.3各功能的組成 54.4總體工作過程 8五. 單元電路設計與分析 .10六.電路的組構(gòu)與調(diào)試 . 176.1 遇到的主要問題 . 176.2 現(xiàn)象記錄及原因分析 . 176.3 解決措施及效果 176.4 功能的測試方法、步驟、設備、記錄的數(shù)據(jù)18七. 結(jié)束語 .197.1 總結(jié)設計的收獲與體會 . 19附圖(電路圖、電路總

2、圖) 20參考文獻 21 一 設計背景人體在受到外界聲，光信號刺激后作出反應的時間有快有慢，某些職業(yè)對從業(yè)人員的生理刺激反應時間有一定的要求。比如，短跑，跨欄運動員的成績都精確到0.01s,所以運動員在起跑瞬間對發(fā)令槍作出的反應時間對其運動成績有很大的影響。生理刺激反應時間測試儀就是用于測量被測試者在受到聲光信號刺激后作出反應動作的滯后時間。本節(jié)希望通過生理刺激反應時間測試儀的設計和實現(xiàn)，介紹數(shù)字測試儀器的功能分析和設計綜合方法。二 設計要求（1）受試者可以按“刺激源選擇”鍵選擇刺激信號是光或聲。（2）當受試者按“測試開始”按鍵后，系統(tǒng)進入準備狀態(tài)，“準備”燈亮，其他指示燈滅，顯示器顯示全零。

3、（3）測試儀在“準備”燈亮后的110 s 時間內(nèi)隨機發(fā)出光刺激信號（“測試”燈亮）或聲刺激信號（蜂鳴器響），“準備”燈滅。（4）當刺激信號發(fā)出后測試儀開始計時，直到受試者按下“反應”鍵停止計時時。計時單位為0.1 ms。（5）以七段LED數(shù)碼管顯示時間測量值的高3位，最低位測量值進行四舍五入處理，顯示值保持到新的測試開始（6）受試者的反應時間超過 999.5 ms，“溢出”燈亮指示，測試計數(shù)器立即停止計時，“測試”燈滅或蜂鳴器停，“溢出”燈持續(xù)發(fā)光直到下次測試開始。（7）若受試者在刺激信號未發(fā)出前按“反應”鍵，“違例”指示燈亮，“準備”燈滅，并禁止刺激信號發(fā)出三 .設計原理分析生理刺激反應時間

4、測試儀是測量被測試者在受到刺激后，經(jīng)過多少時間才有反應的測試儀。本設計采用光或聲音作為刺激人眼的觸發(fā)源，由測試對象按鍵作出反應。生理刺激反應時間測試儀工作流程圖如下圖所示。 圖1. 生理刺激反應工作流程圖分析設計要求可知，生理刺激反應測試儀的基本功能是隨機產(chǎn)生刺激信號，設計顯示以及對受試者的操作進行邏輯判斷。在數(shù)字邏輯電路中，計數(shù)器具有累計時鐘脈沖的作用，可以實現(xiàn)定時，延時，以及記時功能，所以，生理刺激反應測試儀的主要部件是計數(shù)器和邏輯控制電路。系統(tǒng)設計中需要產(chǎn)生隨機信號，對最低位作四舍五入處理，并且設計合適的邏輯電路。3.1隨機信號的產(chǎn)生隨機信號是指控制條件滿足后脈沖出現(xiàn)時間無法確定的信號。

5、如果以一個任意出現(xiàn)的控制電平去選通一個周期性定時出現(xiàn)的脈沖信號, 由于脈沖出現(xiàn)的時間與控制電平有效的時間沒有任何關聯(lián), 當控制信號有效后, 在定時周期時間范圍內(nèi)會隨機出現(xiàn)選通脈沖。在數(shù)字電路中, 計數(shù)器的溢出信號是循環(huán)定時產(chǎn)生的。比如, 計數(shù)器的模為M、計數(shù)脈沖頻率為1 s, 則計數(shù)器的溢出信號周期為M s, 信號寬度一般為1 s。若用一個電平信號通過邏輯門選通該計數(shù)器的溢出脈沖, 則當控制電平有效后, 邏輯門的輸出在0 M s 之間產(chǎn)生隨機脈沖信號。 同樣,若用電平信號控制一個模為N、初始值為0、計數(shù)脈沖頻率為1 s 的計數(shù)器使能端, 當使能電平有效后, 計數(shù)器產(chǎn)生溢出信號的延時時間為N -

6、 1 N s。3.2最低位計數(shù)值的四舍五入處理 生理刺激反應測試儀的時間測量為四位十進制數(shù)，而顯示值為三位十進制數(shù)，最低位測試值要求進行四舍五入處理。即當最低位計數(shù)值小于五時，高三位測量值直接顯示；當最低位計數(shù)值大于四時，高三位測量值加一后顯示。數(shù)字電路中實現(xiàn)四舍五入的方法很多。本設計中可以利用計數(shù)器預置數(shù)功能，在測量前將計數(shù)器的初始值預置為五。這樣，測試結(jié)束時的計數(shù)器數(shù)值是實際測量值加五，當最低位測量值大于五時，必然向高位進位，實現(xiàn)了測量值四舍五入功能。3.3邏輯控制電路邏輯控制電路的功能是根據(jù)按鍵信號控制延時、定時電路和測試計數(shù)器, 判斷受試者發(fā)出的反應信號response 是否違例、測試

7、計時是否溢出, 并根據(jù)各信號控制相應的指示燈點亮。在生理刺激反應測試儀中, 部分控制信號是互相關聯(lián)的, 比如A 信號使Q 信號置位, B信號使Q 信號復位。這樣的邏輯關系可以有很多方法實現(xiàn), 比如利用D 觸發(fā)器的同步觸發(fā)功能和異步復位功能: A 脈沖的上升 圖2-1 部分控制信號的時序關系及參考控制方法沿觸發(fā)D 觸發(fā)器使其輸出Q 置位,B 脈沖的有效電平使D觸發(fā)器立即復位。四系統(tǒng)概述4.1設計思想生理刺激反應測試儀的主要部件是計數(shù)器和邏輯控制電路。分析系統(tǒng)功能, 可以設置生理刺激反應測試儀的主要控制信號為開始信號start、準備信號ready、隨機信號random、測試信號test、反應信號r

8、esponse、測試計數(shù)器溢出信號overflow 和違例信號weili。若選擇下降沿有效的點觸鍵為“測試開始”鍵和“反應”鍵, 比如LP2900 開發(fā)裝置上的PS1, PS2 鍵, 則start , response為相應按鍵產(chǎn)生的負脈沖信號。Ready , test, response, overflow , weili 設置為觸發(fā)器產(chǎn)生的電平信號。系統(tǒng)電路根據(jù)控制功能劃分為刺激信號隨機產(chǎn)生、測試計時、顯示、邏輯控制、時基信號產(chǎn)生等5個模塊。其中隨機信號采用模N 的延時計數(shù)器、模M 的定時計數(shù)器及相應的控制邏輯產(chǎn)生, 測試計數(shù)器采用可預置、有使能控制的4 級8421BCD 碼十進制加計數(shù)器

9、實現(xiàn)。由于正常測試時間小于1 s, 所以時間計數(shù)值可以不經(jīng)鎖存直接顯示。時基電路是產(chǎn)生定時、延時、計時電路以及顯示掃描電路的時鐘脈沖, 蜂鳴器的發(fā)聲也需要音頻脈沖控制。各脈沖可以根據(jù)所用FPGA 開發(fā)裝置的基準時鐘分頻獲得。4.2可行性論證根據(jù)設計電路圖進行仿真操作，判斷設計是否可行。 設計電路圖用仿真軟件Quartus，分模塊設計后仿真檢查電路，判斷電路的邏輯是否有錯，邏輯無誤后，選擇功能仿真并產(chǎn)生電路網(wǎng)表，判斷電路是否正確。測試儀的控制部分以FPGA實現(xiàn)，光刺激信號由發(fā)光二極管產(chǎn)生，聲刺激信號由蜂鳴器產(chǎn)生?！皽y試開始”按鍵和“反應”按鍵選擇買重建產(chǎn)生脈沖信號，刺激源選擇電平鍵產(chǎn)生電平信號。

10、測量值采用3個七段LED數(shù)碼管顯示，顯示方式由FPGA開發(fā)裝置決定。設計在ED2開發(fā)板或LP-2900開發(fā)裝置上實現(xiàn)。43各功能的組成4.3.1產(chǎn)生隨機信號 隨機信號的的產(chǎn)生由兩部分構(gòu)成，一部分由延時12s的延時器，另一部分為模為10的計數(shù)器。由計數(shù)器產(chǎn)生隨機信號。結(jié)果，隨機信號的產(chǎn)生時間為112s。4.3.2計時器 計時器由計數(shù)器產(chǎn)生，根據(jù)實驗要求，受試者的反應時間在999.5ms以內(nèi)，最小的測量單位為0.1ms，則，計數(shù)器應四個產(chǎn)生8421BCD碼的十進制加計數(shù)器構(gòu)成，計數(shù)器的設計有兩種方案，一種采用同步CP信號控制，由低位的進位端控制高位的使能端。另一種是異步計數(shù)器，由低位的進位端控制高

11、位的CP端，但是第二種方案注意在使能端與進位端之間加個反相器，否則不能得到想要的計數(shù)器。在本設計中采用異步計數(shù)器。CP信號為10khz的脈沖信號。最終構(gòu)成計時器，可以產(chǎn)生最大值為999.9ms的計時器，實驗要求中要求最低位四舍五入，應根據(jù)設計原理分析所述的最低位計數(shù)值的四舍五入處理進行設計。4.3.3脈沖分頻電路由于電路用到不同頻率的信號，比如設計計時器的CP信號為010hz,動態(tài)掃描電路中掃描信號頻率至少為200hz,才能實現(xiàn)視覺暫留。因此，需要設計脈沖分頻電路，在此根據(jù)實驗要求和器件選擇，設計一個8級10分頻電路。將LP-2900實驗裝置上的基準時鐘10MHz分頻后輸出1MHz，100kH

12、z，10kHz，1kHz，100Hz，10Hz，1Hz和0.1Hz脈沖信號。首先用7490構(gòu)成5421碼輸出的十分頻電路，再復制七個十分頻電路，級聯(lián)后構(gòu)成1個一輸入、八輸出的電路。輸入為OSC（10MHz）信號。4.3.4動態(tài)掃描顯示設計 圖2 動態(tài)掃描顯示電路原理圖如圖2所示，由數(shù)據(jù)選擇器控制七段共陰顯示器的輸入端，從而可以控制數(shù)據(jù)選擇器的輸入來控制七段共陰顯示器的顯示，二進制計數(shù)器實現(xiàn)掃描原理，輸出配合譯碼器控制選擇顯示器輸出。實現(xiàn)過程為，分屏器輸出1Khz脈沖，控制二進制計數(shù)器循環(huán)計數(shù)，二進制計數(shù)器輸出為：00，01，10，11，控制BA，從而達到數(shù)據(jù)選擇，七段共陰顯示器的輸入端為四個選

13、擇器相同選擇的輸出的集合，同時控制著小數(shù)點的顯示。4.3.5邏輯控制 圖3 信號間的邏輯關系邏輯控制主要是在ready,test,weili,Overfolow,response信號之間的邏輯合理性的控制。其邏輯關系如圖3所示。整理如下：ready有效 Test、Weili、Overflow 無效。Test有效 Ready、Delay無效Test無效 Response脈沖使Weili有效，Ready無效，禁止Random信號產(chǎn)生，使Test始終無效Response脈沖使Test無效Overflow有效使Test無效4.4總體工作過程總體工作過程中，邏輯控制電路按控制要求產(chǎn)生各控制信號, 根據(jù)系

14、統(tǒng)工作原理,各信號時序關系如下:（1）“測試開始”按鍵產(chǎn)生的star t 負脈沖觸發(fā)ready信號有效, 控制test , weili, overflow 無效, 并預置測試計數(shù)器初值。（2）ready 信號控制延時計數(shù)器開始計數(shù), 延時時間1 2 s。當延時時間到, delay 信號有效。delay 信號等待選通模M 定時計數(shù)器的溢出信號產(chǎn)生隨機脈沖random, 等待時間為0 M s。這樣, 隨機信號random比 測試開始!按鍵的作用時間滯后1 M+ 2 s 出現(xiàn)。（3）當隨機脈沖random 出現(xiàn)后, 觸發(fā)test 信號有效并控制ready , delay 信號無效。test 信號點亮

15、“測試”燈或控制蜂鳴器鳴響, 并允許測試計數(shù)器開始計時。( 4) 當“反應”鍵按下后, 產(chǎn)生response 負脈沖, 使test 信號無效, 測試計數(shù)器停止計數(shù)。( 5) 若反應時間超過999. 5 s, 測試計數(shù)器產(chǎn)生的溢出脈沖觸發(fā)overflow 信號有效。overflow 信號控制測試計數(shù)器停止計數(shù)。( 6) 若test 信號無效時按下“反應”鍵, response 脈沖觸發(fā)weili 信號有效, 并控制ready 信號無效。weili信號禁止隨機脈沖產(chǎn)生, test 信號始終無效。信號時序波形示例和參考電路原理如圖4所示圖4 生理刺激反應時間測試儀設計思想框圖五.單元電路設計與分析5

16、.1隨機信號發(fā)生器隨機信號發(fā)生器電路圖如下圖所示 圖5-1 隨機信號發(fā)生器電路圖工作原理為：上部分是12s延時器。7490構(gòu)成二進制計數(shù)器，CPre上升沿到來，D觸發(fā)器觸發(fā)，輸出為高電平，ready信號燈亮，7490清零端無效，其CP端為1hz的脈沖信號，12s后Qc為高電平，Qb為低電平，Qc與Qb非經(jīng)與門產(chǎn)生一個高電平脈沖信號，作為其后D觸發(fā)器的CP信號，上升沿到來，D被觸發(fā)，輸出高電平，到response信號到來或start信號無效時，其使能端無效，輸出低電平。下部分是產(chǎn)生110s隨機信號。74160是十進制BCD碼加法計數(shù)器，使能端有效時，1hz的CP信號控制其計數(shù)，進位端與延時后的信

17、號經(jīng)與門輸出，延時后，進位端為1輸出高電平，random信號有效。產(chǎn)生隨機信號的時間為112s.其元件符號為 圖5-2 隨機信號發(fā)生器元件符號 5.2計時器計時器原理圖如下所示圖5-3 計時器原理圖計時器原理：74160為十進制8421BCD碼加法計數(shù)器，4個7490級聯(lián)構(gòu)成1000進制加法計數(shù)器。當使能端有效后，同時set端產(chǎn)生低電平有效，初值置為5，然后開始計數(shù)，使能端無效后計數(shù)停止。通過掃描電路顯示結(jié)果。圖5-4 計時器元件符號5.3 分頻器 首先用7490構(gòu)成5421碼輸出的十分頻電路，再復制七個十分頻電路，級聯(lián)后構(gòu)成1個一輸入、八輸出的電路。輸入為OSC（10MHz）信號。 圖5-5

18、 10分屏原理圖 圖5-6 分頻器原理圖工作原理：用7490接成一個十分頻的分頻器，將8個十分頻串聯(lián)即可得到十分頻，百分頻，千分頻LP-2900可提供10MHZ的時鐘頻率，我們依次可以得到1MHZ、100KHZ、10KHZ、1KHZ、100HZ、10HZ、1HZ和0.1hz等頻率的時鐘信號。圖5-7分頻器元件符號5.4動態(tài)掃描電路七段共陰顯示器的編輯文件如圖4-9所示。 圖58七段共陰顯示器編輯文件圖5-9 動態(tài)掃描電路圖工作原理：分屏器輸出1Khz脈沖，此時有視覺暫留效果控制二進制計數(shù)器循環(huán)計數(shù)，二進制計數(shù)器輸出為：00，01，10，11，控制BA，從而達到數(shù)據(jù)選擇，七段共陰顯示器的輸入端為

19、四個選擇器相同選擇的輸出的集合，同時控制著小數(shù)點的顯示。圖中A4 A3 A2 A1 A0為第一塊顯示屏所顯示符號的對應二進制數(shù)；依次類推，B4 B3 B2 B1 B0為第二塊顯示屏所顯示符號的對應二進制數(shù)；C4 C3 C2 C1 C0為第三塊顯示屏所顯示符號的對應二進制數(shù)；D4 D3 D2 D1 D0為第四塊顯示屏所顯示符號的對應二進制數(shù)。 圖5-10 動態(tài)掃描電路元件符號4.5邏輯控制邏輯控制是根據(jù)各信號之間的邏輯關系，通過與門或者與非門相互控制，其原理在步驟三中已有詳細說明，其電路圖在電路總圖中給出。六.電路的組構(gòu)與調(diào)試6.1遇到的主要問題（1）在計數(shù)器置五時，計數(shù)器的最低位的置位端的控制

20、信號難于選選擇（2）計數(shù)器達到999.9ms后自動置零時，第一個等完成置零但是剩余的燈全都不亮（3）產(chǎn)生隨機信號時，開始時設計的方案是通過Random信號的反饋控制D觸發(fā)器停止工作，但沒有成功。（4）計數(shù)器四舍五入，曾采取在計數(shù)器輸出端用加法器加五的方案，最終結(jié)果雖然可以四舍五入，但計數(shù)器不能一直工作而不能停止。（5）設計邏輯控制時，容易邏輯混亂6.2現(xiàn)象記錄及原因分析（1）邏輯控制模式未設計好，可以通過RANDOM信號有效瞬間產(chǎn)生負脈沖來控制置位端（2）通過overflow信號控制顯示器使能端無效，顯示器停止工作，控制方法不正確。（3）這種方案有一定的缺陷，Random信號有效后需經(jīng)歷延時環(huán)節(jié)后控制D觸發(fā)器清零，否則，不能產(chǎn)生random信號。（4）計數(shù)器不能停止是因為計數(shù)器進位端始終無效，無法令其使能端無效而停止記時。（5）列出邏輯關系圖6.3解決措施及效果（1）通過通過RANDOM信號有效瞬間產(chǎn)生負脈沖來控制置位端有效，最低位置位為五，其后置位端無效。（2）應該通過overflow有效控制顯示全顯示為零，即對計時器清零。（3）可以通過控制置數(shù)端置數(shù)來進行四舍五入運算。（4）改變四舍五入方式，永不止一種方法（5）通過畫邏輯關系圖弄清邏輯關系，靈活使用與門，與非門。6.4功能的測試