數(shù)字電路設(shè)計實例

1、7.7 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例*本章前面介紹的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計方法是一種由頂向下的方法，其過程大致分為三步： （1）系統(tǒng)調(diào)研，確定初步方案； （2）模塊劃分，確定詳細方案； （3）選用模塊，完成具體設(shè)計。 下面通過保險箱數(shù)字鎖控制電路的設(shè)計實例，進一步體驗小型數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計方法和過程，并取得實踐經(jīng)驗。 7.7.1初步方案承接一個數(shù)字系統(tǒng)的課題后，一方面要對課題的任務(wù)、要求、原理、使用環(huán)境作詳細的分析，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。在此基礎(chǔ)上確定初步方案。 1.基本要求和設(shè)計環(huán)境分析對一只保險箱而言，基本要求是：a.安全性，開鎖的密碼被破譯的可能性要盡可能?。籦.操作方便，開鎖

2、的程序不能過于復雜；c.密碼可以更換，遇到不正常情況應(yīng)及時啟動報警系統(tǒng)；d.使用者在撥錯號碼時可將原撥號予以清除并重撥。 系統(tǒng)基本操作流程圖如下所示：2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的幾個具體問題研究輸入問題 開始、建立等控制信號可用按鍵開關(guān)實現(xiàn)，門把手轉(zhuǎn)動產(chǎn)生開門信號OPEN，可也用一OPEN鍵代替。密碼輸入采用10個按鍵開關(guān)，不同的數(shù)碼采用不同的鍵，如同電話機的按鍵。輸出問題 數(shù)字鎖的輸出有兩種情況：a.開門信號，當撥號正確又按動OPEN按鍵后，應(yīng)發(fā)出信號，打開數(shù)字鎖。此時可用一只綠色信號燈LO標示開門狀態(tài)。b.當密碼或開鎖程序不對時，按動OPEN鍵將發(fā)出報警信號。報警信號可用一種單頻率的方波震蕩，驅(qū)動揚聲器

3、發(fā)聲，還可以用紅色信號燈LA表示。以上開門信號、報警信號一旦出現(xiàn)，就一直保持下去，直到使用者或保安人員按動SETUP為止。預置數(shù)問題 預置數(shù)就是設(shè)置系統(tǒng)的密碼，宜每隔一段時間更換一次，因此應(yīng)有置數(shù)裝置。每次置入三位十進制數(shù)的方法有多種。為分析方便，現(xiàn)采用的方法是安排12個輸入端，每個輸入端通過一只雙列直插式組件開關(guān)、將其輸入切至Ucc或GND。綜合上述討論，確定保險箱密碼鎖的基本方案如下： （1）采用3位十進制數(shù)密碼，密碼用DIP開關(guān)確定，必要時可以更換。 （2）系統(tǒng)通電后須關(guān)上門，且按動SETUP鍵后方投入運行。運行時標志開門的燈或警報燈和警鈴皆不工作，系統(tǒng)處于安鎖狀態(tài)。 （3）開鎖過程如下

4、：按START鍵啟動開鎖程序，此時系統(tǒng)內(nèi)各部分應(yīng)處于初始狀態(tài)；依次鍵入3個十進制數(shù)碼按開門鍵OPEN。 （4）開鎖處理事務(wù)完畢后，應(yīng)將門關(guān)上，按SETUP鍵，使系統(tǒng)重新進入安鎖狀態(tài)。若在報警狀態(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）使用者如按錯密碼，可在按OPEN鍵以前按START鍵，重新啟動開鎖程序。 （6）號碼0一9，START，SETUP，OPEN均用按鍵產(chǎn)生。 根據(jù)上述考慮，可以畫出系統(tǒng)的粗略框圖如圖7.34（b）所示，它說明了整個系統(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，就勾畫了這一系統(tǒng)的總體邏輯功能。 圖7.34（c）中畫出了數(shù)字鎖簡單的工作波形圖，對輸入、輸出信號的時序做了進一步描述。 7.7.2詳細方案由頂向下設(shè)計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，而模塊向控制器反饋哪些信號。 1、被控部分電路模塊的設(shè)計 圖7.33是數(shù)字鎖的詳細方案框圖。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等十個數(shù)字送入系統(tǒng)應(yīng)首先經(jīng)過10：4線編

6、碼器編成BCD碼，并與原存儲于系統(tǒng)中的密碼相比較，故需要一個4bit的數(shù)碼比較器，比較結(jié)果DeP反饋給控制器。這兩個模塊都是組合邏輯電路。 由于密碼是串行輸入，每次分別與一個預置碼比較，而3個十進制預置碼分別由12個輸入端輸入，故采用3選1的數(shù)據(jù)選擇器MUX來選擇，其位置碼用一個計數(shù)器控制?？刂破飨蛴嫈?shù)器提供復位信號RESET-C和時鐘信號CNP。計數(shù)器為模4計數(shù)器（0，1，2，3四個狀態(tài)），每鍵入一個碼，控制器向計數(shù)器提供一個時鐘脈沖CNP，使計數(shù)器狀態(tài)加1。當計數(shù)器狀態(tài)為3時，說明已送入3個密碼，此時計數(shù)器應(yīng)向控制器反饋信號Ce3，告訴控制器應(yīng)進入待啟狀態(tài)或預警狀態(tài)。START，OPEN等

7、信號可直接送往控制器，控制其狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。但這些信號由按鍵產(chǎn)生，其產(chǎn)生時刻和持續(xù)時間長短是隨機的，且存在開關(guān)簧片引起的電平抖動現(xiàn)象，因此必須在每個開關(guān)后面安排一個消抖和同步化的模塊，以保證每按一次鍵只形成一個寬度等于系統(tǒng)周期的脈沖?？刂破髟谙到y(tǒng)每收到一個數(shù)據(jù)時向計數(shù)器發(fā)出一個時鐘信號。當系統(tǒng)在按OPEN鍵以前收到第4個時鐘信號時應(yīng)轉(zhuǎn)入預警狀態(tài)，等待OPEN信號到達后報警。因此每鍵入一個數(shù)碼，應(yīng)向控制器送入一個脈沖DATA，此信號也應(yīng)同步化，即形成寬度只占一個系統(tǒng)時鐘周期的脈沖。 系統(tǒng)的一個輸出是開門指示燈LO（綠），其工作用一個RS觸發(fā)器控制。控制器向它提供置位信號SLO，在按SETUP鍵時向它

8、提供復位信號RESET-L。至于驅(qū)動開門繼電器的電路，此處不再討論。 系統(tǒng)的另一個輸出是報警信號。因為使用單頻信號鳴叫和用紅燈LA顯示，因此也只要一個RS觸發(fā)器控制LA的輝亮，并連接500Hz振蕩器與揚聲器的開關(guān)?？刂破飨騌S觸發(fā)器提供置位信號SLA和復位信號RESET-L。 2、控制器的算法設(shè)計 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，或者說確定了控制器的算法。算法中應(yīng)包含如下狀態(tài)： 待鎖狀態(tài) 系統(tǒng)處于開門、報警或上電后的狀態(tài)。此時數(shù)字鎖尚未"鎖好"，還未進入正常運行，因此系統(tǒng)將不接收SETUP（或ISET）外的任何輸入信

9、號。當鍵入SETUP后，系統(tǒng)將進入安鎖狀態(tài)，且將開門標志燈LO或報警燈LA熄滅，警報器聲音切斷，因而需要輸出RESET-L信號。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時進入第2狀態(tài)，SETUP=0則維持原狀態(tài)；平行四邊形框代表條件輸出，即當SETUP=1時，輸出RESET-L信號。至于EN信號，是用來控制DATA，OPEN信號輸入的，在本狀態(tài)皆應(yīng)無效且與條件SETUP無關(guān)，是一種無條件輸出，因而標在算法狀態(tài)框旁邊，并用箭頭表示無效。 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)正常運行，等待執(zhí)行開鎖程序，故稱為安鎖狀態(tài)。當START信號到來時，將轉(zhuǎn)入第3狀態(tài)，開鎖程序開始執(zhí)行，此時應(yīng)將計數(shù)器復零，故在第2算法狀態(tài)單元中有一條件輸出框，輸出計數(shù)器清零信號RESET-C。撥號狀態(tài) 第3狀態(tài)是送入密碼的狀態(tài)。進入此狀態(tài)時EN信號有效，允許密碼信號OPEN信號鍵入，故在狀態(tài)框旁邊標有EN。該狀態(tài)每收到一個信號應(yīng)先判斷是DATA信號還是OPEN信號。如是OPEN信號，則不符合開鎖程序，應(yīng)立刻報警，即發(fā)出SLA信號，并使狀態(tài)轉(zhuǎn)入報警狀態(tài)；若是DATA信號，則應(yīng)向計數(shù)器發(fā)出計數(shù)信號CNP，令計數(shù)器加1，選出對應(yīng)的預置密碼與輸入數(shù)據(jù)碼比

11、較，然后根據(jù)比較器輸出DeP來判斷：若DeP=0，意味著號碼不對，應(yīng)轉(zhuǎn)入預警狀態(tài)，否則檢查計數(shù)器狀態(tài)是否已達3，若Ce3有效，表示已接收到3個正確數(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，控制器發(fā)出RESET-C信號，使計數(shù)器清零，則前面收到的密碼無效，重新進行撥號操作。 待啟狀態(tài) 第4狀態(tài)是待啟狀態(tài)。若有信號鍵入，應(yīng)先判斷它是數(shù)據(jù)信號還是OPEN信號。若是OPEN，則發(fā)出SLO信號，點亮綠燈LO，啟動開門繼電器；若是數(shù)據(jù)信號，則進入報警狀態(tài)。在接受信號以前如果按START鍵，則系統(tǒng)將發(fā)出RESET-C信號，并回到撥號狀

12、態(tài)。 預警狀態(tài) 第5狀態(tài)是預警狀態(tài)，此時若按START鍵，系統(tǒng)發(fā)出RESET-C信號后回到狀態(tài)3。輸入其他數(shù)據(jù)，狀態(tài)不變化。若輸入OPEN信號，則發(fā)出報警信號進入狀態(tài)6。 報警狀態(tài) 此狀態(tài)紅燈LA亮；警報器鳴叫，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間關(guān)系的波形圖，進一步擴展為圖7.34（b）所示的詳細波形圖。 7.7.3具體電路設(shè)計下面的任務(wù)是設(shè)計具體電路。對于被控部分的模塊，由于需要實現(xiàn)的功能已經(jīng)明確，只需尋找合適的器件來實現(xiàn)，而控制電路，則要專門設(shè)計。1.被控部分電路設(shè)計 圖7.35示出受控部分模塊的具體電路設(shè)計，

13、它們基于Lattice系統(tǒng)宏的設(shè)計。 輸入電路 SETUP，START，ISET，OPEN輸入各需一個同步化電路。每個同步化電路采用兩個二輸入或門（NOR2）、兩個D觸發(fā)器（FD21）和一個二輸入與門（AND2）組成，見圖7.35（a）所示。 0一9十個按鍵送入的是數(shù)據(jù)信號而不是控制信號，只需要消抖而不需要同步化，因此每個輸入只需兩個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，不需要知道誰大誰小。其電路見圖7.35（a）所示。 計數(shù)選擇電路 數(shù)據(jù)選擇器采用MUX44（四個4選1MUX），其位

14、置碼受計數(shù)器控制。計數(shù)器則選用CBU12，其時鐘和清零信號取自控制器的輸出CNP和RESET-C。這部分電路見圖7.35(c)所示。 輸出報警電路 標志燈LO或LA皆使用RS觸發(fā)器，故選用LSR1，控制器提供的置數(shù)和復位信號都是低電平有效。兩個觸發(fā)器的輸出控制驅(qū)動電路，驅(qū)動兩個標志燈。 報警裝置是一只揚聲器，受500Hz振蕩信號驅(qū)動，振蕩信號用555定時器產(chǎn)生。其復位輸入端受觸發(fā)器輸出SLA控制：當SLA為0時，555定時器不振蕩；當SLA為1時，555定時器振蕩，驅(qū)動揚聲器發(fā)聲，見圖7.35（d）所示。 2、控制器電路設(shè)計 控制器是系統(tǒng)的最核心部分，它在系統(tǒng)中只有一個。對控制器的設(shè)計常常不是

15、考慮如何使電路最簡，而是考慮使邏輯關(guān)系清楚，便于修改。 控制器是一個時序邏輯電路，設(shè)計的依據(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。待鎖狀態(tài)根據(jù)SETUP的值有兩個分支，即用SETUP和SETUP表示分支的條件。 如果在一個單元內(nèi)有多個判別框的情況下，對分支條件應(yīng)按下面規(guī)則處理： 當從一個狀態(tài)轉(zhuǎn)向另一個狀態(tài)時，若經(jīng)過的判別框串聯(lián)，則將這些框在這個方向上的條件相乘；而若經(jīng)過的判別框并聯(lián)，則將這個方向的判別條件相加。 無條件輸出標注于狀態(tài)旁邊，箭頭上表示進入本狀態(tài)有效，箭頭下表示進入本狀態(tài)無效，箭頭上下表示只在本狀態(tài)有效。 對條件輸出，也應(yīng)當標注在狀態(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，可進行硬聯(lián)線控制器的設(shè)計。這是一個時序機的設(shè)計問題。現(xiàn)采用"一對一"的方式，即每個狀態(tài)對應(yīng)一個觸發(fā)器，可用六個觸發(fā)器QA，QB，QC，QD，QE，QF分別表示六個狀態(tài)，則六個觸發(fā)器的激勵方程分別為： 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 各輸出控制信號為： EN=QC+QD RESET-L=QA·SETUP+QF·ISET RESET-C=（QB+QC+QD+QE）·START CP=QC·DATA SLO=QD