數(shù)電課程設(shè)計(jì)

1、數(shù)字設(shè)計(jì)原理與實(shí)踐課程設(shè)計(jì) 老師：唐軍 學(xué)院：光電信息學(xué)院 姓名及學(xué)號(hào)：鄔濤 2012059080021 張一頔 2012059080024 杜添 2012059090001 陳俊聰 2012059090003（一）4位數(shù)字代碼鎖1. 設(shè)計(jì)一個(gè)保險(xiǎn)箱用的4位數(shù)字代碼鎖，該鎖有規(guī)定的地址代碼A、B、C、D四個(gè)輸入端和一個(gè)開箱鑰匙孔信號(hào)E的輸入端，鎖的代碼由實(shí)驗(yàn)者自編。當(dāng)用鑰匙開箱時(shí)，如果輸入的4個(gè)代碼正確，保險(xiǎn)箱被打開；否則，電路將發(fā)出警報(bào)（可用發(fā)光二極管亮表示）。具體要求：1）寫出該組合邏輯電路的分析和設(shè)計(jì)方法；2）參考有關(guān)資料畫出原理圖，找出要使用的芯片； 3）畫出真值表以驗(yàn)證是否正確； 4

2、）使用Verilog HDL進(jìn)行仿真。一、設(shè)計(jì)分析 對(duì)于4位數(shù)字代碼鎖,假設(shè)地址代碼A,B,C,D四個(gè)輸入端的值為1 010,加上另一開箱鑰匙孔信號(hào)E輸入共有五個(gè)信號(hào)輸入.對(duì)于輸出有保險(xiǎn)箱打開信號(hào)以及警報(bào)信號(hào). 因此我們可以采用一個(gè)74X151多路復(fù)用器和必要的邏輯門器件來完成此邏輯功能. 八選一數(shù)據(jù)選擇器（74151）介紹C是最高位；A是最低位 二、設(shè)計(jì)內(nèi)容與思路F（1）為開鎖信號(hào)，F(xiàn)（2）為報(bào)警信號(hào)，全都為高電平有效。 若此時(shí)以D作為74X151的使能輸入信號(hào)，則此時(shí)以A,B,C為變量的函數(shù)F（A,B,C）=ABC則此時(shí)取i=5，即D5=1，D0=D1=D2=D3=D4=D6=D7=0F(

3、1)=F(A,B,C) DE由此可知我們要將74X148的D5接高電平，其余D0D7接低電平，如下圖所示（原理圖）其真值表為 ABCD Y00000000110010000110010000101001100011101000010010101001011011000110101110011110 VHDL仿真TITLE Top-level file for the 7485 macrofunction. Chooses a device-family optimized implementation.; FUNCTION p7485 (a3.0, b3.0, agbi, albi, aebi

4、) RETURNS (agbo, albo, aebo);FUNCTION f7485 (a3.0, b3.0, agbi, albi, aebi) RETURNS (agbo, albo, aebo);PARAMETERS(DEVICE_FAMILY);INCLUDE aglobal.inc;SUBDESIGN 7485(a3.0 : INPUT = VCC;b3.0 : INPUT = VCC;agbi : INPUT = VCC;albi : INPUT = VCC;aebi : INPUT = VCC;agbo : OUTPUT;albo : OUTPUT;aebo : OUTPUT;

5、)VARIABLEIF (FAMILY_FLEX() = 1) GENERATEsub : f7485;ELSE GENERATEsub : p7485;END GENERATE;BEGINIF (USED(a0) GENERATEsub.a0 = a0;END GENERATE;IF (USED(a1) GENERATEsub.a1 = a1;END GENERATE;IF (USED(a2) GENERATEsub.a2 = a2;END GENERATE;IF (USED(a3) GENERATEsub.a3 = a3;END GENERATE;IF (USED(b0) GENERATE

6、sub.b0 = b0;END GENERATE;IF (USED(b1) GENERATEsub.b1 = b1;END GENERATE;IF (USED(b2) GENERATEsub.b2 = b2;END GENERATE;IF (USED(b3) GENERATEsub.b3 = b3;END GENERATE;IF (USED(agbi) GENERATEsub.agbi = agbi;END GENERATE;IF (USED(albi) GENERATEsub.albi = albi;END GENERATE;IF (USED(aebi) GENERATEsub.aebi =

7、 aebi;END GENERATE;agbo = sub.agbo;albo = sub.albo;aebo = sub.aebo;END;三、心得體會(huì) 通過本次課程設(shè)計(jì)使我們將課本上的知識(shí)能夠應(yīng)用于實(shí)際，使得理論與實(shí)際相結(jié)合，加深了對(duì)課本上知識(shí)的理解，并能讓我們查閱圖書等學(xué)習(xí)用具獲得更多的知識(shí)，擴(kuò)展了我們的知識(shí)面，同時(shí)也鍛煉了我們的動(dòng)手能力，通過書寫電子密碼鎖論文也鍛煉了我們的文字表達(dá)能力。更重要的是我們?cè)趯?shí)踐中能夠互相幫助，共同尋找解決問題的方法。（二）汽車尾燈控制電路一、設(shè)計(jì)要求假設(shè)汽車尾部左、右兩側(cè)各有三個(gè)指示燈（用發(fā)光二極管模擬），控制功能如下：1）正常行駛時(shí)指示燈全滅；2）左轉(zhuǎn)彎

8、時(shí)，左側(cè)三個(gè)指示燈按循環(huán)順序點(diǎn)亮；3）右轉(zhuǎn)彎時(shí)，右側(cè)三個(gè)指示燈按循環(huán)順序點(diǎn)亮；4）汽車倒車或臨時(shí)剎車時(shí)，所有指示燈按CLK信號(hào)同步閃爍；二、設(shè)計(jì)思路（1）列出尾燈與汽車運(yùn)行狀態(tài)表表1 尾燈和汽車運(yùn)行狀態(tài)關(guān)系表開關(guān)控制運(yùn)行狀態(tài)左尾燈右尾燈S1 S2D1 D2 D3D4 D5 D60 0正常運(yùn)行燈滅燈滅0 1右轉(zhuǎn)彎燈滅按D4 D5 D6順序循環(huán)點(diǎn)亮1 0左轉(zhuǎn)彎按D3 D2 D1順序循環(huán)點(diǎn)亮燈滅1 1臨時(shí)剎車所有的尾燈隨時(shí)鐘CP同時(shí)閃爍（2）設(shè)計(jì)總體框圖 由于汽車左轉(zhuǎn)彎時(shí)，三個(gè)燈循環(huán)點(diǎn)亮，所以用三進(jìn)制計(jì)數(shù)器控制譯碼電路順序輸出低電平，從而控制尾燈按要求點(diǎn)亮。由此得出在每種運(yùn)行狀態(tài)下，各指示燈與各給定

9、條件（S1、S2、CP、Q1、Q0）的關(guān)系，即邏輯功能表如表2所示（表中0表示燈滅狀態(tài)，1表示燈亮狀態(tài)）。表2 汽車尾燈控制邏輯功能表開關(guān)控制三進(jìn)制計(jì)數(shù)器六個(gè)指示燈S1 S2Q1 Q0 D1D2D3 D4D5D60 0X X000 0000 10 00 11 0000 100000 010000 0011 00 00 11 0001 000010 000100 0001 1X XCPCPCP CPCPCP由表2得出總體框圖，如圖1所示：開關(guān)控制電路顯示、驅(qū)動(dòng)電路譯碼電路三進(jìn)制計(jì)數(shù)器尾燈電路S1 S2 圖1 汽車尾燈控制電路原理框圖三、設(shè)計(jì)單元電路 三進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路可由雙JK觸發(fā)器74LS76構(gòu)

10、成。1J1K1Q12J2K2Q274LS76“1”“1”CPQ0Q174LS76圖2 三進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路圖采用CP下降沿觸發(fā)的JK觸發(fā)器，當(dāng)CP由1跳變?yōu)?時(shí)，觸發(fā)器的輸出依據(jù)J和K的狀態(tài)而定。表3為J-K觸發(fā)器的狀態(tài)表。表3 J-K觸發(fā)器的狀態(tài)表JK說明0011010101輸出狀態(tài)不變同J端狀態(tài)同J端狀態(tài)輸出狀態(tài)翻轉(zhuǎn)由雙JK組成的三進(jìn)制計(jì)數(shù)器的邏輯功能表如表2。汽車尾燈電路如圖3所示，其顯示驅(qū)動(dòng)電路由6個(gè)發(fā)光二極管和6個(gè)反相器構(gòu)成，譯碼電路由38譯碼器74LS138和6個(gè)與非門構(gòu)成。74LS138的三個(gè)輸入端A2、A1、A0分別接S1、Q1、Q0，而Q1Q0是三進(jìn)制計(jì)數(shù)器的輸出端。當(dāng)S11，S

11、20時(shí)，使能信號(hào)AG1，計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為00，01，10時(shí)，74LS138對(duì)應(yīng)的輸出端、依次為0有效（、信號(hào)為“1”無效），即反相器G1G3的輸出也依次為0，故指示燈D3D2D1按順序點(diǎn)亮示意汽車左轉(zhuǎn)彎。若上述條件不變，而S10，S21時(shí)，則74LS138對(duì)應(yīng)的輸出端、依次為0有效，即反相器G4G6的輸出端依次為0，故指示燈D4D5D6按順序點(diǎn)亮示意汽車右轉(zhuǎn)彎。當(dāng)G0，A1時(shí)，74LS138的輸出端全為1，G1G6的輸出端也全為1，指示燈全滅；當(dāng)G0,A=CP時(shí)，指示燈隨CP的頻率閃爍。111111Y1 Y1 Y0 Y4 Y5 Y6 74LS138 G1 A2 A1 A0三進(jìn)制計(jì)數(shù)器2006D1

12、D6G1G674LS04G7G1274LS00AG1251346789101112CP+5V圖3 尾燈電路開關(guān)控制電路。設(shè)74LS138和顯示驅(qū)動(dòng)電路的使能端信號(hào)分別為G和A，根據(jù)總體邏輯功能表分析及組合得G、A與給定條件（S1、S2、CP）的真值表，如表4所示，由表4結(jié)果整理得邏輯表達(dá)式為：由上式得開關(guān)控制電路，如圖4所示。表4 S1、S2、CP與G、A邏輯功能表開關(guān)控制CP使能信號(hào)S1 S2G A00010111101111CP0CP=11S1S2+5v+5vGACP74LS8674LS0074LS10圖4 開關(guān)控制電路（4）設(shè)計(jì)汽車尾燈總體電路 G16G155V1211111111Y2

13、Y1 Y0 Y4 Y5 Y6 74LS138 G1 2006D1D6G1G674LS04G7G1274LS00125134678910+5V1J1K1Q12J2K2Q“1”“1”Q0Q174LS76AG&12G13G145VCPG13G1474LS00G16G1774LS10G17A2 A1 A0G1574LS86S2S1（三）籃球30s可控計(jì)時(shí)器設(shè)計(jì)具體要求：1）具有30s計(jì)時(shí)、顯示功能；2）設(shè)置外部操作開關(guān)，控制計(jì)時(shí)器的直接清零、裝數(shù)、啟動(dòng)和暫停/連續(xù)功能；3）30s倒計(jì)時(shí)，其計(jì)時(shí)間隔為1s；4）計(jì)時(shí)器遞減計(jì)時(shí)到零時(shí)顯示器不能滅燈，同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)；5）能解除報(bào)警信號(hào)；6）畫出該電路的電路

14、圖，用Verilog HDL設(shè)計(jì)此電路，并進(jìn)行仿真。一、設(shè)計(jì)思路對(duì)應(yīng)的模塊狀態(tài)對(duì)應(yīng)的信號(hào)倒計(jì)時(shí)對(duì)應(yīng)情況控制電路1load=1、stop=0倒計(jì)時(shí)開始，每次減1s不報(bào)警、不暫?？刂齐娐?load=0、stop=1倒計(jì)時(shí)暫停，保持當(dāng)前秒數(shù)不報(bào)警、暫?？刂齐娐?load=0、stop=0倒計(jì)時(shí)繼續(xù)，在前開下，每次減1s不報(bào)警、不暫停譯碼顯示1load=0、stop=0倒計(jì)時(shí)開始，每次減1s不報(bào)警譯碼顯示2load=0、stop=1倒計(jì)時(shí)暫停，保持當(dāng)前秒數(shù)不報(bào)警、暫停報(bào)警電路1load=0、alarm=0倒計(jì)時(shí)30s開始不報(bào)警報(bào)警電路2load=0、alarm=1倒計(jì)時(shí)為0，計(jì)時(shí)結(jié)束報(bào)警報(bào)警電路3lo

15、ad=1、alarm=0倒計(jì)時(shí)重新開始計(jì)時(shí)不報(bào)警 該電路包括秒脈沖發(fā)生器、計(jì)數(shù)器、譯碼顯示電路、輔助時(shí)序控制電路（簡(jiǎn)稱控制電路）和報(bào)警電路等5個(gè)部分。其中，計(jì)數(shù)器和控制電路是系統(tǒng)的主要部分。計(jì)數(shù)器完成30s計(jì)時(shí)功能，而控制電路具有直接控制計(jì)數(shù)器的啟動(dòng)計(jì)數(shù)、暫停/連續(xù)計(jì)數(shù)、譯碼顯示電路的顯示和滅燈等功能?？傮w設(shè)計(jì)框圖如下：計(jì)數(shù)器報(bào)警電路譯碼顯示秒脈沖發(fā)生器控制電路外部操 作 開 關(guān)30s計(jì)時(shí)器的總體方案框圖二、詳細(xì)模塊設(shè)計(jì)1控制模塊設(shè)計(jì)控制部分具有直接控制計(jì)數(shù)器的啟動(dòng)計(jì)數(shù)、暫停、連續(xù)計(jì)數(shù)功能。表2 I/O管腳描述（一）名稱方向位寬功能clkinput1系統(tǒng)時(shí)鐘（50MHZ）loadinput1復(fù)

16、位信號(hào)(高電平有效)stopinput1暫停信號(hào)（高電平有效）clk_2output1分頻后時(shí)鐘信號(hào)（1HZ）2譯碼顯示模塊設(shè)計(jì)譯碼顯示部分主要是顯示當(dāng)前計(jì)時(shí)數(shù)。表3 I/O管腳描述（二）名稱方向位寬功能clk_2input1分頻后時(shí)鐘信號(hào)（1HZ）loadinput1復(fù)位信號(hào)（高電平有效）qhinput1十位輸出qlinput1個(gè)位輸出3報(bào)警模塊設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，要進(jìn)行報(bào)警，而且燈還不能滅。報(bào)警一段時(shí)間后，報(bào)警信號(hào)又自動(dòng)取消。本程序通過循環(huán)來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)解除警報(bào)，并且重新進(jìn)入新一輪的計(jì)時(shí)。表4 I/O管腳描述（三）名稱方向位寬功能clk_2input1分頻后時(shí)鐘信號(hào)（1HZ）lo

17、adinput1復(fù)位信號(hào)（高電平有效）alarmoutput1報(bào)警信號(hào)（高電平有效）4 頂層文件設(shè)計(jì) 整個(gè)頂層文件主要是由三個(gè)輸入信號(hào)和三個(gè)輸出信號(hào)組成，三個(gè)輸入信號(hào)分別是clk（時(shí)鐘信號(hào)）、load(復(fù)位)、stop（暫停），三個(gè)輸出信號(hào)分別是qh（十位）、ql（個(gè)位）、alarm（報(bào)警）。3、 設(shè)計(jì)電路圖4、 編譯和仿真1、 源程序module basketball(CPB,L,QH,QL,CPA,S,LD,CR);output3:0 QH,QL;output CPB,L;input S,LD,CR;input CPA;reg3:0 QH,QL;reg CPB;reg L;reg3:0 i

18、;reg QC;always (posedge CPA)/10分頻beginif (S=0)CPB=CPB;else if (i=9)begin i=0;CPB=1;endelsebegin i=i+1;CPB=0;endendalways (posedge CPB or negedge LD or negedge CR)/實(shí)現(xiàn)30s可控計(jì)時(shí)器的功能begin if(!CR) begin QH3:0=0;QL3:0=0;QC=0;end else if (!LD) begin QH3:0=3;QL3:0=0;QC=1;L=0;endelse if (QH=0)&(QL=0) begin QH3

19、:0=0;QL3:0=0;L=QC;endelse if (QL3:0=0) begin QL3:0=9;QH3:0=QH3:0-1;endelse begin QL3:0=QL3:0-1;QH3:0=QH3:0;endendendmodule2、 仿真結(jié)果5、 結(jié)論由仿真波形圖可以看出，在可控計(jì)時(shí)器能正常遞減計(jì)數(shù)、當(dāng)開關(guān)鍵使能是S=0時(shí)能做保持（暫停）。另外，開關(guān)鍵裝數(shù)LD低電平有效時(shí)，則立即預(yù)置輸出變量QH3.Q0和QL3.Q0為0011和0000，即裝數(shù)功能有效，在CR=0時(shí)，重新裝數(shù)。另外，由開關(guān)鍵輸入清零（CR=0）低電平信號(hào)時(shí)，能直接致使減時(shí)計(jì)數(shù)器復(fù)位并解除報(bào)警，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制功能

20、。仿真結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求，達(dá)到預(yù)期效果。（4） 洗衣機(jī)控制電路一、設(shè)計(jì)任務(wù)要求1. 洗衣機(jī)的狀態(tài)為待機(jī)5s正轉(zhuǎn)60s待機(jī)5s反轉(zhuǎn)60s，并用3個(gè)LED燈和7段顯示器分別表示其工作狀態(tài)和顯示相應(yīng)工作狀態(tài)下的時(shí)間。2. 可自行設(shè)定洗衣機(jī)的循環(huán)次數(shù)，這里設(shè)置最大的循環(huán)次數(shù)為15次。3. 具有緊急情況的處理功能。當(dāng)發(fā)生緊急情況時(shí)，立即轉(zhuǎn)入待機(jī)狀態(tài)，緊急情況解除后，繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)步驟。4. 洗衣機(jī)設(shè)定循環(huán)次數(shù)遞減到零時(shí)立即報(bào)警，以表示洗衣機(jī)設(shè)定的循環(huán)次數(shù)已經(jīng)結(jié)束。 二、設(shè)計(jì)方案1、設(shè)計(jì)框圖2、洗衣機(jī)控制電路I/O說明： CLK：系統(tǒng)時(shí)鐘 RD：直接清零 EN：暫停連續(xù)SET：設(shè)定洗衣機(jī)的循環(huán)次數(shù) CK_10

21、24：報(bào)警脈沖信號(hào)LAMP：洗衣機(jī)運(yùn)行狀態(tài)指示燈 COUNT：各狀態(tài)運(yùn)行時(shí)間計(jì)數(shù)器 TIMES：設(shè)定工作周期顯示并計(jì)數(shù) ALARM：報(bào)警信號(hào)Temp:狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制信號(hào) S1、S2、S3、S4：狀態(tài)值T：控制器產(chǎn)生的控制信號(hào)TA：報(bào)警信號(hào)C：清零信號(hào)3、該洗衣機(jī)的使用說明：(1)在EN為低電平時(shí)通過SET設(shè)定洗衣機(jī)循環(huán)工作的次數(shù)。(2)通過按鍵將EN置為高電平，啟動(dòng)洗衣機(jī)工作，以后可以通過EN暫停/工作。(3)若中途發(fā)生故障，可通過按鍵RD直接清零復(fù)位，帶清除故障后重新啟動(dòng)。(4)洗衣機(jī)結(jié)束工作，報(bào)警，可通過RD或者EN取消報(bào)警，將EN置為低電平即可重新設(shè)定工作次數(shù)。三、設(shè)計(jì)程序如下：modul

22、e washer(CLK,CLK_1024,SET,RD,EN,LAMP,COUNT,TIMES,ALARM); output7:0COUNT,TIMES; output3:0LAMP; output ALARM;input CLK,CLK_1024,EN,RD;input3:0SET; reg7:0num,tim; reg temp,C,ALARM;reg2:0count;reg7:0s1,s2,s3,s4; reg3:0LAMP; wire T,A;assign COUNT=num; / 計(jì)數(shù)器8421BCD / 碼輸出實(shí)現(xiàn) assign TIMES=tim;assign T=(count

23、=0&num=2&LAMP=2)|!EN|RD); /控制器產(chǎn)生的控制信號(hào)T assign A=(! tim&EN); / 報(bào)警信號(hào) always / 狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)置數(shù) begins1=8h60; s2=8h05; s3=8h60; s4=8h05; endalways(posedge CLK) / 控制器模塊 begin if(! RD) begin C=0;if(EN&!C) / 非暫停和清零 beginif(! temp&tim) begin;temp=1; case(count);0:begin num=s1;LAMP=4;count=1;end 1:begin num=s2;LAMP=2;count=2;end 2:begin num=s3;LAMP=1;count=3;end 3:begin num=s4;LA