小型數(shù)字系統(tǒng)設計――健身自行車控制器

1、課程名稱:數(shù)字邏輯電路設計實踐實驗名稱:小型系統(tǒng)設計健身自行車控制器實驗:設計一個健身房使用的健身自行車控制器?？刂破鞯妮敵鲂盘柦oD/A轉(zhuǎn)換器,以控制自行車的阻力,從而改變訓練強度。輸入采用4×4鍵盤,顯示采用3位數(shù)碼管,其中最高位顯示訓練強度,低2位顯示時間?；竟δ?1、使用者騎上自行車時,控制器處于初始狀態(tài)。按“F”鍵啟動控制器,此時3位數(shù)碼管顯示“000”。2、用戶輸入從0到9中的任意數(shù)字,以改變訓練強度,按“E”鍵確認。選定的訓練強度顯示在數(shù)碼管的最高位。3、訓練強度選擇完成之后,數(shù)碼管低2位顯示“00”,即最長訓練時間為1分鐘。通過數(shù)字鍵盤輸入數(shù)字,以決定訓練的時間,輸入

2、時數(shù)字順序是從左到右。例如,輸入2、3應該在顯示器上顯示“23”,表示訓練時間被設定為60-23=37秒,如果輸入正確,按下“E”鍵確認。如果使用者輸錯了時間,可以按“C”清除,顯示恢復“00”的狀態(tài)。訓練時間輸入完成后,按下“F”鍵開始訓練。此時4位數(shù)碼管的低兩位顯示時間從輸入的時間值加計數(shù)到“00”。在最后10秒時,發(fā)光二極管亮1秒暗1秒。當計時到設定的時間,控制器恢復到初始狀態(tài),此時定時器是“00”,訓練強度為前面設定的值。實驗要求:1采用自頂向下的設計方法進行設計,畫出數(shù)據(jù)處理單元和控制單元框圖、控制單元的ASM圖、各單元模塊的電路圖;2行列式鍵盤設計請參考第四章有關內(nèi)容;3先獨立調(diào)試

3、各單元模塊,后聯(lián)機調(diào)試,要記錄和分析實驗結果;一、實驗設計1.控制單元的ASM圖InitializationInput=F?1Set strengthInput=E?1Ensure strengthInput=09?1Set First timeInput=09?1Set Second timeInput=C?1Input=E?Ensure time1Input=F?Start counting1Count=00?1控制單元ASM圖2、各單元模塊的電路圖A 鍵盤電路K1123A 456B 789C *#DU174LS194NA 3B 4C 5D 6SL 7QA 15QB 14QC 13QD12

4、SR 2CLR 1S09S110CLK11U2A 74LS20NVCC5VU574LS161NQA 14QB 13QC 12QD 11RCO15A 3B 4C 5D 6ENP 7ENT 10LOAD 9CLR 1CLK2U4A74LS74N1D21Q51Q61CLR 11CLK31PR 4U7A74LS04N VCC5VVCC5VU674LS161NQA 14QB 13QC 12QD 11RCO15A 3B 4C 5D 6ENP 7ENT 10LOAD 9CLR 1CLK2U3A74LS20DXFG1B ROM 狀態(tài)控制電路VCC 5V U574LS161NQA 14QB 13QC 12QD

5、11RCO15A 3B 4C 5D 6ENP 7ENT 10LOAD 9CLR 1CLK2U674LS161NQA 14QB 13QC 12QD 11RCO15A 3B 4C 5D 6ENP 7ENT 10LOAD 9CLR 1CLK2ROM27C128-12LA928A829A74A47A56A65A38A110A29A011OE 25CE23A1024O013O114O215O318O419O520O621O722PGM 31A1127A123A1330U974LS161NQA14QB 13QC 12QD 11RCO 15A3B 4C 5D 6ENP 7ENT 10LOAD 9CLR 1C

6、LK2U1374LS138DY015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y77A 1B 2C 3G16G2A 4G2B5狀態(tài)寄存譯碼器控制輸出C數(shù)據(jù)處理部分U827C128-12LA928A829A74A47A56A65A38A110A29A011OE 25CE23A1024O013O114O215O318O419O520O621O722PGM 31A1127A123A1330U974LS161N QA14QB 13QC 12QD 11RCO 15A3B 4C 5D 6ENP 7ENT 10LOAD9CLR 1CLK 2U1074LS161N QA 14QB 13QC 12QD 11

7、RCO15A 3B 4C 5D 6ENP 7ENT 10LOAD 9CLR 1CLK2U1174LS161NQA 14QB 13QC 12QD 11RCO15A 3B 4C 5D 6ENP 7ENT10LOAD 9CLR 1CLK2U1274LS161NQA 14QB 13QC 12QD 11RCO15A 3B 4C 5D 6ENP 7ENT 10LOAD 9CLR 1CLK2VCC 5V VCC 5VVCC5VU1374LS138DY015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y77A 1B 2C 3G16G2A 4G2B5U14A 74LS04N U15A 74LS00DU16A

8、74LS04N U17A 74LS00DU18A 74LS00DU19A 74LS04NU20A 74LS00DU21B 74LS20DU22A 74LS04N U23B74LS20D U24A 74LS04NU3074LS153D2Y92C0102C1112C2122C313A 14B 21G 11Y71C061C151C241C332G15XFG21HzXFG3100Hz強度時間高位時間低位D 總的設計二、電路調(diào)試本電路主要分為四部分,鍵盤掃描輸入輸出部分,ROM 狀態(tài)切換控制部分,三個計數(shù)器存儲計數(shù)部分,LED 燈控制部分; 下面是調(diào)試過程中過程遇到的實際問題以及自己的解決方法: 首先是

9、對鍵盤掃描電路的調(diào)試,發(fā)現(xiàn)100Hz 掃描型號輸入正確,按鍵時輸出地址正確,該電路內(nèi)儲存地址的兩個74LS161計數(shù)器也實現(xiàn)了儲能功能,所以開始調(diào)試ROM 狀態(tài)切換控制電路部分。 ROM 狀態(tài)切換控制電路的問題如下:1 用于儲存狀態(tài)的74LS161在按鍵過程中總是出現(xiàn)紊亂,沒有儲存住。原先設計的電路圖中ROM 部分四位狀態(tài)的存儲74LS141計數(shù)器加的時鐘信號為100Hz ,結果按F鍵清零后,始終無法設置強度。用邏輯分析儀分析發(fā)現(xiàn)ROM 狀態(tài)在自動切換!這是一個非常低級的錯誤該存儲器的時鐘頻率應該是受按鍵控制,即按一次鍵狀態(tài)轉(zhuǎn)換一次,而不是100Hz 自動切換。 解決方法很簡單,只是將鍵盤控制

10、電路中的D 觸發(fā)器(沒按一次鍵產(chǎn)生一個上升沿的輸出接到該存儲計數(shù)器的時鐘信號端。測試發(fā)現(xiàn)存儲狀態(tài)穩(wěn)定。K1123A 456B 789C*#DU174LS194NA 3B 4C 5D 6SL 7QA 15QB 14QC 13QD12SR 2CLR 1S09S110CLK11U2A 74LS20N VCC 5VVCC5VVCC5VU574LS161NQA 14QB 13QC 12QD 11RCO15A 3B 4C 5D 6ENP 7ENT 10LOAD 9CLR 1CLK2U4A74LS74N1D21Q51Q61CLR 11CLK31PR 4U7A74LS04N U674LS161NQA 14QB

11、 13QC 12QD 11RCO15A 3B 4C 5D 6ENP 7ENT 10LOAD 9CLR 1CLK2U3A74LS20DXFG1U827C128-12LA928A829A74A47A56A65A38A110A29A011OE 25CE23A1024O013O114O215O318O419O520O621O722PGM 31A1127A123A1330U974LS161N QA14QB 13QC 12QD 11RCO 15A3B 4C 5D 6ENP 7ENT 10LOAD9CLR 1CLK 2U1074LS161NQA 14QB 13QC 12QD 11RCO15A 3B 4C 5

12、D 6ENP 7ENT 10LOAD 9CLR 1CLK2U1174LS161NQA 14QB 13QC 12QD 11RCO15A 3B 4C 5D 6ENP 7ENT 10LOAD 9CLR 1CLK2U1274LS161NQA 14QB 13QC 12QD 11RCO15A 3B 4C 5D 6ENP 7ENT 10LOAD 9CLR 1CLK2VCC 5V U1374LS138DY015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y77A 1B 2C 3G16G2A 4G2B5500Hz U14A 74LS04N U15A 74LS00DU16A74LS04N U17A 74LS00

13、DU18A 74LS00DU19A74LS04NU20A 74LS00DU21B 74LS20DU22A 74LS04N VCC 5VU23B74LS20D VCC5VU24A 74LS04NU25A74LS20DU26A 74LS04NLED1U27DCD_HEX_DIG_GREENU28DCD_HEX_DIG_GREENU29DCD_HEX_DIG_GREENU3074LS153D2Y 92C0102C1112C2122C313A 14B 21G 11Y71C061C151C241C332G15XFG21HzXFG3100Hz強度時間高位時間低位強度時間低位時間高位LED 燈2ROM狀態(tài)切

14、換時,有時會無法清零,各項操作都無法進行。這個問題具體是這樣的:當你開啟電源后,按鍵F開始實驗后,它并沒有清零,或者原來就是零,按下F后無法繼續(xù)設置強度。這個問題出現(xiàn)的原因是設計時默認假設不準確:原先設計時一直默認開啟電源后電源就達到初始狀態(tài)0000,而實際情況是開啟電源后各計數(shù)器(用作寄存器的初始狀態(tài)是隨機的,并不一定是0000。比如某次開啟電源時出現(xiàn)的初始狀態(tài)是1000,那么按下F時,輸出的下一個狀態(tài)一定是1111(由于僅使用00000111八個狀態(tài),因次其他狀態(tài)對應的ROM輸出未進行改寫,默認為FF,那豈不是永遠無法到達0000初始狀態(tài)。問題的解決辦法有兩個:手動清零,重寫ROM。手動清

15、零是指開啟電源后,手動使狀態(tài)寄存器清零端接地,狀態(tài)自動切換到0000;重寫ROM是指用00來填充ROM中未使用的狀態(tài)輸出(默認是FF,從而一開機便進入初始狀態(tài)。這有個問題就是可能初始狀態(tài)是00000111中一個就無法實現(xiàn)了,因次采用第一種方法,測試后解決這一問題。3設置時間強度第一位時,發(fā)現(xiàn)第二位自動設置這個問題具體是這樣的,當你確認強度后,輸入時間時間高位2時,數(shù)碼管上兩個時間同時顯示22,而本來是應該只改變時間高位的。問題出現(xiàn)后首先想到的當然是ROM是否編寫錯誤,但是上面已經(jīng)檢查過ROM了,因次排除了這方面的可能。原理上分析,既然時間地位設置上去了,必然說明時間低位說對應的寄存器的load

16、置數(shù)端有效了,這只可能在狀態(tài)0101,但是時間高位輸入后狀態(tài)是0100!問題就出在這里!由于鍵盤電路會儲存上一次按鍵產(chǎn)生的地址,因次ROM輸入的地址八位在時間高位2輸入后就一直在(下一次鍵盤再輸入時才改變,所以ROM一位是鍵盤又輸入了一個2,就把狀態(tài)改為0101。這同時說明了上升沿是有一個過程的,并不是在一瞬間完成的(因為在這種情況下,一個上升沿實現(xiàn)了兩次狀態(tài)轉(zhuǎn)化,這在實驗之前我根本沒想過,而整個思想在下面問題中也同樣會出現(xiàn)。這個問題解決是通過改變鍵盤電路的D觸發(fā)器的輸入時鐘頻率為500Hz 做到的,但是有時候還是會出現(xiàn)一兩次同時置數(shù),所以還在考慮更好的方法。(注:和我實驗電路設計類似的同學有

17、好幾位,但只有三位同學有這個情況,所以一直在考慮是否是硬件出問題4有時設置完時間后使用C清零時,將時間、強度都清零了這個問題用狀態(tài)來描述是這樣的,有時輸入時間結束后狀態(tài)為0101,按鍵C清零按原理是直接回到狀態(tài)0011,從而對兩個時間進行清零,但是實際情況是把強度為也順帶清零了,而強度只有可能在0001狀態(tài)才能清零的。這個理論上不可能出現(xiàn)的問題出現(xiàn)了,我分析電路、ROM可能出錯的地方,沒找到錯誤。后聯(lián)想到計邏課上黃老師曾講到“狀態(tài)轉(zhuǎn)換時,最好的方法是使用安全碼”,這才讓我猛然領悟:在狀態(tài)變化過程中各位的變化不是同時的(雖然ROM是按地址查找,并行輸出,但也一定存在時間差,也就是說會出現(xiàn)中間態(tài)。

18、在本次按C鍵后進行的狀態(tài)轉(zhuǎn)換中,由0101變?yōu)?011過程中可能會出現(xiàn)0001,0111兩種中間狀態(tài),而0001就是初始后按鍵F后對各位清零的狀態(tài),所以有時候按鍵C時會出現(xiàn)全部清零。解決這個問題的方法是使用安全碼,而不讓其直接轉(zhuǎn)換,由0101按鍵C 后先讓其變?yōu)?111,再變?yōu)?011,這樣就不會出現(xiàn)0001這個狀態(tài)。但是當初這樣解決的時候還擔心一點,就是一個始終上升沿能否保證進行兩次狀態(tài)轉(zhuǎn)換,因為如果不保證這個的話,我的狀態(tài)轉(zhuǎn)換就會有問題。于是我改寫了ROM重新進行實驗,發(fā)現(xiàn)不再出現(xiàn)這個問題,所以上述那個假定還是滿足的。調(diào)試完ROM控制電路部分后,進行調(diào)試數(shù)據(jù)處理、存儲部分計數(shù)器。1計數(shù)器實

19、現(xiàn)模60方法錯誤這是一個邏輯錯誤,當時采用低位逢10進位,同時異步清零。實驗中發(fā)現(xiàn)時間總是在2029重復計數(shù),時間高位根本沒有進位,原因是10出現(xiàn)時馬上進行異步清零,所以就沒有進位信號,無法實現(xiàn)進位。解決方法是使用逢9產(chǎn)生進位信號,逢10異步清零。問題解決。2時間到達00后將時間強度一并清零。這個問題當初設計的時候是這樣處理的:計數(shù)計到00時,使ROM中的狀態(tài)寄存器異步清零,直接回到0000。這樣處理主要是少考慮了一個問題:鍵盤電路模塊中會把上一次的按鍵寄存在兩個寄存器內(nèi),也就是相當與上次計數(shù)開始按鍵的F一直保存在寄存器內(nèi),當計數(shù)寄到零的時候,狀態(tài)切換到0000,而鍵盤地址輸出仍然為F鍵對應的輸出,兩個一作用相當于又按下鍵F,狀態(tài)自動變?yōu)?001,對強度位進行清零,所以導致出錯。分析找到原因后,解決方法很簡單:在計數(shù)至00時,不僅把狀態(tài)寄存器清零,同時也把鍵盤電路中的兩個地址寄存器異步清零。操作改進之后,問題解決。最后是調(diào)試LED燈,發(fā)現(xiàn)沒有錯誤。進行整體調(diào)試,發(fā)現(xiàn)沒有錯誤。本次實驗結束。附:ROM燒制:地址(hex 數(shù)據(jù)(hex077 F107B,07D,07E F00B7,0BB,0BD,0BE F00D7,0DB,0