數(shù)字邏輯課程設(shè)計報告猜數(shù)字游戲

1、滁州學(xué)院課程設(shè)計報告課程名稱： 數(shù)字邏輯課程設(shè)計 設(shè)計題目： 猜數(shù)字游戲的設(shè)計 院 部： 計算機(jī)與信息工程 專 業(yè)： 網(wǎng)絡(luò)工程 組 別： 第五組 起止日期: 2012年5月28日 2012年6月15日 指導(dǎo)教師: 張永定 計算機(jī)與信息工程學(xué)院二一二年、課程設(shè)計題目猜數(shù)字游戲的設(shè)計組長嚴(yán)盼盼學(xué)號2011211329班級網(wǎng)工112班院部計算機(jī)與信息工程專業(yè)網(wǎng)絡(luò)工程組員武倩 閆靜 周晶晶 夏艾指導(dǎo)教師張永定課程設(shè)計目的1.設(shè)計一個具有用保存用來進(jìn)行比較的數(shù)據(jù)，輸入新的數(shù)據(jù)通過比較器與保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，用計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)統(tǒng)計功能的電路。2.通過此次實(shí)驗加深對所學(xué)數(shù)電知識的運(yùn)用。3.鍛煉Multisim

2、 10的仿真能力和硬件調(diào)試能力。課程設(shè)計所需環(huán)境硬件環(huán)境：微型計算機(jī)軟件環(huán)境：Windows XP Multisim 10課程設(shè)計任務(wù)要求1.猜數(shù)字游戲由若干個按鍵、若干個發(fā)光二極管。2.輸入為六位二進(jìn)制數(shù)，與正確值進(jìn)行比較，判斷得出結(jié)果。3.如果出現(xiàn)連續(xù)5次猜錯，則紅燈亮，表示游戲結(jié)束。4.游戲開始時，可以對存儲值進(jìn)行設(shè)置。課程設(shè)計工作進(jìn)度計劃序號起止日期工 作 內(nèi) 容分工情況15.286.2課程內(nèi)容介紹和查找資料嚴(yán)盼盼 ：介紹課程內(nèi)容武倩、閆靜、周晶晶、夏艾：查找資料26.36.6設(shè)計總體思路，基本原理和框圖嚴(yán)盼盼 ：分析數(shù)字電路所需的芯片36.76.10單元電路設(shè)計嚴(yán)盼盼：對電路進(jìn)行總設(shè)

3、計武倩、閆靜、周晶晶：負(fù)責(zé)了解各芯片功能夏艾：負(fù)責(zé)連接線路46.116.12搭建仿真電路并進(jìn)行測試，調(diào)試電路嚴(yán)盼盼 、 周晶晶 ：搭建電路武倩、閆靜、夏艾：故障分析并進(jìn)行改進(jìn)56.136.15整理文檔與總結(jié)武倩：負(fù)責(zé)整理文檔指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日系（教研室）審核意見：系（教研室）主任簽字： 年 月 日課程設(shè)計任務(wù)書目錄1 引言42 需求分析42.1.題目42.2.設(shè)計要求與目的42.3.設(shè)計思想概述42.3.1器件選擇42.3.2系統(tǒng)分析52.4運(yùn)行環(huán)境53 概要設(shè)計64 詳細(xì)設(shè)計64.1完成此實(shí)驗需要的芯片及其功能64.2實(shí)驗步驟85 調(diào)試與操作說明96 課程設(shè)計總結(jié)與體會137 致謝1

4、38 參考文獻(xiàn)149 附錄141 引言當(dāng)今社會中，數(shù)字時代已經(jīng)成為一種現(xiàn)實(shí)，并且無時無刻不在影響著人們的日常生活，作為數(shù)字世道最基本的課程數(shù)字電子電路，更無疑具有著基礎(chǔ)的作用，而數(shù)字電路課程設(shè)計便是培養(yǎng)這種能力，掌握這門課程的一種很好的實(shí)踐，更是對培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的實(shí)際動手能力，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗作風(fēng)有著重要的意義。數(shù)字游戲設(shè)計作為近年來快速發(fā)展的新興學(xué)科，具有前沿性、交叉性等特征，具有其自身的技術(shù)要求、藝術(shù)特性和創(chuàng)新規(guī)律，具有成熟的學(xué)科基礎(chǔ)和明確的學(xué)科定位，已經(jīng)具備設(shè)立獨(dú)立專業(yè)的基本條件。而筆者立足于數(shù)字邏輯這門課程的知識體系，力求通過本學(xué)科的一些知識對猜數(shù)字游戲顯示電路進(jìn)行模擬和作出一些分析改

5、進(jìn)。希望通過本次設(shè)計實(shí)踐，達(dá)到三個目的，一是用已學(xué)的知識對猜數(shù)字游戲控制電路進(jìn)行詳盡的分析與模擬；二是鍛煉自己的動手實(shí)踐能力；三是在設(shè)計進(jìn)行中進(jìn)行模塊劃分，培養(yǎng)我們的模塊化設(shè)計意識，同時加強(qiáng)團(tuán)隊合作能力。2 需求分析2.1 題目：猜數(shù)字游戲的設(shè)計2.2 設(shè)計要求與目的： 猜數(shù)字游戲由若干個按鍵、若干個發(fā)光二極管。 輸入為六位二進(jìn)制數(shù)，用單刀雙擲開關(guān)來輸入，當(dāng)輸入結(jié)束后，按確認(rèn)鍵進(jìn)行比較，如果與存儲的數(shù)字相同則綠燈亮，如果輸入比存儲值大，則藍(lán)燈亮，如果輸入比存儲值小，則黃燈亮，可以繼續(xù)輸入數(shù)字并驗證。 如果出現(xiàn)連續(xù)5次猜錯，則紅燈亮，表示游戲結(jié)束。 戲開始時，可以對存儲值進(jìn)行設(shè)置分析。2.3 設(shè)

6、計思想概述:器件選擇 放置8個單刀雙擲開關(guān)：其中6個開關(guān)既用來送值給寄存器，又同時完成輸值猜數(shù)功能；再用一個開關(guān)來實(shí)現(xiàn)上升沿觸發(fā)完成送數(shù)功能；有一個開關(guān)也是實(shí)現(xiàn)上升沿觸發(fā)實(shí)現(xiàn)計數(shù)統(tǒng)計功能，同時此開關(guān)通過上升沿的觸發(fā)將比較器中的比較結(jié)果送到存儲器中（開關(guān)的一次打開就完成一次猜值的輸入比較并實(shí)現(xiàn)上升沿的觸發(fā)完成計數(shù)）。 需對正確數(shù)字（也就是存儲值、擬定為48）的存儲，所以采用基本寄存器（4邊沿D觸發(fā)器74LS175D）對數(shù)據(jù)48進(jìn)行存儲；由于是6位二進(jìn)制數(shù)，所以需用2個基本寄存器進(jìn)行級聯(lián)使用。 要完成存儲數(shù)與所猜數(shù)的比較判斷，所以采用4位數(shù)值比較器（74LS85N）；同時是6位二進(jìn)制數(shù)與6位二進(jìn)制

7、數(shù)之間的比較，所以需用2個4位數(shù)值比較器進(jìn)行級聯(lián)使用。 需對所猜值次數(shù)的統(tǒng)計，所以采用4位二進(jìn)制同步加法計數(shù)器（74161N）來完成計數(shù)功能。 分別用三個燈泡（藍(lán)綠黃各一個）來顯示輸值與存儲值得大小關(guān)系，再用一個紅燈泡來判斷是否猜錯5次。（電路中又外加4個橙色的燈泡來顯示計數(shù)時的逐步累加情況）。 用一個與門來連接到計數(shù)器上OA與OC的引腳上，來集成數(shù)值5（101）。 用一個非門來連接綠燈和計數(shù)器上的端，因為一旦綠燈亮表明猜對，計數(shù)器就沒有必要顯示，讓其清零，而綠燈不亮通過非門的取反作用就保證了CLK端接高電平，具有計數(shù)功能。 因為猜值的過程中，應(yīng)按照先猜數(shù)計數(shù)最后再顯示結(jié)果的過程，所以在放置一

8、個基本寄存器（4邊沿D觸發(fā)器74LS175D）在比較器的輸出端，這樣開關(guān)Key=Y由低電平到高電平就先完成了猜數(shù)值的計數(shù)，再實(shí)現(xiàn)了兩值的比較。系統(tǒng)分析用開關(guān)Key=6、5、4、3、2、1分別存儲由高到低存儲6位二進(jìn)制數(shù)。假如設(shè)置存儲的數(shù)值為110000，則可能的結(jié)果有：表21Y654321S燈泡顏色猜字結(jié)果說明01100000值未送入寄存器，比較器中A=48，B=001100000->1值送入寄存器，比較器中A=48，B=480->11110001藍(lán)燈偏大猜錯了輸值是56，比較器中A=56，B=48，計數(shù)器加1，計為10->11010001黃燈偏小猜錯了輸值是40，比較器中A

9、=40，B=48，計數(shù)器加1，計為20->11111001藍(lán)燈偏大猜錯了輸值是60，比較器中A=60，B=48，計數(shù)器加1，計為310->10101001黃燈偏小猜錯了輸值是20，比較器中A=20，B=48，計數(shù)器加1，計為40->11001111黃燈偏小猜錯了,累計5次，游戲結(jié)束輸值是39，比較器中A=39，B=48，計數(shù)器加1，計為520->11100001綠燈猜對了，游戲結(jié)束輸值是48，比較器中A=48，B=48，計數(shù)器清零2.4運(yùn)行環(huán)境軟件環(huán)境：windows xp Multisim10 硬件環(huán)境：微型電腦3 概要設(shè)計整個系統(tǒng)包括控制單元、信息處理單元1、信息處

10、理單元2、信息處理單元3、存儲單元和顯示單元五個邏輯部分。控制單元有：開關(guān)；信息處理單元1有：計數(shù)器和非門；信息處理單元2有：集成數(shù)值比較器和輸入猜字的值的開關(guān)；信息處理單元3有：計數(shù)器；存儲單元有：集成寄存器和輸入存儲值的開關(guān)；顯示單元有：亮不同顏色的燈泡顯示、猜字結(jié)果大小的顯示、游戲結(jié)束的顯示。 圖3-1 系統(tǒng)總設(shè)計框圖正如圖3-1系統(tǒng)框圖所示，控制單元只執(zhí)行兩項任務(wù)：輸入存儲的數(shù)值和輸入猜的數(shù)值；信息處理單元1：主要是對輸入的次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計；信息處理單元2：主要是對猜的數(shù)值和儲存的數(shù)值進(jìn)行比較大??；信息處理單元3：主要是控制顯示單元的燈泡亮和滅，起到監(jiān)督作用；存儲單元：主要是將輸入的數(shù)值儲

11、存起來并將其送到比較器中；顯示單元則執(zhí)行各個部分的顯示功能，例如：猜的數(shù)值過大，則藍(lán)燈亮，連續(xù)五次猜字過后紅燈亮了，則表明游戲結(jié)束了。4 詳細(xì)設(shè)計該猜數(shù)字游戲的設(shè)計是利用寄存器存儲功能，比較器比較數(shù)據(jù)，計數(shù)器對比較結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計，從而實(shí)現(xiàn)猜數(shù)字游戲的設(shè)計功能。4.1完成此實(shí)驗需要的芯片及其功能74161N同步4位二進(jìn)制加法計數(shù)器：CLK是輸入計數(shù)脈沖，也就是加到各個觸發(fā)器的時鐘信號端的時鐘脈沖，CLR是清零端；LOAD是置數(shù)控制端；ENP和ENT是兩個計數(shù)器工作狀態(tài)控制端；A-D是并行輸入數(shù)據(jù)端；RCO是進(jìn)位信號輸出端；QA-QD是計數(shù)器狀態(tài)輸出端。如圖4-1所示： 圖4-1同步加法計數(shù)器741

12、61N芯片引腳圖表4-1 同步加法計數(shù)器74161N狀態(tài)表 輸 入 輸 出注ENPENTCLKABCDQAn+1QBn+1QCn+!QDn+1CO00清零置數(shù)00 0 0 0a b c d計數(shù)保持保持10*111111011074LS175D的的寄存器：它在確定的時間（IS）內(nèi)計數(shù)器的計數(shù)結(jié)果（被測信號頻率）必須經(jīng)寄存后才能獲得穩(wěn)定的顯示值。寄存器的作用是通過觸發(fā)脈沖控制，將測得的數(shù)據(jù)寄存起來，送顯示譯碼器，寄存器為使數(shù)據(jù)穩(wěn)定，最好采用邊沿觸發(fā)方式的器件。圖4-24邊沿D觸發(fā)器74LS175D芯片引腳圖如圖4-2所示，在設(shè)計中我們采用了74LS175,74LS175是用四個D觸發(fā)器組成的四位寄

13、存器，用以存儲4位二進(jìn)制數(shù)，在cp上升沿到達(dá)時1D4D端狀態(tài)被同時到各個觸發(fā)器中，形成1Qn+14Qn+1狀態(tài)。RD為異步清零控制端。當(dāng)RD=0時，不需要和cp同步，就可以完成寄存器1Q4Q清零工作。工作原理：4邊沿D觸發(fā)器74175，74LS175的狀態(tài)表如表4-2所示：表4-2 74LS175的狀態(tài)表輸 入輸 出注置零送數(shù)CLR CTK 1D 2D 3D 4D1Qn+1 2Qn+1 3Qn+1 4Qn+10 1 d1 d2 d3 d4 0 0 0 0d1 d2 d3 d4 清零=0，異步清零。無論寄存器中原來的內(nèi)容是什么，只要=0，就立即通過異步輸入端將4個邊沿D觸發(fā)器都復(fù)位到0狀態(tài)。 送

14、數(shù)當(dāng)CR=1時CLK上升沿送數(shù)。無論寄存器中原來存儲的數(shù)碼是什么，在=1時，只要送數(shù)控制時鐘脈沖CLK上升沿到來，加在并行數(shù)碼端輸入的數(shù)碼d1d4馬上就被送入寄存器中，即1Qn+1=d02Qn+1=d1 CLK上升沿時刻有效3Qn+1=d24Qn+1=d3 B保持當(dāng)=1，CLK上升沿以外時間，寄存器保持內(nèi)容不變，即各個輸出端Q，Q的狀態(tài)與d無關(guān)，都將保持不變。用邊沿D觸發(fā)器做寄存器，其D端具有很強(qiáng)的抗干擾能力。74LS85N比較器：比較方法，輸出輸入之間因果關(guān)系分析。從最高位開始比較，依次逐位進(jìn)行，直到比較出結(jié)果為止。 若A3 >B3,則A>B,L=1、G=M=0。 當(dāng)A3=B3即

15、G3=1時，若A2>B2則A>B,L=1、G=M=0。 當(dāng)A3=B3、A2=B2即G3=G2=1時，若A1>B1則A>B,L=1、G=M=0。 當(dāng)A3=B3、A2=B2、A1=B1即G3=G2=G1時，若A0B0則AB，L1、G=M=0。對AB即L1，上述四種情況是或的邏輯關(guān)系 只有當(dāng)A3=B3、A2=B2、A1=B1、A0=B0即G3=G2=G1=G0=1時，才會有A=B即G=1。顯然，對于A=B即G=1，G3、G2、G1、G0是與的邏輯關(guān)系。 如果A不大于B也不等于B，即L=G=0時，則A必然小于B，即M=1。表4-3 74LS85N比較器狀態(tài)表輸入輸出A3 B3A

16、2 B2A1 B1A0 B0A>BA<BA=BFA>BFA<BFA=B A3>B3X100 A3< B3X010A3= B3A2>B2100A3= B3A2<B2010A3= B3A2=B2A1>B1100A3= B3A2=B2A1<B1010A3= B3A2=B2A1=B1A0>B0100A3= B3A2=B2A1=B1A0<B0010A3= B3A2=B2A1=B1A0=B0100100A3= B3A2=B2A1=B1A0=B0010010A3= B3A2=B2A1=B1A0=B01001A3= B3A2=B2A1=B

17、1A0=B0110000A3= B3A2=B2A1=B1A0=B00001104.2實(shí)驗步驟 運(yùn)用一個SPDT開關(guān)和一個74LS04D非門組成一個脈沖信號，來完成一次輸值和計數(shù)。 運(yùn)用兩個74LS85N芯片4位數(shù)值比較器級聯(lián)組成一個8位集成數(shù)值比較器來實(shí)現(xiàn)6位二進(jìn)制數(shù)的比較，再運(yùn)用三個藍(lán)綠黃不同顏色的燈泡表示比較得到的結(jié)果。 運(yùn)用兩個級聯(lián)組成一個8位集成寄存器，用來寄存所猜的正確數(shù)值。 再運(yùn)用一個74LS175D芯片4邊沿D觸發(fā)器來存儲比較的結(jié)果，通過Key=Y的觸發(fā)來送數(shù)存儲并顯示。 運(yùn)用一個74161N計數(shù)器、一個74LS08D與門、一個74LS04D非門和一個燈泡組成判斷猜字游戲是否結(jié)束

18、的標(biāo)志，同時用4個燈泡來清晰的觀察計數(shù)的統(tǒng)計情況。 當(dāng)通過調(diào)節(jié)開關(guān)使輸入的數(shù)值比寄存在寄存器中的數(shù)值大時，調(diào)節(jié)脈沖開關(guān)使其對寄存器產(chǎn)生一個上升沿，Key=Y的上升沿脈沖一到，這時連接在集成數(shù)值比較器上的藍(lán)燈將會發(fā)光。 當(dāng)通過調(diào)節(jié)開關(guān)使輸入的數(shù)值比寄存在寄存器中的數(shù)值相等時，調(diào)節(jié)脈沖開關(guān)使其對寄存器產(chǎn)生一個上升沿，Key=Y的上升沿脈沖一到，這時連接在集成數(shù)值比較器上的綠燈將會發(fā)光。 當(dāng)通過調(diào)節(jié)開關(guān)使輸入的數(shù)值比寄存在寄存器中的數(shù)值小時，調(diào)節(jié)脈沖開關(guān)使其對寄存器產(chǎn)生一個上升沿，Key=Y的上升沿脈沖一到，這時連接在集成數(shù)值比較器上的黃燈將會發(fā)光。 當(dāng)每次調(diào)節(jié)開關(guān)時，如果綠燈連續(xù)5次都沒亮，那么連

19、接在計數(shù)器上的清零端將不會發(fā)生作用，并且連接在計數(shù)器上的燈在每次下降沿到達(dá)時將會計數(shù)，當(dāng)?shù)谖宕尾伦志G燈沒亮?xí)r，計數(shù)器的輸出端為0101，此時連接在與門上的紅燈將會發(fā)光，表示猜字游戲結(jié)束。 當(dāng)在調(diào)節(jié)開關(guān)時，如果綠燈在不大于5次時發(fā)了光，即綠燈在紅燈沒亮之前亮了，表示猜字猜對了。5 調(diào)試與操作說明通過key=6、5、4、3、2、1六個開關(guān)向寄存器內(nèi)輸入數(shù)字，Key= S有0->1控制寄存器值的輸入，同時讓Key= S一直為1狀態(tài)，結(jié)合用這六個開關(guān)向內(nèi)送入數(shù)字與寄存器內(nèi)的數(shù)字進(jìn)行比較，且用另外一個寄存器存儲比較的結(jié)果。Key= Y用來控制計數(shù)器同時通過控制寄存器來顯示比較結(jié)果；四個橙色的燈用來

20、統(tǒng)計連續(xù)猜錯的次數(shù)，當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)五次猜錯時，紅燈亮。初始狀態(tài)：仿真開關(guān)閉合，六個單刀雙擲固定數(shù)48，Key=S接低電平時：（A=48，B=0）。圖5-1初始狀態(tài)送數(shù)：讓Key=S接高電平1，此時所猜的正確值48送到寄存器，同時傳給比較器：（A=48，B=48）。圖5-2送數(shù)第一次猜數(shù)：通過開關(guān)輸值56（111000），數(shù)值完成后讓Key=Y接高電平，計數(shù)器加1，計數(shù)器的值為1；同時藍(lán)燈亮，表示第一次猜錯了。圖5-3第一次猜數(shù)讓Key=Y接低電平，這就完成了一次輸入；同時方便了下一次的輸值猜數(shù)。第二次猜數(shù)：通過開關(guān)輸值40（101000），數(shù)值完成后讓Key=Y接高電平，計數(shù)器加1，計數(shù)器的值2；

21、同時黃燈亮，表示第二次也猜錯了。圖5-4第二次猜數(shù)讓Key=Y接低電平，這就完成了一次輸入；同時方便了下一次的輸值猜數(shù)。第三次猜數(shù)：通過開關(guān)輸值60（111100），數(shù)值完成后讓Key=Y由低電平接高電平，計數(shù)器加1，計數(shù)器的值3；同時藍(lán)燈亮，表示第三次也猜錯了。圖5-5 第三次猜數(shù)讓Key=Y接低電平，方便了下一次的輸值猜數(shù)。第一個分支：第四次猜數(shù)：通過開關(guān)輸值20（010100），數(shù)值完成后讓Key=Y由低電平接高電平，計數(shù)器加1，計數(shù)器的值4；同時黃燈亮，表示第四次也猜錯了。圖5-6 第四次猜數(shù)讓Key=Y接低電平，方便了下一次的輸值猜數(shù)。第五次猜數(shù)：通過開關(guān)輸值39（100111），數(shù)

22、值完成后讓Key=Y由低電平接高電平，計數(shù)器加1，計數(shù)器的值5；同時黃燈亮，此時紅燈亮，表示第五次也猜錯了，游戲結(jié)束。圖5-7 第五次猜數(shù)第二個分支：第六次猜數(shù)：通過開關(guān)輸值48（110000），數(shù)值完成后讓Key=Y由低電平接高電平，計數(shù)器加1，計數(shù)器的值4；此時綠燈亮，表示猜對了，表明游戲結(jié)束。圖5-8 第六次猜數(shù)6 課程設(shè)計總結(jié)與體會通過兩周來的課程設(shè)計實(shí)踐，主要有以下幾點(diǎn)總結(jié)和體會；這次設(shè)計是通過查閱各種資料、與同學(xué)討論以及獨(dú)立思考設(shè)計出來的。在設(shè)計過程中，用到了本學(xué)期所學(xué)過的移位寄存器74175N、二進(jìn)制同步加法計數(shù)器74161N和比較器74Ls85N。因此，對它們的功能和運(yùn)用有了更

23、深一步的了解。同時通過Multisim軟件對電路進(jìn)行模擬仿真，從而使設(shè)計結(jié)果得到了驗證。 通過這次課程設(shè)計環(huán)節(jié)，了解到模擬電路和數(shù)字電路之間的聯(lián)系，對單元功能電路的理解和運(yùn)用能力有了一定的提高。將理論與實(shí)踐相結(jié)合，知識的價值才會真正體現(xiàn)出來。但將所學(xué)的知識合理有效的應(yīng)用于實(shí)踐中，是很艱難的。但是面對困難我們需要勇氣和執(zhí)著。如果缺乏勇氣不能在挫折面前我們便會不知所措，不愿有所作為，這樣是不會有進(jìn)展的。一開始接觸這樣綜合性的電路實(shí)驗，心里很沒底，不知從何處著手。但是通過指導(dǎo)老師的指點(diǎn)和查閱一些資料便能漸漸理清思路。另外還想提一下的就是Multisim的使用，開始的時候?qū)ultisim很不熟悉，但是摸索一段時間，我們還是能用用它來進(jìn)行仿真設(shè)計的。當(dāng)然要進(jìn)行一項比較復(fù)雜的實(shí)踐時，光有勇氣還是不夠的，更加需要執(zhí)著地付出。我們組這次的前期設(shè)計過程是這樣的：先是看懂范例，然后是設(shè)計自己