生理刺激反應(yīng)時(shí)間測(cè)試儀

1、數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)課題：生理刺激反應(yīng)時(shí)間測(cè)試儀東華大學(xué)信息學(xué)院Xxxxxxxxxxx 第一章 設(shè)計(jì)指標(biāo) 第二章 系統(tǒng)概述 2.1設(shè)計(jì)思想 2.2可行性論證 2.3各功能的組成 2.4總體工作過(guò)程 第三章 單元電路設(shè)計(jì)與分析 3.1各單元電路的選擇 3.2設(shè)計(jì)及工作原理分析 第四章 電路的組構(gòu)與調(diào)試 4.1 遇到的主要問(wèn)題 4.2 現(xiàn)象記錄及原因分析 4.3 解決措施及效果 4.4 功能的測(cè)試方法、步驟、設(shè)備、記錄的數(shù)據(jù) 第五章 結(jié)束語(yǔ) 5.1對(duì)設(shè)計(jì)題目的結(jié)論性意見(jiàn)及進(jìn)一步改進(jìn)的意向說(shuō)明 5.2 總結(jié)設(shè)計(jì)的收獲與體會(huì) 附圖(電路圖、電路總圖) 參考文獻(xiàn) 第一章 設(shè)計(jì)指標(biāo)n 受試者可以按“刺激源選擇

2、”鍵選擇刺激信號(hào)是光或聲。n 當(dāng)受試者按“測(cè)試開(kāi)始”按鍵后，系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)，“準(zhǔn)備”燈亮，其他指示燈滅，顯示器顯示全零。n 測(cè)試儀在“準(zhǔn)備”燈亮后的110 s 時(shí)間內(nèi)隨機(jī)發(fā)出光刺激信號(hào)（“測(cè)試”燈亮）或聲刺激信號(hào)（蜂鳴器響），“準(zhǔn)備”燈滅。n 當(dāng)刺激信號(hào)發(fā)出后測(cè)試儀開(kāi)始計(jì)時(shí)，直到受試者按下“反應(yīng)”鍵停止計(jì)時(shí)時(shí)。計(jì)時(shí)單位為0.1 ms。n 以七段LED數(shù)碼管顯示時(shí)間測(cè)量值的高3位，最低位測(cè)量值進(jìn)行四舍五入處理，顯示值保持到新的測(cè)試開(kāi)始。n 受試者的反應(yīng)時(shí)間超過(guò) 999.5 ms，“溢出”燈亮指示，測(cè)試計(jì)數(shù)器立即停止計(jì)時(shí)，“測(cè)試”燈滅或蜂鳴器停，“溢出”燈持續(xù)發(fā)光直到下次測(cè)試開(kāi)始。n 若受試者在

3、刺激信號(hào)未發(fā)出前按“反應(yīng)”鍵，“違例”指示燈亮，“準(zhǔn)備”燈滅，并禁止刺激信號(hào)發(fā)出。第二章 系統(tǒng)概述2.1 設(shè)計(jì)思想分析設(shè)計(jì)要求可知，生理刺激反應(yīng)時(shí)間測(cè)試儀的基本功能是隨機(jī)產(chǎn)生刺激信號(hào)、計(jì)時(shí)顯示以及對(duì)受試者的操作進(jìn)行邏輯判斷。在數(shù)字邏輯電路中，計(jì)數(shù)器具有累計(jì)時(shí)鐘脈沖的作用，可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)延時(shí)或計(jì)時(shí)功能，所以生理刺激反應(yīng)測(cè)試儀的主要部件是計(jì)數(shù)器和邏輯控制電路。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要解決以下幾個(gè)問(wèn)題。 隨機(jī)信號(hào)的產(chǎn)生 最低位計(jì)數(shù)值得四舍五入處理 邏輯控制電路分析系統(tǒng)功能, 可以設(shè)置生理刺激反應(yīng)測(cè)試儀的主要控制信號(hào)為開(kāi)始信號(hào)start、準(zhǔn)備信號(hào)ready、隨機(jī)信號(hào)random、測(cè)試信號(hào)test、反應(yīng)信號(hào)resp

4、onse、測(cè)試計(jì)數(shù)器溢出信號(hào)overflow 和違例信號(hào)weili。若選擇下降沿有效的點(diǎn)觸鍵為“測(cè)試開(kāi)始”鍵和“反應(yīng)”鍵, 比如LP2900 開(kāi)發(fā)裝置上的PS1, PS2 鍵, 則start , response為相應(yīng)按鍵產(chǎn)生的負(fù)脈沖信號(hào)。Ready , test, response, overflow , weili 設(shè)置為觸發(fā)器產(chǎn)生的電平信號(hào)。系統(tǒng)電路根據(jù)控制功能劃分為刺激信號(hào)隨機(jī)產(chǎn)生、測(cè)試計(jì)時(shí)、顯示、邏輯控制、時(shí)基信號(hào)產(chǎn)生等5個(gè)模塊。其中隨機(jī)信號(hào)采用模N 的延時(shí)計(jì)數(shù)器、模M 的定時(shí)計(jì)數(shù)器及相應(yīng)的控制邏輯產(chǎn)生, 測(cè)試計(jì)數(shù)器采用可預(yù)置、有使能控制的4 級(jí)8421BCD 碼十進(jìn)制加計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)。

5、由于正常測(cè)試時(shí)間小于1 s, 所以時(shí)間計(jì)數(shù)值可以不經(jīng)鎖存直接顯示。時(shí)基電路是產(chǎn)生定時(shí)、延時(shí)、計(jì)時(shí)電路以及顯示掃描電路的時(shí)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(kāi)發(fā)裝置的基準(zhǔn)時(shí)鐘分頻獲得。2.2 可行性論證（硬件環(huán)境）生理刺激反應(yīng)時(shí)間測(cè)試儀的控制部分以FPGA 實(shí)現(xiàn), 光刺激信號(hào)由發(fā)光二極管產(chǎn)生、聲刺激信號(hào)由蜂鳴器產(chǎn)生?！皽y(cè)試開(kāi)始”按鍵和“反應(yīng)”按鍵選擇點(diǎn)觸鍵產(chǎn)生脈沖信號(hào)，刺激源選擇采用自鎖鍵產(chǎn)生電平信號(hào)。測(cè)量值采用3個(gè)七段LED 數(shù)碼管顯示，顯示方式由FPGA 開(kāi)發(fā)裝置決定。設(shè)計(jì)隨機(jī)脈沖發(fā)生模塊在DE2 開(kāi)發(fā)板或LP-900開(kāi)發(fā)裝置上實(shí)現(xiàn)。2.3各功能的組成2.

6、3.1 隨機(jī)信號(hào)的產(chǎn)生隨機(jī)信號(hào)是指控制條件滿足后脈沖出現(xiàn)時(shí)間無(wú)法確定的信號(hào)。如果以一個(gè)任意出現(xiàn)的控制電平去選通一個(gè)周期性定時(shí)出現(xiàn)的脈沖信號(hào), 由于脈沖出現(xiàn)的時(shí)間與控制電平有效的時(shí)間沒(méi)有任何關(guān)聯(lián), 當(dāng)控制信號(hào)有效后, 在定時(shí)周期時(shí)間范圍內(nèi)會(huì)隨機(jī)出現(xiàn)選通脈沖。在數(shù)字電路中, 計(jì)數(shù)器的溢出信號(hào)是循環(huán)定時(shí)產(chǎn)生的。比如, 計(jì)數(shù)器的模為M、計(jì)數(shù)脈沖頻率為1 s, 則計(jì)數(shù)器的溢出信號(hào)周期為M s, 信號(hào)寬度一般為1 s。若用一個(gè)電平信號(hào)通過(guò)邏輯門選通該計(jì)數(shù)器的溢出脈沖, 則當(dāng)控制電平有效后, 邏輯門的輸出在0 M s 之間產(chǎn)生隨機(jī)脈沖信號(hào)。同樣, 若用電平信號(hào)控制一個(gè)模為N、初始值為0、計(jì)數(shù)脈沖頻率為1 s

7、 的計(jì)數(shù)器使能端, 當(dāng)使能電平有效后, 計(jì)數(shù)器產(chǎn)生溢出信號(hào)的延時(shí)時(shí)間為N - 1 N s。2.3.2 測(cè)試計(jì)時(shí)器（最低位計(jì)數(shù)值的四舍五入處理）生理刺激反應(yīng)測(cè)試儀的時(shí)間測(cè)量為四位十進(jìn)制數(shù),而顯示值為三位十進(jìn)制數(shù)，最低位測(cè)量值要求進(jìn)行四舍五入處理。即當(dāng)最低位計(jì)數(shù)值小于5 時(shí), 高三位測(cè)量值直接顯示；當(dāng)最低位計(jì)數(shù)值大于4 時(shí)，高三位測(cè)量值加1 后顯示。數(shù)字電路中實(shí)現(xiàn)數(shù)值四舍五入的方法很多。本設(shè)計(jì)可以利用計(jì)數(shù)器的預(yù)置數(shù)功能，在測(cè)量前將測(cè)試計(jì)數(shù)器的初始值預(yù)置為5。這樣, 測(cè)試結(jié)束時(shí)的計(jì)數(shù)值是實(shí)際測(cè)量值加5。當(dāng)最低位測(cè)量值大于等于5 時(shí), 必然產(chǎn)生向高位的進(jìn)位, 實(shí)現(xiàn)了測(cè)量值的四舍五入功能。2.3.3 邏

8、輯控制電路邏輯控制電路的功能是根據(jù)按鍵信號(hào)控制延時(shí)、定時(shí)電路和測(cè)試計(jì)數(shù)器, 判斷受試者發(fā)出的反應(yīng)信號(hào)response 是否違例、測(cè)試計(jì)時(shí)是否溢出, 并根據(jù)各信號(hào)控制相應(yīng)的指示燈點(diǎn)亮。在生理刺激反應(yīng)測(cè)試儀中, 部分控制信號(hào)是互相關(guān)聯(lián)的, 比如A 信號(hào)使Q 信號(hào)置位, B信號(hào)使Q 信號(hào)復(fù)位。這樣的邏輯關(guān)系可以有很多方法實(shí)現(xiàn), 比如利用D 觸發(fā)器的同步觸發(fā)功能和異步復(fù)位功能: A 脈沖的上升沿觸發(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(fù)位。信號(hào)時(shí)序波形示例和參考電路原理如圖所示。2.3.4分頻器設(shè)計(jì)一個(gè)8級(jí)10分頻電路，將LP-2900實(shí)驗(yàn)裝置上的基準(zhǔn)時(shí)鐘10MHz分頻后輸出1

9、MHz，100kHz，10kHz，1kHz，100Hz，10Hz，1Hz和0.1Hz脈沖信號(hào)。 用7490構(gòu)成5421碼輸出的十分頻電路。 分析與綜合通過(guò)后，對(duì)1級(jí)50%占空比十分頻電路仿真。 再?gòu)?fù)制七個(gè)十分頻電路，輸入OSC（10MHz）信號(hào)，構(gòu)成1個(gè)一輸入、八輸出的電路。 分析與綜合通過(guò)后創(chuàng)建Div8邏輯符號(hào)。2.3.5 動(dòng)態(tài)掃描電路設(shè)計(jì)一個(gè)四位LED數(shù)碼顯示動(dòng)態(tài)掃描控制電路，顯示4位十進(jìn)制數(shù)或字母，要求顯示內(nèi)容可以通過(guò)按鍵切換。動(dòng)態(tài)掃描顯示控制的關(guān)鍵問(wèn)題在于產(chǎn)生順序脈沖分時(shí)選通各顯示器的公共端，并同步輸出其段控制信號(hào)。在本實(shí)驗(yàn)數(shù)字電路中，采用計(jì)數(shù)器控制二進(jìn)制譯碼器產(chǎn)生。采用LP-2900

10、開(kāi)發(fā)裝置，由于已在FPGA外部設(shè)置了38線譯碼器74138控制顯示器的公陰端，因此只要采用計(jì)數(shù)器產(chǎn)生二進(jìn)制計(jì)數(shù)信號(hào)控制譯碼器即能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示掃描。“七段顯示譯碼器”可以用真值表輸入方式。用真值表方法編輯AHDL文件。2.4 總體工作過(guò)程總體工作過(guò)程中，邏輯控制電路按控制要求產(chǎn)生各控制信號(hào), 根據(jù)系統(tǒng)工作原理,各信號(hào)時(shí)序關(guān)系如下:（1）“測(cè)試開(kāi)始”按鍵產(chǎn)生的star t 負(fù)脈沖觸發(fā)ready信號(hào)有效, 控制test , weili, overflow 無(wú)效, 并預(yù)置測(cè)試計(jì)數(shù)器初值。（2）ready 信號(hào)控制延時(shí)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù), 延時(shí)時(shí)間1 2 s。當(dāng)延時(shí)時(shí)間到, delay 信號(hào)有效。delay

11、 信號(hào)等待選通模M 定時(shí)計(jì)數(shù)器的溢出信號(hào)產(chǎn)生隨機(jī)脈沖random, 等待時(shí)間為0 M s。這樣, 隨機(jī)信號(hào)random比 測(cè)試開(kāi)始!按鍵的作用時(shí)間滯后1 M+ 2 s 出現(xiàn)。（3）當(dāng)隨機(jī)脈沖random 出現(xiàn)后, 觸發(fā)test 信號(hào)有效并控制ready , delay 信號(hào)無(wú)效。test 信號(hào)點(diǎn)亮“測(cè)試”燈或控制蜂鳴器鳴響, 并允許測(cè)試計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)時(shí)。( 4) 當(dāng)“反應(yīng)”鍵按下后, 產(chǎn)生response 負(fù)脈沖, 使test 信號(hào)無(wú)效, 測(cè)試計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。( 5) 若反應(yīng)時(shí)間超過(guò)999. 5 s, 測(cè)試計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的溢出脈沖觸發(fā)overflow 信號(hào)有效。overflow 信號(hào)控制測(cè)試計(jì)數(shù)器停

12、止計(jì)數(shù)。( 6) 若test 信號(hào)無(wú)效時(shí)按下“反應(yīng)”鍵, response 脈沖觸發(fā)weili 信號(hào)有效, 并控制ready 信號(hào)無(wú)效。weili信號(hào)禁止隨機(jī)脈沖產(chǎn)生, test 信號(hào)始終無(wú)效。生理刺激反應(yīng)時(shí)間測(cè)試儀的總體設(shè)計(jì)思想框圖如圖所示。第三章 單元電路設(shè)計(jì)與分析3.1.1隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器7490構(gòu)成了偽隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器，CLKA端輸入1HZ脈沖信號(hào)，QD端輸出0.1HZ脈沖信號(hào)，周期為10 s ，即偽隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器每10秒產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)。74161構(gòu)成一個(gè)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，與兩個(gè)D觸發(fā)器和一些邏輯門共同構(gòu)成延遲信號(hào)發(fā)生器。當(dāng)“測(cè)試開(kāi)始”按鍵按下后，上升沿脈沖使D觸發(fā)器輸出高電平，從而使741

13、61的使能端處于計(jì)數(shù)狀態(tài)，CLK輸入1HZ的時(shí)鐘脈沖信號(hào)，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)到2時(shí)，一方面通過(guò)非門使前一個(gè)觸發(fā)器清零，74161處于不工作狀態(tài)，并且清零，保證只產(chǎn)生一個(gè)延時(shí)信號(hào)；一方面使后一個(gè)D觸發(fā)器輸出高電平的延時(shí)信號(hào)。3.1.2 測(cè)試計(jì)時(shí)器（最低位計(jì)數(shù)值的四舍五入處理） 元件符號(hào)3.1.3 邏輯控制電路元件符號(hào)3.1.4 分頻器元件符號(hào)3.2 設(shè)計(jì)及工作原理分析輸入隨機(jī)信號(hào)發(fā)生模塊電路，建立仿真文件。改變start信號(hào)有效時(shí)段，觀察方針報(bào)告文件中隨機(jī)信號(hào)產(chǎn)生時(shí)間是否不同，隨機(jī)信號(hào)產(chǎn)生后delay信號(hào)能否保持。仿真通過(guò)后創(chuàng)建模塊符號(hào)。輸入邏輯控制模塊電路，建立仿真文件。根據(jù)正常、違例兩種情況分別設(shè)置

14、仿真文件的輸入信號(hào)start、response及random，觀察模塊輸出信號(hào)test、weili信號(hào)是否符合設(shè)計(jì)要求。仿真通過(guò)后創(chuàng)建模塊符號(hào)。輸入測(cè)試計(jì)數(shù)器模塊電路，建立仿真文件。觀察仿真結(jié)果：計(jì)數(shù)器能否正常進(jìn)位；最低位計(jì)數(shù)值能否四舍五入；計(jì)數(shù)器溢出后能否停止計(jì)數(shù)。建立頂層文件，調(diào)用底層各模塊，創(chuàng)建或?qū)敕诸l模塊和顯示控制模塊，連接整個(gè)系統(tǒng)電路。將測(cè)試及舒淇的輸出與顯示控制電路相連接，注意各信號(hào)為序關(guān)系。設(shè)計(jì)刺激源選擇電路，當(dāng)聲刺激信號(hào)有效時(shí)蜂鳴器可有脈沖頻率控制。分析與綜合通過(guò)后，根據(jù)所使用的實(shí)驗(yàn)裝置FPGA端口連接協(xié)議鎖定輸入輸出信號(hào)引腳編號(hào)，編譯通過(guò)后下載觀察設(shè)計(jì)效果。3.2 設(shè)計(jì)及工

15、作原理分析輸入隨機(jī)信號(hào)發(fā)生模塊電路，建立仿真文件。改變start信號(hào)有效時(shí)段，觀察方針報(bào)告文件中隨機(jī)信號(hào)產(chǎn)生時(shí)間是否不同，隨機(jī)信號(hào)產(chǎn)生后delay信號(hào)能否保持。仿真通過(guò)后創(chuàng)建模塊符號(hào)。輸入邏輯控制模塊電路，建立仿真文件。根據(jù)正常、違例兩種情況分別設(shè)置仿真文件的輸入信號(hào)start、response及random，觀察模塊輸出信號(hào)test、weili信號(hào)是否符合設(shè)計(jì)要求。仿真通過(guò)后創(chuàng)建模塊符號(hào)。輸入測(cè)試計(jì)數(shù)器模塊電路，建立仿真文件。觀察仿真結(jié)果：計(jì)數(shù)器能否正常進(jìn)位；最低位計(jì)數(shù)值能否四舍五入；計(jì)數(shù)器溢出后能否停止計(jì)數(shù)。建立頂層文件，調(diào)用底層各模塊，創(chuàng)建或?qū)敕诸l模塊和顯示控制模塊，連接整個(gè)系統(tǒng)電路。

16、將測(cè)試及舒淇的輸出與顯示控制電路相連接，注意各信號(hào)為序關(guān)系。設(shè)計(jì)刺激源選擇電路，當(dāng)聲刺激信號(hào)有效時(shí)蜂鳴器可有脈沖頻率控制。分析與綜合通過(guò)后，根據(jù)所使用的實(shí)驗(yàn)裝置FPGA端口連接協(xié)議鎖定輸入輸出信號(hào)引腳編號(hào)，編譯通過(guò)后下載觀察設(shè)計(jì)效果。第四章 電路的組構(gòu)與調(diào)試4.1 遇到的主要問(wèn)題 隨機(jī)信號(hào)產(chǎn)生不正確，當(dāng)隨機(jī)信號(hào)產(chǎn)生一次后，將會(huì)不斷產(chǎn)生，無(wú)法停止。 下載后顯示燈不亮。 計(jì)時(shí)器溢出不正確，計(jì)時(shí)器總在999.8ms時(shí)溢出。4.2 現(xiàn)象記錄及原因分析 由于隨機(jī)信號(hào)導(dǎo)通后，沒(méi)有反饋電路使其停止，因此會(huì)不停產(chǎn)生。 主文件沒(méi)有置頂 計(jì)時(shí)器第一個(gè)芯片為74161，之后用的是7490，溢出提前了一個(gè)脈沖。4.3