基于復(fù)雜可編程邏輯器件的交通燈控制電路設(shè)計(jì)方案

- 146 - 基于復(fù)雜可編程邏輯器件的交通燈控制電路設(shè)計(jì)方案 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程 數(shù)字電路與系統(tǒng)由于其所實(shí)現(xiàn)的功能不同、應(yīng)用目的不同，從而使得它們內(nèi)部的電路結(jié)構(gòu)存在著很大的差異。數(shù)字電路與系統(tǒng)雖然千差萬別，但是它們之間也存在著許許多多的相同之處。 各種數(shù)字電路與系統(tǒng)之間的最大相同點(diǎn)是它們的設(shè)計(jì)過程。對于一個(gè)應(yīng)用電子系統(tǒng)，這個(gè)設(shè)計(jì)過程包括：設(shè)計(jì)目的和技術(shù)指標(biāo)的理解、設(shè)計(jì)方案的確定、系統(tǒng)的分解、單元電路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)連調(diào)、測量數(shù)據(jù)的分析以及設(shè)計(jì)總結(jié)。通常還需要向用戶提供使用手冊或者設(shè)計(jì)報(bào)告。使用手冊和設(shè)計(jì)報(bào)告之間 的區(qū)別為前者的撰寫重點(diǎn)為如何使用和維護(hù)系統(tǒng)；后者的重點(diǎn)是向用戶介紹系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)。 在大學(xué)里，學(xué)生需要參加一系列的實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)，例如各種實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)以及畢業(yè)設(shè)計(jì)等。這些實(shí)踐教學(xué)結(jié)束以后，學(xué)生需要提交相應(yīng)的報(bào)告。需要注意的是設(shè)計(jì)報(bào)告與實(shí)驗(yàn)報(bào)告的格式不同，其中的原因是實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證性的，通常會(huì)向?qū)W生提供實(shí)驗(yàn)電路、實(shí)驗(yàn)步驟和測量要求；后者只向?qū)W生提供設(shè)計(jì)要求，完成的具體過程由學(xué)生自己制定。 課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告的格式與數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)報(bào)告格式相似。這種報(bào)告的格式之一就是按照設(shè)計(jì)過程來撰寫。通過撰寫設(shè) 計(jì)報(bào)告加深對設(shè)計(jì)過程的理解和掌握，這點(diǎn)對一個(gè)學(xué)生來說更為重要。按照上述想法，設(shè)計(jì)報(bào)告應(yīng)包括以下部分：引言、方案論證、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、單元電路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)連調(diào)和數(shù)據(jù)分析、設(shè)計(jì)總結(jié)、附錄、參考文獻(xiàn)。 引言部分描述設(shè)計(jì)目的。本章設(shè)計(jì)的交通燈控制電路雖然也具有一定使用價(jià)值，但是這里的主要目的是通過設(shè)計(jì)過程學(xué)習(xí)如何把課本知識(shí)用于具體設(shè)計(jì)，即完成理論和實(shí)際的結(jié)合。鑒于這里已經(jīng)明確地說明設(shè)計(jì)目的，本章的后面內(nèi)容將不涉及這部分。 實(shí)現(xiàn)某一種系統(tǒng)功能或者技術(shù)指標(biāo)具有多種可行的設(shè)計(jì)方案，每一種設(shè)計(jì)方案都具有它自己的優(yōu)點(diǎn) 和缺點(diǎn)。不存在一種最好的設(shè)計(jì)方案，只有最佳的設(shè)計(jì)方案。方案論證的過程是一個(gè)折中的過程，設(shè)計(jì)者需要在所能實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)功能、技術(shù)指標(biāo)的精度、成本和所需要的技術(shù)條件的支持等方面進(jìn)行權(quán)衡。方案論證體現(xiàn)了設(shè)計(jì)者知識(shí)面的寬度。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是使復(fù)雜問題簡單化。通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)這個(gè)過程，設(shè)計(jì)者可以把數(shù)字系統(tǒng)劃分成一系列電路模塊。每個(gè)電路模塊實(shí)現(xiàn)一種獨(dú)立的功能，這樣不僅可以簡化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，而且方便多個(gè)設(shè)計(jì)者合作完成設(shè)計(jì)工作。對于一個(gè)剛開始學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)的學(xué)生，數(shù)字系統(tǒng)應(yīng)該分解成在教材中學(xué)習(xí)過的基本電路，這樣也可以進(jìn)一 步理解理論知識(shí)。 單元電路設(shè)計(jì)是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，把具體要求變?yōu)閷?shí)際的電路，并實(shí)現(xiàn)所要求的功能和技術(shù)指標(biāo)。如果單元電路對應(yīng)教材中學(xué)習(xí)過的基本電路，這時(shí)所進(jìn)行的步驟將與當(dāng)時(shí)進(jìn)行分析的步驟相反，即利用課本知識(shí)支持實(shí)際需要，又加深對以前知識(shí)的理解。 系統(tǒng)連調(diào)是在單元電路設(shè)計(jì)完成的基礎(chǔ)上，把分離的單元電路連接成完整的系統(tǒng)，并對其進(jìn)行測量。經(jīng)常出現(xiàn)的情況是單元電路工作正常，但是它們連接在一起卻不能正常工作。這時(shí)的調(diào)試重點(diǎn)應(yīng)放在電路之間的接口上，從信號(hào)的傳輸速率和帶載能力兩個(gè)方面來檢查。 - 147 - 像交通燈控制電路這樣的低速系統(tǒng) ，主要問題是帶載能力，例如當(dāng)一個(gè)芯片驅(qū)動(dòng)多個(gè)負(fù)載將使得輸出信號(hào)電壓下降，當(dāng)輸出高電平低于器件的最低高電平，后級電路工作將受影響。 交通燈控制電路的設(shè)計(jì)為功能設(shè)計(jì)，沒有涉及具體的性能技術(shù)指標(biāo)。實(shí)際設(shè)計(jì)中將涉及許多具體的性能技術(shù)指標(biāo)，需要測量這些技術(shù)指標(biāo)，并對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，評估是否達(dá)到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求， 在下一章中將涉及這部分內(nèi)容。 設(shè)計(jì)總結(jié)包括設(shè)計(jì)特點(diǎn)，改進(jìn)潛力等內(nèi)容。如前所述，實(shí)現(xiàn)某一種系統(tǒng)功能或者技術(shù)指標(biāo)具有多種可行的設(shè)計(jì)方案，每一種設(shè)計(jì)方案都具有它自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。結(jié)合本次設(shè)計(jì)過程，再次對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行考 慮，不僅便于產(chǎn)品性能升級，而且有助于提高設(shè)計(jì)者的能力。這也符合從理論到實(shí)踐，再從實(shí)踐到理論的認(rèn)識(shí)問題的循環(huán)過程。 附錄用于給出在正文中不便列出的技術(shù)資料，例如原理電路圖、源程序清單等內(nèi)容。 方案論證 設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)一個(gè)交通燈控制電路，設(shè)計(jì)要求如下： * 系統(tǒng)需要控制東西和南北方向的兩個(gè)路口，每個(gè)方向的路口都有紅、黃和綠 3 個(gè)指示燈 * 每個(gè)方向的路口都有通行 /等待時(shí)間顯示 * 東西方向路口通行時(shí)間為 8s，南北方向路口通行時(shí)間為 18s，每個(gè)路口從通行到禁止都具有 2s 的時(shí)間間隔 * 系統(tǒng)自己產(chǎn)生所需要的時(shí)鐘信號(hào) 設(shè)計(jì)要求的真值表描述 在數(shù)字電路邏輯設(shè)計(jì)課程中介紹的數(shù)字電路描述方法包括真值表、布爾表達(dá)式、邏輯電路圖、時(shí)序圖等。進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，通常首先根據(jù)設(shè)計(jì)要求寫出真值表，再由真值表寫出布爾表達(dá)式。 如果使用與門、或門和非門這樣的基本邏輯門實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯功能，則由布爾表達(dá)式就可以直接畫出對應(yīng)的電路圖。由此可以看出，真值表是設(shè)計(jì)要求與電路實(shí)現(xiàn)之間的橋梁。 滿足上面設(shè)計(jì)要求的交通燈控制電路真值表如表 6 表 6的功能，因此該電路可以完全由數(shù)字器件來實(shí)現(xiàn)。表中的 30 個(gè)工作狀態(tài)可以由時(shí)序電路產(chǎn)生，時(shí)序電路可以由系統(tǒng)時(shí)鐘來控制。工作狀態(tài)信號(hào)到交通燈控制信號(hào)的生成以及到時(shí)間顯示電路控制信號(hào)的生成可以由組合電路實(shí)現(xiàn)。 所要設(shè)計(jì)的交通燈控制電路如果由標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件來實(shí)現(xiàn)，工作狀態(tài)的產(chǎn)生可以使用計(jì)數(shù)器芯片，例如 74161； 組合電路部分可以由基本的門電路實(shí)現(xiàn)，也可以使用中規(guī)模邏輯器件，例如時(shí)間顯示部分可以采用 段共陽極數(shù)碼管顯示代碼的譯碼芯片 7447。 如前所述， 由于用戶無法修改標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件的功能，所制作的電路不具有通用 性。如果用戶提出不同的要求，例如不同的道路通行時(shí)間，修改系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須通過對電路重新設(shè)計(jì)和組裝來實(shí)現(xiàn)。 - 148 - 一般希望設(shè)計(jì)的交通燈控制電路在滿足不同要求時(shí)，不需要重新設(shè)計(jì)電路板，因此這里不考慮使用標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件。 表 6交通燈控制電路真值表 工作 狀態(tài) 東西方向 南北方向 綠 黃 紅 時(shí)間顯示 綠 黃 紅 時(shí)間顯示 0 1 0 0 08 0 0 1 10 1 1 0 0 07 0 0 1 09 2 1 0 0 06 0 0 1 08 3 1 0 0 05 0 0 1 07 4 1 0 0 04 0 0 1 06 5 1 0 0 03 0 0 1 05 6 1 0 0 02 0 0 1 04 7 1 0 0 01 0 0 1 03 8 0 1 0 02 0 0 1 02 9 0 1 0 01 0 0 1 01 10 0 0 1 20 1 0 0 18 11 0 0 1 19 1 0 0 17 12 0 0 1 18 1 0 0 16 13 0 0 1 17 1 0 0 15 14 0 0 1 16 1 0 0 14 15 0 0 1 15 1 0 0 13 16 0 0 1 14 1 0 0 12 17 0 0 1 13 1 0 0 11 18 0 0 1 12 1 0 0 10 19 0 0 1 11 1 0 0 09 20 0 0 1 10 1 0 0 08 21 0 0 1 09 1 0 0 07 22 0 0 1 08 1 0 0 06 23 0 0 1 07 1 0 0 05 24 0 0 1 06 1 0 0 04 25 0 0 1 05 1 0 0 03 26 0 0 1 04 1 0 0 02 27 0 0 1 03 1 0 0 01 28 0 0 1 02 0 1 0 02 29 0 0 1 01 0 1 0 01 - 149 - 雖然這里不使用標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件實(shí)現(xiàn)電路功能，但是數(shù)字電路邏輯設(shè)計(jì)課程中介紹的方法仍然可以使用，例如按照電路當(dāng)前狀態(tài)是否與以前狀態(tài)相關(guān)，電路可以被劃分為時(shí)序電路和組合電路。 基于微控制器的交通燈控制電路設(shè)計(jì) 交通燈控制電路的每個(gè)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間達(dá) 1s，因此系統(tǒng)對所用器件在工作速度方面幾乎沒有要求。使用 微控制器 芯片，例如 現(xiàn)這個(gè)系統(tǒng)將是非常容易的。 0115)0)14)1)13)R)12)D)11)10)9)8)21+ 5 V+C 41 0 u 0 . 1 u 1 0 u F+R 11 0 C 33 0 p F 3 0 p M H 片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)電路 在 圖 6容 體 來產(chǎn)生系統(tǒng)工作所需要的穩(wěn)定時(shí)鐘信號(hào)。電容 1構(gòu)成復(fù)位電路。 管腳 腳 31）接高電平用來選擇 片的內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。電容 5組成電源濾波電路。 個(gè) 8位并行輸入 /輸出口 3，共可提供 32 個(gè)輸入 /輸出管腳，同時(shí)還有許多方法對輸入 /輸出管腳進(jìn)行擴(kuò)展，這些輸入 /輸出管腳可以用來控制交通信號(hào)燈或者時(shí)間顯示器件。 微控制器 芯片的工作是在時(shí)鐘信號(hào)的控制下，按照所編寫程序的邏輯關(guān)系從程序存儲(chǔ)器中逐條讀出指令，并執(zhí)行。在時(shí)鐘信號(hào)的控制下，逐條執(zhí)行指令這個(gè)過程提供了產(chǎn)生時(shí)序電路功能的另一種方法。 執(zhí)行下面程序語句： 1， #可以把真值表中指定狀態(tài)對應(yīng)的輸出控制信號(hào)送出。如果 的 8個(gè)管腳與 8 段數(shù)碼管的 8個(gè)管腳連接， #數(shù)據(jù)顯示。 執(zhí)行上面語句需要 2個(gè)機(jī)器時(shí)鐘周期。 ，對于圖 6于系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為 12器時(shí)鐘頻率為 1行上面語句僅需 22通燈控制電路這樣的數(shù)字系統(tǒng)顯得太快了，這個(gè)問題可以通過在每個(gè)狀態(tài)之間插入實(shí)現(xiàn)延時(shí)的語句來克服。 - 150 - k 字節(jié)的片內(nèi)程序存儲(chǔ)空間，它足夠 交通燈控制電路的需要，不需要擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器。再有，這款芯片的市場價(jià)格僅為 5元人民幣左右， 使得基于微控制器的交通燈控制電路設(shè)計(jì)方案具有價(jià)格優(yōu) 勢。 基于可編程邏輯器件的交通燈控制電路設(shè)計(jì) 可編程邏輯器件，包括復(fù)雜可編程邏輯器件（ 現(xiàn)場可編程門陣列器件（ 內(nèi)部的與或門陣列或者查找表提供了實(shí)現(xiàn)如表 6部的觸發(fā)器提供了在系統(tǒng)時(shí)鐘的控制下產(chǎn)生狀態(tài)信號(hào)的邏輯資源。 本設(shè)計(jì)需要輸出 6 個(gè)交通燈控制信號(hào)， 4個(gè) 8段數(shù)碼管在不考慮使用小數(shù)點(diǎn)的情況下需要 28個(gè)控制信號(hào)，因此共計(jì)需要 34個(gè)輸入 /輸出管腳。 輯器件 現(xiàn)場可編程門陣列器件 4 個(gè)和 59個(gè)輸入 /輸出管腳，完全滿足設(shè)計(jì)要求。在輸入 /輸出管腳方面，這兩種可編程邏輯器件優(yōu)于 使用時(shí)不需要擴(kuò)展 輸入 /輸出管腳 這部分資源。 使用上述兩種可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)交通燈控制電路所需要的時(shí)鐘信號(hào)需要獨(dú)立的電路。在這個(gè)方面，使用 復(fù)雜可編程邏輯器件 用 儲(chǔ)器存儲(chǔ)設(shè)計(jì)文件，即使斷電也不 會(huì)丟失設(shè)計(jì)信息。 現(xiàn)場可編程門陣列器件 儲(chǔ)器存儲(chǔ)設(shè)計(jì)文件，如果斷電，芯片將丟失設(shè)計(jì)信息，因此在系統(tǒng)中必須包含一種非易失存儲(chǔ)器件以保存設(shè)計(jì)信息。每次系統(tǒng)加電時(shí)，由這種非易失存儲(chǔ)器件向 現(xiàn)場可編程門陣列器件加載設(shè)計(jì)信息。從系統(tǒng)的簡單性方面，復(fù)雜可編程邏輯器件優(yōu)于現(xiàn)場可編程門陣列器件。 復(fù)雜可編程邏輯器件 現(xiàn)場可編程門陣列器件 500和 10000個(gè)等效邏輯門， 并且后者還具有 6144 位 的 因此在可以 提供的邏輯資源方面現(xiàn)場可編程門陣列器件 工作速度方面， 速度等級為 15此也是后者具有優(yōu)勢。 考慮到交通燈控制電路所需要的邏輯資源不多，而且又是一個(gè)低速工作系統(tǒng)，因此本設(shè)計(jì)采用復(fù)雜可編程邏輯器件 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 基于 復(fù)雜可編程邏輯器件 計(jì)的交通燈控制電路 硬件組成框圖， 如圖6包括時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生電路、狀態(tài)信號(hào)產(chǎn)生電路、交通燈和時(shí)間信號(hào)產(chǎn)生電路、顯示電路以及系統(tǒng)電源 。 - 151 - 圖 6交通燈控制電路 組成框圖 在 圖 6狀態(tài)信號(hào)產(chǎn)生電路和交通燈控制信號(hào)產(chǎn)生電路由復(fù)雜可編程邏輯器件現(xiàn)。顯示電路包括交通燈電路和時(shí)間顯示電路，前者采用發(fā)光二極管；后者采用 8段數(shù)碼管。時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生電路將獨(dú)立設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)中不包括系統(tǒng)電源的設(shè)計(jì)，直接使用實(shí)驗(yàn)室提供的直流穩(wěn)壓電源。 單元電路設(shè)計(jì) 顯示電路 顯示電路包括交通燈電路和時(shí)間 顯示電路。在本設(shè)計(jì)中，前者采用發(fā)光二極管；后者采用 8段數(shù)碼管。 發(fā)光二極管和數(shù)碼管具有類似的工作原理。 8段數(shù)碼管 原理圖如圖 6a）和（ b）所示。數(shù)碼管有共陰極和共陽極兩種類型。共陰極數(shù)碼管內(nèi)部 8個(gè)二極管的陰極被連接在一起和管腳 使用時(shí)管腳 數(shù)碼管其余的某個(gè)管腳接高電平，則與該管腳相接的發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，也就是數(shù)碼管對應(yīng)的發(fā)光段被點(diǎn)亮。共陽極數(shù)碼管內(nèi)部 8 個(gè)二極管的陽極被連接在一起和管腳使用時(shí)管腳 數(shù)碼管其余的某個(gè)管腳接低電平，則與該管腳相連 的發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，也就是數(shù)碼管對應(yīng)的發(fā)光段被點(diǎn)亮。用做顯示交通控制信號(hào)的 發(fā)光二極管也可以使用這樣的連接方法。在設(shè)計(jì)中， 8段數(shù)碼管采用 共陰極類型， 發(fā)光二極管也采用這樣的連接，即把 6個(gè)發(fā)光二極管的陰極連接在一起。 數(shù)碼管外形圖如圖 6c）所示。數(shù)碼管有 2個(gè) 腳，它們在數(shù)碼管內(nèi)部被連接在一起，在使用時(shí)，應(yīng)用電路中只需要連接一個(gè) 腳即可。數(shù)碼管的電路符號(hào)圖如圖6d）所示。 - 152 - a b c d e f g d pa b c d e f g d pc o mc o m（ a ）（ b ）（ c ）（ d ）o d o o 數(shù)碼管的原理圖、外形圖和電路符號(hào)圖 每組發(fā)光 二極管的公共連接點(diǎn)與接地線之間需要連接一個(gè)電阻，該電阻被稱為限流電阻。限流電阻用來防止電流過大損壞電路器件。由于不同型號(hào)的發(fā)光二極管的技術(shù)參數(shù)不同，應(yīng)根據(jù)具體情況來確定限流電阻的阻值，限流電阻的通常取值范圍是 100 1為保證電路的安全，限流電阻開始可以選取大一些，如果發(fā)光二極管的亮度不夠，再逐漸減小限流電阻的值，直到發(fā)光二極管的亮度滿足要求。 限流電阻還有另一種接入方法。該方法是每個(gè)發(fā)光二極管與控制電路之間分別接一個(gè)電阻。限流電阻的前一種接入方法的優(yōu)點(diǎn)是接線簡單，后一種接入方法的優(yōu)點(diǎn)是在點(diǎn)亮不同個(gè)數(shù) 的發(fā)光二極管時(shí)它們的亮度一致。前一種連接方法對用做交通控制信號(hào)的發(fā)光二極管組無影響，因?yàn)槿魏螘r(shí)刻都有，也只有兩個(gè)發(fā)光二極管被點(diǎn)亮。 使用共陰極數(shù)碼管，當(dāng)其中的發(fā)光段被點(diǎn)亮?xí)r，對應(yīng)的可編程邏輯器件管腳輸出高電平，電流從可編程邏輯器件流向數(shù)碼管；使用共陽極數(shù)碼管，當(dāng)其中的發(fā)光段被點(diǎn)亮?xí)r，對應(yīng)的可編程邏輯器件管腳輸出低電平，電流從數(shù)碼管流向可編程邏輯器件。數(shù)字器件的高電平輸出電流與低電平灌入電流的最大值通常是不同的，而電流大小將影響發(fā)光器件的亮度。 本設(shè)計(jì)采用共陰極數(shù)碼管。 在進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示之前，需要完成待顯示的數(shù)據(jù) 到顯示代碼之間的譯碼。如果數(shù)碼管除小數(shù)點(diǎn)之外的 7個(gè)管腳按照 g、 f、 e、 d、 c、 b、 陰極數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)和顯示代碼之間的關(guān)系 如表 6示。表 6 表 6顯示數(shù)據(jù)和顯示代碼之間的關(guān)系 表 顯示數(shù)據(jù) 共陰極數(shù)碼管顯示代碼 共陽極數(shù)碼管顯示代碼 0 0111111 1000000 1 0000110 1111001 2 1011011 0100100 3 1001111 0110000 4 1100110 0011001 - 153 - 5 1101101 0010010 6 1111101 0000010 7 0000111 1111000 8 1111111 0000000 9 1101111 0010000 A 1110111 0001000 B 1111100 0000011 C 0111001 1000110 D 1011101 0100010 E 1111001 0000110 F 1110001 0001110 “全亮” 1111111 0000000 “全滅” 0000000 1111111 數(shù)碼管的顯示模式分靜態(tài) 顯示和動(dòng)態(tài)顯示 2種。當(dāng)需要多個(gè)數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示時(shí)，前者每個(gè)顯示段需要 1個(gè)可編程邏輯器件的 I/者可以將多個(gè)數(shù)碼管的同樣顯示段的輸入管腳并聯(lián)在一起，然后再與 1個(gè)可編程邏輯器件的 I/是這時(shí)每個(gè)數(shù)碼管的公共端需要與 1 個(gè)可編程邏輯器件的 I/現(xiàn)位選。 時(shí)鐘產(chǎn)生電路 設(shè)計(jì)的交通燈控制電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間間隔為 1s，因此需要一個(gè)頻率為 1生這樣頻率的時(shí)鐘信號(hào)，采用基于 55定時(shí)器是一個(gè)較好的選擇，因?yàn)殡娐愤B接簡單。 555定時(shí) 器用作時(shí)鐘產(chǎn)生電路的電路原理圖以及工作周期的計(jì)算公式分別 如圖 6式（ 6示 。 + 5 V+ 5 567823 . 3 K 1 5 0 R 2C 10 . 0 1 u 4 . 7 u 5圖 6基于 555 定時(shí)器的時(shí)鐘產(chǎn)生電路圖 T = 2 （ 6 圖 6 基于 555定時(shí)器 的 時(shí)鐘產(chǎn)生電路測量數(shù)據(jù) 如表 6 表 6基于 555 定時(shí)器的時(shí)鐘產(chǎn)生電路測量數(shù)據(jù) 表 測量電路 輸出周期計(jì)算值（ s） 輸出周期測量值（ s） 絕對誤差（ s） 相對誤差（ %） - 154 - 1 6 個(gè)獨(dú)立電路的測量獲得。電路輸出信號(hào)的周期測量使用 司的 012示波器完成。 表 中 所示的誤差來源為所使用的電阻、電容以及 555芯片本身的精度不高。引起的誤差，包括設(shè)計(jì)值與實(shí)際測量值、同一批元器件組裝的電路之間的數(shù)據(jù)離散，對于交通燈控制電路這樣的數(shù)字系統(tǒng)，這樣的誤差對實(shí)際使用影響不大，是可以認(rèn)可的，但是對于其 它應(yīng)用領(lǐng)域需要給予考慮。 時(shí)鐘產(chǎn)生電路的主要技術(shù)指標(biāo)包括輸出頻率穩(wěn)定度。 012 示波器不能顯示小于 10過重新選擇 圖 6路的電阻或者電容值，使電路輸出信號(hào)頻率滿足示波器測量要求。觀察顯示的測量頻率值，將會(huì)發(fā)現(xiàn)電路輸出頻率的穩(wěn)定數(shù)據(jù)只有 4位有效數(shù)字， 012示波器顯示的信號(hào)頻率具有 6位有效數(shù)字。 555電路輸出信號(hào)頻率穩(wěn)定度較低，這是由于它是基于 蕩器的工作原理所限制。各種信號(hào)產(chǎn)生器的工作原理以及特點(diǎn)可以參考高頻電子線路課程。 如果 希望時(shí)鐘輸出信號(hào)的頻率具有較高的穩(wěn)定度，可以采用晶體振蕩器。 圖 6體振蕩器電路。 7 4 L S 0 4 7 4 L S 0 47 4 L S 0 4U 1 A U 1 B U 1 3 4 5 6R 1 R 21 k 1 0 . 0 1 u Y S T A H K O U 晶體振蕩器電路 圖 圖 6 晶體振蕩器電路 測量數(shù)據(jù) 如表 6示。 表中測量數(shù)據(jù)同樣由 3個(gè)獨(dú)立電路的測量獲得。電路輸出信號(hào)的頻率測量使用 012示波器完成。 表 6晶體振蕩器電路測量數(shù)據(jù) 表 測量電路 晶體標(biāo)注值 （ 輸出頻率測量值（ 絕對誤差 （ 相對誤差 （ %） 1 較表 6 6對基于 55 定時(shí)器時(shí)鐘產(chǎn)生電路， 晶體振蕩器不僅具有較高的設(shè)計(jì)精度，而且輸出信號(hào)頻率的穩(wěn)定度也高。雖 - 155 - 然交通燈控制電路這樣的應(yīng)用系統(tǒng)對時(shí)間精度要求不是很高，但是高的時(shí)鐘頻率穩(wěn)定度對許多其它應(yīng)用系統(tǒng)是必須的。 電子市場出售的晶體的工作頻率通常在 1設(shè)計(jì)采用 4體振蕩器輸出信號(hào)頻率比要求的狀態(tài)轉(zhuǎn)換頻率高，要獲取所需頻率的信號(hào)可用分頻電路來實(shí)現(xiàn)。這樣的分頻電路如果使用標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件實(shí)現(xiàn)將需要多級電路，使得電路規(guī)模加大。使用可編程邏輯器件，采用 例 6計(jì)一個(gè)能把 4體振蕩器輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成占空比為 50%，頻率為 1 S 義 4鐘輸入端口 義 1鐘輸 出 端口 F S 000000; 數(shù)進(jìn)程 ND 1) 3999999) = 1; = 0; F; F; 鐘 產(chǎn)生進(jìn)程 ND 1) 1999999) = 0; = 1; F; F; 可編程邏輯器件選用 用 6用資源如 表 6 - 156 - 表 6資源占用數(shù)據(jù) 表 優(yōu)化技術(shù) 宏單元占用情況 用戶輸入 /輸出管腳占用情況 時(shí)鐘 高頻率（ 速度優(yōu)先 55 / 128（ 43%） 6 / 68（ 9%） 衡性能 55 / 128（ 43%） 6 / 68（ 9%） 源優(yōu)先 26 / 128（ 20%） 6 / 68（ 9%） 用同樣型號(hào)的芯片，使用不同的優(yōu)化技術(shù)對設(shè)計(jì)文件進(jìn)行綜合獲得的性能指標(biāo)是不同的。采用速度優(yōu)先的優(yōu)化技術(shù)，占用芯片資 源較多，但是系統(tǒng)可能達(dá)到的工作速度較快；采用資源優(yōu)先優(yōu)化技術(shù)，占用芯片資源較少，但是系統(tǒng)可能達(dá)到的工作速度較慢。對于這里進(jìn)行的交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)低速工作系統(tǒng)，采用資源優(yōu)先優(yōu)化技術(shù)是合適的選擇，這樣即節(jié)約了芯片資源，也滿足所選用的時(shí)鐘頻率。 例 6個(gè)輸入 /輸出管腳，接收晶體振蕩器輸出信號(hào)的輸入管腳 6輸出管腳占用情況顯示占用了 6個(gè)輸入 /輸出管腳，這是因?yàn)檎加们闆r中包括了 系統(tǒng)編程 所需要的 4個(gè) 管腳 ： 優(yōu)化設(shè)置可以利用菜單 “ 在“ 選欄目中進(jìn)行。 例 6個(gè)進(jìn)程實(shí)現(xiàn)在 4一個(gè)進(jìn)程，計(jì)數(shù)進(jìn)程，每來 4000000個(gè)時(shí)鐘信號(hào)完成一個(gè)循環(huán)；第二個(gè)進(jìn)程， 1生進(jìn)程 ，產(chǎn)生50%占空比 的 1變 1生進(jìn)程中的比較常數(shù)可以改變所產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)的占空比。考慮到分布電容的存在，時(shí)鐘信號(hào)的占空比不能太小，也不能太大，尤其是在高頻率情況下。 采用一個(gè)進(jìn)程也可以產(chǎn)生 1系統(tǒng)時(shí)鐘。 下面僅列出 1 例 6知輸入的時(shí)鐘信號(hào)頻率為 4計(jì)一個(gè)產(chǎn)生 1 ND 1) 3999999) = 1; = 0; = 0; = 1; F; F; 例 6系統(tǒng)時(shí)鐘，但是時(shí)鐘的 占空比不能調(diào)整，而且很小，在上面例子中為 1/4000000。由于芯片內(nèi)部存在的分布電容存在充放電過程， 時(shí)鐘的 占空比太大或者太小都不合適，占空 比太大或者太小都有可能引起系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。 - 157 - 涉及到時(shí)鐘問題的還有 圖 6 晶體振蕩器電路中芯片的選擇。如果采用 74于 際應(yīng)用顯示，這也 有可能引起系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。 狀態(tài)產(chǎn)生電路 由系統(tǒng)設(shè)計(jì)中描述的交通燈控制電路硬件組成框圖可知，狀態(tài)產(chǎn)生電路的輸入信號(hào)是頻率為 1出為交通燈和時(shí)間信號(hào)產(chǎn)生電路所需要的 30個(gè)狀態(tài)信號(hào)。利用 際代碼如 例 6 例 6計(jì)交通燈狀態(tài)產(chǎn)生電路。 S 義 1統(tǒng) 時(shí)鐘輸入端口 9); 義 狀態(tài) 輸 出 端口 F S 9; 態(tài)暫存信號(hào) 態(tài)產(chǎn)生進(jìn)程 ND 1) 29) = 1; = 0; F; F; = 例 6態(tài)暫存信號(hào) 出 端口 是在產(chǎn)生當(dāng)前狀態(tài)時(shí)需要知道上一個(gè)狀態(tài)，即上 一個(gè)狀態(tài)加 1產(chǎn)生當(dāng)前狀態(tài)，因此定義了狀態(tài)暫存信號(hào) 圖 6態(tài)產(chǎn)生電路的模擬波形圖。 僅使設(shè)計(jì)者避免了煩瑣的電路接線，而且還可以在電路完成組裝之前就能驗(yàn)證邏輯功能。 在圖 630 個(gè)狀態(tài)并沒有全部顯示，因?yàn)槿绻匡@示將使得波形以及狀態(tài)數(shù)據(jù)太小以致閱讀困難。同樣是這個(gè)原因， 例 6000000 以致無法閱讀。對于像 例 6樣的應(yīng)用情況，通常采用降低分頻比，例如降低到 40，進(jìn)行邏輯功能驗(yàn)證。 - 158 - 系統(tǒng)時(shí)鐘 周期是 1s，注意在 圖 6它的周期是 然也可以選取1是 這會(huì)導(dǎo)致仿真時(shí)間非常長，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)一些意想不到的事情。對于像交通燈控制電路這樣的長周期數(shù)字系統(tǒng)通常采用降低仿真周期的方法加快仿真過程。在數(shù)字電路中，在高頻情況下某種功能可以被實(shí)現(xiàn)，則低頻情況下這種功能肯定可以被實(shí)現(xiàn)，反之則不一定。 圖 6狀態(tài)產(chǎn)生電路的 功能仿真波形 在數(shù)字系統(tǒng)的周期和所用芯片的延遲時(shí)間接近的情況下，例如 遲時(shí)間為 15時(shí)應(yīng)該采用真實(shí)的系統(tǒng)時(shí)鐘 周期以檢查時(shí)間關(guān)系是否滿足。在 圖 6果把時(shí)鐘周期降低到 50者更低，輸出狀態(tài)信號(hào)與時(shí)鐘信號(hào)之間的時(shí)間延遲就會(huì)非常明顯。輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間存在時(shí)間延遲是一個(gè)不可避免的客觀事實(shí)，在 圖 6大可視柵格尺寸掩蓋了較小的信號(hào)延遲。同樣，小的信號(hào)延遲對長周期的數(shù)字系統(tǒng)的影響也可以忽略。 控制信號(hào)產(chǎn)生電路 這部分電路是在狀態(tài)信號(hào)的作用下產(chǎn)生東西和南北兩個(gè)方向各 3個(gè)交通燈的控制信號(hào)，每個(gè)方向 2個(gè)數(shù)碼管 的控制信號(hào)。換句話說， 這部分電路就是實(shí)現(xiàn)如表 6所設(shè)計(jì)的代碼如 例 6 例 6計(jì)交通燈控制信號(hào)產(chǎn)生電路。 S 9; 義 狀態(tài) 輸 入 端口 ); 義 兩個(gè)方向各 3 個(gè)交通燈 輸 出 端口 ); 義 東西方向 2 個(gè)數(shù)碼管 輸 出 端口 ); 義 南北方向 2 個(gè)數(shù)碼管 輸 出 端口 F S - 159 - 3 ); 義 一個(gè)合成輸出信號(hào) 表 6示真值表產(chǎn)生控制信號(hào) = “100 0111111 1111111 001 0000110 0111111” , “100 0111111 0000111 001 0111111 1101111” , “100 0111111 1111101 001 0111111 1111111” , “100 0111111 1101101 001 0111111 0000111” , “100 0111111 1100110 001 0111111 1111101” , “100 0111111 1001111 001 0111111 1101101” , “100 0111111 1011011 001 0111111 1100110” , “100 0111111 0000110 001 0111111 1001111” , “ 010 0111111 1011011 001 0111111 1011011” , “ 010 0111111 0000110 001 0111111 0000110” , “ 001 1011011 0111111 100 0000110 1111111” 0, “ 001 0000110 1101111 100 0000110 0000111” N 11, “ 001 0000110 1111111 100 0000110 1111101” 2, “ 001 0000110 0000111 100 0000110 1101101” 3, “ 001 0000110 1111101 100 0000110 1100110” 4, “ 001 0000110 1101111 100 0000110 1001111” 5, “ 001 0000110 1100110 100 0000110 1011011” 6, “ 001 0000110 1001111 100 0000110 0000110” 7, “ 001 0000110 1011011 100 0000110 0111111” 8, “ 001 0000110 0000110 100 0111111 1101111” 9, “ 001 0000110 0111111 100 0111111 1111111” 0, “ 001 0111111 1101111 100 0111111 0000111” 1, “ 001 0111111 1111111 100 0111111 1111101” 2, “ 001 0111111 0000111 100 0111111 1101101” 3, “ 001 0111111 1111101 100 0111111 1100110” 4, “ 001 0111111 1101101 100 0111111 1001111” 5, “ 001 0111111 1100110 100 0111111 1011011” 6, “ 001 0111111 1001111 100 0111111 0000110” 7, “ 001 0111111 1011011 010 0111111 1011011” 8, “ 001 0111111 0000110 010 0111111 0000110” 9; = 3 1); 解出交通燈東西方向的 3 個(gè)信號(hào) = 0 4); 解出東西方向十位數(shù)碼管的信號(hào) = 3 7); 解出東西方向個(gè)位數(shù)碼管的信號(hào) = 6 4); 解出交通燈南北方向的 3 個(gè)信號(hào) = 3 ); 解出南北方向十位數(shù)碼管的信號(hào) = ); 解出南北方向個(gè)位數(shù)碼管的信號(hào) - 160 - 代碼中的信號(hào) 4位，即包括 需要輸出 6個(gè)交通燈控制信號(hào)， 4個(gè) 8段數(shù)碼管在不考慮使用小數(shù)點(diǎn)的情況下需要 28 個(gè)控制信號(hào)。 設(shè)置這個(gè)信號(hào)的目的是希望使用一個(gè)并行選擇語句完成 實(shí)現(xiàn)如表 6 由于在選擇語句中，一次產(chǎn)生了所有的控制信號(hào)，因此在后面使用了 6條并行賦值語句，把合成輸出信號(hào)拆分成各個(gè)控制信號(hào)。由代碼里的 6條并行賦值語句可以看出在合成輸出信號(hào)中不同的控制信號(hào)的排列順序：首先 3位是東西方向綠、黃和紅控制燈的控制信號(hào)、接著的 7位是東西方向時(shí)間顯示電路的十位數(shù)碼管從 g到 個(gè)控制信號(hào)、再 接著的 7位是東西方向時(shí)間顯示電路的個(gè)位數(shù)碼管從 g到 個(gè)控制信號(hào)、后面的 17 位是南北方向按上述順序排列的控制信號(hào)。 當(dāng)然也可以不使用合成輸出信號(hào) 用 6條并行選擇語句分別完成 6類信號(hào)的產(chǎn)生，這樣也就不需要例 6條并行賦值語句。也可以直接把輸 出定義為包含34位的合成輸出信號(hào)，但是這在定義輸出管腳時(shí)將不太方便。代碼編寫具有各種各樣的方式，這主要看設(shè)計(jì)者的習(xí)慣，但是必須便于閱讀。在代碼中加入注釋是提高可閱讀性的一個(gè)好方法。 需要提出的是，例 6如： “ 001 0000110 1011011 100 0000110 0111111” 在使用 里添加空格也只是未了便于閱讀。 采用資源 優(yōu)化技術(shù)，例 6片 128個(gè)宏單元的 37 個(gè)，占用比 例為 29%。 控制信號(hào)產(chǎn)生電路的部分仿真波形如圖 6 由控制信號(hào)產(chǎn)生電路的仿真波形圖可以看出，例 6表 6在輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換期間存在不能同時(shí)達(dá)到要求的現(xiàn)象，例如東西方向時(shí)間顯示電路的個(gè)位數(shù)碼管從 g到 個(gè)控制信號(hào) 種現(xiàn)象是由于電路對不同的信號(hào)具有不同的延遲所致，這由控制信號(hào) 含的 7個(gè)單獨(dú)的控制信號(hào)波形圖觀察到。 加到目標(biāo)器件上的信號(hào)，例如加到數(shù)碼管各個(gè)管腳上的信號(hào)不能同時(shí)改變，在最先變化到最后變化期間數(shù)碼管將顯 示不希望的符號(hào)。由于這個(gè)不希望出現(xiàn)的時(shí)間間隔非常小，對于數(shù)碼管顯示應(yīng)用來說，也觀察不出來，但是