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東南大學(xué)電工電子實(shí)驗(yàn)中心 實(shí)驗(yàn)報(bào)告 課程名稱(chēng)：數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)實(shí)踐 第六次實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：可編程數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì) 院 （系）：電工電子實(shí)驗(yàn)中心 專(zhuān) 業(yè)：吳健雄學(xué)院 姓 名：凌 昕 彤學(xué) 號(hào)：61009323 實(shí) 驗(yàn) 室: 103實(shí)驗(yàn)組別： 同組人員：實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2010年1月1日 評(píng)定成績(jī)：審閱教師： 1、申請(qǐng)題目：
2、狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)思路：
- 啟動(dòng)控制器 ：在初始狀態(tài)下,按下“F”鍵即能啟動(dòng)
- 選擇手動(dòng)或者計(jì)時(shí)模式：通過(guò)按“1”或者“2”選擇手動(dòng)或者計(jì)時(shí)模式
- 改變訓(xùn)練強(qiáng)度：在手動(dòng)或者計(jì)時(shí)模式下，通過(guò)數(shù)字鍵輸入選擇相應(yīng)的模式
- 動(dòng)態(tài)調(diào)整訓(xùn)練強(qiáng)度：在訓(xùn)練中，通過(guò)按下“A”或者“B”來(lái)增加或者減小阻力值
- 設(shè)置訓(xùn)練時(shí)間：在計(jì)時(shí)模式下，逐位輸入數(shù)字，能夠設(shè)置訓(xùn)練時(shí)間
- 訓(xùn)練時(shí)間有誤可清零修改：如果使用者輸錯(cuò)了時(shí)間,可以按“C”清除，顯示恢復(fù)00的狀態(tài)。
- 計(jì)數(shù)器的倒計(jì)時(shí)功能：能從給定的數(shù)字開(kāi)始倒計(jì)時(shí)至00：00，并且從00：03開(kāi)始使蜂鳴器響半秒，停半秒。
- 正確按鍵LED燈發(fā)光：每次按下正確的按鍵，LED亮一下，這可以提示使用者按鈕是否成功按下。
- 訓(xùn)練時(shí)間有誤自動(dòng)報(bào)錯(cuò)：時(shí)間有誤自動(dòng)報(bào)錯(cuò)，顯示“EE”一秒，并退回到上一個(gè)狀態(tài)。
- 選擇自定義模式：通過(guò)按“A”或者“B”選擇或者設(shè)置訓(xùn)練強(qiáng)度和時(shí)間
- 預(yù)設(shè)模式可以設(shè)置或者存儲(chǔ)訓(xùn)練模式
1. 當(dāng)使用者剛騎上自行車(chē)時(shí)，控制器處于初始狀態(tài)。按“F”鍵啟動(dòng)控制器。 2. 使用者從鍵盤(pán)輸入 1或2 以選擇“手動(dòng)”、“計(jì)時(shí)”模式，按“E”鍵確認(rèn)。 3. 如果使用者輸入“1”(手動(dòng)模式)，顯示器顯示“9”，用戶(hù)可以輸入從0到9中的任意數(shù)字，以改變訓(xùn)練強(qiáng)度，按“E”鍵確認(rèn)。訓(xùn)練強(qiáng)度選擇完成之后, 按下“F”按鈕開(kāi)始訓(xùn)練。 此時(shí)顯示器在高2位顯示阻力值。 4. 如果使用者輸入“2”（計(jì)時(shí)模式），控制器將提示用戶(hù)輸入從0到9中的任意數(shù)字，以選擇需要的訓(xùn)練強(qiáng)度，按“E”鍵確認(rèn)。訓(xùn)練強(qiáng)度選擇完成之后，顯示器顯示“00：00”。通過(guò)數(shù)字鍵盤(pán)輸入數(shù)字, 以決定訓(xùn)練的時(shí)間，輸入時(shí)數(shù)字順序是從左到右。例如，輸入1、0、2、3應(yīng)該在顯示器上上顯示“10：23”,表示訓(xùn)練時(shí)間被設(shè)定為10分23秒，如果輸入正確，按下“E”鍵確認(rèn)。如果使用者輸錯(cuò)了時(shí)間,可以按“C”清除，顯示恢復(fù)00的狀態(tài)。訓(xùn)練時(shí)間輸入完成后，按下“開(kāi)始”開(kāi)始訓(xùn)練。此時(shí)6位數(shù)碼管的高2位顯示阻力值，低四位倒計(jì)時(shí)顯示時(shí)間一直到“00:00”。在最后3秒時(shí)，蜂鳴器響3下，規(guī)律為響半秒停半秒。 當(dāng)計(jì)時(shí)到00:00時(shí)，控制器恢復(fù)到初始狀態(tài)，此時(shí)定時(shí)器是“00:00”，阻力為前面設(shè)定的值。 5. 每次按下正確的按鍵，LED亮一下，這可以提示使用者按鈕是否成功按下。 6. 在計(jì)時(shí)模式下，如果輸入的時(shí)間大于“60：00”或小于“01：00”，在按下“E”鍵確認(rèn)后，顯示器顯示 EE，同時(shí)LED亮1秒，然后顯示返回00的狀態(tài)。 7. 增加動(dòng)態(tài)調(diào)整訓(xùn)練強(qiáng)度功能，在訓(xùn)練過(guò)程中按“上”或“下”按鈕，實(shí)時(shí)增加或減少訓(xùn)練強(qiáng)度。 8. 計(jì)時(shí)模式提供預(yù)設(shè)模式功能，可存儲(chǔ)10種訓(xùn)練模式(訓(xùn)練強(qiáng)度和時(shí)間預(yù)先設(shè)定好)，設(shè)定過(guò)程如下： 1) 在基本功能2中，輸入A，選擇“自定義”模式，顯示“0”，直接按下“E”鍵，表示選擇“0”號(hào)預(yù)置訓(xùn)練模式，此時(shí)顯示該模式的訓(xùn)練強(qiáng)度和訓(xùn)練時(shí)間。也可用鍵盤(pán)輸入“0”到“9”中的任何數(shù)字選擇相應(yīng)預(yù)置訓(xùn)練模式，按“E”確認(rèn)，此時(shí)顯示該模式的訓(xùn)練強(qiáng)度和訓(xùn)練時(shí)間。選擇完成后按“開(kāi)始”按鈕開(kāi)始訓(xùn)練。 2) 在基本功能2中，輸入B，選擇“自定義”模式，顯示“0”，用鍵盤(pán)輸入“0”到“9”中的任何數(shù)字選擇要設(shè)置的預(yù)置訓(xùn)練模式，按下“預(yù)設(shè)”按鈕，顯示該模式原來(lái)預(yù)置的訓(xùn)練強(qiáng)度值，參考基本功能3，重設(shè)預(yù)置訓(xùn)練強(qiáng)度，按“E”確認(rèn)，顯示器顯示該模式原來(lái)預(yù)置的訓(xùn)練時(shí)間值，參考基本功能3，重設(shè)訓(xùn)練時(shí)間，按下“E”鍵確認(rèn)，再按下“預(yù)設(shè)”按鈕存儲(chǔ)預(yù)設(shè)值，回到基本功能初始狀態(tài)。 輸入：鍵盤(pán) 輸出：6位數(shù)碼管、代表蜂鳴器的LED燈和表示正確按鍵的LED燈
3、實(shí)現(xiàn)方案： 問(wèn)題1：大量狀態(tài)的轉(zhuǎn)換問(wèn)題。由于該數(shù)字系統(tǒng)狀態(tài)復(fù)雜，如果算入各類(lèi)大小狀態(tài)，共有28個(gè)，之間的轉(zhuǎn)換難以處理。 問(wèn)題2：模60計(jì)數(shù)器難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)模的設(shè)置和置數(shù)功能 問(wèn)題3：鍵盤(pán)如何給出區(qū)別兩次相同按鍵而不是一次按鍵 問(wèn)題4：實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練模式的寄存和調(diào)用 問(wèn)題5：當(dāng)輸入時(shí)間有誤，在按下“E”鍵確認(rèn)后，顯示器顯示 EE，同時(shí)LED亮1秒，然后顯示返回00的狀態(tài)。 問(wèn)題1解決方案A：考慮到28個(gè)狀態(tài)，可以將部分子狀態(tài)歸結(jié)給一個(gè)大狀態(tài)，比如輸入四位時(shí)間的四個(gè)子狀態(tài)可以歸一為狀態(tài)機(jī)的一個(gè)狀態(tài)。通過(guò)這種方法，狀態(tài)機(jī)一共需要產(chǎn)生的狀態(tài)只剩15種，而且當(dāng)中大部分都是順序狀態(tài)轉(zhuǎn)移的，只有四處需要非順序狀態(tài)轉(zhuǎn)移。所以決定使用一個(gè)模16計(jì)數(shù)器74161來(lái)實(shí)現(xiàn)功能。配合一個(gè)16選1數(shù)據(jù)選擇器控制使能端，和若干與非門(mén)和數(shù)據(jù)選擇器通過(guò)同步置數(shù)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)非順序狀態(tài)轉(zhuǎn)移。通過(guò)控制置零端實(shí)現(xiàn)狀態(tài)清零，比如倒計(jì)時(shí)到0.該方案并不難想到，但是實(shí)現(xiàn)還是有一定難度，主要是因?yàn)楫?dāng)中復(fù)雜的邏輯關(guān)系造成的。其思路并不是非常清晰，而且修改一部分可能會(huì)影響整體。但是實(shí)際電路設(shè)計(jì)中就使用了這方案。 問(wèn)題1解決方案B：使用Rom。這個(gè)思路非常清晰，便于修改，實(shí)現(xiàn)方便。只需要將當(dāng)前狀態(tài)和當(dāng)前鍵盤(pán)輸入一起輸入到Rom的輸入端，即可以得到相應(yīng)的狀態(tài)。對(duì)狀態(tài)數(shù)量、轉(zhuǎn)移方式均沒(méi)有要求，但是由于規(guī)定，沒(méi)有選擇這套方案。 問(wèn)題2解決方案A：通過(guò)兩片74168模十加減計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)。低位片的置數(shù)端特殊處理，使用74257八選四數(shù)據(jù)選擇器。當(dāng)置數(shù)端信號(hào)有效時(shí)，將置數(shù)的起點(diǎn)選擇到置數(shù)端。而當(dāng)置數(shù)信號(hào)無(wú)效時(shí)，到0101輸入到置數(shù)端。從而解決上述問(wèn)題。 問(wèn)題2解決方案B：直接使用Quartus內(nèi)部產(chǎn)生的函數(shù)器件，使其分別產(chǎn)生模為六和十的計(jì)數(shù)器，通過(guò)同步置數(shù)法解決問(wèn)題。顯然，此法更加方便，優(yōu)于上述方案。 問(wèn)題3解決方案A：將鍵盤(pán)的四位Col輸入通過(guò)一個(gè)與門(mén)和7474消抖電路輸出。使其能夠在按下一個(gè)鍵后，產(chǎn)生一個(gè)上升沿。而這個(gè)上升沿可以作為之后電路的時(shí)鐘信號(hào)。但是這個(gè)理論上可行的方案，在實(shí)際操作中產(chǎn)生了嚴(yán)重的問(wèn)題。由于電路中的延遲情況未知，出現(xiàn)了大量上次按下的信號(hào)在本次按鍵中生效的現(xiàn)象。通過(guò)多種途徑分析電路，最終將鍵盤(pán)輸出的上升沿通過(guò)觸發(fā)器延遲一定時(shí)間后輸出效果明顯提高。但是這種方法直到最后來(lái)存在著一定的小問(wèn)題沒(méi)有很好解決。 問(wèn)題3解決方案B：和方案A相似地，通過(guò)觸發(fā)器使按下一個(gè)按鍵后產(chǎn)生一個(gè)單脈沖，寬度為一個(gè)正常的時(shí)鐘周期。而這個(gè)輸出作為使能端輸入到之后的電路模塊中，而之后的電路模塊的時(shí)鐘信號(hào)還是連接正常時(shí)鐘信號(hào)。這樣可以確保在按下一次按鍵，在模塊使能的時(shí)間里有且僅有一個(gè)上升沿。理論上說(shuō)，本方案會(huì)優(yōu)于A方案，但是依然是延遲的問(wèn)題。如上方案輸出的單脈沖依然落后與按鍵的信號(hào)，同時(shí)還產(chǎn)生了眾多競(jìng)爭(zhēng)和毛刺，使電路變得十分不穩(wěn)定。所以最后方案B還是被放棄了。 問(wèn)題4解決方案：最先由于不知道有器件Ram，導(dǎo)致設(shè)想的方案需要使用幾十片計(jì)數(shù)器當(dāng)寄存器使用。但是知道了Ram之后，Ram顯然是不二選擇。當(dāng)設(shè)置狀態(tài)時(shí)，即將置數(shù)的信號(hào)輸入到顯示端的同時(shí)，輸入到Ram。而在調(diào)用狀態(tài)時(shí)，從鍵盤(pán)輸入的信號(hào)改為從Ram輸入。 問(wèn)題5解決方案：通過(guò)Quartus內(nèi)部產(chǎn)生的函數(shù)器件判斷當(dāng)前的輸出，當(dāng)符合條件時(shí)，Error輸出為1。通過(guò)一個(gè)信號(hào)控制數(shù)據(jù)選擇器使顯示端輸出的值為EE，并且使?fàn)顟B(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)移。這從理論上來(lái)說(shuō)，是可以實(shí)現(xiàn)的。但是在實(shí)際過(guò)程中還是會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題需要解決。
4、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：
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鍵盤(pán)：輸出列掃描信號(hào)，接收行信號(hào)，并通過(guò)寄存器記下四位行信號(hào)和四位列信號(hào)。將上述八位信號(hào)輸入至一個(gè)預(yù)先寫(xiě)好的Rom，將其轉(zhuǎn)換為四位二進(jìn)制碼。其對(duì)應(yīng)關(guān)系為0000-1，0001-2，……，1001-0，1010-A，1011-B，……并且根據(jù)鍵盤(pán)是否被按下，輸出一個(gè)上升沿信號(hào)。相似地，能夠輸出一個(gè)提示正確按鍵的信號(hào)。電路圖如下：
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控制器：接受來(lái)自鍵盤(pán)的按鍵信號(hào)和上升沿信號(hào)。以上升沿為時(shí)鐘，通過(guò)觸發(fā)器和組合電路實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)移。最后給出當(dāng)前的狀態(tài)值。同時(shí)能夠接受時(shí)間顯示器的進(jìn)位反饋信號(hào)，當(dāng)計(jì)時(shí)至0時(shí)，異步將狀態(tài)清零。電路圖如下；
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力度顯示器：接受來(lái)自控制器的當(dāng)前狀態(tài)值，鍵盤(pán)產(chǎn)生的上升沿信號(hào)以及通過(guò)濾過(guò)器后有鍵盤(pán)產(chǎn)生的信號(hào)（該信號(hào)只為數(shù)字，即0~9）。力度最終所有的輸出都顯示在前兩位數(shù)碼管上。在合適的狀態(tài)下，將數(shù)字信號(hào)輸入到Rom并使其通過(guò)最后兩片74169的置數(shù)使其顯示。同時(shí)通過(guò)“A”“B”鍵能動(dòng)態(tài)地控制顯示結(jié)果，即當(dāng)前阻力值。電路圖如下：
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時(shí)間顯示器：時(shí)間顯示器相對(duì)復(fù)雜。在輸入時(shí)間的大狀態(tài)下，需要有四個(gè)子狀態(tài)來(lái)控制具體是哪位時(shí)間值在被設(shè)置。需要使用一個(gè)74194作為次狀態(tài)機(jī)，來(lái)控制四位數(shù)碼管信號(hào)的置數(shù)信號(hào)。并且需要計(jì)數(shù)到00：00時(shí)，能給出一個(gè)借位信號(hào)，使?fàn)顟B(tài)機(jī)狀態(tài)清零。同時(shí)由于預(yù)設(shè)功能和倒計(jì)時(shí)功能的存在，需要多處使用數(shù)據(jù)選擇器。同時(shí)由于清零功能、報(bào)錯(cuò)功能、末三秒提示功能等需要實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜。在此，為了簡(jiǎn)化其復(fù)雜性，將當(dāng)前狀態(tài)值輸入至一個(gè)Rom。而將Rom的輸出給至各位控制端、選擇端以及使能端，控制時(shí)間顯示器的工作。但是不管怎么樣，僅從電路的結(jié)構(gòu)和規(guī)模看出，時(shí)間顯示器是最復(fù)雜的一個(gè)模塊。電路圖如下：
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- 模塊接口標(biāo)注（參數(shù)、協(xié)議）
鍵盤(pán)：輸入：列掃描信號(hào)； 輸出：行掃描信號(hào)、上升沿信號(hào)、鍵盤(pán)碼四位信號(hào) 控制器：輸入：上升沿信號(hào)、鍵盤(pán)碼四位信號(hào)、計(jì)數(shù)借位信號(hào) 輸出：四位當(dāng)前狀態(tài) 力度顯示器：輸入：四位當(dāng)前狀態(tài)、上升沿信號(hào)、鍵盤(pán)碼四位信號(hào)（判斷是否為“A”“B”） 輸出：力度顯示的兩位數(shù)碼管 時(shí)間顯示器：輸入：四位當(dāng)前狀態(tài)、上升沿信號(hào)、鍵盤(pán)碼四位信號(hào)（判斷是否為“A”“B”） 輸出：時(shí)間顯示的四位數(shù)碼管以及四位數(shù)碼管的使能信號(hào)、借位信號(hào)
5、狀態(tài)流程圖： 0000：初始狀態(tài) 0001：手動(dòng)/計(jì)時(shí)模式選擇狀態(tài) 0010：輸入力度 0011：確認(rèn) 0100：開(kāi)始訓(xùn)練 0101：輸入力度 0110：輸入時(shí)間 0111：確認(rèn) 1000：開(kāi)始訓(xùn)練 1001：選擇預(yù)設(shè)的訓(xùn)練模式 1010：確認(rèn) 1011：開(kāi)始訓(xùn)練 1100：選擇需要設(shè)置的訓(xùn)練模式號(hào) 1101：輸入時(shí)間 1110：輸入力度
（框中的編號(hào)即是對(duì)應(yīng)著一個(gè)狀態(tài)，同時(shí)也是狀態(tài)機(jī)產(chǎn)生的具體狀態(tài)編碼。）
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6、各主要模塊圖與仿真波形
- 各模塊的仿真波形，詳細(xì)注釋輸入輸出功能端口，波形意義
鍵盤(pán)波形圖：
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CLKF：快速時(shí)鐘信號(hào)，頻率較高 CLK：正常時(shí)鐘信號(hào)，有CLKF通過(guò)分頻器產(chǎn)生，頻率大約為前者的1/16 Ip_Row:行輸出掃描信號(hào) Ip_Col:列輸入信號(hào) OEN:鍵盤(pán)給出的上升沿信號(hào) q:鍵盤(pán)的四位二進(jìn)制編碼
控制器波形圖：
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A：當(dāng)前狀態(tài)值 CLR：清零信號(hào) RCO：借位信號(hào) ERROR：錯(cuò)誤信號(hào) KEY_EN:鍵盤(pán)上升沿信號(hào) KEY:鍵盤(pán)按鍵信號(hào)
力度顯示器波形圖：
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CLKF：快速時(shí)鐘信號(hào) Q：鍵盤(pán)給出的四位二進(jìn)制編碼 STATE_CODE:狀態(tài)編碼信號(hào) KEY_EN:鍵盤(pán)上升沿信號(hào) FH：力度數(shù)碼管的高位 FL：力度數(shù)碼管的低位
時(shí)間顯示器波形圖：
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CLKF：快速時(shí)鐘信號(hào) CLK_1Hz:用于計(jì)時(shí)的1Hz方波信號(hào) S:當(dāng)前狀態(tài)碼 Q:鍵盤(pán)輸入的四位二進(jìn)制編碼 QHH,QHL,QLH,QLL:依次為時(shí)間數(shù)碼管顯示的數(shù)字，順序是由高位到低位 RCO:借位信號(hào) ERROR:錯(cuò)誤信號(hào) SOUND_EN:蜂鳴器使能信號(hào)
7、設(shè)計(jì)總結(jié)
- 預(yù)期的目標(biāo)與當(dāng)前實(shí)現(xiàn)功能的差異
從上述設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以看出原先是打算一次性將提高和基礎(chǔ)部分做完的，但是畢竟通過(guò)電腦編程，畫(huà)線路圖對(duì)我們而言來(lái)說(shuō)陌生的。當(dāng)中經(jīng)歷了多次挫折，花了很多時(shí)間，也正是由于時(shí)間關(guān)系，最終做出了艱難的選擇：放棄了預(yù)設(shè)部分。但是在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，預(yù)設(shè)等內(nèi)容，包括狀態(tài)和器件，都已經(jīng)基本完成了設(shè)計(jì)。但是由于時(shí)間原因，最后沒(méi)有將已經(jīng)完成的預(yù)設(shè)部分調(diào)試成功。這也是本次實(shí)驗(yàn)遺憾的地方。或許，當(dāng)初在構(gòu)思的時(shí)候，就可以選擇先完成基礎(chǔ)部分，然后再通過(guò)部分修改的形式增加提高部分。這種思路應(yīng)該更加符合可編程數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，而不是像我這樣企圖一口氣吃成胖子。
- 調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題分析及其解決措施
調(diào)試過(guò)程中，出現(xiàn)的一個(gè)最明顯的問(wèn)題就是鍵盤(pán)給的上升沿信號(hào)的位置一直有問(wèn)題，導(dǎo)致置數(shù)一直不正確。出現(xiàn)本次按鍵置上一次按鍵的數(shù)的情況。但是在之后，通過(guò)多種方式增加了該上升沿的延遲，使其出現(xiàn)時(shí)，鍵盤(pán)信號(hào)已經(jīng)明顯穩(wěn)定后才輸出。最終基本上解決了這個(gè)問(wèn)題。
由于我們制作的系統(tǒng)是一個(gè)和我們生活很近的操作系統(tǒng)。因而提高方向應(yīng)該更加人性化、更加便于操作、更加接近我們使用的電子控制系統(tǒng)。在此，我主要有幾個(gè)設(shè)想： - 在具體輸入某一位時(shí)間時(shí)，該位時(shí)間處于閃爍狀態(tài)。
- 每次按鍵有蜂鳴器發(fā)音提示
- 可以選擇具體數(shù)位修改時(shí)間
事實(shí)上，設(shè)想1已經(jīng)努力使用電路去實(shí)現(xiàn)（但最后還是未能實(shí)現(xiàn)）。而設(shè)想2則通過(guò)正確按鍵提示燈改造即可實(shí)現(xiàn)。
雖然不用親自動(dòng)手搭電路，省去了許多搭線之苦，但是必須掌握對(duì)quartus軟件的熟練使用方法。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，尤其是所需的器件較多，各部分聯(lián)系比較復(fù)雜時(shí)，必須采用模塊化設(shè)計(jì)。在調(diào)試過(guò)程中，必須先分模塊調(diào)試，最后進(jìn)行總的調(diào)試編譯。在調(diào)試過(guò)程中，警告一般可以忽略。 由于沒(méi)有使用器件的限制，因此可以最大程度的利用好quartus內(nèi)部提供的器件，以此來(lái)簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。 | 
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