《小型数字系统设计-健身自行车控制器.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《小型数字系统设计-健身自行车控制器.doc（11页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、l 课程名称： 数字逻辑电路设计实践 实验名称： 小型系统设计健身自行车控制器 实验：设计一个健身房使用的健身自行车控制器。控制器的输出信号给D/A转换器，以控制自行车的阻力，从而改变训练强度。输入采用44键盘，显示采用 3位数码管，其中最高位显示训练强度，低2位显示时间。 基本功能：1、使用者骑上自行车时，控制器处于初始状态。按“F”键启动控制器，此时3位数码管显示“000”。2、用户输入从0到9中的任意数字，以改变训练强度，按“E”键确认。选定的训练强度显示在数码管的最高位。3、训练强度选择完成之后，数码管低2位显示“00”，即最长训练时间为1分钟。通过数字键盘输入数字，以决定训练的时间,
2、输入时数字顺序是从左到右。例如，输入2、3应该在显示器上显示“23”,表示训练时间被设定为60-23=37秒，如果输入正确，按下“E”键确认。如果使用者输错了时间，可以按“C”清除，显示恢复“00”的状态。训练时间输入完成后，按下“F”键开始训练。此时4位数码管的低两位显示时间从输入的时间值加计数到“00”。在最后10秒时，发光二极管亮1秒暗1秒。 当计时到设定的时间，控制器恢复到初始状态，此时定时器是“00”，训练强度为前面设定的值。 实验要求：1） 采用自顶向下的设计方法进行设计，画出数据处理单元和控制单元框图、控制单元的ASM图、各单元模块的电路图；2） 行列式键盘设计请参考第四章有关内
3、容；3） 先独立调试各单元模块，后联机调试，要记录和分析实验结果；一、 实验设计1. 控制单元的ASM图InitializationInput=F？10Set strengthInput=E？01Ensure strength strengthInput=09？1Set First time0Input=09？01Set Second timeInput=C？1Input=E？0Ensure time10Input=F？Start counting 10Count=00?？1控制单元ASM图 2、各单元模块的电路图 A )键盘电路 B）ROM状态控制电路C)数据处理部分D）总的设计LED灯时间
4、低位时间高位强度二、电路调试本电路主要分为四部分，键盘扫描输入输出部分，ROM状态切换控制部分，三个计数器存储计数部分，LED灯控制部分；下面是调试过程中过程遇到的实际问题以及自己的解决方法：首先是对键盘扫描电路的调试，发现100Hz扫描型号输入正确，按键时输出地址正确，该电路内储存地址的两个74LS161计数器也实现了储能功能，所以开始调试ROM状态切换控制电路部分。ROM状态切换控制电路的问题如下：1） 用于储存状态的74LS161在按键过程中总是出现紊乱，没有储存住。原先设计的电路图中ROM部分四位状态的存储74LS141计数器加的时钟信号为100Hz，结果按键清零后，始终无法设置强度。
5、用逻辑分析仪分析发现ROM状态在自动切换！这是一个非常低级的错误该存储器的时钟频率应该是受按键控制，即按一次键状态转换一次，而不是100Hz自动切换。 解决方法很简单，只是将键盘控制电路中的D触发器（没按一次键产生一个上升沿）的输出接到该存储计数器的时钟信号端。测试发现存储状态稳定。2） ROM状态切换时，有时会无法清零，各项操作都无法进行。这个问题具体是这样的：当你开启电源后，按键F开始实验后，它并没有清零，或者原来就是零，按下F后无法继续设置强度。这个问题出现的原因是设计时默认假设不准确：原先设计时一直默认开启电源后电源就达到初始状态0000，而实际情况是开启电源后各计数器（用作寄存器）的
6、初始状态是随机的，并不一定是0000。比如某次开启电源时出现的初始状态是1000，那么按下F时，输出的下一个状态一定是1111（由于仅使用00000111八个状态，因次其他状态对应的ROM输出未进行改写，默认为FF），那岂不是永远无法到达0000初始状态。问题的解决办法有两个：手动清零，重写ROM。手动清零是指开启电源后，手动使状态寄存器清零端接地，状态自动切换到0000；重写ROM是指用00来填充ROM中未使用的状态输出（默认是），从而一开机便进入初始状态。这有个问题就是可能初始状态是00000111中一个就无法实现了，因次采用第一种方法，测试后解决这一问题。3） 设置时间强度第一位时，发现
7、第二位自动设置这个问题具体是这样的，当你确认强度后，输入时间时间高位2时，数码管上两个时间同时显示22，而本来是应该只改变时间高位的。 问题出现后首先想到的当然是ROM是否编写错误，但是上面已经检查过ROM了，因次排除了这方面的可能。原理上分析，既然时间地位设置上去了，必然说明时间低位说对应的寄存器的load置数端有效了，这只可能在状态0101，但是时间高位输入后状态是0100！问题就出在这里！由于键盘电路会储存上一次按键产生的地址，因次ROM输入的地址八位在时间高位2输入后就一直在（下一次键盘再输入时才改变），所以ROM一位是键盘又输入了一个2，就把状态改为0101。这同时说明了上升沿是有一
8、个过程的，并不是在一瞬间完成的（因为在这种情况下，一个上升沿实现了两次状态转化），这在实验之前我根本没想过，而整个思想在下面问题中也同样会出现。这个问题解决是通过改变键盘电路的D触发器的输入时钟频率为500Hz做到的，但是有时候还是会出现一两次同时置数，所以还在考虑更好的方法。（注：和我实验电路设计类似的同学有好几位，但只有三位同学有这个情况，所以一直在考虑是否是硬件出问题）4） 有时设置完时间后使用C清零时，将时间、强度都清零了这个问题用状态来描述是这样的，有时输入时间结束后状态为0101，按键C清零按原理是直接回到状态0011，从而对两个时间进行清零，但是实际情况是把强度为也顺带清零了，而
9、强度只有可能在0001状态才能清零的。这个理论上不可能出现的问题出现了，我分析电路、ROM可能出错的地方，没找到错误。后联想到计逻课上黄老师曾讲到“状态转换时，最好的方法是使用安全码”，这才让我猛然领悟：在状态变化过程中各位的变化不是同时的（虽然ROM是按地址查找，并行输出，但也一定存在时间差），也就是说会出现中间态。在本次按键后进行的状态转换中，由0101变为0011过程中可能会出现0001，0111两种中间状态，而0001就是初始后按键F后对各位清零的状态，所以有时候按键C时会出现全部清零。解决这个问题的方法是使用安全码，而不让其直接转换，由0101按键后先让其变为0111,再变为0011
10、，这样就不会出现0001这个状态。但是当初这样解决的时候还担心一点，就是一个始终上升沿能否保证进行两次状态转换，因为如果不保证这个的话，我的状态转换就会有问题。于是我改写了ROM重新进行实验，发现不再出现这个问题，所以上述那个假定还是满足的。调试完ROM控制电路部分后，进行调试数据处理、存储部分计数器。1） 计数器实现模60方法错误这是一个逻辑错误，当时采用低位逢10进位，同时异步清零。实验中发现时间总是在2029重复计数，时间高位根本没有进位，原因是10出现时马上进行异步清零，所以就没有进位信号，无法实现进位。解决方法是使用逢9产生进位信号，逢10异步清零。问题解决。2） 时间到达00后将时
11、间强度一并清零。这个问题当初设计的时候是这样处理的：计数计到00时，使ROM中的状态寄存器异步清零，直接回到0000。这样处理主要是少考虑了一个问题：键盘电路模块中会把上一次的按键寄存在两个寄存器内，也就是相当与上次计数开始按键的F一直保存在寄存器内，当计数寄到零的时候，状态切换到0000，而键盘地址输出仍然为F键对应的输出，两个一作用相当于又按下键F，状态自动变为0001，对强度位进行清零，所以导致出错。分析找到原因后，解决方法很简单：在计数至00时，不仅把状态寄存器清零，同时也把键盘电路中的两个地址寄存器异步清零。操作改进之后，问题解决。最后是调试LED灯，发现没有错误。进行整体调试，发现
12、没有错误。本次实验结束。附：ROM烧制：地址(hex)数据（hex）077F107B，07D，07EF00B7，0BB，0BD，0BEF00D7，0DB，0DD，0DEF00E7，0EB，0ED，0EEF0177，17B，17D，17E，1B7，1BBF11BD921BE821D7721DB621DD521DE421E7321EB221ED121EE0227BF3277，27D，27EF22B7，2BB，2BD，2BEF22D7，2DB，2DD，2DEF22E7，2EB，2ED，2EEF2377，37B，37D，37E，3B7，3BBF33BD943BE843D7743DB643DD543DE
13、443E7343EB243ED143EE04477，47B，47D，47E，4B7，4BBF44BD954BE854D7754DB654DD554DE554E7354EB254ED154EE05577,57D,5B7,5BBF557BF657EF75BD955BE855D7755DB655DD555DE555E7355EB255ED155EE0567BF7677，67D，67EF66B7，6BB，6BD，6BEF66D7，6DB，6DD，6DEF66E7，6EB，6ED，6EEF6777，77B，77DF777EF3(为实现安全码设置)7B7，7BB，7BD，7BEF77D7，7DB，7DD，7DEF77E7，7EB，7ED，7EEF7
