东华大学生理刺激反应课程设计报告.docx

目录第一章、设计指标2第二章、系统概述3（1）分频电路5（2）动态显示电路5（3）反应时间计数电路6（4）延迟和随机信号产生电路6（5）信号逻辑控制电路7第三章、单元设计电路与分析81、分频电路82、反应时间计数电路93、动态显示电路104、延迟和随机信号产生电路125、违例信号的逻辑控制：146、信号逻辑控制电路15第四章、电路的组构与调试16第五章、思考与体会19第六章、参考文献20第七章、附页201、引脚分配图：202、各模块电路图：21第一章、设计指标（1）设计概述生理刺激反应时间测试仪是测量被测试者在受到刺激后，经过多少时间才有反应的测试仪。人体在受到外界声、光信号刺激后作出反应的时间有快有慢，某些职业对从业人员的生理刺激反应时间有一定的要求。比如，短跑、跨栏运动员的成绩都精确到0.01s。本设计采用光或声音作为刺激人眼或耳朵的触发源，由测试对象按键做出反应。（2）设计要求 受试者可以按“测试源选择”键选择刺激信号光或声。1. 当受试者按“测试开始”按键后，系统进入准备状态，“准备灯”亮，其他指示灯灭，显示器显示全零。2. 测试仪在“准备”灯亮后的110 s时间内随机发出光刺激信号（“测试”灯亮）或声刺激信号（蜂鸣器响），“准备”灯灭。3. 当刺激信号发出后测试仪开始计时，直到受试者按下“反应”键停止计时。计时单位为0.1 ms，为提高精度，最低位要四舍五入。4. 以七段LED数码管显示计时测量值的高3位，最低位测量进行四舍五入处理，显示值保持到新的测量开始。5. 若受试者的反应时间超过999.5 ms，“溢出”灯亮指示溢出，测试计数器立即停止计时，“测试”灯灭或蜂鸣器停，“溢出”灯持续发光直到下一次实验开始按下“测试开始”按键。6. 若受试者在刺激信号未发出前按“反应”键，“违例”指示灯亮，“准备”灯灭，并禁止刺激信号发出。（3）硬件环境测试仪的控制部分以FPGA实现, 光刺激信号由发光二极管产生、声刺激信号由蜂鸣器产生。“测试开始”按键和“反应”按键选择点触键产生脉冲信号，刺激源选择采用自锁键产生电平信号。测量值采用3个七段LED数码管显示，显示方式由FPGA开发装置决定。设计随机脉冲发生模块在DE2开发板或LP-900开发装置上实现。第二章、系统概述 1、设计思想 分析设计要求可知，生理刺激反应时间测试仪的基本功能是随机产生刺激信号、计时显示以及对受试者的操作进行逻辑判断。因此生理刺激反应时间测试仪需要延时电路、随机产生刺激信号电路、反应时间计时电路、动态扫描显示电路以及信号逻辑控制电路。分析系统功能, 可以设置生理刺激反应测试仪的主要控制信号为开始信号、准备信号、随机信号、测试信号、反应信号、测试计数器溢出信号 和违例信号。若选择按键产生高电平信号为“测试开始”键和“反应”键, 开发装置上的SW1SW8 键, 则Start , Response为相应按键产生的有效信号。Ready , Test, Response, Overflow , Weili 设置为触发器产生的电平信号。系统电路根据控制功能划分为刺激信号随机产生、测试计时、显示、逻辑控制、时基信号产生等5个模块。其中随机信号采用模为2的延时计数器、模为10的定时计数器及相应的控制逻辑产生, 测试计数器采用可预置、有使能控制的4级8421BCD 码十进制加计数器实现。由于正常测试时间小于1 s, 所以时间计数值可以不经锁存直接显示。时基电路是产生定时、延时、计时电路以及显示扫描电路的时钟脉冲, 蜂鸣器的发声也需要音频脉冲控制。各脉冲可以根据所用FPGA 开发装置的基准时钟分频获得。2、可行性论证 在具体实验中，我们可以用Quartus软件和FPGA来实现我们的设计思想。先利用Quartus根据我们的设计思想建立设计输入文件（包括图形文件，文本输入文件），进行分析与综合和建立方针波形后，将实验方案在编写引脚之后下载到FPGA的硬件装置上，结合计算机计数的辅助和可编程逻辑器件的开发，将设计思想应用于实际硬件上。 分析系统功能，可以设置生理刺激反应测试仪的主要控制信号为准备开始信号ready、准备灯信号readylight、随机信号random（OSC）、刺激信号test、反应信号response、测试计数器溢出信号overflow和违例信号wrong。若选择下降沿有效地点触键为“测试开始”键和“反应”键，比如上的EPF10K上的PS3和PS4，则start和response为响应按键产生的负脉冲信号。readylight、test、response、overflow、wrong设置为触发器产生的电平信号。 在设计思想中，我们还提到，除实验仪器本身自带的石英振荡器，按键，显示灯等之外，我们还需要自己制作一个延时器，一个分频器，一个计数器、一个动态扫描显示电路以及若干“0-1”保持器。下面，我将逐一介绍这些器件的制作方法以论证此设计方案的可行性：延时器:可使用一片74LS160作为延时器。分频器：可使用7片74LS90连接成一个8分频器。计数器：可使用5片74LS60异步级联成一个计数器。动态扫描显示电路：由石英振荡器连接8分频器、1片74LS161,、5片74LS153和一个自己编译的译码器即可组成动态扫描显示电路。“0-1”保持器：测试中需要时脉冲信号由D触发器作为0-1保持器转变为电平信号使用。通过以上论述，我们可以验证实验的可行性。3、 各功能的思路 （1）分频电路 分频电路是以LP2900提供的频率为10MHZ的脉冲信号为基准信号，分频产生数个不同频率的本次实验需要使用的脉冲信号。因此运用数电知识可以将7490计数器连成十进制，则cp与输出之间，为十分频关系。 然后将八片7490级联，可以得到10MHZ的八次十分频，即1MHZ、100KHZ、10KHZ、1KHZ、100HZ、10HZ、1HZ、0.1HZ 9个不同频率的脉冲信号。（2）动态显示电路 动态扫描显示控制的关键问题在于产生顺序脉冲分时选通各显示器的公共端，并同步输出其段控制信号。在本实验数字电路中，采用计数器控制二进制译码器产生。采用LP-2900开发装置，由于已在FPGA外部设置了38线译码器74138控制显示器的公阴端，因此只要采用计数器产生二进制计数信号控制译码器即能实现动态显示扫描。在LP-2900上实现4位动态扫描显示控制电路，选择前四位。采用四进制计数器的输出控制DE1、DE2，并使DE3始终为0（端口接GND）,则74138输入码A以“0000”、“0001”、“0010”,“0011”循环变化，输出控制C1、C2、C3，C4轮流为低电平，C5、C6始终为高电平，后两位显示器灭显。由于数据选择器的输出Ni必须在相应的Ci有效有效时同步输出，所以可采用控制产生Ci顺序脉冲的计数器同步控制数据选择器各位的显示码，经过显示译码输出七段控制信号Ni,同时选择该位的小数点控制信号控制显示器的dp端。（3）反应时间计数电路 测试计数器采用可预置、有使能控制的4 片8421BCD 码十进制加计数器74160级联实现，每片分别接入一位七段共阴动态数码管显示，在test信号进入时开始计时，response信号到来时停止计时,若实际超过999.5ms则发出overflow信号。由于正常测试时间小于1 s, 所以时间计数值可以不经锁存直接显示。生理刺激反应测试仪的时间测量为四位十进制数,而显示值为三位十进制数，最低位测量值要求进行四舍五入处理。即当最低位计数值小于5 时, 高三位测量值直接显示；当最低位计数值大于4 时，高三位测量值加1 后显示。（4）延迟和随机信号产生电路 随机信号是指控制条件满足后脉冲出现时间无法确定的信号。如果以一个任意出现的控制电平去选通一个周期性定时出现的脉冲信号, 由于脉冲出现的时间与控制电平有效的时间没有任何关联, 当控制信号有效后, 在定时周期时间范围内会随机出现选通脉冲。在数字电路中, 计数器的溢出信号是循环定时产生的。比如, 计数器的模为M、计数脉冲频率为1 s, 则计数器的溢出信号周期为M s, 信号宽度一般为1 s。若用一个电平信号通过逻辑门选通该计数器的溢出脉冲, 则当控制电平有效后, 逻辑门的输出在0 M s 之间产生随机脉冲信号。同样, 若用电平信号控制一个模为N、初始值为0、计数脉冲频率为1 s 的计数器使能端, 当使能电平有效后, 计数器产生溢出信号的延时时间为N-1N s。（5）信号逻辑控制电路 本次实验，分析系统功能, 可以设置生理刺激反应测试仪的主要控制信号为开始信号、准备信号、随机信号、测试信号、反应信号、测试计数器溢出信号、违例信号和测试成功信号。在Ready信号有效时，Test信号、WeiLi信号、Overflow信号无效；在Test信号有效时，Ready信号和Delay信号无效，Response高电平时，Test信号无效，在Test无效时，Response出现高电平，WeiLi信号有效，Test始终保持无效。4、总体工作过程 总体工作过程中，逻辑控制电路按控制要求产生各控制信号, 根据系统工作原理,各信号时序关系如下:（1）“准备”按键产生的start产生高电平触发整个装置可以开始工作，复位按键产生的上升脉冲触发Delay信号有效, 控制Test , WeiLi, Overflow 无效, 并预置测试计数器初值。（2）Delay 信号控制延时计数器开始计数, 延时时间1 2 s。当延时时间到, 延时计数器溢出信号等待选通模10定时计数器的溢出信号产生随机脉冲Random, 等待时间为0 10s。这样, 随机信号random比测试开始!按键的作用时间滞后2s出现。（3）当随机脉冲Random 出现后, 触发Test 信号有效并控制，Delay 信号无效。Test信号点亮“测试”灯或控制蜂鸣器鸣响, 并允许测试计数器开始计时。( 4) 当“反应”键按下后, 产生Response 上升沿脉冲, 使Test 信号无效, 测试计数器停止计数。( 5) 若反应时间超过999.9ms, 测试计数器产生的溢出脉冲触发Overflow 信号有效。Overflow 信号控制测试计数器停止计数。并显示为“0000”( 6) 若Test 信号无效时按下“反应”键, Response 脉冲触发WeiLi 信号有效, 并控制Delay 信号无效。WeiLi信号禁止随机脉冲触发Test 信号产生。 生理刺激反应时间测试仪的总体设计思想框图如图所示： 第三章、单元设计电路与分析 3.1、各单元电路的选择 1、分频电路 要求：设计8级10分频电路，将基准10MHZ分频后输1MHZ,100KHZ,10KHZ,1KHZ,100HZ,10HZ,1HZ,0.1HZ脉冲信号。 （1）用7490构成5421码输出的十分频电路（2）分频器：将三个7490包装起来，再将三个包装后的7490级联可得到八个输出端分别为1MHZ,100KHZ,10KHZ,1KHZ,100HZ,10HZ,1HZ,0.1HZ模块图：2、反应时间计数电路所需功能：主要由四片级联的十进制计数器组成，74161计数器。计时器的开始、停止、置数、清零、溢出等功能分别由一些逻辑门和D触发器构成。在test信号进入时开始计时，response信号到来时停止计时，实际超过999.5ms时发出overflow信号。功能实现原理：start信号为高电平按键有效，用start信号控制四片74160的清零端，当start信号到来时计时器才有效。置数，用74160最低片置数，start信号控制D触发器清零端，start信号没来时，则置位端为0，实现置5功能。 开始计时，random信号和response信号取反分别控制EP、ET，即当random信号到来，且response信号没来时，计时有效，当response到来后停止计时。溢出：当第四片计数器满十进位后，其Rco溢出端接overflow信号。同时用overflow信号和cp加一个与门控制最低片74160的清零端，即实现当overflow信号到来时，停止计时。计数器从左向右为从低片到高片。模块图：完整电路图见附页。3、动态显示电路 （1）七段显示译码，采用AHDL文件编辑做成模块图：（2）动态扫描器动态扫描器框图原理分析：模位4的计数器对4个LCD显示器进行高速的动态扫描，使C1、C2、C3，c4,4个显示器循环显示，由于扫面频率很高，由于人眼的暂留效应，因而会看到4个显示器同时显示。通过4个4位数据选择器，反应时间计数测量的四位计数器的输出A、B、C、D接到数据选择器的C1C4。dp16到dp13对应第一个LCD显示管（即C1），显示计数器的最高位；dp12到dp9对应第二个LCD显示管（即C2），显示十位数；dp8到dp5对应第三个LCD显示管（即C3）；dp4到dp1对应第二个LCD显示管（C4）；dp20到dp17显示小数位数。完整四位动态显示电路图见附页。4、延迟和随机信号产生电路 元件符号：延时模块：原理分析：延迟信号发生器：当“测试开始”按键按下后，上升沿脉冲使D触发器输出高电平，从而使74161的使能端处于计数状态，CLK输入1HZ的时钟脉冲信号，当计数器计到2时，一方面通过非门使前一个触发器清零，74161处于不工作状态，random信号的下跳边使yanshi信号清零，保证只产生一个延时信号。一方面使后一个D触发器输出高电平的延时信号。 随机模块：原理分析：原理分析：当延时信号有效时，十分频信号发生器发出的信号才能通过与门输出随机信号。当随机信号产生后，随机信号的下降沿通过反馈或门，使得D触发器的输出从1变0，对D触发器进行了封锁，之后的输出便一直为低电平，从而只产生一个随机脉冲信号。同时，weili信号也使random信号清零，可以将weili、yanshi、Rco信号相与，输出random信号。完整随机信号发生电路图见附页。5、违例信号的逻辑控制：原理说明：在start信号为1的前提下，当random信号无效时，产生response信号，则触发weili信号。模块图：6、信号逻辑控制电路 原理分析：运用D触发器和与或非门等逻辑门，实现开始信号Start、准备信号Ready、随机信号Random、测试信号Test、反应信号Response、测试计数器溢出信号Overflow 、违例信号Weili和测试成功信号Testsucc之间的逻辑关系。刺激源选择功能：用xuanz信号与random信号为灯光显示，选择信号取反与random信号则蜂鸣器响。违例：当test信号无效时按下“反应”键，则response脉冲触发weili 信号有效, 并控制ready信号无效。weili信号禁止随机脉冲产生, test信号始终无效。 准备：ready信号控制延时计数器开始计数,延时时间1 2 s。当延时时间到,delay信号有效。具体介绍在随机信号如何产生之中有详细介绍。控制电路主要将各个模块连接起来，以及实现start和ready信号的关系。上述所说皆在总电路图中有所体现。完整总电路图见附页。第四章、电路的组构与调试 1、遇到问题与解决措施： （1）、四位动态显示编译后只显示一位解决措施：经检查后发现是显示模块计数器忘记加上DE1、DE2、DE3来实现四位动态扫描功能。（2）、四位动态显示乱码解决措施：检查后发现自己引脚标错导致计时器显示不正常。（3）、不能输出随机信号解决措施：找老师改正电路，发现自己的关于yanshi信号和random信号的逻辑理解错了，yanshi信号不能控制random信号，这样做导致random信号无法实现随机，因此不能用D触发器控制，应当使用逻辑与门，当yanshi信号和74160溢出信号同时到来时，则产生random信号。修改后的部分电路如下：（4）、计时器模块在反应键按下后最低位又重新置5解决措施：问题出现在置位的逻辑上，一开始采用random和response信号的与门控制置位端低有效，即当random信号到来为1，response信号没有到来（为0）时开始置位，当response信号到来后（为1）与上random信号则为1，将不会置位。后来想到random信号为一个随机脉冲，不是电平信号，无法用逻辑门保存，所以采用D触发器保存置位信号，当random信号由1变0后，也已经封锁D触发器输出端，不再置位。修改后的电路如下：（5）、违例灯亮之后依然有测试信号发出思考后发现问题出现在weili信号和random信号的逻辑上，当weili信号出1时，应使random信号无效。故在random信号产生电路中加一个与门，用weili信号控制random。修改后电路图如下：2、功能的测试方法、步骤、设备、记录的数据 测试计时计数器功能： 用波形仿真工具对计时器进行了仿真模拟，得到如图所示的波形。在最低位为9后，向较高位进位，证明计时器进位正常。 在计时器四位数字全为9之后，溢出信号（overflow）出现，并停止计数。 第五章、思考与体会回顾这次数电课设过程，满是艰辛。以为自己模电和数电学得比较扎实，课设也应该不会太难，可当我看到设计要求时，一头雾水，被里面复杂的信号逻辑绕晕了。随后的课程中，老师教我们设计了分频器和四位动态扫描显示，做完后我却不知道有什么用。直到自己细细看了几篇关于生理刺激反应的报告，才了解我们已经实现了显示和时基信号功能。于是便开始着手设计延时、随机、计时、总控制功能。在设计随机信号功能时也遇到了不少问题，一开始照着自己的思路把电路写好后，编译总电路，完全不能得到理想的功能。也不知自己逻辑哪里做错了，于是去请教老师，老师帮我检查了随机信号发生电路后告诉我每一个模块都必须用start信号使其有效，而且触发器、计时器的clear、