数字系统设计

1、 闫 改 珍 电 子 系 统 设 计引言：1、什么是电子系统？ 电子元件按一定规律组成的有组织、有序且能实现特定功能的整体 测控系统： 飞行轨道控制 工业控制 动态工作范围、精度、响应速度、可靠性 测量系统： 电量 非电量 精度数据处理系统： 语音 图像处理 雷达信息处理 处理速度 保真度通信系统： 程控交换 网络通信 无线通信 容量 灵敏度 稳定性计算机系统 含嵌入式设备 主频 存储容量 处理速度智能家居系统 功能 稳定性 可靠性 成本 价格 耗电量楼宇安防系统 门禁 楼宇对讲 电子防盗窗 小区监控 安全性、可靠性 总之： 功能不同，规模不同 ， 使用场合不同，性能指标不同 2、电子系统设计

2、应具备的条件具备足够的知识基础和知识储备 A: 基本元件认识、使用、检测 B: 常用集成电路使用方法 运放、锁相环、波形发生器、稳压器、555 C: 常用线性电路及非线性电路 分立晶体管电路、音频电路、简单有源滤波 器、宽带中压放大电路、振荡电路、无稳态、 双稳态、单稳态电路、调制电路、开关电路、 电压比较器 D: 传感器及信号调理电路 E: 数字逻辑： 数制基础、时序逻辑、组合逻辑 F: MCU: 上电复位、程序执行、编程、输入/出接口 E: 数字数据传输 并行总线 串行总线 IIC 1-Wire 掌握基本的电子系统设计方法和步骤 数字电子系统：6学时 可编程逻辑器件系统：4学时 模拟电子系

3、统：10学时 微控制器系统: 16学时掌握必不可少的软件工具 protel multisim protus keilc CCS 具备搜集资料的网络或其它条件必备的电路调试工具第一章 数字系统设计1、数字系统的基本组成数据子系统控制子系统数据输入数据输出控制与条件信号时钟数据的采集、处理、运算、传输、存储组合逻辑系统执行算法的核心，需有记忆能力时序逻辑2、数字系统设计实例：十字路口交通灯控制系统明确设计要求六车道，无自行车道直行不许左拐， 但可右拐车行40秒，设置倒计时器行人穿越需先申请，穿越时间60s，设置倒计时器警察可人为控制不考虑联网控制器秒脉冲发生器定时器行人请求警察控制系统示意图指示灯

4、面板示意图通行等待禁止作业：设计各指示灯的电路(2) 确定系统方案 A: 基本通行方式及其更替NSWENSWE通行方式1通行方式2NSW ENSWE通行方式3通行方式4通行方式1通行方式2通行方式3通行方式4B: 补充细则仅在直行前20S内可响应同方向的人行请求，只响应一次行人穿行时，禁止右拐，40s定时器60计时人行状态后进入下一个状态警察控制立即响应设置4红时间为2SC、细化系统框图控 制 器40秒定时器60秒定时器秒发生器MEMSP指示灯面板示意图通行等待禁止L1L2L5L3L4L6L6L7L7L8L9L10东西南北南北东西C、细化系统框图控 制 器40秒定时器60秒定时器秒发生器MEM

5、SPL10L2L3L4L5L1R10R1R2R3R4R5R6R7R8R9L6L6L7L7L8L9C10C1C2C3C4C5C6C7C8C9D、细化流程图开始南北直行，各路右拐P=1?Ms=1?20s?N南北左拐，各路右拐警察控制YYY南北行人，南北直行P=1?YN60s?NNYC9南北行人等待C8C1 C6Y南北左拐，各路右拐P=1?Ms=1?40s?C2 C5NME=1?NNY东西行人等待N东西直行，各路右拐警察控制YYNC9C8Y南北行人等待南北直行，各路右拐东西直行，各路右拐P=1?ME=1?20s?N东西左拐，各路右拐警察控制YYY东西行人，东西直行P=1?YN60s?NNYC8东西行

6、人等待C9C3 C7Y南北直行，各路右拐东西左拐，各路右拐P=1?Ms=1?40s?C4 C5NME=1?NNY东西行人等待N南北直行，各路右拐警察控制YYNC9C8Y南北行人等待南北直行，各路右拐(3) 受控器设计秒脉冲发生器40S、60S减法定时器及显示器路口指示灯及行人穿行指示灯A: 秒脉冲发生器对称多谐振荡器环形多谐振荡器CMOS反相器构成的多谐振荡器晶体振荡器 ，振荡频率取决于晶振，频率稳定性好滞回比较器构成的矩形脉冲发生器集成振荡分频电路CD4060Qn为系统时钟的2n分频555定时器构成多谐振荡器集基耦合多谐振荡器B: 60s减法定时器CP11HZ40s减法定时器60s计数器个位

7、60s计数器十位减法定时器条件信号提供电路C:路口指示灯及行人穿行指示灯(4) 控制器设计A: MDS (Mnemonic Documented State Diagrams) 图状态转移条件无条件转移状态条件输出输出信号 有效 无效 进状态有效，出状态无效B: 详细流程图导出MDS图的原则是：流程图中的工作块对应MDS图中的状态,若流程图中工作块内的操作不能同时进行，应将工作块划分为多个状态，并依次作无条件转移。工作块内操作所需的控制信号写在状态圈旁流程图中的判别快对应MDS的分支，判别条件写在分支线旁。流程图中的条件块，对应MDS图的条件输出。若流程图中某一分支中出现两个彼此独立的、与系统

8、时钟无关的异步变量，则状态成功转移的概率较小，应新定义一个中间变量，使在每个分支上只有一个异步变量。C: 十字路口交通灯的MDS图控制信号S0S1S2S3S4S5D: 控制器的硬件实现控制器功能：状态转移输出控制信号控制器的实现方案寄存器组(状态记忆和状态转移)+译码器(输出控制信号)计数器(状态记忆和状态转移)+译码器(输出控制信号)控制器设计步骤状态编码状态编码 Q2 Q1 Q0S0 0 0 0S1 0 0 1S2 0 1 0S3 0 1 1S4 1 0 0S5 1 0 1(2) 选择控制方案 十字路口交通灯多数情况是车行状态转换(即：S0-S1-S2-S3-S0), 偶尔转换到人行状态(

9、S4-S5)，特殊情况会进入警察控制状态，因此车行状态转换可用计数器实现，车行、人行状态的转换可通过计数器的异步置数实现。计数器操作表 Q1Q0Q2000111100T=40加计数；MST20置数T=40加计数；T=40清零；T=40加计数；MET20置数0T=60置数T=60置数计数器的异步置数表现态D2D1D0S0100S2101S4001S5011(3) 电路结构设计系统状态自动切换功能的实现警察控制功能2S四红功能的实现异步信号的保持与清除控制信号的生成定时器所需的控制信号:指示灯控制信号：同步化问题：输入信号的同步化 原因：系统是同步时序电路，它的运算、操作及状态变化都与时钟有效边沿同步，异步信号较为短暂，控制器难以捕捉；部分输入信号建立需要实践，系统应在输入信号稳定后才动作；系统的操作和状态转换也有一定的持续时间，输入信号须在电路稳定后才发生变化。条件输出是异步输入信号与某一状态相与的结果，短暂的异步信号使得条件输出持续时间很短，受控器无法响应。输入信号同步电路输出信号的同步化冒险现象：由于记忆状态的触发器传输延迟不同，状态变量经过的组合逻辑电路的延时不同，其输出不会同时改变，状态转换时可能经历不同的中间状态。当组合逻辑电路对这些不同的中间响应后，就会出现毛刺或误动作。图示_04010203040506070809单击此处添加文字内容文