自动化前沿-生理刺激反应时间测试仪

PAGE1目录

TOC\o"1-3"\h\u9891生理刺激反应时间测试仪 221020第一章设计指标 216178设计指标 212637第二章系统概述 2222162.1设计思想 2148992.2可行性论证 3324062.3各功能的组成 4267382.4总体工作过程 415620第三章单元电路设计与分析 690413.1各单元电路的选择 6135813.2设计及工作原理分析 158161第四章电路的组构与调试 18300774.1遇到的主要问题 1840464.2现象记录及原因分析 1859134.4功能的测试方法、步骤、设备、记录的数据 1918290结束语 22186725.1对设计题目的结论性意见及进一步改进的意向说明 2274975.2总结设计的收获与体会 229331附图（电路总图） 235703参考文献 25设计指标设计指标受试者可以按“测试源选择”键选择刺激信号光或声。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。测试仪在“准备”灯亮后的1~10s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。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0.1ms，为提高精度，最低位要四舍五入。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。若受试者的反应时间超过999.5ms，“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。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。第二章系统概述2.1设计思想我们需要“测试开始”、“反应”、“测试源选择”三个测试按键和“准备”灯、“测试”灯、蜂鸣器、“溢出”灯、“违例”灯四个反馈信号。由石英振荡器发出周期性的脉冲信号，通过前面几次实验制作的分频器产生随机信号。当“测试开始”按键按下后，用延时器使随机信号不会在测试者按下“测试开始”按键后直接出现，而是选择延时两秒后的第一个上升沿脉冲使“测试灯”亮，让实验数据更加准确。通过“测试源选择”选择随机信号以测试灯亮或蜂鸣器响的形式显示，而当随机信号产生时，计数器同时开始计数，单位为为ms，最低位四舍五入，数字由前几次课制作的动态扫描显示电路显示将高三位在仪器的显示屏上。测试者在观察到测试信号后按下“反应”按键，当“反应”按键按下时测试灯灭，计数器停止计时并保持，显示屏上显示测试者反应时间。而当若受试者的反应时间超过999.5ms，最高位（不显示在“溢出”灯亮指示溢出，最高位为1时溢出灯亮，“测试”灯灭或蜂鸣器停，立即停止计时。“溢出”灯持续发光直到下一次实验开始按下“测试开始”按键。若受试者在刺激信号未发出前按“反应”键，加入与非门控制“违例”指示灯亮，“准备”灯灭，并禁止刺激信号发出。2.2可行性论证在具体实验中，我们可以用QuartusⅡ软件和FPGA来实现我们的设计思想。先利用QuartusⅡ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。所以，通过以上论述，我们可以验证实验的可行性。2.3各功能的组成1、刺激信号随机产生信号：用以控制随机信号的发生，包括延时器。时基信号产生：可以将石英振荡器发出的10MHz信号转变为我们想要的8种频率的信号。测试计时：计算并记录在随机信号产生“测试”灯亮到测试者按下“反应”按键之间的间隔时间，最低位四舍五入，最高位为1时溢出。显示：将计数器的第2到4位十进制数显示在LED数码显示器上。5、逻辑控制通过“测试开始”、“反应”按键，“准备”灯、“测试”灯、“溢出”灯、“违例”灯的亮灭以及显示器的记数显示。2.4总体工作过程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、时基信号产生灯五个模块。其中随机信号采用模1.5的延时计数器，模10的定时计数器及响应的控制逻辑产生，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1s，所以时间计数值可以不经所存直接显示。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：“测试开始”按键产生的ready负脉冲出发readylight信号有效，控制test、wrong、overflow、无效，并与之测试计数器初值。Ready信号控制延时计数器开始计数，延时时间1.5s。当延时时间到，delay信号有效。Delay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（osc），等待时间为0~1000s。这样，随机信号random比“测试开始”案件的作用时间之后1~10+1.5s出现。当随机脉冲random出现后，出发test信号有效并控制readylight、delay信号无效。Test信号点亮“测试”灯或蜂鸣器鸣响，并允许测试计数器开始计时。当“反应”键按下后，产生response负脉冲，使test信号无效，测试计数器停止计数。若反应时间超过999.5ms，则测试计数器产生的溢出脉冲出发overflow信号有效。Overflow信号控制测试计数器停止计数。若test信号无效时按下“反应”键，则response脉冲出发wrong信号有效，并控制readylight信号无效。Wrong信号禁止随机脉冲产生，test信号始终无效。综上所示，生理刺激反应测试仪的参考设计原理框图如图所示：

单元电路设计与分析3.1各单元电路的选择按键和控制灯（除蜂鸣器）开始信号（ready)部分：一个输入：准备按键；一个输出：准备灯；这部分选择了两个D触发器，一个非门，一个与门。准备按键连接D触发器将ready的随机信号转变为电平信号，第一个D触发器作为下面用74LS160制作的延时计数器的时钟信号的一个条件，第二个D触发器作为延时计数器的使能端、控制违例灯的一个条件以及准备灯的控制。（2）随机信号random的产生（OSC）一个输入：OSC石英振荡器；这个部分用了一片74LS160，一个8分频器（在下面会介绍），一个与门，两个非门。输入OSC接在8分频的输入端上，它的输出频率为1Hz，与违例灯的非输出信号与后接在74LS160的时钟信号端口上。74LS160的使能端接高电平，进位端反向接在74LS160清零端处。延时器部分延时器的选择是74LS160，使能端接在readylight信号上，清零端接QB的反，同时，QB正向接在一个D触发器的CP上作0-1保持用，这个触发器的D接高电平，用反应键的反清零。ACOM接高电平。反应按键和反应灯部分一个输入：“反应”按键；一个输出：“测试”灯，即testlight这个部分选用了一个或非门，一个D触发器，或非门接在D触发器的清零端上，它的两个输入是开始信号和反应信号，D触发器的CP端接随机信号，即随机信号部分的74LS160的进位端，D端接延时器部分的D触发器的输出。Test部分的D触发器的输出接测试灯。违例灯部分一个输出：违例灯这个部分选用一个D触发器，两个或非门和一个三输入的与门。D触发器的D接高电平，CP端接三输入与门，三个输入分别为一个接随机信号和违例灯的或非门，一个为反应信号，一个为readylight信号。另一个或非门接D触发器的清零端，两个输入分别为开始键和测试灯。单元总图这个单元用以控制随机信号的发生，包括延时器。通过“测试开始”、“反应”按键，“准备”灯、“测试”灯、“违例”灯的亮灭。这张总图为前几个部分的合成图，如前图中描述有所疏漏，所有细节都将在这张图上有所显示。

2、计数器部分四个输入：置位，使能，时钟，清零；十三个输出：第2~4片74LS160的ABCD输出（D为高位）接动态扫描显示电路的输入，第5片74LS160的输出接溢出灯，并加反后与上使能输入后接在第一篇74LS160的PT使能端上。这部分选用5片74LS160，第一片的置位数为0101（D为高位），置位端接置位输入，时钟端接CLK输入。五片74LS160的清零端都接在清零输入上。前四片进位都反向接在下一片74LS160的时钟端上。3、8分频器部分1分频器的电路连接如下：8分频电路的连接如下：8分频电路由7个1分频元件组成，每一个元件的输出端端加上输入直接连接的输出端构成8个输出，即为8分频，每一级的频率为上一级的1/10，第一级的频率为石英振荡器的10MHz。动态显示部分：,图中，由21输入，11输出。选用了5片74LS153，一个8分频器，一个自己编译的译码器，一个与非门和一个74LS161。溢出灯部分：在计数器最高位的1出接一个D触发器输出为溢出灯。D触发器将脉冲信号转变为电平信号输出保证溢出灯可以常亮。蜂鸣器部分：蜂鸣器由如上电路组成，接入一个输入为选择按钮，选择是蜂鸣器响还是信号灯亮，而信号灯部分也加入了一个与门控制了溢出灯与信号灯不会同时亮。3.2设计及工作原理分析1、8分频器的原理分析：74LS90是二—五—十进制加计数器，片上有一个二进制计数器和一个异步五进制计数器，当计数脉冲CP控制二进制计数器时钟CLKB，并以五进制计数器最高位输出QD控制二进制计数器的时钟CLKA，即构成5421BCD码十进制计数器，输出码从高位到低位顺序为QA,QD,QC,QB。在每个计数脉冲的下降沿五进制计数器加1,；而每个QD的下降沿QA翻转。每10个计数脉冲周期计数器输出状态循环一周。1分频器的波形如下：8分频器由7个一分频器级联而成，每一级输出的频率为上一级的1/10，第一级输出频率为石英振荡器的信号频率10MHz。每一级的CP端接上一级的输出端。动态扫描显示电路原理分析：LED七段数码显示器内部有8个发光二极管，它们的阴（阳）极共接。当共阴显示器的公共端接低（高）电平时，a~g七个段划和小数点dp（本实验中不用）由高（低）电平驱动，可以点亮相应的段。动态扫描方法是将所有显示器的各个控制端意义对应连接，二各显示器的公共端COM由位扫描信号分别控制。这样，3位显示器只需要11个控制信号（包括小数点）。（1）动态显示扫描控制动态扫描驱动电路中所有的显示器由相同的段信号控制，公共端有效地显示器将显示相同的字符。所以，要使各显示器显示不同的内容，必须控制他们的公共端分时轮流有效。每个显示器只在其公共端为有效电平时根据段码信号显示相应的字符，公共端无效时灭显。动态稻苗显示电路每位显示的时间为一个CP周期，显示扫描周期T为时钟周期的3倍，每个显示器的显示时间为1/3.当少秒时钟CP较低时，因为轮流导通可能造成显示信息闪烁。但当少秒频率提高到使每个显示器美妙的导通次数躲过50次时，由于人眼的视觉暂留效应，就不会感觉显示器闪烁。但扫描位数过多时，显示亮度将受到影响。显示译码电路在数字电路中，数符、文字信息一般用二进制编码表示，信息数量N和数码位数n满足n<2^n。因此，表示数符、文字信息的二进制编码需要通过显示译码器件器件译成段信号控制LED显示相应字符。译码器的代码如下：subdesigndecoder1(data_in[3..0]:input;a,b,c,d,e,f,g:output;)begintabledata_in[3..0]=>a,b,c,d,e,f,g;b"0000"=>1,1,1,1,1,1,0;b"0001"=>0,1,1,0,0,0,0;b"0010"=>1,1,0,1,1,0,1;b"0011"=>1,1,1,1,0,0,1;b"0100"=>0,1,1,0,0,1,1;b"0101"=>1,0,1,1,0,1,1;b"0110"=>1,0,1,1,1,1,1;b"0111"=>1,1,1,0,0,0,0;b"1000"=>1,1,1,1,1,1,1;b"1001"=>1,1,1,0,0,1,1;b"1010"=>1,1,1,0,1,1,1;b"1011"=>0,0,1,1,1,1,1;b"1100"=>0,1,1,1,1,0,1;b"1101"=>1,0,0,1,1,1,1;b"1110"=>0,1,1,1,0,1,1;b"1111"=>0,0,0,0,0,0,0;endtable;end;生理刺激反应时间测试仪原理分析：分析设计要求可知，生理刺激反应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。在数字逻辑电路中，计数器具有累计时钟脉冲的作用，可以实现定时、延时或计时功能，所以，生理刺激反应测试仪的主要部件是计数器和逻辑控制电路。系统设计中需要解决以下几个问题。随机信号产生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。如果以一个人已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1Hz，则计数器的溢出信号周期为Ms，信号宽度一般为1s。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0s到Ms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1Hz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在N-1s至Ns之间。最低位计数值的四舍五入处理生理刺激反应测试仪的时间测量为4位10进制数，而显示值为3位10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，高三位测量值直接显示；当最低位计数值大于4时，高3位测量值加1后显示。数字电路中实现数值四舍五入的方法很多，本设计可以利用计数器的预置数功能，在测量前将测试计数器的初始值预置为5，这样，测试结束时的计数值是实际测量值加5.当最低位测量值大于等于5时，必然产生向高位的进位，实现了测量值的四舍五入功能。逻辑控制电路逻辑控制电路的功能是根据按键信号控制延时、定时电路和测试计数器，判断受试者发出的反应信号response是否违例，测试计时是否溢出，并根据各信号控制相应的指示灯点亮。在生理刺激反应测试仪中，部分控制信号是相互关联的，比如A信号使Q信号置位；B信号使Q信号复位。这样的逻辑关系可以由很多方法实现，本实验中利用D触发器的同步触发功能和异步复位功能，A脉冲的上升沿出发D触发器使其输出Q置位，B脉冲的有效电平使D触发器立即复位。时序波形示例和参考电路原理如图：第四章电路的组构与调试4.1遇到的主要问题测试灯一直不亮。随机信号已经产生，测试灯已经亮了，计数器还未溢出时，即正常时按下反应按键测试灯灭违例灯亮。违例灯亮后按准备键准备灯不亮，要多按几次才能亮。4、计数器波形正确，但是显示屏显示计数只有5000。蜂鸣器不响。4.2现象记录及原因分析测试灯的清零端误接在开始键后的D触发器的输出端上，由于脉冲信号被转换为了电平信号所以测试灯的D触发器一直在清零，故测试灯不亮。违例灯的D触发器清零端只接在了开始键上，即只有再按下开始键才清零。违例灯亮的时候随机信号还没来，但是准备灯连接的D触发器的清零端只连接了随机信号的反，所以只有随机信号俩后准备灯连接的D触发器才清零，准备灯才才会再亮。4、计数器和显示屏的高低数位连接错误，且计数器模块外的总置位端连接的置位输入被反向连接在高电平上，置位端一直在置位，所以只能显示5000。蜂鸣器需要的频率为20Hz~20kHz。连接的频率不在此范围内，故蜂鸣器不响。

4.3解决措施及效果将开始键后的D触发器的清零端直接接在开始键上。将违例灯D触发器的清零端接ready（开始键）和testlight的或非上。将准备灯的清零端连接在随机信号和wronglight（违例灯）的或非上。重连了计数器与显示屏之间的连线，并将置位端接在OSC的非上。将蜂鸣器连接在分频器的1kHz上。使用以上方法后以上所有问题都得以解决。4.4功能的测试方法、步骤、设备、记录的数据测试设备：装有QuartusⅡ的电脑一台，信号发生器一台，FPGA器件一台。测试方法：进行生理刺激反应测试，按下开始键和选择键看随机信号是否产生，蜂鸣器是否正常工作，测试灯是否会亮；若随机信号正常发出，则看信号是否延迟，即是否会出现按下测试灯就亮的情况；若没有，在信号发生前按下反应键看违例灯显示是否正常；若正常，在信号源来后看计数器运行是否正常，显示器是否正常显示；若正常，不按下反应