- 146 - 基于復雜可編程邏輯器件的交通燈控制電路設計方案 數(shù)字系統(tǒng)設計的過程 數(shù)字電路與系統(tǒng)由于其所實現(xiàn)的功能不同、應用目的不同，從而使得它們內(nèi)部的電路結構存在著很大的差異。數(shù)字電路與系統(tǒng)雖然千差萬別，但是它們之間也存在著許許多多的相同之處。 各種數(shù)字電路與系統(tǒng)之間的最大相同點是它們的設計過程。對于一個應用電子系統(tǒng)，這個設計過程包括：設計目的和技術指標的理解、設計方案的確定、系統(tǒng)的分解、單元電路設計、系統(tǒng)連調(diào)、測量數(shù)據(jù)的分析以及設計總結。通常還需要向用戶提供使用手冊或者設計報告。使用手冊和設計報告之間 的區(qū)別為前者的撰寫重點為如何使用和維護系統(tǒng)；后者的重點是向用戶介紹系統(tǒng)的技術特點。 在大學里，學生需要參加一系列的實踐教學活動，例如各種實驗、課程設計以及畢業(yè)設計等。這些實踐教學結束以后，學生需要提交相應的報告。需要注意的是設計報告與實驗報告的格式不同，其中的原因是實驗是驗證性的，通常會向?qū)W生提供實驗電路、實驗步驟和測量要求；后者只向?qū)W生提供設計要求，完成的具體過程由學生自己制定。 課程設計和畢業(yè)設計報告的格式與數(shù)字系統(tǒng)的設計報告格式相似。這種報告的格式之一就是按照設計過程來撰寫。通過撰寫設 計報告加深對設計過程的理解和掌握，這點對一個學生來說更為重要。按照上述想法，設計報告應包括以下部分：引言、方案論證、系統(tǒng)設計、單元電路設計、系統(tǒng)連調(diào)和數(shù)據(jù)分析、設計總結、附錄、參考文獻。 引言部分描述設計目的。本章設計的交通燈控制電路雖然也具有一定使用價值，但是這里的主要目的是通過設計過程學習如何把課本知識用于具體設計，即完成理論和實際的結合。鑒于這里已經(jīng)明確地說明設計目的，本章的后面內(nèi)容將不涉及這部分。 實現(xiàn)某一種系統(tǒng)功能或者技術指標具有多種可行的設計方案，每一種設計方案都具有它自己的優(yōu)點 和缺點。不存在一種最好的設計方案，只有最佳的設計方案。方案論證的過程是一個折中的過程，設計者需要在所能實現(xiàn)的系統(tǒng)功能、技術指標的精度、成本和所需要的技術條件的支持等方面進行權衡。方案論證體現(xiàn)了設計者知識面的寬度。 系統(tǒng)設計的目的是使復雜問題簡單化。通過系統(tǒng)設計這個過程，設計者可以把數(shù)字系統(tǒng)劃分成一系列電路模塊。每個電路模塊實現(xiàn)一種獨立的功能，這樣不僅可以簡化系統(tǒng)的設計，而且方便多個設計者合作完成設計工作。對于一個剛開始學習設計數(shù)字系統(tǒng)的學生，數(shù)字系統(tǒng)應該分解成在教材中學習過的基本電路，這樣也可以進一 步理解理論知識。 單元電路設計是在系統(tǒng)設計的基礎上，把具體要求變?yōu)閷嶋H的電路，并實現(xiàn)所要求的功能和技術指標。如果單元電路對應教材中學習過的基本電路，這時所進行的步驟將與當時進行分析的步驟相反，即利用課本知識支持實際需要，又加深對以前知識的理解。 系統(tǒng)連調(diào)是在單元電路設計完成的基礎上，把分離的單元電路連接成完整的系統(tǒng)，并對其進行測量。經(jīng)常出現(xiàn)的情況是單元電路工作正常，但是它們連接在一起卻不能正常工作。這時的調(diào)試重點應放在電路之間的接口上，從信號的傳輸速率和帶載能力兩個方面來檢查。 - 147 - 像交通燈控制電路這樣的低速系統(tǒng) ，主要問題是帶載能力，例如當一個芯片驅(qū)動多個負載將使得輸出信號電壓下降，當輸出高電平低于器件的最低高電平，后級電路工作將受影響。 交通燈控制電路的設計為功能設計，沒有涉及具體的性能技術指標。實際設計中將涉及許多具體的性能技術指標，需要測量這些技術指標，并對測量數(shù)據(jù)進行分析，評估是否達到系統(tǒng)的設計要求， 在下一章中將涉及這部分內(nèi)容。 設計總結包括設計特點，改進潛力等內(nèi)容。如前所述，實現(xiàn)某一種系統(tǒng)功能或者技術指標具有多種可行的設計方案，每一種設計方案都具有它自己的優(yōu)點和缺點。結合本次設計過程，再次對設計方案進行考 慮，不僅便于產(chǎn)品性能升級，而且有助于提高設計者的能力。這也符合從理論到實踐，再從實踐到理論的認識問題的循環(huán)過程。 附錄用于給出在正文中不便列出的技術資料，例如原理電路圖、源程序清單等內(nèi)容。 方案論證 設計要求 設計一個交通燈控制電路，設計要求如下： * 系統(tǒng)需要控制東西和南北方向的兩個路口，每個方向的路口都有紅、黃和綠 3 個指示燈 * 每個方向的路口都有通行 /等待時間顯示 * 東西方向路口通行時間為 8s，南北方向路口通行時間為 18s，每個路口從通行到禁止都具有 2s 的時間間隔 * 系統(tǒng)自己產(chǎn)生所需要的時鐘信號 設計要求的真值表描述 在數(shù)字電路邏輯設計課程中介紹的數(shù)字電路描述方法包括真值表、布爾表達式、邏輯電路圖、時序圖等。進行電路設計時，通常首先根據(jù)設計要求寫出真值表，再由真值表寫出布爾表達式。 如果使用與門、或門和非門這樣的基本邏輯門實現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯功能，則由布爾表達式就可以直接畫出對應的電路圖。由此可以看出，真值表是設計要求與電路實現(xiàn)之間的橋梁。 滿足上面設計要求的交通燈控制電路真值表如表 6 表 6的功能，因此該電路可以完全由數(shù)字器件來實現(xiàn)。表中的 30 個工作狀態(tài)可以由時序電路產(chǎn)生，時序電路可以由系統(tǒng)時鐘來控制。工作狀態(tài)信號到交通燈控制信號的生成以及到時間顯示電路控制信號的生成可以由組合電路實現(xiàn)。 所要設計的交通燈控制電路如果由標準邏輯器件來實現(xiàn)，工作狀態(tài)的產(chǎn)生可以使用計數(shù)器芯片，例如 74161； 組合電路部分可以由基本的門電路實現(xiàn)，也可以使用中規(guī)模邏輯器件，例如時間顯示部分可以采用 段共陽極數(shù)碼管顯示代碼的譯碼芯片 7447。 如前所述， 由于用戶無法修改標準邏輯器件的功能，所制作的電路不具有通用 性。如果用戶提出不同的要求，例如不同的道路通行時間，修改系統(tǒng)設計必須通過對電路重新設計和組裝來實現(xiàn)。 - 148 - 一般希望設計的交通燈控制電路在滿足不同要求時，不需要重新設計電路板，因此這里不考慮使用標準邏輯器件。 表 6交通燈控制電路真值表 工作 狀態(tài) 東西方向 南北方向 綠 黃 紅 時間顯示 綠 黃 紅 時間顯示 0 1 0 0 08 0 0 1 10 1 1 0 0 07 0 0 1 09 2 1 0 0 06 0 0 1 08 3 1 0 0 05 0 0 1 07 4 1 0 0 04 0 0 1 06 5 1 0 0 03 0 0 1 05 6 1 0 0 02 0 0 1 04 7 1 0 0 01 0 0 1 03 8 0 1 0 02 0 0 1 02 9 0 1 0 01 0 0 1 01 10 0 0 1 20 1 0 0 18 11 0 0 1 19 1 0 0 17 12 0 0 1 18 1 0 0 16 13 0 0 1 17 1 0 0 15 14 0 0 1 16 1 0 0 14 15 0 0 1 15 1 0 0 13 16 0 0 1 14 1 0 0 12 17 0 0 1 13 1 0 0 11 18 0 0 1 12 1 0 0 10 19 0 0 1 11 1 0 0 09 20 0 0 1 10 1 0 0 08 21 0 0 1 09 1 0 0 07 22 0 0 1 08 1 0 0 06 23 0 0 1 07 1 0 0 05 24 0 0 1 06 1 0 0 04 25 0 0 1 05 1 0 0 03 26 0 0 1 04 1 0 0 02 27 0 0 1 03 1 0 0 01 28 0 0 1 02 0 1 0 02 29 0 0 1 01 0 1 0 01 - 149 - 雖然這里不使用標準邏輯器件實現(xiàn)電路功能，但是數(shù)字電路邏輯設計課程中介紹的方法仍然可以使用，例如按照電路當前狀態(tài)是否與以前狀態(tài)相關，電路可以被劃分為時序電路和組合電路。 基于微控制器的交通燈控制電路設計 交通燈控制電路的每個狀態(tài)的持續(xù)時間達 1s，因此系統(tǒng)對所用器件在工作速度方面幾乎沒有要求。使用 微控制器 芯片，例如 現(xiàn)這個系統(tǒng)將是非常容易的。 0115)0)14)1)13)R)12)D)11)10)9)8)21+ 5 V+C 41 0 u 0 . 1 u 1 0 u F+R 11 0 C 33 0 p F 3 0 p M H 片機最小應用系統(tǒng)電路 在 圖 6容 體 來產(chǎn)生系統(tǒng)工作所需要的穩(wěn)定時鐘信號。電容 1構成復位電路。 管腳 腳 31）接高電平用來選擇 片的內(nèi)部程序存儲器。電容 5組成電源濾波電路。 個 8位并行輸入 /輸出口 3，共可提供 32 個輸入 /輸出管腳，同時還有許多方法對輸入 /輸出管腳進行擴展，這些輸入 /輸出管腳可以用來控制交通信號燈或者時間顯示器件。 微控制器 芯片的工作是在時鐘信號的控制下，按照所編寫程序的邏輯關系從程序存儲器中逐條讀出指令，并執(zhí)行。在時鐘信號的控制下，逐條執(zhí)行指令這個過程提供了產(chǎn)生時序電路功能的另一種方法。 執(zhí)行下面程序語句： 1， #可以把真值表中指定狀態(tài)對應的輸出控制信號送出。如果 的 8個管腳與 8 段數(shù)碼管的 8個管腳連接， #數(shù)據(jù)顯示。 執(zhí)行上面語句需要 2個機器時鐘周期。 ，對于圖 6于系統(tǒng)時鐘頻率為 12器時鐘頻率為 1行上面語句僅需 22通燈控制電路這樣的數(shù)字系統(tǒng)顯得太快了，這個問題可以通過在每個狀態(tài)之間插入實現(xiàn)延時的語句來克服。 - 150 - k 字節(jié)的片內(nèi)程序存儲空間，它足夠 交通燈控制電路的需要，不需要擴展程序存儲器。再有，這款芯片的市場價格僅為 5元人民幣左右， 使得基于微控制器的交通燈控制電路設計方案具有價格優(yōu) 勢。 基于可編程邏輯器件的交通燈控制電路設計 可編程邏輯器件，包括復雜可編程邏輯器件（ 現(xiàn)場可編程門陣列器件（ 內(nèi)部的與或門陣列或者查找表提供了實現(xiàn)如表 6部的觸發(fā)器提供了在系統(tǒng)時鐘的控制下產(chǎn)生狀態(tài)信號的邏輯資源。 本設計需要輸出 6 個交通燈控制信號， 4個 8段數(shù)碼管在不考慮使用小數(shù)點的情況下需要 28個控制信號，因此共計需要 34個輸入 /輸出管腳。 輯器件 現(xiàn)場可編程門陣列器件 4 個和 59個輸入 /輸出管腳，完全滿足設計要求。在輸入 /輸出管腳方面，這兩種可編程邏輯器件優(yōu)于 使用時不需要擴展 輸入 /輸出管腳 這部分資源。 使用上述兩種可編程邏輯器件實現(xiàn)交通燈控制電路所需要的時鐘信號需要獨立的電路。在這個方面，使用 復雜可編程邏輯器件 用 儲器存儲設計文件，即使斷電也不 會丟失設計信息。 現(xiàn)場可編程門陣列器件 儲器存儲設計文件，如果斷電，芯片將丟失設計信息，因此在系統(tǒng)中必須包含一種非易失存儲器件以保存設計信息。每次系統(tǒng)加電時，由這種非易失存儲器件向 現(xiàn)場可編程門陣列器件加載設計信息。從系統(tǒng)的簡單性方面，復雜可編程邏輯器件優(yōu)于現(xiàn)場可編程門陣列器件。 復雜可編程邏輯器件 現(xiàn)場可編程門陣列器件 500和 10000個等效邏輯門， 并且后者還具有 6144 位 的 因此在可以 提供的邏輯資源方面現(xiàn)場可編程門陣列器件 工作速度方面， 速度等級為 15此也是后者具有優(yōu)勢。 考慮到交通燈控制電路所需要的邏輯資源不多，而且又是一個低速工作系統(tǒng)，因此本設計采用復雜可編程邏輯器件 系統(tǒng)設計 基于 復雜可編程邏輯器件 計的交通燈控制電路 硬件組成框圖， 如圖6包括時鐘信號產(chǎn)生電路、狀態(tài)信號產(chǎn)生電路、交通燈和時間信號產(chǎn)生電路、顯示電路以及系統(tǒng)電源 。 - 151 - 圖 6交通燈控制電路 組成框圖 在 圖 6狀態(tài)信號產(chǎn)生電路和交通燈控制信號產(chǎn)生電路由復雜可編程邏輯器件現(xiàn)。顯示電路包括交通燈電路和時間顯示電路，前者采用發(fā)光二極管；后者采用 8段數(shù)碼管。時鐘信號產(chǎn)生電路將獨立設計。本設計中不包括系統(tǒng)電源的設計，直接使用實驗室提供的直流穩(wěn)壓電源。 單元電路設計 顯示電路 顯示電路包括交通燈電路和時間 顯示電路。在本設計中，前者采用發(fā)光二極管；后者采用 8段數(shù)碼管。 發(fā)光二極管和數(shù)碼管具有類似的工作原理。 8段數(shù)碼管 原理圖如圖 6a）和（ b）所示。數(shù)碼管有共陰極和共陽極兩種類型。共陰極數(shù)碼管內(nèi)部 8個二極管的陰極被連接在一起和管腳 使用時管腳 數(shù)碼管其余的某個管腳接高電平，則與該管腳相接的發(fā)光二極管被點亮，也就是數(shù)碼管對應的發(fā)光段被點亮。共陽極數(shù)碼管內(nèi)部 8 個二極管的陽極被連接在一起和管腳使用時管腳 數(shù)碼管其余的某個管腳接低電平，則與該管腳相連 的發(fā)光二極管被點亮，也就是數(shù)碼管對應的發(fā)光段被點亮。用做顯示交通控制信號的 發(fā)光二極管也可以使用這樣的連接方法。在設計中， 8段數(shù)碼管采用 共陰極類型， 發(fā)光二極管也采用這樣的連接，即把 6個發(fā)光二極管的陰極連接在一起。 數(shù)碼管外形圖如圖 6c）所示。數(shù)碼管有 2個 腳，它們在數(shù)碼管內(nèi)部被連接在一起，在使用時，應用電路中只需要連接一個 腳即可。數(shù)碼管的電路符號圖如圖6d）所示。 - 152 - a b c d e f g d pa b c d e f g d pc o mc o m（ a ）（ b ）（ c ）（ d ）o d o o 數(shù)碼管的原理圖、外形圖和電路符號圖 每組發(fā)光 二極管的公共連接點與接地線之間需要連接一個電阻，該電阻被稱為限流電阻。限流電阻用來防止電流過大損壞電路器件。由于不同型號的發(fā)光二極管的技術參數(shù)不同，應根據(jù)具體情況來確定限流電阻的阻值，限流電阻的通常取值范圍是 100 1為保證電路的安全，限流電阻開始可以選取大一些，如果發(fā)光二極管的亮度不夠，再逐漸減小限流電阻的值，直到發(fā)光二極管的亮度滿足要求。 限流電阻還有另一種接入方法。該方法是每個發(fā)光二極管與控制電路之間分別接一個電阻。限流電阻的前一種接入方法的優(yōu)點是接線簡單，后一種接入方法的優(yōu)點是在點亮不同個數(shù) 的發(fā)光二極管時它們的亮度一致。前一種連接方法對用做交通控制信號的發(fā)光二極管組無影響，因為任何時刻都有，也只有兩個發(fā)光二極管被點亮。 使用共陰極數(shù)碼管，當其中的發(fā)光段被點亮時，對應的可編程邏輯器件管腳輸出高電平，電流從可編程邏輯器件流向數(shù)碼管；使用共陽極數(shù)碼管，當其中的發(fā)光段被點亮時，對應的可編程邏輯器件管腳輸出低電平，電流從數(shù)碼管流向可編程邏輯器件。數(shù)字器件的高電平輸出電流與低電平灌入電流的最大值通常是不同的，而電流大小將影響發(fā)光器件的亮度。 本設計采用共陰極數(shù)碼管。 在進行數(shù)據(jù)顯示之前，需要完成待顯示的數(shù)據(jù) 到顯示代碼之間的譯碼。如果數(shù)碼管除小數(shù)點之外的 7個管腳按照 g、 f、 e、 d、 c、 b、 陰極數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)和顯示代碼之間的關系 如表 6示。表 6 表 6顯示數(shù)據(jù)和顯示代碼之間的關系 表 顯示數(shù)據(jù) 共陰極數(shù)碼管顯示代碼 共陽極數(shù)碼管顯示代碼 0 0111111 1000000 1 0000110 1111001 2 1011011 0100100 3 1001111 0110000 4 1100110 0011001 - 153 - 5 1101101 0010010 6 1111101 0000010 7 0000111 1111000 8 1111111 0000000 9 1101111 0010000 A 1110111 0001000 B 1111100 0000011 C 0111001 1000110 D 1011101 0100010 E 1111001 0000110 F 1110001 0001110 “全亮” 1111111 0000000 “全滅” 0000000 1111111 數(shù)碼管的顯示模式分靜態(tài) 顯示和動態(tài)顯示 2種。當需要多個數(shù)碼管實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示時，前者每個顯示段需要 1個可編程邏輯器件的 I/者可以將多個數(shù)碼管的同樣顯示段的輸入管腳并聯(lián)在一起，然后再與 1個可編程邏輯器件的 I/是這時每個數(shù)碼管的公共端需要與 1 個可編程邏輯器件的 I/現(xiàn)位選。 時鐘產(chǎn)生電路 設計的交通燈控制電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換時間間隔為 1s，因此需要一個頻率為 1生這樣頻率的時鐘信號，采用基于 55定時器是一個較好的選擇，因為電路連接簡單。 555定時 器用作時鐘產(chǎn)生電路的電路原理圖以及工作周期的計算公式分別 如圖 6式（ 6示 。 + 5 V+ 5 567823 . 3 K 1 5 0 R 2C 10 . 0 1 u 4 . 7 u 5圖 6基于 555 定時器的時鐘產(chǎn)生電路圖 T = 2 （ 6 圖 6 基于 555定時器 的 時鐘產(chǎn)生電路測量數(shù)據(jù) 如表 6 表 6基于 555 定時器的時鐘產(chǎn)生電路測量數(shù)據(jù) 表 測量電路 輸出周期計算值（ s） 輸出周期測量值（ s） 絕對誤差（ s） 相對誤差（ %） - 154 - 1 6 個獨立電路的測量獲得。電路輸出信號的周期測量使用 司的 012示波器完成。 表 中 所示的誤差來源為所使用的電阻、電容以及 555芯片本身的精度不高。引起的誤差，包括設計值與實際測量值、同一批元器件組裝的電路之間的數(shù)據(jù)離散，對于交通燈控制電路這樣的數(shù)字系統(tǒng)，這樣的誤差對實際使用影響不大，是可以認可的，但是對于其 它應用領域需要給予考慮。 時鐘產(chǎn)生電路的主要技術指標包括輸出頻率穩(wěn)定度。 012 示波器不能顯示小于 10過重新選擇 圖 6路的電阻或者電容值，使電路輸出信號頻率滿足示波器測量要求。觀察顯示的測量頻率值，將會發(fā)現(xiàn)電路輸出頻率的穩(wěn)定數(shù)據(jù)只有 4位有效數(shù)字， 012示波器顯示的信號頻率具有 6位有效數(shù)字。 555電路輸出信號頻率穩(wěn)定度較低，這是由于它是基于 蕩器的工作原理所限制。各種信號產(chǎn)生器的工作原理以及特點可以參考高頻電子線路課程。 如果 希望時鐘輸出信號的頻率具有較高的穩(wěn)定度，可以采用晶體振蕩器。 圖 6體振蕩器電路。 7 4 L S 0 4 7 4 L S 0 47 4 L S 0 4U 1 A U 1 B U 1 3 4 5 6R 1 R 21 k 1 0 . 0 1 u Y S T A H K O U 晶體振蕩器電路 圖 圖 6 晶體振蕩器電路 測量數(shù)據(jù) 如表 6示。 表中測量數(shù)據(jù)同樣由 3個獨立電路的測量獲得。電路輸出信號的頻率測量使用 012示波器完成。 表 6晶體振蕩器電路測量數(shù)據(jù) 表 測量電路 晶體標注值 （ 輸出頻率測量值（ 絕對誤差 （ 相對誤差 （ %） 1 較表 6 6對基于 55 定時器時鐘產(chǎn)生電路， 晶體振蕩器不僅具有較高的設計精度，而且輸出信號頻率的穩(wěn)定度也高。雖 - 155 - 然交通燈控制電路這樣的應用系統(tǒng)對時間精度要求不是很高，但是高的時鐘頻率穩(wěn)定度對許多其它應用系統(tǒng)是必須的。 電子市場出售的晶體的工作頻率通常在 1設計采用 4體振蕩器輸出信號頻率比要求的狀態(tài)轉(zhuǎn)換頻率高，要獲取所需頻率的信號可用分頻電路來實現(xiàn)。這樣的分頻電路如果使用標準邏輯器件實現(xiàn)將需要多級電路，使得電路規(guī)模加大。使用可編程邏輯器件，采用 例 6計一個能把 4體振蕩器輸出信號轉(zhuǎn)換成占空比為 50%，頻率為 1 S 義 4鐘輸入端口 義 1鐘輸 出 端口 F S 000000; 數(shù)進程 ND 1) 3999999) = 1; = 0; F; F; 鐘 產(chǎn)生進程 ND 1) 1999999) = 0; = 1; F; F; 可編程邏輯器件選用 用 6用資源如 表 6 - 156 - 表 6資源占用數(shù)據(jù) 表 優(yōu)化技術 宏單元占用情況 用戶輸入 /輸出管腳占用情況 時鐘 高頻率（ 速度優(yōu)先 55 / 128（ 43%） 6 / 68（ 9%） 衡性能 55 / 128（ 43%） 6 / 68（ 9%） 源優(yōu)先 26 / 128（ 20%） 6 / 68（ 9%） 用同樣型號的芯片，使用不同的優(yōu)化技術對設計文件進行綜合獲得的性能指標是不同的。采用速度優(yōu)先的優(yōu)化技術，占用芯片資 源較多，但是系統(tǒng)可能達到的工作速度較快；采用資源優(yōu)先優(yōu)化技術，占用芯片資源較少，但是系統(tǒng)可能達到的工作速度較慢。對于這里進行的交通燈控制系統(tǒng)設計是一個低速工作系統(tǒng)，采用資源優(yōu)先優(yōu)化技術是合適的選擇，這樣即節(jié)約了芯片資源，也滿足所選用的時鐘頻率。 例 6個輸入 /輸出管腳，接收晶體振蕩器輸出信號的輸入管腳 6輸出管腳占用情況顯示占用了 6個輸入 /輸出管腳，這是因為占用情況中包括了 系統(tǒng)編程 所需要的 4個 管腳 ： 優(yōu)化設置可以利用菜單 “ 在“ 選欄目中進行。 例 6個進程實現(xiàn)在 4一個進程，計數(shù)進程，每來 4000000個時鐘信號完成一個循環(huán)；第二個進程， 1生進程 ，產(chǎn)生50%占空比 的 1變 1生進程中的比較常數(shù)可以改變所產(chǎn)生時鐘信號的占空比?？紤]到分布電容的存在，時鐘信號的占空比不能太小，也不能太大，尤其是在高頻率情況下。 采用一個進程也可以產(chǎn)生 1系統(tǒng)時鐘。 下面僅列出 1 例 6知輸入的時鐘信號頻率為 4計一個產(chǎn)生 1 ND 1) 3999999) = 1; = 0; = 0; = 1; F; F; 例 6系統(tǒng)時鐘，但是時鐘的 占空比不能調(diào)整，而且很小，在上面例子中為 1/4000000。由于芯片內(nèi)部存在的分布電容存在充放電過程， 時鐘的 占空比太大或者太小都不合適，占空 比太大或者太小都有可能引起系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。 - 157 - 涉及到時鐘問題的還有 圖 6 晶體振蕩器電路中芯片的選擇。如果采用 74于 際應用顯示，這也 有可能引起系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。 狀態(tài)產(chǎn)生電路 由系統(tǒng)設計中描述的交通燈控制電路硬件組成框圖可知，狀態(tài)產(chǎn)生電路的輸入信號是頻率為 1出為交通燈和時間信號產(chǎn)生電路所需要的 30個狀態(tài)信號。利用 際代碼如 例 6 例 6計交通燈狀態(tài)產(chǎn)生電路。 S 義 1統(tǒng) 時鐘輸入端口 9); 義 狀態(tài) 輸 出 端口 F S 9; 態(tài)暫存信號 態(tài)產(chǎn)生進程 ND 1) 29) = 1; = 0; F; F; = 例 6態(tài)暫存信號 出 端口 是在產(chǎn)生當前狀態(tài)時需要知道上一個狀態(tài)，即上 一個狀態(tài)加 1產(chǎn)生當前狀態(tài)，因此定義了狀態(tài)暫存信號 圖 6態(tài)產(chǎn)生電路的模擬波形圖。 僅使設計者避免了煩瑣的電路接線，而且還可以在電路完成組裝之前就能驗證邏輯功能。 在圖 630 個狀態(tài)并沒有全部顯示，因為如果全部顯示將使得波形以及狀態(tài)數(shù)據(jù)太小以致閱讀困難。同樣是這個原因， 例 6000000 以致無法閱讀。對于像 例 6樣的應用情況，通常采用降低分頻比，例如降低到 40，進行邏輯功能驗證。 - 158 - 系統(tǒng)時鐘 周期是 1s，注意在 圖 6它的周期是 然也可以選取1是 這會導致仿真時間非常長，有時還會出現(xiàn)一些意想不到的事情。對于像交通燈控制電路這樣的長周期數(shù)字系統(tǒng)通常采用降低仿真周期的方法加快仿真過程。在數(shù)字電路中，在高頻情況下某種功能可以被實現(xiàn)，則低頻情況下這種功能肯定可以被實現(xiàn)，反之則不一定。 圖 6狀態(tài)產(chǎn)生電路的 功能仿真波形 在數(shù)字系統(tǒng)的周期和所用芯片的延遲時間接近的情況下，例如 遲時間為 15時應該采用真實的系統(tǒng)時鐘 周期以檢查時間關系是否滿足。在 圖 6果把時鐘周期降低到 50者更低，輸出狀態(tài)信號與時鐘信號之間的時間延遲就會非常明顯。輸出信號與輸入信號之間存在時間延遲是一個不可避免的客觀事實，在 圖 6大可視柵格尺寸掩蓋了較小的信號延遲。同樣，小的信號延遲對長周期的數(shù)字系統(tǒng)的影響也可以忽略。 控制信號產(chǎn)生電路 這部分電路是在狀態(tài)信號的作用下產(chǎn)生東西和南北兩個方向各 3個交通燈的控制信號，每個方向 2個數(shù)碼管 的控制信號。換句話說， 這部分電路就是實現(xiàn)如表 6所設計的代碼如 例 6 例 6計交通燈控制信號產(chǎn)生電路。 S 9; 義 狀態(tài) 輸 入 端口 ); 義 兩個方向各 3 個交通燈 輸 出 端口 ); 義 東西方向 2 個數(shù)碼管 輸 出 端口 ); 義 南北方向 2 個數(shù)碼管 輸 出 端口 F S - 159 - 3 ); 義 一個合成輸出信號 表 6示真值表產(chǎn)生控制信號 = “100 0111111 1111111 001 0000110 0111111” , “100 0111111 0000111 001 0111111 1101111” , “100 0111111 1111101 001 0111111 1111111” , “100 0111111 1101101 001 0111111 0000111” , “100 0111111 1100110 001 0111111 1111101” , “100 0111111 1001111 001 0111111 1101101” , “100 0111111 1011011 001 0111111 1100110” , “100 0111111 0000110 001 0111111 1001111” , “ 010 0111111 1011011 001 0111111 1011011” , “ 010 0111111 0000110 001 0111111 0000110” , “ 001 1011011 0111111 100 0000110 1111111” 0, “ 001 0000110 1101111 100 0000110 0000111” N 11, “ 001 0000110 1111111 100 0000110 1111101” 2, “ 001 0000110 0000111 100 0000110 1101101” 3, “ 001 0000110 1111101 100 0000110 1100110” 4, “ 001 0000110 1101111 100 0000110 1001111” 5, “ 001 0000110 1100110 100 0000110 1011011” 6, “ 001 0000110 1001111 100 0000110 0000110” 7, “ 001 0000110 1011011 100 0000110 0111111” 8, “ 001 0000110 0000110 100 0111111 1101111” 9, “ 001 0000110 0111111 100 0111111 1111111” 0, “ 001 0111111 1101111 100 0111111 0000111” 1, “ 001 0111111 1111111 100 0111111 1111101” 2, “ 001 0111111 0000111 100 0111111 1101101” 3, “ 001 0111111 1111101 100 0111111 1100110” 4, “ 001 0111111 1101101 100 0111111 1001111” 5, “ 001 0111111 1100110 100 0111111 1011011” 6, “ 001 0111111 1001111 100 0111111 0000110” 7, “ 001 0111111 1011011 010 0111111 1011011” 8, “ 001 0111111 0000110 010 0111111 0000110” 9; = 3 1); 解出交通燈東西方向的 3 個信號 = 0 4); 解出東西方向十位數(shù)碼管的信號 = 3 7); 解出東西方向個位數(shù)碼管的信號 = 6 4); 解出交通燈南北方向的 3 個信號 = 3 ); 解出南北方向十位數(shù)碼管的信號 = ); 解出南北方向個位數(shù)碼管的信號 - 160 - 代碼中的信號 4位，即包括 需要輸出 6個交通燈控制信號， 4個 8段數(shù)碼管在不考慮使用小數(shù)點的情況下需要 28 個控制信號。 設置這個信號的目的是希望使用一個并行選擇語句完成 實現(xiàn)如表 6 由于在選擇語句中，一次產(chǎn)生了所有的控制信號，因此在后面使用了 6條并行賦值語句，把合成輸出信號拆分成各個控制信號。由代碼里的 6條并行賦值語句可以看出在合成輸出信號中不同的控制信號的排列順序：首先 3位是東西方向綠、黃和紅控制燈的控制信號、接著的 7位是東西方向時間顯示電路的十位數(shù)碼管從 g到 個控制信號、再 接著的 7位是東西方向時間顯示電路的個位數(shù)碼管從 g到 個控制信號、后面的 17 位是南北方向按上述順序排列的控制信號。 當然也可以不使用合成輸出信號 用 6條并行選擇語句分別完成 6類信號的產(chǎn)生，這樣也就不需要例 6條并行賦值語句。也可以直接把輸 出定義為包含34位的合成輸出信號，但是這在定義輸出管腳時將不太方便。代碼編寫具有各種各樣的方式，這主要看設計者的習慣，但是必須便于閱讀。在代碼中加入注釋是提高可閱讀性的一個好方法。 需要提出的是，例 6如： “ 001 0000110 1011011 100 0000110 0111111” 在使用 里添加空格也只是未了便于閱讀。 采用資源 優(yōu)化技術，例 6片 128個宏單元的 37 個，占用比 例為 29%。 控制信號產(chǎn)生電路的部分仿真波形如圖 6 由控制信號產(chǎn)生電路的仿真波形圖可以看出，例 6表 6在輸出信號轉(zhuǎn)換期間存在不能同時達到要求的現(xiàn)象，例如東西方向時間顯示電路的個位數(shù)碼管從 g到 個控制信號 種現(xiàn)象是由于電路對不同的信號具有不同的延遲所致，這由控制信號 含的 7個單獨的控制信號波形圖觀察到。 加到目標器件上的信號，例如加到數(shù)碼管各個管腳上的信號不能同時改變，在最先變化到最后變化期間數(shù)碼管將顯 示不希望的符號。由于這個不希望出現(xiàn)的時間間隔非常小，對于數(shù)碼管顯示應用來說，也觀察不出來，但是