【正文】 《基于EDA的電子技術課程設計》 數(shù)字課程設計參考資料 夏路易09，5電子工業(yè)出版社《基于EDA的電子技術課程設計》書附錄2 數(shù)字課程設計題目的狀態(tài)機參考狀態(tài)圖 夏路易太原理工大學自動化系2009，5前面的話如下是《基于EDA的電子技術課程設計》書中的數(shù)字課程設計中各個題目的原理框圖與狀態(tài)機的狀態(tài)圖，供讀者參考。有不正確之處，請讀者指正，在此表示感謝。很多題目可能有多種實現(xiàn)答案，只要狀態(tài)機可以按照題目要求正確實現(xiàn)狀態(tài)轉換就可以。通常為實際調試方便，可將計數(shù)器的計數(shù)值顯示在實驗板的數(shù)碼管上（設計中增加譯碼模塊）。另外，實際實驗是要連接實驗板的，所以鎖定引腳時，要參考實驗板電路。下面介紹一些關于題目的基礎知識。（1）按鈕輸入與LED燈輸出電路按鈕輸入與LED燈輸出電路如圖F21所示。圖F21a顯示的按鈕電路中，當按鈕按下時，按鈕信號k1=0，當按鈕抬起時，按鈕信號k1=1。 圖F21b是LED燈顯示電路，當可編程邏輯器件的輸出引腳輸出低電平時，LED燈亮。圖F21 按鈕與LED燈電路由于本參考答案設計的狀態(tài)機中，都是以邏輯1表示有效信號，因此在實際接線時，應該增加反相器，以滿足LED燈的驅動需求。（2）定時器定時器是用減法計數(shù)器組成，分為固定初值計數(shù)器和可變初值定時器兩種。圖F22 定時器電路圖F2a所示的是固定初值為8的減法計數(shù)器，當t8=0時，計數(shù)器預置初值；當t8=1時計數(shù)器開始減法計數(shù)，當計數(shù)值減到0時td8=1。圖F2b所示的是可變初值的減法計數(shù)器，當t=0時，數(shù)據(jù)D[7..0]被置入計數(shù)器，當t=1時，開始減法計數(shù)，當計數(shù)值減到0時，td=1。通常作為定時器的計數(shù)器的時鐘周期為1s，而狀態(tài)機的時鐘可以在ms級，甚至在μs級，但是在做狀態(tài)機與定時器的聯(lián)合仿真時，為加快仿真速度，可以使狀態(tài)機與定時器具有相同的時鐘信號。（3）行程開關行程開關（又稱為限位開關）是一種檢測物體移動位置的開關。圖F23a是結構圖，當物體碰到行程開關的接觸桿時，接觸桿向下移動，使開關的常開觸點閉合。若是具有上拉電阻，如圖F23b所示，則常開觸點閉合后，行程開關輸出低電平；若是具有下拉電阻，如圖F23c所示，則常開觸點閉合后，行程開關輸出高電平。圖F23 行程開關結構與接線圖實際中還有一種近接（或是接近）開關，就是當一鐵物體接近開關時，開關內部的接點會閉合，用于判斷移動物體的位置。（4）車輛傳感器車輛傳感器是檢測汽車是否存在的裝置，該裝置由1m寬x 2m長的長方形線圈組成，通常埋在汽車行駛的路面上，當汽車經過線圈時，線圈與電容組成的諧振電路就改變諧振頻率，檢測該頻率的變化，就可以判斷是否有汽車存在。（5）被控對象交通燈現(xiàn)在的新型交通燈通常用發(fā)光二極管組成，由于是多個發(fā)光二極管串、并聯(lián)在一起，因此有很大的電流驅動才能工作，通常是用可編程邏輯器件實現(xiàn)狀態(tài)機，因此狀態(tài)機輸出驅動能力有限，所以要驅動交通燈，需要大功率器件才可以。在實驗交通燈電路時，可以用單個發(fā)光二極管，這樣不加驅動就可以用可編程邏輯器件直接驅動。（6）被控對象電燈電燈一般是日光燈或是白熾燈，通常采用220V交流電源。可編程邏輯器件（狀態(tài)機）輸出弱電控制信號，驅動繼電器、晶閘管等器件才能控制白熾燈的亮滅。（7）被控對象電機電機是一種機電能量轉換器件，是將電能轉換為旋轉機械能的裝置，通常分為直流電機和交流電機兩類。直流電機需要加直流電，改變直流電壓值，就可以改變旋轉速度。常用可編程邏輯器件（狀態(tài)機）輸出的弱電信號控制繼電器切換直流電機電源的方法控制直流電機是否運行若是改變直流轉速，則要狀態(tài)機輸出相應的弱電信號，分段改變控制直流電機的電壓的方法實現(xiàn)。例如狀態(tài)機輸出速度1，則電機電壓為100V，速度2，則電機電壓為150V，等等。交流電機需要加交流電才能運行，加單相電源的電機稱為單相交流電機，加三相電源的電機稱為三相交流電機。無論單相電機還是三相電機，用狀態(tài)機控制繼電器切換電機的電源，就可以控制電機是否運轉。若是需要改變電機轉向，則需要更改電機接線，例如，三相電機，交換任意兩相的接線，就可以改變旋轉方向。實際中狀態(tài)機輸出信號與三相電機的控制接線如圖F24所示。圖F24 狀態(tài)機輸出信號與三相電機的控制接線圖（8）繼電器繼電器結構圖與符號圖如圖F25所示。圖F25 繼電器結構圖與符號圖當繼電器線圈通電后，動鐵被磁路吸合，常開觸點閉合，使觸點外電路連接在一起。繼電器觸點功率較小，不能流過大電流，例如交流220V、5A以上的電流。接觸器是大觸點功率的繼電器，其觸點功率一般在10A以上，可達數(shù)百安培。如下題目參考的內容中只給出了原理框圖與狀態(tài)圖，還需要用硬件描述語言描述狀態(tài)機，描述完畢后還要仿真，仿真正確后才能說明所設計的狀態(tài)機是正確的。在狀態(tài)圖給出的情況下，還需要如下步驟：（1）采用硬件描述語言（例如，Verilog HDL語言）描述狀態(tài)機，編譯文件，檢查語法錯誤與描述錯誤。（2）輸入狀態(tài)機實現(xiàn)狀態(tài)轉換的所有輸入信號，進行狀態(tài)機仿真，若是所有狀態(tài)都可以按照預想轉換方向實現(xiàn)狀態(tài)轉換，而且狀態(tài)機輸出正確，則說明狀態(tài)機設計正確。（3）設計定時器、譯碼器等外圍電路，并仿真驗證是否正確，若是正確，進行下一步。（4）設計頂層電路圖（為仿真方便，定時器與狀態(tài)機可以采用相同時鐘源），添加時鐘引腳、輸入信號與輸出信號引腳后，再次仿真，（這時只需要所設計控制器的輸入引腳，而定時器與狀態(tài)機等之間的連接引腳，例如td等，就不用輸入了）若仿真正確，則進行下一步。（5）選定可編程邏輯器件，例如FPGA芯片10k20TC144，然后實現(xiàn)引腳鎖定。這時應該參考實驗電路圖，正確鎖定按鈕、發(fā)光二極管、數(shù)碼管、時鐘源等的引腳，搭配信號邏輯電平。（6）將綜合形成的文件，寫入可編程邏輯器件，實際驗證所設計控制器的正確性。（7）寫課程設計報告書[題目B1] 帶有強制按鈕的交通燈交通信號燈的動作如下圖所示。要求可以用按鈕強制使南北通行或東西通行。試設計該交通燈控制器。（1）原理框圖其中：na是南北強制按鈕da 是東西強制按鈕n1，n2和n3是南北方向紅、黃、綠燈控制信號dd2和d3是東西方向紅、黃、綠燈控制信號圖中定時器用減法計數(shù)器組成，當減到0時，td=1。（2）狀態(tài)圖a0狀態(tài)：南北綠燈亮，東西紅燈亮，其他燈滅。a1狀態(tài)：南北黃燈亮，東西紅燈亮，其他燈滅。a2狀態(tài)：東西綠燈亮，南北紅燈亮。其他燈滅a3狀態(tài)：東西黃燈亮，南北紅燈亮。其他燈滅[題目B2] 交通燈控制器試設計一交通信號燈控制器，圖中綠燈在轉黃燈前，閃爍3次。該交通燈的亮滅順序是如下：（1）原理框圖圖中：定時器用減法計數(shù)器實現(xiàn)。nn2與n3是南北方向紅、黃、綠燈的控制信號。ddd3是東西方向的紅、黃、綠燈的控制信號。（2）狀態(tài)圖狀態(tài)說明 在a0狀態(tài)：南北綠燈亮，東西紅燈亮，其他燈滅。 在a1狀態(tài)：南北綠燈閃，東西紅燈亮，其他燈滅。 在a2狀態(tài)：南北黃燈亮，東西紅燈亮，其他燈滅。 在a3狀態(tài)：南北紅燈亮，東西綠燈亮，其他燈滅。 在a4狀態(tài)：南北紅燈亮，東西綠燈閃，其他燈滅。 在a5狀態(tài)：南北紅燈亮，東西黃燈亮，其他燈滅。*使用秒脈沖“與”綠燈閃爍信號就可以使綠燈閃爍。[題目B3] 交通燈控制器。設計一個交通燈控制器，該控制器控制的交通燈順序為，南北方向是：綠（15s）、黃（5s）、紅（20s），紅（5s）東西方向是：紅（15s）、紅（5s）、綠（20s），黃（5s）要求：在紅燈方向上，若是沒有車（兩路上分別安裝有傳感器ns和ds，若無車時，傳感器輸出高電平），永遠是紅燈。（1）原理框圖圖中：n1:，n2：，n3：南北紅燈、黃燈、綠燈控制信號。d1:，d2：，d3：東西紅燈、黃燈、綠燈控制信號。ns是南北方向的車輛傳感器。ds是東西方向的車輛傳感器。圖中定時器是由對確定周期時鐘脈沖計數(shù)的減法計數(shù)器構成。當減到0時，td=1。（2）狀態(tài)機南綠、東紅狀態(tài)a0：n1=0,n2=0,n3=1。d1=1,d2=0,d3=0； t15=1，t5=0，t20=0南黃、東紅狀態(tài)a1：n1=0,n2=1,n3=0。d1=1,d2=0,d3=0； t15=0，t5=1，t20=0南紅、東綠狀態(tài)a2：n1=1,n2=0,n3=0。d1=0,d2=0,d3=1； t15=0，t5=0，t20=1南紅、東黃狀態(tài)a3：n1=1,n2=0,n3=0。d1=0,d2=1,d3=0； t15=0，t5=1，t20=0[題目B4] 人行橫道燈控制。一條快速路上有人行橫道，通常情況下，快速路是綠燈，人行橫道是紅燈。如果有人通過人行橫道時，需要按下按鈕k，當按鈕k按下時，快速路上的綠燈變?yōu)辄S燈，5秒后變成紅燈，隨后人行橫道綠燈15秒后，綠燈開始閃爍5秒，然后人行橫道變紅燈，快速路變綠燈，在快速路變?yōu)榫G燈后的90秒內，即使有按鈕按下，人行橫道也不會轉成綠燈，一定要等到快速路綠燈持續(xù)90s后，才能變?yōu)辄S燈，進而轉成紅燈（如果高速路綠燈已經持續(xù)了90s，則只要按鈕k按下，快速路立刻就會變?yōu)辄S燈，再轉成紅燈）。（1）原理框圖圖中定時器使用可預置數(shù)減法計數(shù)器構成，當減到0時，td=1。kg、ky和kr是快速路綠、黃和紅燈控制信號。hg、hy和hr是人行橫道的綠、黃和紅燈控制信號。D[7..0]是定時器預置數(shù)。（2）狀態(tài)機快速路綠燈90s定時a0： D=0,t=1,kg=1,ky=0,kr=0。hg1=0,hg2=0,hr=1橫道按鈕按下后，快速路綠燈90s繼續(xù)定時a1： D=0,t=1,kg=1,ky=0,kr=0。hg1=0,hg2=0,hr=1快速路黃燈、橫道紅燈、置數(shù)5s a2： D=5,t=0,kg=0,ky=1,kr=0。hg1=0,hg2=0,hr=1快速路黃燈、橫道紅燈、定時5s a3： D=5,t=1,kg=0,ky=1,kr=0。hg1=0,hg2=0,hr=1快速路紅燈、橫道綠燈、置數(shù)15s a4： D=15,t=0,kg=0,ky=0,kr=1。hg1=1,hg2=0,h