【正文】 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(gè)發(fā)光二極管的陰極連接在一起。在使用時(shí)管腳COM應(yīng)接高電平，當(dāng)數(shù)碼管其余的某個(gè)管腳接低電平，則與該管腳相連的發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，也就是數(shù)碼管對(duì)應(yīng)的發(fā)光段被點(diǎn)亮。在使用時(shí)管腳COM應(yīng)當(dāng)接低電平，當(dāng)數(shù)碼管其余的某個(gè)管腳接高電平，則與該管腳相接的發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，也就是數(shù)碼管對(duì)應(yīng)的發(fā)光段被點(diǎn)亮。數(shù)碼管有共陰極和共陽極兩種類型。發(fā)光二極管和數(shù)碼管具有類似的工作原理。 單元電路設(shè)計(jì) 顯示電路顯示電路包括交通燈電路和時(shí)間顯示電路。時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生電路將獨(dú)立設(shè)計(jì)。圖62 交通燈控制電路組成框圖在圖62中，狀態(tài)信號(hào)產(chǎn)生電路和交通燈控制信號(hào)產(chǎn)生電路由復(fù)雜可編程邏輯器件EPM7128SLC8415實(shí)現(xiàn)。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于復(fù)雜可編程邏輯器件EPM7128SLC8415設(shè)計(jì)的交通燈控制電路硬件組成框圖，如圖62所示。在工作速度方面，CPLD器件EPM7128SLC8415的速度等級(jí)為15ns，F(xiàn)PGA器件EPF10K10LC844的速度等級(jí)為4ns，因此也是后者具有優(yōu)勢。從系統(tǒng)的簡單性方面，復(fù)雜可編程邏輯器件優(yōu)于現(xiàn)場可編程門陣列器件?，F(xiàn)場可編程門陣列器件EPF10K10LC844采用SRAM型存儲(chǔ)器存儲(chǔ)設(shè)計(jì)文件，如果斷電，芯片將丟失設(shè)計(jì)信息，因此在系統(tǒng)中必須包含一種非易失存儲(chǔ)器件以保存設(shè)計(jì)信息。在這個(gè)方面，使用MCS51系列兼容芯片AT89S51具有優(yōu)勢。在輸入/輸出管腳方面，這兩種可編程邏輯器件優(yōu)于MCS51系列兼容芯片AT89S51，在使用時(shí)不需要擴(kuò)展輸入/輸出管腳這部分資源。 本設(shè)計(jì)需要輸出6個(gè)交通燈控制信號(hào)，4個(gè)8段數(shù)碼管在不考慮使用小數(shù)點(diǎn)的情況下需要28個(gè)控制信號(hào)，因此共計(jì)需要34個(gè)輸入/輸出管腳。再有，這款芯片的市場價(jià)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(shè)計(jì)方案具有價(jià)格優(yōu)勢。2us的時(shí)間間隔對(duì)交通燈控制電路這樣的數(shù)字系統(tǒng)顯得太快了，這個(gè)問題可以通過在每個(gè)狀態(tài)之間插入實(shí)現(xiàn)延時(shí)的語句來克服。執(zhí)行上面語句需要2個(gè)機(jī)器時(shí)鐘周期。執(zhí)行下面程序語句： MOV P1， data將可以把真值表中指定狀態(tài)對(duì)應(yīng)的輸出控制信號(hào)送出。微控制器芯片的工作是在時(shí)鐘信號(hào)的控制下，按照所編寫程序的邏輯關(guān)系從程序存儲(chǔ)器中逐條讀出指令，并執(zhí)行。電容C4和C5組成電源濾波電路。電容C1和電阻R1構(gòu)成復(fù)位電路。MCS51系列兼容芯片AT89S51的最小應(yīng)用系統(tǒng)電路如圖61所示。 基于微控制器的交通燈控制電路設(shè)計(jì)交通燈控制電路的每個(gè)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間達(dá)1s，因此系統(tǒng)對(duì)所用器件在工作速度方面幾乎沒有要求。一般希望設(shè)計(jì)的交通燈控制電路在滿足不同要求時(shí)，不需要重新設(shè)計(jì)電路板，因此這里不考慮使用標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件。如前所述，由于用戶無法修改標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件的功能，所制作的電路不具有通用性。工作狀態(tài)信號(hào)到交通燈控制信號(hào)的生成以及到時(shí)間顯示電路控制信號(hào)的生成可以由組合電路實(shí)現(xiàn)。表61所示的真值表完整地反映出所要求的交通燈控制電路的功能，因此該電路可以完全由數(shù)字器件來實(shí)現(xiàn)。由此可以看出，真值表是設(shè)計(jì)要求與電路實(shí)現(xiàn)之間的橋梁。進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，通常首先根據(jù)設(shè)計(jì)要求寫出真值表，再由真值表寫出布爾表達(dá)式。附錄用于給出在正文中不便列出的技術(shù)資料，例如原理電路圖、源程序清單等內(nèi)容。結(jié)合本次設(shè)計(jì)過程，再次對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行考慮，不僅便于產(chǎn)品性能升級(jí)，而且有助于提高設(shè)計(jì)者的能力。設(shè)計(jì)總結(jié)包括設(shè)計(jì)特點(diǎn)，改進(jìn)潛力等內(nèi)容。交通燈控制電路的設(shè)計(jì)為功能設(shè)計(jì)，沒有涉及具體的性能技術(shù)指標(biāo)。這時(shí)的調(diào)試重點(diǎn)應(yīng)放在電路之間的接口上，從信號(hào)的傳輸速率和帶載能力兩個(gè)方面來檢查。系統(tǒng)連調(diào)是在單元電路設(shè)計(jì)完成的基礎(chǔ)上，把分離的單元電路連接成完整的系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行測量。單元電路設(shè)計(jì)是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，把具體要求變?yōu)閷?shí)際的電路，并實(shí)現(xiàn)所要求的功能和技術(shù)指標(biāo)。每個(gè)電路模塊實(shí)現(xiàn)一種獨(dú)立的功能，這樣不僅可以簡化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，而且方便多個(gè)設(shè)計(jì)者合作完成設(shè)計(jì)工作。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是使復(fù)雜問題簡單化。方案論證的過程是一個(gè)折中的過程，設(shè)計(jì)者需要在所能實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)功能、技術(shù)指標(biāo)的精度、成本和所需要的技術(shù)條件的支持等方面進(jìn)行權(quán)衡。 實(shí)現(xiàn)某一種系統(tǒng)功能或者技術(shù)指標(biāo)具有多種可行的設(shè)計(jì)方案，每一種設(shè)計(jì)方案都具有它自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。本章設(shè)計(jì)的交通燈控制電路雖然也具有一定使用價(jià)值，但是這里的主要目的是通過設(shè)計(jì)過程學(xué)習(xí)如何把課本知識(shí)用于具體設(shè)計(jì)，即完成理論和實(shí)際的結(jié)合。按照上述想法，設(shè)計(jì)報(bào)告應(yīng)包括以下部分：引言、方案論證、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、單元電路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)連調(diào)和數(shù)據(jù)分析、設(shè)計(jì)總結(jié)、附錄、參考文獻(xiàn)。這種報(bào)告的格式之一就是按照設(shè)計(jì)過程來撰寫。需要注意的是設(shè)計(jì)報(bào)告與實(shí)驗(yàn)報(bào)告的格式不同，其中的原因是實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證性的，通常會(huì)向?qū)W生提供實(shí)驗(yàn)電路、實(shí)驗(yàn)步驟和測量要求；后者只向?qū)W生提供設(shè)計(jì)要求，完成的具體過程由學(xué)生自己制定。 在大學(xué)里，學(xué)生需要參加一系列的實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)，例如各種實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)以及畢業(yè)設(shè)計(jì)等。通常還需要向用戶提供使用手冊(cè)或者設(shè)計(jì)報(bào)告。各種數(shù)字電路與系統(tǒng)之間的最大相同點(diǎn)是它們的設(shè)計(jì)過程?；趶?fù)雜可編程邏輯器件的交通燈控制電路設(shè)計(jì)方案 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程數(shù)字電路與系統(tǒng)由于其所實(shí)現(xiàn)的功能不同、應(yīng)用目的不同，從而使得它們內(nèi)部的電路結(jié)構(gòu)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。對(duì)于一個(gè)應(yīng)用電子系統(tǒng)，這個(gè)設(shè)計(jì)過程包括：設(shè)計(jì)目的和技術(shù)指標(biāo)的理解、設(shè)計(jì)方案的確定、系統(tǒng)的分解、單元電路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)連調(diào)、測量數(shù)據(jù)的分析以及設(shè)計(jì)總結(jié)。使用手冊(cè)和設(shè)計(jì)報(bào)告之間的區(qū)別為前者的撰寫重點(diǎn)為如何使用和維護(hù)系統(tǒng)；后者的重點(diǎn)是向用戶介紹系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)。這些實(shí)踐教學(xué)結(jié)束以后，學(xué)生需要提交相應(yīng)的報(bào)告。 課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告的格式與數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)報(bào)告格式相似。通過撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告加深對(duì)設(shè)計(jì)過程的理解和掌握，這點(diǎn)對(duì)一個(gè)學(xué)生來說更為重要。 引言部分描述設(shè)計(jì)目的。鑒于這里已經(jīng)明確地說明設(shè)計(jì)目的，本章的后面內(nèi)容將不涉及這部分。不存在一種最好的設(shè)計(jì)方案，只有最佳的設(shè)計(jì)方案。方案論證體現(xiàn)了設(shè)計(jì)者知識(shí)面的寬度。通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)這個(gè)過程，設(shè)計(jì)者可以把數(shù)字系統(tǒng)劃分成一系列電路模塊。對(duì)于一個(gè)剛開始學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)的學(xué)生，數(shù)字系統(tǒng)應(yīng)該分解成在教材中學(xué)習(xí)過的基本電路，這樣也可以進(jìn)一步理解理論知識(shí)。如果單元電路對(duì)應(yīng)教材中學(xué)習(xí)過的基本電路，這時(shí)所進(jìn)行的步驟將與當(dāng)時(shí)進(jìn)行分析的步驟相反，即利用課本知識(shí)支持實(shí)際需要，又加深對(duì)以前知識(shí)的理解。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。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(dāng)一個(gè)芯片驅(qū)動(dòng)多個(gè)負(fù)載將使得輸出信號(hào)電壓下降，當(dāng)輸出高電平低于器件的最低高電平，后級(jí)電路工作將受影響。實(shí)際設(shè)計(jì)中將涉及許多具體的性能技術(shù)指標(biāo)，需要測量這些技術(shù)指標(biāo)，并對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，評(píng)估是否達(dá)到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，在下一章中將涉及這部分內(nèi)容。如前所述，實(shí)現(xiàn)某一種系統(tǒng)功能或者技術(shù)指標(biāo)具有多種可行的設(shè)計(jì)方案，每一種設(shè)計(jì)方案都具有它自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。這也符合從理論到實(shí)踐，再從實(shí)踐到理論的認(rèn)識(shí)問題的循環(huán)過程。 方案論證 設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個(gè)交通燈控制電路，設(shè)計(jì)要求如下：* 系統(tǒng)需要控制東西和南北方向的兩個(gè)路口，每個(gè)方向的路口都有紅、黃和綠3個(gè)指示燈* 每個(gè)方向的路口都有通行/等待時(shí)間顯示* 東西方向路口通行時(shí)間為8s，南北方向路口通行時(shí)間為18s，每個(gè)路口從通行到禁止都具有2s的時(shí)間間隔* 系統(tǒng)自己產(chǎn)生所需要的時(shí)鐘信號(hào) 設(shè)計(jì)要求的真值表描述在《數(shù)字電路邏輯設(shè)計(jì)》課程中介紹的數(shù)字電路描述方法包括真值表、布爾表達(dá)式、邏輯電路圖、時(shí)序圖等。如果使用與門、或門和非門這樣的基本邏輯門實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯功能，則由布爾表達(dá)式就可以直接畫出對(duì)應(yīng)的電路圖。滿足上面設(shè)計(jì)要求的交通燈控制電路真值表如表61所示。表中的30個(gè)工作狀態(tài)可以由時(shí)序電路產(chǎn)生，時(shí)序電路可以由系統(tǒng)時(shí)鐘來控制。所要設(shè)計(jì)的交通燈控制電路如果由標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件來實(shí)現(xiàn)，工作狀態(tài)的產(chǎn)生可以使用計(jì)數(shù)器芯片，例如74161；組合電路部分可以由基本的門電路實(shí)現(xiàn)，也可以使用中規(guī)模邏輯器件，例如時(shí)間顯示部分可以采用BCD碼到7段共陽極數(shù)碼管顯示代碼的譯碼芯片7447。如果用戶提出不同的要求，例如不同的道路通行時(shí)間，修改系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須通過對(duì)電路重新設(shè)計(jì)和組裝來實(shí)現(xiàn)。表61 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(shí)間顯示綠黃紅時(shí)間顯示0100080011011000700109210006001083100050010741000400106510003001056100020010471000100103801002001029010010010