生理刺激反应时间测试仪

第1页共21页数字电子设计报告生理刺激反应时间测试仪一．设计背景……………………………………....……...……....2二.设计指要求……………………………………....……...……....2设计要求……………………………………………………………....2三．设计原理分析…………………………………....……...……....23.1随机信号的产生…………………………………....……...……....33.2最低位计数值的四舍五入处理………………....……...……....43.3逻辑控制电路………………....……...……....………………....…4四.系统概述………………………………………...…..…...…....44.1设计思想………………………………………………………..54.2可行性论证…………………………………………….…...…...54.3各功能的组成……………………………………………………54.4总体工作过程……………………………………………………8五.单元电路设计与分析………………………………...…...…...10六.电路的组构与调试…………………………………..…...…...176.1遇到的主要问题………………………………………………..176.2现象记录及原因分析…………………………………………….176.3解决措施及效果…………………………………………………176.4功能的测试方法、步骤、设备、记录的数据……………………18七.结束语………………………………………………………...197.1总结设计的收获与体会………………………………………….19附图(电路图、电路总图)………………………………………………20参考文献……………………………………………………………21第2页共21页一．设计背景人体在受到外界声，光信号刺激后作出反应的时间有快有慢，某些职业对从业人员的生理刺激反应时间有一定的要求。比如，短跑，跨栏运动员的成绩都精确到0.01s,所以运动员在起跑瞬间对发令枪作出的反应时间对其运动成绩有很大的影响。生理刺激反应时间测试仪就是用于测量被测试者在受到声光信号刺激后作出反应动作的滞后时间。本节希望通过生理刺激反应时间测试仪的设计和实现，介绍数字测试仪器的功能分析和设计综合方法。二．设计要求（1）受试者可以按“刺激源选择”键选择刺激信号是光或声。（2）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。（3）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。（4）当刺激信号发出后测试仪开始计时，直到受试者按下“反应”键停止计时时。计时单位为0.1ms。（5）以七段LED数码管显示时间测量值的高3位，最低位测量值进行四舍五入处理，显示值保持到新的测试开始（6）受试者的反应时间超过999.5ms，“溢出”灯亮指示，测试计数器立即停止计时，“测试”灯灭或蜂鸣器停，“溢出”灯持续发光直到下次测试开始。（7）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三.设计原理分析生理刺激反应时间测试仪是测量被测试者在受到刺激后，经过多少时间才有反应的测试仪。本设计采用光或声音作为刺激人眼的触发源，由测试对象按键作出反应。生理刺激反应时间测试仪工作流程图如下图所示。第3页共21页图1.生理刺激反应工作流程图分析设计要求可知，生理刺激反应测试仪的基本功能是随机产生刺激信号，设计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，以及记时功能，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。系统设计中需要产生随机信号，对最低位作四舍五入处理，并且设计合适的逻辑电路。3.1随机信号的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。如果以一个任意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1s,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0~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1s的计数第4页共21页器使能端,当使能电平有效后,计数器产生溢出信号的延时时间为N-1~Ns。3.2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四位十进制数，而显示值为三位十进制数，最低位测试值要求进行四舍五入处理。即当最低位计数值小于五时，高三位测量值直接显示；当最低位计数值大于四时，高三位测量值加一后显示。数字电路中实现四舍五入的方法很多。本设计中可以利用计数器预置数功能，在测量前将计数器的初始值预置为五。这样，测试结束时的计数器数值是实际测量值加五，当最低位测量值大于五时，必然向高位进位，实现了测量值四舍五入功能。3.3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,部分控制信号是互相关联的,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有很多方法实现,比如利用D触发器的同步触发功能和异步复位功能:A脉冲的上升图2-1部分控制信号的时序关系及参考控制方法沿触发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。四．系统概述4.1设计思想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。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开始信号start、准备信号ready、随机信号random、测试信号test、反应信号response、第5页共21页测试计数器溢出信号overflow和违例信号weili。若选择下降沿有效的点触键为“测试开始”键和“反应”键,比如LP2900开发装置上的PS1,PS2键,则start,response为相应按键产生的负脉冲信号。Ready,test,response,overflow,weili设置为触发器产生的电平信号。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、时基信号产生等5个模块。其中随机信号采用模N的延时计数器、模M的定时计数器及相应的控制逻辑产生,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锁存直接显示。时基电路是产生定时、延时、计时电路以及显示扫描电路的时钟脉冲,蜂鸣器的发声也需要音频脉冲控制。各脉冲可以根据所用FPGA开发装置的基准时钟分频获得。4.2可行性论证根据设计电路图进行仿真操作，判断设计是否可行。设计电路图用仿真软件QuartusⅡ，分模块设计后仿真检查电路，判断电路的逻辑是否有错，逻辑无误后，选择功能仿真并产生电路网表，判断电路是否正确。测试仪的控制部分以FPGA实现，光刺激信号由发光二极管产生，声刺激信号由蜂鸣器产生。“测试开始”按键和“反应”按键选择买重建产生脉冲信号，刺激源选择电平键产生电平信号。测量值采用3个七段LED数码管显示，显示方式由FPGA开发装置决定。设计在ED2开发板或LP-2900开发装置上实现。4．3各功能的组成4.3.1产生随机信号随机信号的的产生由两部分构成，一部分由延时1～2s的延时器，另一部分为模为10的计数器。由计数器产生随机信号。结果，随机信号的产生时间为1～12s。4.3.2计时器计时器由计数器产生，根据实验要求，受试者的反应时间在999.5ms以内，最小的测量单位为0.1ms，则，计数器应四个产生8421BCD码的十进制加计数器构成，计数器的设计有两种方案，一种采用同步CP信号控制，由低位的进位端控制高位的使能端。另一种是异步计数器，由低位的进位端控制高位的CP端，第6页共21页但是第二种方案注意在使能端与进位端之间加个反相器，否则不能得到想要的计数器。在本设计中采用异步计数器。CP信号为10khz的脉冲信号。最终构成计时器，可以产生最大值为999.9ms的计时器，实验要求中要求最低位四舍五入，应根据设计原理分析所述的最低位计数值的四舍五入处理进行设计。4.3.3脉冲分频电路由于电路用到不同频率的信号，比如设计计时器的CP信号为010hz,动态扫描电路中扫描信号频率至少为200hz,才能实现视觉暂留。因此，需要设计脉冲分频电路，在此根据实验要求和器件选择，设计一个8级10分频电路。将LP-2900实验装置上的基准时钟10MHz分频后输出1MHz，100kHz，10kHz，1kHz，100Hz，10Hz，1Hz和0.1Hz脉冲信号。首先用7490构成5421码输出的十分频电路，再复制七个十分频电路，级联后构成1个一输入、八输出的电路。输入为OSC（10MHz）信号。4.3.4动态扫描显示设计第7页共21页图2动态扫描显示电路原理图如图2所示，由数据选择器控制七段共阴显示器的输入端，从而可以控制数据选择器的输入来控制七段共阴显示器的显示，二进制计数器实现扫描原理，输出配合译码器控制选择显示器输出。实现过程为，分屏器输出1Khz脉冲，控制二进制计数器循环计数，二进制计数器输出为：00，01，10，11，控制BA，从而达到数据选择，七段共阴显示器的输入端为四个选择器相同选择的输出的集合，同时控制着小数点的显示。4.3.5逻辑控制第8页共21页图3信号间的逻辑关系逻辑控制主要是在ready,test,weili,Overfolow,response信号之间的逻辑合理性的控制。其逻辑关系如图3所示。整理如下：ready有效Test、Weili、Overflow无效。Test有效Ready、Delay无效Test无效Response脉冲使Weili有效，Ready无效，禁止Random信号产生，使Test始终无效Response脉冲使Test无效Overflow有效使Test无效4.4总体工作过程总体工作过程中，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:（1）“测试开始”按键产生的start负脉冲触发ready信号有效,控制test,weili,overflow无效,并预置测试计数器初值。（2）ready信号控制延时计数器开始计数,延时时间1~2s。当延时时间到,delay信号有效。delay信号等待选通模M定时计数器的溢出信号产生随机第9页共21页脉冲random,等待时间为0~Ms。这样,随机信号random比测试开始!按键的作用时间滞后1~M+2s出现。（3）当随机脉冲random出现后,触发test信号有效并控制ready,delay信号无效。test信号点亮“测试”灯或控制蜂鸣器鸣响,并允许测试计数器开始计时。(4)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。(5)若反应时间超过999.5s,测试计数器产生的溢出脉冲触发overflow信号有效。overflow信号控制测试计数器停止计数。(6)若test信号无效时按下“反应”键,response脉冲触发weili信号有效,并控制ready信号无效。weili信号禁止随机脉冲产生,test信号始终无效。信号时序波形示例和参考电路原理如图4所示图4生理刺激反应时间测试仪设计思想框图第10页共21页五.单元电路设计与分析5.1随机信号发生器随机信号发生器电路图如下图所示VCCstartINPUTVCCCP1sINPUTVCCCPreINPUTVCCENtpINPUTVCC/RINPUTrandomOUTPUTreadyOUTPUTPRNCLR