基于EDA的电子技术课程设计书做题参考

《基于EDA的电子技术课程设计》数字课程设计参考资料夏路易09，51电子工业出版社《基于EDA的电子技术课程设计》书附录2数字课程设计题目的状态机参考状态图夏路易太原理工大学自动化系2009，5《基于EDA的电子技术课程设计》数字课程设计参考资料夏路易09，52前面的话如下是《基于EDA的电子技术课程设计》书中的数字课程设计中各个题目的原理框图与状态机的状态图，供读者参考。有不正确之处，请读者指正，在此表示感谢。很多题目可能有多种实现答案，只要状态机可以按照题目要求正确实现状态转换就可以。通常为实际调试方便，可将计数器的计数值显示在实验板的数码管上（设计中增加译码模块）。另外，实际实验是要连接实验板的，所以锁定引脚时，要参考实验板电路。下面介绍一些关于题目的基础知识。（1）按钮输入与LED灯输出电路按钮输入与LED灯输出电路如图F2-1所示。图F2-1a显示的按钮电路中，当按钮按下时，按钮信号k1=0，当按钮抬起时，按钮信号k1=1。图F2-1b是LED灯显示电路，当可编程逻辑器件的输出引脚输出低电平时，LED灯亮。k1R11K+5V可编程逻辑器件（b）....I/O引脚可编程逻辑器件Rxl510Ω+5V....（a）LED（低有效）.I/O引脚....图F2-1按钮与LED灯电路由于本参考答案设计的状态机中，都是以逻辑1表示有效信号，因此在实际接线时，应该增加反相器，以满足LED灯的驱动需求。（2）定时器定时器是用减法计数器组成，分为固定初值计数器和可变初值定时器两种。.t定时器D[7..0]可预置时间..t88s定时器（b）.（a）.td8td....图F2-2定时器电路图F-2a所示的是固定初值为8的减法计数器，当t8=0时，计数器预置初值；当t8=1时计数器开始减法计数，当计数值减到0时td8=1。图F-2b所示的是可变初值的减法计数器，当t=0时，数据D[7..0]被置入计数器，当t=1时，开始减法计数，当计数值减到0时，td=1。《基于EDA的电子技术课程设计》数字课程设计参考资料夏路易09，53通常作为定时器的计数器的时钟周期为1s，而状态机的时钟可以在ms级，甚至在μs级，但是在做状态机与定时器的联合仿真时，为加快仿真速度，可以使状态机与定时器具有相同的时钟信号。（3）行程开关行程开关（又称为限位开关）是一种检测物体移动位置的开关。图F2-3a是结构图，当物体碰到行程开关的接触杆时，接触杆向下移动，使开关的常开触点闭合。若是具有上拉电阻，如图F2-3b所示，则常开触点闭合后，行程开关输出低电平；若是具有下拉电阻，如图F2-3c所示，则常开触点闭合后，行程开关输出高电平。常开触点物体接触杆接触杆与物体接触后，接触杆移动方向R+5VV1O常开触点R+5VV2O（a）（b）（c）....图F2-3行程开关结构与接线图实际中还有一种近接（或是接近）开关，就是当一铁物体接近开关时，开关内部的接点会闭合，用于判断移动物体的位置。（4）车辆传感器车辆传感器是检测汽车是否存在的装置，该装置由1m宽x2m长的长方形线圈组成，通常埋在汽车行驶的路面上，当汽车经过线圈时，线圈与电容组成的谐振电路就改变谐振频率，检测该频率的变化，就可以判断是否有汽车存在。（5）被控对象-交通灯现在的新型交通灯通常用发光二极管组成，由于是多个发光二极管串、并联在一起，因此有很大的电流驱动才能工作，通常是用可编程逻辑器件实现状态机，因此状态机输出驱动能力有限，所以要驱动交通灯，需要大功率器件才可以。在实验交通灯电路时，可以用单个发光二极管，这样不加驱动就可以用可编程逻辑器件直接驱动。（6）被控对象-电灯电灯一般是日光灯或是白炽灯，通常采用220V交流电源。可编程逻辑器件（状态机）输出弱电控制信号，驱动继电器、晶闸管等器件才能控制白炽灯的亮灭。（7）被控对象-电机电机是一种机电能量转换器件，是将电能转换为旋转机械能的装置，通常分为直流电机和交流电机两类。直流电机需要加直流电，改变直流电压值，就可以改变旋转速度。常用可编程逻辑器件（状态机）输出的弱电信号控制继电器切换直流电机电源的方法控制直流电机是否运行若是改变直流转速，则要状态机输出相应的弱电信号，分段改变控制直流电机的电压的方法实现。例如状态机输出速度1，则电机电压为100V，速度2，则电机电压为150V，等等。交流电机需要加交流电才能运行，加单相电源的电机称为单相交流电机，加三相电源《基于EDA的电子技术课程设计》数字课程设计参考资料夏路易09，54的电机称为三相交流电机。无论单相电机还是三相电机，用状态机控制继电器切换电机的电源，就可以控制电机是否运转。若是需要改变电机转向，则需要更改电机接线，例如，三相电机，交换任意两相的接线，就可以改变旋转方向。实际中状态机输出信号与三相电机的控制接线如图F2-4所示。.3kQ19013RY1D11N4001+5V可编程逻辑器件...I/O.3kQ29013D31N4001+5V..J2MRY2J1J2~220V~220VJ1J2~380V继电器继电器接触器接触器接触器触点电机在此更换了相线I/O....图F2-4状态机输出信号与三相电机的控制接线图（8）继电器继电器结构图与符号图如图F2-5所示。动铁常闭静触点动触点常开静触点线圈线圈接线......线圈触点（a）（b）.图F2-5继电器结构图与符号图当继电器线圈通电后，动铁被磁路吸合，常开触点闭合，使触点外电路连接在一起。继电器触点功率较小，不能流过大电流，例如交流220V、5A以上的电流。接触器是大触点功率的继电器，其触点功率一般在10A以上，可达数百安培。《基于EDA的电子技术课程设计》数字课程设计参考资料夏路易09，55如下题目参考的内容中只给出了原理框图与状态图，还需要用硬件描述语言描述状态机，描述完毕后还要仿真，仿真正确后才能说明所设计的状态机是正确的。在状态图给出的情况下，还需要如下步骤：（1）采用硬件描述语言（例如，VerilogHDL语言）描述状态机，编译文件，检查语法错误与描述错误。（2）输入状态机实现状态转换的所有输入信号，进行状态机仿真，若是所有状态都可以按照预想转换方向实现状态转换，而且状态机输出正确，则说明状态机设计正确。（3）设计定时器、译码器等外围电路，并仿真验证是否正确，若是正确，进行下一步。（4）设计顶层电路图（为仿真方便，定时器与状态机可以采用相同时钟源），添加时钟引脚、输入信号与输出信号引脚后，再次仿真，（这时只需要所设计控制器的输入引脚，而定时器与状态机等之间的连接引脚，例如td等，就不用输入了）若仿真正确，则进行下一步。（5）选定可编程逻辑器件，例如FPGA芯片10k20TC144，然后实现引脚锁定。这时应该参考实验电路图，正确锁定按钮、发光二极管、数码管、时钟源等的引脚，搭配信号逻辑电平。（6）将综合形成的文件，写入可编程逻辑器件，实际验证所设计控制器的正确性。（7）写课程设计报告书《基于EDA的电子技术课程设计》数字课程设计参考资料夏路易09，56[题目B1]带有强制按钮的交通灯交通信号灯的动作如下图所示。要求可以用按钮强制使南北通行或东西通行。试设计该交通灯控制器。南北绿灯10秒南北黄灯3秒东西绿灯10秒东西黄灯3秒南北红灯东西红灯........（1）原理框图.nan1t10控制器交通灯..10s定时器td10状态机..n2...n3d1d2da..d3t33s定时器.td3...其中：na是南北强制按钮da是东西强制按钮n1，n2和n3是南北方向红、黄、绿灯控制信号d1、d2和d3是东西方向红、黄、绿灯控制信号图中定时器用减法计数器组成，当减到0时，td=1。（2）状态图a0状态：南北绿灯亮，东西红灯亮，其他灯灭。a1状态：南北黄灯亮，东西红灯亮，其他灯灭。a2状态：东西绿灯亮，南北红灯亮。其他灯灭a3状态：东西黄灯亮，南北红灯亮。其他灯灭[题目B2]交通灯控制器试设计一交通信号灯控制器，图中绿灯在转黄灯前，闪烁3次。该交通灯的亮灭顺序a0a1a2a3td10=1td3=1td10=1td3=1na=1na=1南北绿灯da=1da=1南北黄灯东西绿灯东西黄灯....南北绿灯10秒南北黄灯3秒南北绿闪5秒东西绿灯10秒东西黄灯3秒东西绿闪5秒南北红灯东西红灯........《基于EDA的电子技术课程设计》数字课程设计参考资料夏路易09，57是如下：（1）原理框图.CLKn1t10控制器交通灯.10s定时器td10状态机..n2...n3d1d2..d3t55s定时器.td5....t33s定时器.td3.....图中：定时器用减法计数器实现。n1、n2与n3是南北方向红、黄、绿灯的控制信号。d1、d2、d3是东西方向的红、黄、绿灯的控制信号。（2）状态图a0a1a2a3a4a5td10td5td3td10td5td3....状态说明在a0状态：南北绿灯亮，东西红灯亮，其他灯灭。在a1状态：南北绿灯闪，东西红灯亮，其他灯灭。在a2状态：南北黄灯亮，东西红灯亮，其他灯灭。在a3状态：南北红灯亮，东西绿灯亮，其他灯灭。在a4状态：南北红灯亮，东西绿灯闪，其他灯灭。在a5状态：南北红灯亮，东西黄灯亮，其他灯灭。*使用秒脉冲“与”绿灯闪烁信号就可以使绿灯闪烁。[题目B3]交通灯控制器。设计一个交通灯控制器，该控制器控制的交通灯顺序为，南北方向是：绿（15s）、黄（5s）、红（20s），红（5s）东西方向是：红（15s）、红（5s）、绿（20s），黄（5s）要求：在红灯方向上，若是没有车（两路上分别安装有传感器ns和ds，若无车时，传感器输出高电平），永远是红灯。《基于EDA的电子技术课程设计》数字课程设计参考资料夏路易09，58（1）原理框图.nsn1t20控制器交通灯..20s定时器td20状态机..n2...n3d1d2ds.d3t1515s定时器.td15....t55s定时器td5...图中：n1:，n2：，n3：南北红灯、黄灯、绿灯控制信号。d1:，d2：，d3：东西红灯、黄灯、绿灯控制信号。ns是南北方向的车辆传感器。ds是东西方向的车辆传感器。图中定时器是由对确定周期时钟脉冲计数的减法计数器构成。当减到0时，td=1。（2）状态机南绿、东红状态a0：n1=0,n2=0,n3=1;d1=1,d2=0,d3=0；t15=1，t5=0，t20=0南黄、东红状态a1：n1=0,n2=1,n3=0;d1=1,d2=0,d3=0；t15=0，t5=1，t20=0南红、东绿状态a2：n1=1,n2=0,n3=0;d1=0,d2=0,d3=1；t15=0，t5=0，t20=1南红、东黄状态a3：n1=1,n2=0,n3=0;d1=0,d2=1,d3=0；t15=0，t5=1，t20=0[题目B4]人行横道灯控制。一条快速路上有人行横道，通常情况下，快速路是绿灯，人行横道是红灯。如果有人通过人行横道时，需要按下按钮k，当按钮k按下时，快速路上的绿灯变为黄灯，5秒后变成红灯，随后人行横道绿灯15秒后，绿灯开始闪烁5秒，然后人行横道变红灯，快速路变绿灯，在快速路变为绿灯后的90秒内，即使有按钮按下，人行横道也不会转成绿灯，一定要等到快速路绿灯持续90s后，才能变为黄灯，进而转成红灯（如果高速路绿灯已经持续了90s，则只要按钮k按下，快速路立刻就会变为黄灯，再转成红灯）。a0a1a2a3南绿东红td15=1andds=1南黄东红td5=1南红东绿td20=1andns=1南红东黄td5=1....《基于EDA的电子技术课程设计》数字课程设计参考资料夏路易09，59（1）原理框图kkg控制器交通灯..状态机..ky...krhghy..hrt定时器.td..D[7..0]可预置时间...图中定时器使用可预置数减法计数器构成，当减到0时，td=1。kg、ky和kr是快速路绿、黄和红灯控制信号。hg、hy和hr是人行横道的绿、黄和红灯控制信号。D[7..0]是定时器预置数。（2）状态机快速路绿灯90s定时a0：D=0,t=1,kg=1,ky=0,kr=0;hg1=0,