数字电路设计实例

7.7数字系统设计实例*

本章前面介绍的数字系统设计方法是一种由顶向下的方法，其过程大致分为三步：

（1）系统调研，确定初步方案；

（2）模块划分，确定详细方案；

（3）选用模块，完成具体设计。

下面通过保险箱数字锁控制电路的设计实例，进一步体验小型数字系统的设计方法和过程，并验。

7.7.1初步方案

承接一个数字系统的课题后，一方面要对课题的任务、要求、原理、使用环境作详细的分析，应调研相类似的课题目前有哪些解决方法及其优缺点。在此基础上确定初步方案。

1.基本要求和设计环境分析

对一只保险箱而言，基本要求是：a.安全性，开锁的密码被破译的可能性要尽可能小；b.操作的程序不能过于复杂；c.密码可以更换，遇到不正常情况应及时启动报警系统；d.使用者在拨将原拨号予以清除并重拨。

系统基本操作流程图如下所示：

2.系统结构的几个具体问题研究

输入问题开始、建立等控制信号可用按键开关实现，门把手转动产生开门信号OPEN，可也用代替。密码输入采用10个按键开关，不同的数码采用不同的键，如同电话机的按键。

输出问题数字锁的输出有两种情况：a.开门信号，当拨号正确又按动OPEN按键后，应发出信字锁。此时可用一只绿色信号灯LO标示开门状态。b.当密码或开锁程序不对时，按动OPEN键信号。报警信号可用一种单频率的方波震荡，驱动扬声器发声，还可以用红色信号灯LA表示信号、报警信号一旦出现，就一直保持下去，直到使用者或保安人员按动SETUP为止。

预置数问题预置数就是设置系统的密码，宜每隔一段时间更换一次，因此应有置数装置。每十进制数的方法有多种。为分析方便，现采用的方法是安排12个输入端，每个输入端通过一式组件开关、将其输入切至Ucc或GND。

综合上述讨论，确定保险箱密码锁的基本方案如下：

（1）采用3位十进制数密码，密码用DIP开关确定，必要时可以更换。

（2）系统通电后须关上门，且按动SETUP键后方投入运行。运行时标志开门的灯或警报灯和作，系统处于安锁状态。

（3）开锁过程如下：①按START键启动开锁程序，此时系统内各部分应处于初始状态；②依十进制数码③按开门键OPEN。

（4）开锁处理事务完毕后，应将门关上，按SETUP键，使系统重新进入安锁状态。若在报警状态键或START键应不起作用，需另用一内部ISET键才能使系统进入安锁状态，此ISET键应放在

班室。

（5）使用者如按错密码，可在按OPEN键以前按START键，重新启动开锁程序。

（6）号码0一9，START，SETUP，OPEN均用按键产生。

根据上述考虑，可以画出系统的粗略框图如图7.34（b）所示，它说明了整个系统的外部输入和加上图7.34（a）描述系统行为的流程图，就勾画了这一系统的总体逻辑功能。

图7.34（c）中画出了数字锁简单的工作波形图，对输入、输出信号的时序做了进一步描述。

7.7.2详细方案

由顶向下设计的主要方法是将系统划分为控制器和被控电路两部分，而被控电路又采用各种模在的任务就是根据上一步确定的系统功能，决定使用哪些模块（抽象的模块，不涉及具体器件些模块与控制器之间的关系，即控制器向模块发出什么控制信号，而模块向控制器反馈哪些信控部分电路模块的设计

图7.33是数字锁的详细方案框图。除了控制器，其余部分均称为被控电路。

由于上一步已确定密码输入采用键盘，其中0一9等十个数字送入系统应首先经过10：4线编BCD码，并与原存储于系统中的密码相比较，故需要一个4bit的数码比较器，比较结果DeP 器。这两个模块都是组合逻辑电路。

由于密码是串行输入，每次分别与一个预置码比较，而3个十进制预置码分别由12个输入端用3选1的数据选择器MUX来选择，其地址码用一个计数器控制。控制器向计数器提供复位信和时钟信号CNP。计数器为模4计数器（0，1，2，3四个状态），每键入一个码，控制器向计个时钟脉冲CNP，使计数器状态加1。当计数器状态为3时，说明已送入3个密码，此时计数器反馈信号Ce3，告诉控制器应进入待启状态或预警状态。

START，OPEN等信号可直接送往控制器，控制其状态的转换。但这些信号由按键产生，其产生时间长短是随机的，且存在开关簧片引起的电平抖动现象，因此必须在每个开关后面安排一个化的模块，以保证每按一次键只形成一个宽度等于系统周期的脉冲。

控制器在系统每收到一个数据时向计数器发出一个时钟信号。当系统在按OPEN键以前收到第号时应转入预警状态，等待OPEN信号到达后报警。因此每键入一个数码，应向控制器送入一个此信号也应同步化，即形成宽度只占一个系统时钟周期的脉冲。

系统的一个输出是开门指示灯LO（绿），其工作用一个RS触发器控制。控制器向它提供置位在按SETUP键时向它提供复位信号RESET-L。至于驱动开门继电器的电路，此处不再讨论。

系统的另一个输出是报警信号。因为使用单频信号鸣叫和用红灯LA显示，因此也只要一个RS LA的辉亮，并连接500Hz振荡器与扬声器的开关。控制器向RS触发器提供置位信号SLA和复RESET-L。

2、控制器的算法设计

图7.34（a）表示控制器的算法状态流程图（ASM图），它清楚地表明了数字锁控制器的流程定了控制器的算法。算法中应包含如下状态：

待锁状态系统处于开门、报警或上电后的状态。此时数字锁尚未"锁好"，还未进入正常运行将不接收SETUP（或ISET）外的任何输入信号。当键入SETUP后，系统将进入安锁状态，且将LO或报警灯LA熄灭，警报器声音切断，因而需要输出RESET-L信号。待锁状态的行为可以用中最上面由矩形、菱形、平行四边形三框组成的算法状态单元表示。其中矩形框代表该算法状代表分支条件--SETUP=1时进入第2状态，SETUP=0则维持原状态；平行四边形框代表条件输SETUP=1时，输出RESET-L信号。至于EN信号，是用来控制DATA，OPEN信号输入的，在本状