足球比赛游戏机逻辑电路设计.docx
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足球比赛游戏机逻辑电路设计
足球比赛游戏机逻辑电路设计
摘要：
本文是介绍用数字系统模拟足球场上双方对垒比赛的场面及控制足球比赛游戏机的设计，用中小规模数字集成电路实现足球游戏机逻辑控制设计。
由LED发光二极管代替足球运动，并按一定的规则进行对垒比赛，甲乙双方各有一个操作比赛的按钮AN1和AN2，按动使足球左右移动。
当进球时记分电路会给进球方自动加1。
时间倒计时到00时指示灯亮起以示比赛结束，高分者为获胜方。
关键词：
足球游戏机；集成电路；倒计时电路；设计；电路板制作
中途分类号：
TN79文献标识码：
A
1引言
随着科学技术的发展，人类社会已进入到高度发达的信息化社会,信息时代的发展带来了电子产品的进步。
现代电子产品的发展越来越快,各种新型电子元器件和智能化的电子产品已经在国民经济的各个领域和人们生活的各个方面得到了日益广泛的应用。
实现这种进步的主要原因就是生产制造技术和电子设计技术的发展。
其中电子玩具的发展也是在日益成熟。
足球比赛的场面是激动人心的，足球游戏机就是模拟足球场上双方对垒比赛的场面。
2.设计要求和任务
用数字系统控制足球比赛游戏机，其控制电路框图如图1.1所示。
游戏机球的运动用发光二极管表示。
按照足球比赛的规则，该游戏机应有：
按动开始键后，中间发光二极管D8亮，甲、乙双方比赛可以开始，可以按动各自的比赛按钮，进行比赛。
足球进入球门，则自动加1分，一位显示满分为9分；二位显示满分为99分。
图1.1足球游戏机逻辑控制框图
足球比赛游戏机也有时间限制，在规定的时间内，分值高者获胜。
用中小规模数字集成电路设计足球比赛游戏机逻辑控制电路，具体的设计要求如下：
①比赛时间可自己设定，0—99分钟（或0—99秒）。
②足球可在甲、乙双方操作下向左、向右移动，当进入球门后，系统将给进球方自动加1分。
③比赛时，足球进入球门后，进行自动加1分，再按一下复位键，使足球到中间，即中间的D8发光二极管亮。
此过程中不停表。
④计分显示为2位显示，时间显示为2位显示。
⑤当比赛时间倒计时到00时，光警示比赛结束，高分者为获胜方。
3电路原理
根据足球比赛游戏机设计任务和要求，足球比赛游戏机得逻辑电路控制参考图如图3.1所示:
图3.1足球比赛游戏机得逻辑电路控制参考图
3.1比赛电路
它由74LS193可逆计数器，4线-16线译码器74LS154，双BCD码十进制计数器74LS390和译码显示等芯片组成。
当按动“RESET”复位按钮，74LS193置入“1000”,D8灯亮，示意足球在场中间。
当按动“RESET”启动按钮后，触发器（74LS74）Q端输出高电平“1”，允许比赛按钮AN1，AN2输入。
按动AN1进行加法计数，按动AN2进行减法计数。
这样，经译码输出后的发光二极管左右移动。
若发光二极管移至D0亮时，进右球门，74LS390-1计数一次。
无论D0或D15为亮，都使74LS74D触发器清零，Q=0，使AN1，AN2输入无效，74LS154使能为高。
只有再按动START启动键后，D触发器为1，AN1，AN2方可输入，且74LS154使能（选中）。
3.1.1比赛电路中使用的集成块
74LS193为可预置同步加/减计数器，具有双时钟，共有54193/74193，54LS193/74LS193两种线路结构形式。
193的清除端是异步的。
当清除端为高电平时，不管时钟端状态如何，即可完成清除功能。
193在使用的过程中一定需要先给一个清零信号。
193的预置是异步的。
当置入控制端为低电平时，不管时钟的状态如何，输出端即可预置成与数据输入端相一致的状态。
193的计数是同步的，靠时钟端同时加在4个触发器上而实现。
在时钟端上升沿作用下输出端同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。
当进行加计数或减计数时可分别利用减法计数端或加法计数端，此时另一个时钟应为高电平。
当计数上溢出时，进位输出端）输出一个低电平脉冲，其宽度为加法计数端低电平部分的低电平脉冲；当计数下溢出时，错位输出端输出一个低电平脉冲，其宽度为减法计数端低电平部分的低电平脉冲。
当把借位输出端和进位输出端分别连接后一级的减法计数端、加法计数端，即可进行级联。
74LS193的引脚图如下图所示：
图3.274LS193的引脚图
比赛电路中还用到了4线-16线译码器74LS154
74LS154的主要特点是：
1将4个二进制编码输入译成16个彼独立的输出之一
2将数据从一个输入线分配到16个输出的任意一个而实现解调功能
3输入箝位二极管简化了系统设计
4与大部分TTL和DTL电路完全兼容
74LS154的工作原理是这种单片4线—16线译码器非常适合用于高性能存储器的译码器。
当两个选通输入G1和G2为低时,它可将4个二进制编码的输入译成16个互相独立的输出之一。
实现解调功能的办法是：
用4个输入线写出输出线的地址，使得在一个选通输入为低时数据通过另一个选通输入。
当任何一个选通输入是高时，所有输出都为高。
74LS154的引脚图如下图所示：
图3.375LS154的引脚图
另外还用到了双BCD码十进制计数器74LS390。
74LS390有两个触发器，并且两个触发器有独立的时钟，可以构成两个2分频和两个5分频计数器。
每个计数器都有直接清楚功能，能够有效提高系统密度，缓冲输出，减小集电极转换的可能性。
工作频率一般在35MHZ。
74LS390的内部电路有八个主从触发器和附加门，以构成两个独立的4位计数器。
74LS390的引脚图如下图所示：
图3.474LS390的引脚图
3.2定时电路
定时电路由时间设定拨码开关，减法计数器74LS190,译码显示74LS248，LC5011-11及脉冲电路组成。
比赛时，先设定比赛时间，例如50分钟，则置8421拨码开关为KS1=5,KS2=0。
当按动“RESET”键后，“50”就置入74LS190中，按动启动按键后，D触发器的输出Q=1，秒脉冲有输出使DP按一秒一闪一闪，同时利用74LS90-1和74LS90-2经60分频后，变成分脉冲输出，定时器每一分钟减1。
若比赛电路进球，使D触发器翻转，Q=0，这时，计数器停止计数。
只有在按动“START”启动后，比赛允许进行时，定时器再作减法计数。
当定时时间到，即高位74LS190M0/M1端输出一高电平，使定时指示灯灭，而喇叭响起来，告知比赛操作者，定时间到，比赛结束。
3.2.1定时电路中使用的主要集成块
定时电路中用到了十进制加减同步计数器74LS190，190的预置是异步的。
当置入控制端（LD）为低电平时，不管时钟CP的状态如何，输出端（Q0～Q3）即可预置成与数据输入端（D0～D3）相一致的状态。
190的计数是同步的，靠CP加在4个触发器上而实现。
当计数控制端（CT）为低电平时，在CP上升沿作用下Q0～Q3同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。
当计数方式控制（U/D）为低电平时进行加计数，当计数方式控制U/D）为高电平时进行减计数。
只有在CP为高电平时CT和U/D才可以跳变
190有超前进位功能。
当计数溢出时，进位/错位输出端（CO/BO）输出一个低电平脉冲，其宽度为CP脉冲周期的高电平脉冲；行波时钟输出端（RC）输出一个宽度等于CP低电平部分的低电平脉冲。
利用RC端，可级联成N位同步计数器。
当采用并行CP控制时，则将RC接到后一级CT；当采用并行CT控制时，则将RC接到后一级CP。
引出端符号：
①CO/BO进位输出/错位输出端
②CP时钟输入端（上升沿有效）
③CT计数控制端（低电平有效）
④D0～D3并行数据输入端
⑤LD异步并行置入控制端（低电平有效）
⑥Q0～Q3输出端
⑦RC行波时钟输出端（低电平有效）
⑧U/D加/减计数方式控制端
74LS190的引脚图如下图所示：
图3.574LS190的引脚示意图
定时电路中用到了译码显示74LS248，74LS248为有内部上拉电阻的七段译码器，共有54/74248和54/74LS248两种线路结构形式。
输出端（a-g）为低电平有效，可直接驱动指示灯或共阴极LED。
当要求输入0～15时，消隐输入（/BI）应为高电平或开路，对于输出0时还要求脉冲消隐输入（/RBI）为高电平或开路。
当BI为低电电平，不管其它输入端状态如何，a～g均为低电平。
当RBI和地址端（A~D）均为低电平，并且灯测试（/LT）为高电平时，a~g均为低电平，脉冲消隐输出（/RBO）为低电平。
当BI为高电平开路时，/LT的低电平可使a～g为高电平。
248与48的引出端排列，功能和电特性分别相同，差别仅在显示的字形6和9。
引出端符号：
①ABCD译码地址输入端；
②BI，RBO消隐输入（低电平有效）；
③脉冲消隐输出（低电平有效）；
④LT灯测试输入端（低电平有效）；
⑤RBI脉冲消隐输入端（低电平有效）；
⑥a-g段输出（低电平有效）；
74LS248的引脚图如下图所示：
图3.674LS248引脚示意图
3.3振荡电路
振荡电路采用CD4060，将32768HZ晶振分频为2HZ，再一次分频获得1HZ，Q6和Q13相“与”，产生间隙振荡频率输出。
更改后的电路采用了555产生脉冲。
3.4操作按钮
操作按钮AN1，AN2不加防抖电路，主要是恰当地利用74LS193误计数，误动作，而实现远距离射门。
3.5电路中用到的其它主要集成块
足球游戏机逻辑电路还用到了74LS08，74LS00和74LS74些基本的集成块。
4原理图的绘制及制作过程
4.1原理图的绘制
根据设计的要求及设计原理，需绘制设计草图，设计完电路草图之后，需要进行仿真测试，绘制规范的电路原理图，生成印刷电路板。
Protel99及其升级版本可以帮助我们完成这个过程。
它提供的内容有电路原理图的绘制，印刷电路板得绘制和打印出电路板图。
由所选的元件，根据其引脚封装形式绘制电路原理图，生成电路板图，打印电路板图。
有了电路板图就可以生成印刷电路板，然后腐蚀电路板，根据电路图焊接电路。
4.1.1原理图绘制过程中遇到的问题及解决方案
①电路中需要使用大量的集成块，但是大部分的集成块在Protel中给的引脚图不能满足实际上所使用的引脚数量，所以在绘制电路图的过程中并不使用集成块本身所对应的元件图，而是使用与之引脚数相同的连接器代替，这样使电路图的的绘制变得方便。
②路中使用的每一个集成块都需要与电源、地线连接，而且电路线路比较复杂，所以要考虑如何合理的设置电源线和地线。
并且注意每个集成块的接地和接电源的脚。
③在定时电路部分时间的设定需要拨码开关进行时间的设定，但是由于拨码开关不容易买到，所以换用普通的可以锁定的按动开关来实现。
选用四个按动开关来设定比赛时间。
由于开关的种类众多，所以在Protel中需要根据所选用的实际开关类型对电路中的开关进行封装。
4.2电路板及实物的制作过程
4.2.1生成网络表时遇到的问题及解决方案
在绘制完电路图之后需要生成PCB板之后才能制作电路板，生成PCB板之前要生成网络表，但在生成网络表时发现电路图出现了许多的错误。
错误主要分为了两种：
ErrorNetnotfound（网络没有找到）和ErrorComponentnotfound（元件没有找到。
特别要说明的是，通常我们按照Protel99设计教程中关于修改网络表错误的方法（即在网络宏NetlistMacro编辑对话框中进行修改）并不总是奏效，甚至出现越改提示的错误越多的情况，造成
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