数电课程设计报告生理刺激反应时间测试仪.docx

1、数电课程设计报告生理刺激反应时间测试仪数字电子课程设计报告生理刺激反应时间测试仪第一章设计指标 31.1设计指标 3第二章 系统概述 42.1设计思想 42.2可行性论证 42.3各功能的组成 52.4总体工作过程 7第三章 单元电路设计与分析 83.1分频器 83.2随机信号模块 103.3逻辑控制电路 123.4测试计时器 143.5动态显示模块 17第四章 电路的组构与调试 204.1 遇到的主要问题 20. 4.2 现象记录及原因分析 .214.3 解决措施及效果 21第五章 结束语 215.1 总结设计的收获与体会 .21 附图(电路图、电路总图) 22 参考文献 23第一章 设计指

2、标1.1 设计指标（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112 s 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0.1 ms。（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 999.5 ms，“溢出”灯亮指示，测试计数器立即停止计时，“测试”灯灭或蜂

3、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。第二章 系统概述2.1设计思想 分析设计要求可知，生理刺激反应时间测试仪的基本功能是随机产生刺激信号、计时显示以及对受试者的操作进行逻辑判断。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、测试计数器溢出信号overflow 和违例信号weili。若选择一般的点触键为“测试开始”键和下降沿有效的点触键为“反应”键, 比如LP2900 开发装置上的SW3, PS2

4、键, 则start , response为相应按键产生1,0或者下降沿脉冲。 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、动态显示、逻辑控制、时基信号产生等5个模块。其中随机信号采用D触发器延迟1S、模12 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1 s, 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

5、据所用FPGA 开发装置的基准时钟10MHz分频获得。2.2可行性论证首先可以将10MHZ的基准时钟通过计数器分成各个频率的时钟，延时1S的信号可以由D触发器组成，然后随机信号112秒可以通过构成12进制的计数器产生。逻辑控制模块可以通过与门，非门等等以及触发器构成，测试计时模块可以通过多块计数器级联而成，动态显示模块可以通过编写AHDL文件，根据测试计时模块测得的数据显示数字，最后分配引脚。2.3各功能的组成 2.3.1分频器 在数字电路中，m进制计数器的状态循环周期为m个计数时钟周期，可实现对计数脉冲频率的m分频。n个m进制计数器可级连成进制计数器，实现对计数脉冲的倍分频。脉冲信号选择可以

6、采用数据选择器或三态门，脉冲信号分配可以采用数据分配器、二进制译码器或逻辑门。在本题中用7490级连而成。2.3.2随机信号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1 s, 则计数器的溢出信号周期为M s, 信号宽度一般为1 s。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

7、0至 M s 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1 s 的计数器使能端, 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至N s。2.3.3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 脉冲的上升沿触发

8、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。信号时序波形示例和参考电路原理如下图所示。图2-1 部分控制信号的时序关系及参考控制方法2.3.4测试计时器 测试计时器要记录测试的时间，而且要十进制表示，所以可以采用多个10进制的计数器级连。 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，最低位测量值要求进行四舍五入处理。即当最低位计数值小于5 时, 高3位测量值直接显示；当最低位计数值大于4 时，高3位测量值加1 后显示。数字电路中实现数值四舍五入的方法很多。本设计可以利用计数器的预置数功能，在测量前将测试计数器的初始值预置为5。这样, 测试结束时的计

9、数值是实际测量值加5。当最低位测量值大于等于5 时, 必然产生向高位的进位, 实现了测量值的四舍五入功能。2.3.5动态显示模块动态扫描显示控制的关键问题在于产生顺序脉冲分时选通各显示器的公共端，并同步输出其段控制信号。在本实验数字电路中，采用计数器控制二进制译码器产生。采用LP-2900开发装置，由于已在FPGA外部设置了38线译码器74138控制显示器的公阴端，因此只要采用计数器产生二进制计数信号控制译码器即能实现动态显示扫描。在LP-2900上实现4位动态扫描显示控制电路，选择前四位。采用四进制计数器的输出控制DE1、DE2，并使DE3始终为0（端口接GND）,则74138输入码A以“0

10、00”、“001”、“010”、“011”循环变化，输出控制C1、C2、C3、C4轮流为低电平，C5、C6始终为高电平，后两位显示器灭显。由于数据选择器的输出Ni必须在相应的Ci有效有效时同步输出，所以可采用控制产生Ci顺序脉冲的计数器同步控制数据选择器各位的显示码，经过显示译码输出七段控制信号Ni,同时选择该位的小数点控制信号控制显示器的dp端。2.4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star t 电平键按下后ready信号有效, 控制test , weili, overflow 无效, 并预

11、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 2 s。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脉冲random, 等待时间为0 M s。这样, 随机信号random比 测试开始!按键的作用时间滞后1 M+ 2 s 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。(

12、5) 若反应时间超过999. 5 s, 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。设计过程：设计框图：第3章 单元电路设计与分析3.1分频器3.1.1分频器的电路3.1.2分频器的电路的原理分析在电路中，7490是通过计数脉冲CP控制五进制计数器的时钟CLKB，并以五进制计数器的最高位输出QD控制二进制计数器时钟CLKA，即构成5421BCD码十进制计

13、数器，然后从QA引出去，就可以等到10分频的计数脉冲，占空比50%，然后让前一个7490的QA当做下一个7490的CP，这样经过8个7490计数器就可以得到8种频率不同的脉冲。3.1.3分频器的元件符号3.2随机信号模块3.2.1随机信号产生电路3.2.2随机信号原理分析 74161在一开始就计时了。ready为低电平时，第2个D触发器清零，最右边的与门被D触发器关闭；然后当ready为高电平时，两个D触发器先延时1S，之后D触发器输出一直为1，然后才让74161计数器的12S溢出通过与门输出，产生随机信号。至于2个D触发器能延时1秒，这里解释一下。在ready为低电平时，两个D触发器的Q都为

14、0,，同时第二个D触发器的CP为1（高电平）；然后当ready为高电平时，第2个D触发器的开始CP为高电平，当1Hz的脉冲来一个上升沿时，第一个D触发器被触发，它的Q变成高电平，所以第2个D触发器的CP变为低电平，然后当1Hz脉冲从高电平变为低电平后，第一个D触发器被清零，所以第2个D触发器的CP又变成高电平，此时第二个D触发器被触发，它的Q变成1（高电平）。第2个D触发器的CP从高电平到低电平，再从低电平到高电平，延时刚好1S。3.2.3随机信号元件符号3.3逻辑控制电路3.3.1电路图3.3.2控制电路原理分析首先，电路中，start和ready其实是同一个按键（在总电路图中可以看出），电

15、路中choose2为选择灯亮为刺激源（取名choose2是因为它的按键为SW2），choose8为选择蜂鸣器为刺激源（取名choose8是因为它的按键为SW8），random为随机信号输入点，response为反应键；test-light2为测试灯，sound为蜂鸣器，ready-light8为准备灯，cont为测试计数器开始计时的信号，end为反应后测试计时器计时结束的信号，weili-light1为溢出灯。将其中几部分拿出来进行分析：违例灯模块：仿真效果：解释：在红线之前：start高电平开始后，response在random产生信号之前就响应了，所以weili-light1产生高电平（即

16、违例灯亮了），start低电平结束，weili-light1清零。在红线后：在start高电平开始后，random产生信号后，response才反应，这是正常的情况，所以违例灯没亮。 测试灯模块：仿真效果：解释： 在choose2高电平（即选择灯光为刺激源），在开start高电平始后，当random来信号时，test-light2产生高电平（即测试灯亮）。 其他模块可以参照电路图分析。3.3.3控制模块原件符号3.4测试计时器3.4.1测试计数器电路图3.4.2测试计数器原理分析count为计数开始信号，end为计数结束信号，ready为准备信号（也是start信号）；输出信号overflow

17、-light3为溢出信号（因为溢出灯为L3，所以取名为overflow-light3）。然后还有输出计数结果的A0,B0,C0,D0:表示百位（最高位），Aa1,Bb1,Cc1,Dd1:表示十位,Aa2,Bb2,Cc2,Dd2:表示个位。最低位的四舍五入，是在最低为的74160计数器（即最左边的那个74160计数器）预置为五，在电路图中可以看出，仿真结果1：解释：在ready为高电平时在count开始计数信号来一个上升沿后，计数器开始计数；在图中，bai-wei是A0,B0,C0,D0的group组，表示计数结果的百位，shi-wei是Aa1,Bb1,Cc1,Dd1的group，表示计数结果的

18、十位，ge-wei是Aa2,Bb2,Cc2,Dd2的group，表示计数结果的个位。仿真结果2： 溢出灯模块：解释：在count产生上升沿后，计数器开始计时，在bai-wei，shi-wei，ge-wei都计数到9（即计数值为999）时，overflow-light3从低电平变到高电平，即溢出灯亮。仿真结果3：正常反应：解释： 在count产生上升沿后，计数器开始计时，在end信号（即反应response信号）来之后，所有计数器都停下来了，从图中可以看出测试结果为700ms。 3.4.3计数器模块元件符号3.5动态显示模块3.5.1动态显示模块电路图3.5.2动态显示模块原理分析首先从测试计数

19、器模块产生的计数结果通过A0,B0,C0,D0;A1,B1,C1,D1; A2,B2,C2,D2传入74153M选择器，然后通过选择传入7reg器件，进行控制数码管的a,b,c,d,e,f,g各个二极管，从而产生相应的数字或字母。其中，7reg的AHDL Flie如下：SUBDESIGN 7seg( data_in3.0 :INPUT; a,b,c,d,e,f,g :OUTPUT;)BEGINTABLE data_in3.0 = a,b,c,d,e,f,g; b0000 = 1,1,1,1,1,1,0; -0 b0001 = 0,1,1,0,0,0,0; -1 b0010 = 1,1,0,1,

20、1,0,1; -2 b0011 = 1,1,1,1,0,0,1; -3 b0100 = 0,1,1,0,0,1,1; -4 b0101 = 1,0,1,1,0,1,1; -5 b0110 = 1,0,1,1,1,1,1; -6 b0111 = 1,1,1,0,0,0,0; -7 b1000 = 1,1,1,1,1,1,1; -8 b1001 = 1,1,1,1,0,1,1; -9 b1010 = 1,1,1,0,1,1,1; -A b1011 = 0,0,1,1,1,1,1; -b b1100 = 1,0,0,1,1,1,0; -C b1101 = 0,1,1,1,1,0,1; -d b111

21、0 = 1,0,0,0,1,1,1; -FEND TABLE;END;3.5.3动态显示模块元件符号第四章 电路的组构与调试4.1遇到过的主要问题 1.测试计数器级连方式不正确，我将前一个计数器的RCO直接接入下一个计数器的CLK，导致计数不正确。 2.我的程序只能用一次，如果还要用得重新下载。 3.一开始数码管显示4位，而要求是3位。4.2现象记录及原因分析1.仿真后发现在前一个计数器还是9的时候，下一个计数器就是1了，导致计数结果不对；后来发现因为74160计数器是上升沿有效触发，在前一个计数器为9进位时给一个上升沿，后一个就马上技术了，导致出错。2.程序下载一下只能用一次，原因就是结束后

22、所有触发器还有计数器都没有清零。3.第4位一直为零，原因是控制第4位的数码管的4个选择器74153M的C3都放空了。4.3解决措施及效果、1.在各个计数器的RCO出来接一个非门，然后再接入下一个计数器的CLK时钟信号端。仿真后技术正确。2.统一用ready结束后清零。效果就是，下载一下后可以用无线次。3.在4个选择器74153M的C3都接了VCC高电平，效果就是第4个数码管不亮了。第5章 结束语5.1 总结设计的收获与体会 在本次设计中最大的收获就是认识了FPGA，知道如何用FPGA。在设计中，从最开始的分频器，到动态显示，再到测试计数器模块，控制模块的设计，从这个过程中我知道了用FPGA设计

23、电路的全过程，以及设计一个大项目把它分成多个模块进行设计，从而各个模块独立，可以分别仿真，从而知道设计的正确性，不用在总电路中苦苦寻找错误，只要最后把各个模块链接起来就行了，对后面修改也有帮助。在这次课程设计后，我更加熟悉了FPGA，以后可以用它设计出自己的东西，在实验中，我成功的设计出了完全满足老师设计要求的电路，从一开始的到处出错：数码管也不亮，计数乱七八糟，测试灯乱闪而且一直不停等等，到后来的完全符合设计要求，感觉很有成就感。附图 生理刺激反应时间测试总图参考文献1崔葛瑾.西安电子科技大学出版社.20082杨颂华.:西安电子科技大学出版社.2009 时光荏苒，感谢教给我人生道理的老师。结语：