智能洗衣機課程設計2023/6/101第一頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三一、課程設計的目的了解數字系統的組成，學習數字系統的設計方法。學習數字系統由上向下設計法的工具－ASM圖熟悉現代數字系統的實現方法：用PLD器件取代傳統的中規模集成器件實現數字電路與系統。學習分層次化實現數字電路與系統的方法。學習使用硬件描述語言（HardwareDescriptionLanguage）對數字電路與系統進行建模、仿真與實現的方法。2023/6/102第二頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三二、數字系統的設計方法簡介1、數字系統的組成2、數字系統的設計方法3、現代數字系統的實現方法2023/6/103第三頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三1、數字系統的組成數字系統通常由三部分組成：輸入/輸出接口、數據處理器和控制器，如圖所示。輸入輸出接口是用來將模擬量轉化為數字量，或數字量轉化為模擬量的模塊。控制器的作用是控制系統內各部分模塊的工作，使它們按一定順序進行操作。處理器的作用是完成信息的存儲和加工處理。2023/6/104第四頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三2、數字系統的設計方法分類：自下而上的設計方法自上而下的設計方法自下而上的設計方法數字系統自下而上的設計是一種試探法。設計者根據自己的經驗將規模大、功能復雜的數字系統按邏輯功能劃分成若干子模塊，一直分到這些子模塊可以用經典的方法和標準的邏輯功能部件進行設計，最后將整個系統安裝、調試達到設計要求。2023/6/105第五頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三自下而上設計方法的特點：這種設計方法沒有明顯的規律可循，主要依靠設計者的實踐經驗和熟練的設計技巧，用逐步試探的方法最后設計出一個完整的數字系統。系統的各項性能指標只有在系統構成后才能分析測試。如果系統設計存在比較大的問題，也有可能要重新設計，使得設計周期加長、資源浪費也較大。2023/6/106第六頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三自上而下的設計方法自上而下的設計方法是，將整個系統從邏輯上劃分成控制器和處理器兩大部分，采用ASM圖或RTL來描述控制器和處理器的工作過程。如果控制器和處理器仍比較復雜，可以在控制器和處理器內部多重地進行邏輯劃分，然后選用適當的器件以實現各子系統，最后把它們連接起來，得到所要求的數字系統。

自上而下的設計方法一般要遵循下列幾個步驟：明確所要設計系統的邏輯功能。確定系統方案與邏輯劃分，畫出系統方框圖。采用某種算法描述系統。設計控制器和處理器，并組合成所需要的數字系統。2023/6/107第七頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三3、現代數字系統的實現方法數字系統的實現方法也經歷了由分立元件、小規模、中規模到大規模、超大規模，直至今天的專用集成電路(ASIC)。現在的ASIC芯片規模已經達到幾百萬個元件。一個復雜的數字系統只要一片或幾片ASIC即可實現。FPGA或CPLD屬于ASIC電路的一類。具有現場可編程的特性。用戶可將所設計的電路通過計算機和開發工具，生成關于陣列連接的信息文件，并將信息文件通過編程器“編程”到芯片上。如果采用在系統編程器件，不需要編程器，直接將芯片裝在所設計的系統或電路板上，通過編程電纜直接對其編程或修改。2023/6/108第八頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三三、數字系統由上向下設計法的工具

－ASM圖1.ASM圖符號狀態框判斷框條件輸出框各種邏輯框之間的時間關系2.數字系統的ASM圖法設計舉例2023/6/109第九頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三1.ASM圖符號有三種基本的符號：即狀態框、判斷框和輸出框狀態框每一個狀態框表示一個時鐘周期內的系統狀態判斷框條件入口出口出口012023/6/1010第十頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三條件輸出框入口必定與判斷框的輸出相連2023/6/1011第十一頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三各種邏輯框之間的時間關系2023/6/1012第十二頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三2.數字系統的ASM圖法設計舉例設計任務：設計一個主干道和支干道十字路口的交通燈控制電路，其技術要求如下：

(1) 支干道兩邊安裝傳感器S，要求優先保證主干道的暢通。一般情況下，保持主干道暢通，主干道綠燈亮、支干道紅燈亮，并且主干道綠燈亮的時間不得少于60秒。

(2) 主干道無車，支干道有車，則主干道紅燈亮、支干道綠燈亮，但支干道綠燈亮的時間不得超過30秒。

(3) 每次主干道或支干道綠燈變紅燈時，黃燈先亮5秒鐘。2023/6/1013第十三頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三（1）明確所要設計的系統的邏輯功能支干道兩邊安裝傳感器S，要求優先保證主干道的暢通。平時處于主干道綠燈、支干道紅燈的狀態。當支干道有車時，傳感器發出信號S=1，主干道綠燈先轉換成黃燈、再變成紅燈，支干道由紅燈變成綠燈。如果支干道繼續有車通過時，則傳感器繼續有信號，使支干道保持綠燈亮，但支干道綠燈持續亮的時間不得超過30秒，否則支干道綠燈先轉換成黃燈再變成紅燈，同時主干道由紅燈變成綠燈。主干道每次通行時間不得短于60秒，在此期間，即使支干道有信號S輸出，也不能中止主干道的綠燈亮。

2023/6/1014第十四頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三系統框圖如圖所示,系統由控制器和處理器組成，控制器接收外部系統時鐘和傳感器信號。處理器由定時器和譯碼顯示器組成。定時器能向控制器發出60秒、30秒或5秒定時信號，譯碼顯示電路在控制器的控制下，改變交通燈信號。

TL：主干道綠燈亮的最短時間間隔，不少于60秒。

TS：支干道綠燈亮的最長時間間隔，不多于30秒。

TY：主干道或支干道黃燈亮的時間間隔為5秒。HGHYHRFGFYFR（2）確定系統方案并畫出ASM圖。2023/6/1015第十五頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三用定時器分別產生三個時間間隔后，向控制器發出時間已到信號，控制器根據定時器及傳感器的信號，決定是否進行狀態轉換。如果肯定，則控制器發出狀態轉換信號ST，定時器開始清零，準備重新計時。交通燈控制器的控制過程分為四個階段，對應的輸出有四種狀態，分別用S0(00),S1(01),

S2(10)和S3(11)表示：2023/6/1016第十六頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三S0狀態：主干道綠燈亮支干道紅燈亮，此時若支干道有車等待通過，而且主干道綠燈已亮足規定的時間間隔TL，控制器發出狀態轉換信號ST，輸出從狀態S0轉換到S1。S1狀態：主干道黃燈亮，支干道紅燈亮，進入此狀態，黃燈亮足規定的時間間隔TY時，控制器發出狀態轉換信號ST，輸出從狀態S1轉換到S2。S2狀態：支干道綠燈亮，主干道紅燈亮，若此時支干道繼續有車，則繼續保持此狀態，但支干道綠燈亮的時間不得超過TS時間間隔，否則控制器發出狀態轉換信號ST，使輸出轉換到S3狀態。S3狀態：支干道黃燈亮，主干道紅燈亮，此時狀態與S1狀態持續的時間間隔相同，均為TY，時間到時，控制器發出ST信號，輸出從狀態S3回到S0狀態。2023/6/1017第十七頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三交通燈控制器ASM圖設系統的初始狀態為主干道綠燈亮、支干道紅燈亮，用S0狀態框表示。當S0狀態持續時間TL大于等于60秒，并且支干道有車等待通過，傳感器S=1時，此時滿足判斷框中的TL·S=1條件，系統控制器發出狀態轉換信號ST，由條件輸出框表示，同時系統從狀態S0轉到主干道黃燈亮、支干道紅燈亮的S1狀態。

2023/6/1018第十八頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三交通燈狀態圖

2023/6/1019第十九頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三（3）設計控制器和受控電路

通過分析,交通燈控制系統主要由傳感器、時鐘脈沖產生器、定時器、控制器及譯碼器構成，傳感器S在有車輛通過時發出一個高電平信號。下面介紹用中規模集成電路設計定時器、控制器和譯碼器。I、定時器電路設計定時器由與系統秒脈沖同步的計數器構成，時鐘脈沖上升沿到來時，在控制信號ST作用下，計數器從零開始計數，并向控制器提供模M5、M30和M60信號，即TY、TS和TL時間間隔信號。2023/6/1020第二十頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三當系統處于S0狀態，為滿足主干道綠燈亮，支干道紅燈亮的時間間隔TL≥60秒，所以要將M60的輸出端反饋到計數器的使能端EN，使它計到59時停止計數，并保持在M=60的狀態直到支干道有車要通過時，才轉換到S1狀態。當計數到Q5Q4Q3Q2Q1Q0=111011，即M=60時，CO=1，將其反相后接入使能端，就可以保持在M=60狀態。要求計數器在狀態轉換信號ST作用下，首先清零，然后開始計數。

I、定時器電路設計2023/6/1021第二十一頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三II、控制器設計

從ASM圖可以列出狀態轉換表，選用兩個觸發器FF1、FF0做為時序寄存器產生四種狀態。2023/6/1022第二十二頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三根據表1，列出狀態方程和轉換信號方程：

控制器有四個狀態。選用兩個D觸發器FF1和FF0，每個觸發器的輸入函數用數據選擇器選擇。控制信號ST用一個數據選擇器實現。

數據選擇器的控制端由觸發器的輸出現態值控制。

2023/6/1023第二十三頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三交通燈控制器的邏輯圖2023/6/1024第二十四頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三III、譯碼器設計系統的輸出是在Q1Q0驅動下的六個信號燈，各狀態與信號燈的關系由表2給出，因此，得到燈光信號與控制器狀態變量的關系為：

2023/6/1025第二十五頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三燈光信號與狀態變量的邏輯圖2023/6/1026第二十六頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三四、用PLD實現數字系統的方法簡介一般PLD器件的開發需要使用集成軟件開發系統。軟件開發系統用兩種方式建立輸入文件。一種是圖形設計輸入；另一種是硬件描述語言輸入，或兩種輸入的混合方式。計算機對輸入文件進行編譯、綜合、優化、適配等操作，最后生成供編程用的數據文件，就可編程到芯片中。有兩種標準的HDL語言：VHDL和VerilogHDL。用HDL設計數字電路與系統，常稱為高層次設計。

2023/6/1027第二十七頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三設計流程簡介：2023/6/1028第二十八頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三FLEX10K10芯片的內部資源2023/6/1029第二十九頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三五、設計任務任務1：交通燈控制器的設計

2023/6/1030第三十頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三任務1：交通燈控制器的設計

設計內容與要求

①

設計一個十字路口交通信號燈的控制電路。要求紅、綠燈按一定的規律亮和滅，并在亮燈期間進行倒計時，且將運行時間用數碼管顯示出來。

②綠燈亮時，為該車道允許通行信號，紅燈亮時，為該車道禁止通行信號。要求主干道每次通行時間為Tx秒，支干道每次通行時間為Ty秒。每次變換運行車道前綠燈閃爍，持續時間為5秒。即車道要由X轉換為Y時，X在通行時間只剩下5秒鐘時，綠燈閃爍顯示，Y仍為紅燈。

③可以對X，Y車道上交通燈運行的時間進行重新設置，

20≦Tx≦99,10≦Ty≦39④對器件進行在系統編程和實驗驗證。

⑤

寫出設計性實驗報告，并打印各層次的源文件和仿真波形，然后作簡要說明。

2023/6/1031第三十一頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三設計任務：設計一個數字頻率計，其技術要求如下：

(1) 測量頻率范圍：1Hz~100kHz。

(2) 準確度fx/fx2%。

(3) 測量信號：方波，峰峰值為3V~5V。

(4)使用數碼管顯示測量的信號頻率（測量低頻信號時可以只顯示測量信號的周期）。

(5)打印相關時序仿真波形圖，作出實驗報告任務2：數字頻率計的設計2023/6/1032第三十二頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三任務3：智能洗衣機控制器的設計

設計內容與要求①設計一個智能洗衣機控制器，能夠實現洗衣，漂洗和脫水的功能。②要求能夠使用按鍵模擬對洗衣機的控制，能夠設置工作模式，為了便于觀察，將洗衣機設定的工作模式(1~5)和整個過程所剩的工作時間用數碼管顯示出來(時間分辨率為1分鐘)，能夠將洗衣機當前所處的狀態（注水，洗衣，排水，甩干）用發光管或者數碼管顯示出來。【模式1】：洗衣模式－－強力洗（洗衣30分鐘）【模式2】：洗衣模式－－普通洗（洗衣20分鐘）【模式3】：洗衣模式－－輕柔洗（洗衣10分鐘）【模式4】：漂洗模式【模式5】：甩干模式注：在以上5個模式中，每次注水1分鐘，漂洗5分鐘，排水1分鐘,甩干1分鐘，模式1～3的洗衣時間如上所示，具體的洗衣步驟如下：202