Проектирование цифрового автомата. 3

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НОВОМОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)

Федерального  государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального  образования «РОССИЙСКИЙ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА»

Кафедра

Вычислительная  техника и информационные технологии

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К КУРСОВОЙ РАБОТЕ

ПО АПЦВУ

НА ТЕМУ:

ПРОЕКТИРОВАНИЕ  ЦИФРОВОГО АВТОМАТА

Зав. кафедрой                         Воробьев В.И.

                                                           ^{личная подпись, дата                                                      Ф.И.О.}

Руководитель                         Прохоров В.С.

                                                           ^{личная подпись, дата                                                      Ф.И.О.}

Н/контролер                         Котельникова М.Г.

                                                           ^{личная подпись, дата                                         Ф.И.О.}

Студент                          Полякова А.А. 

                                                            ^{личная подпись,  дата                         Ф.И.О.}

Группа                        СКМ-08-1                  

                                                     ^{шифр группы}

г. Новомосковск, 2012

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НОВОМОСКОВСКИЙ  ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)

Федерального  государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального  образования «РОССИЙСКИЙ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА»

Факультет «Кибернетика»  Кафедра ВТИТ

Специальность «Сервис компьютерной и микропроцессорной техники»

УТВЕРЖДАЮ   

Зав. кафедрой   

______________ /Воробьев В.И./

« »   2012г.

ЗАДАНИЕ

к курсовому  проекту по АПЦВУ

(название предмета)

Студенту        Поляковой А.А.         курса    5    группы СКМ-08-1 

1. Тема работы "ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЦИФРОВОГО АВТОМАТА"

утверждена приказом по институту от «  »  2012 г. №  

    2. Срок сдачи студентом законченного проекта (работы)    

3. Исходные данные к работе «Разработать цифровой автомат, у которого на выходе периодически появляются коды символов, образующих фамилию и инициалы студента» 

4. Содержание расчетно-пояснительной записки (перечень подлежащих разработке вопросов): Введение. Основная часть: аналитический обзор, обоснование выбранного направления работы, описание теоретических и экспериментальных исследований, оценка достоверности полученных данных, предложения по дальнейшим направлениям работы. Заключение. Список использованных источников.

5. Перечень графического материала (с точным указанием обязательных чертежей): Необходимо представить функциональную и принципиальную схемы цифрового автомата, чертежи печатной платы со стороны монтажа и со стороны проводящего рисунка, выполненные с применением пакета программ Ultiboard 12.0.

6. Дата выдачи задания          

  Руководитель       /Прохоров В.С./

(подпись)

  Задание принял к исполнению    /Полякова А.А./

                      (подпись) 

Календарный план выполнения задания

                                           Студент     /Полякова  А.А./

                                           Руководитель проекта   /Прохоров В.С./

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка 33 с., 13 рис., 7 табл., 5 источников, 3 прил.

АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР, ПРОЕКТНАЯ ЧАСТЬ, КОМБИНАЦИОННАЯ СХЕМА, СОСТОЯНИЯ ЦА, ФУНКЦИИ ПЕРЕХОДОВ, МИНИМИЗАЦИЯ ЛОГИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ

Курсовой проект содержит аналитическую и проектную части, с описанием разработки цифрового автомата. Также алгоритма его функционирования, принципиальной электрической схемы и макета печатного монтажа.

Цель работы – разработать цифровой автомат, у которого на выходе периодически появляются коды символов, образующих фамилию и инициалы студента. Курсовой проект является итоговой работой по изучению курса «Автоматизированное проектирование цифровых вычислительных устройств». Конечной целью изучения курса является освоение самостоятельного проектирования несложных дискретных устройств (цифрового автомата), для того, чтобы в дальнейшем успешно эксплуатировать более сложные, серийно выпускаемые микроконтроллеры, а также ремонтировать и модернизовать персональные компьютеры.

Необходимо  отметить уникальность данного устройства в том смысле, что сигналы на его выходах для каждого выполняющего будут уникальны и имеют прямую корреляцию с личными данными выполняющего (ФИО).

Задание выполнено  с использованием программы-симулятора MultiSim и Ultiboard 12.0. Использование этих программ сокращает время разработки всего комплекса конструкторской документации по проекту.

Курсовой проект разработан на кафедре «Вычислительная техника и информационные технологии».

Содержание

Введение

В современной  науке и технике значительную и все более возрастающую роль играют цифровые методы обработки информации. В связи с этим быстро расширяется область применения цифровых систем – технических средств, выполняющих законченный процесс обработки цифровой информации, включающий ее прием, хранение, необходимые преобразования и выдачу.

Взаимное проникновение  вычислительной техники и средств связи приводит к необходимости качественного изменения средств связи, то есть широкому внедрению цифровых методов передачи информации и использованию вычислительной техники как основы для построения аппаратной связи. Одним из наиболее важных направлений совершенствования связи стала разработка цифровых систем передачи.

Среди изделий  электронной техники, выпускаемых  промышленностью. Интегральные цифровые микросхемы занимают важное место. Особенно широкое применение они получили в вычислительной технике. В электронной измерительной технике и промышленной электронике также велик удельный вес ИЦМ, так как они определяют основные характеристики аппаратуры: быстродействие, надежность, рабочий температурный диапазон, габаритные и массовые показатели. Цифровая микроэлектроника развивается по двум направлениям: снижению потребляемой микросхемами мощности и уменьшение времени задержки информационного сигнала.

Цифровой автомат  – это логическое устройство, в  котором помимо логических элементов  имеются элементы памяти. Значение выходных сигналов такого устройства зависит не только от аргументов на входе в данный момент времени, но и от предыдущего состояния автомата, которое фиксируется элементом памяти.  В качестве элементов памяти могут использоваться триггеры.

Курсовой проект предусматривает закрепление знаний функционирования элементов цифровой техники, приобретение навыков проектирования цифровых устройств, в частности цифровых автоматов.

1 Аналитический  обзор

Увеличение  производительности труда разработчиков новых изделий, сокращение сроков проектирования, повышение качества разработки проектов - важнейшие проблемы, решение которых определяет уровень ускорения науно-технического прогресса общества. Развитие систем автоматизированного проектирования (САПР) опирается на прочную научно-техническую базу. Это - современные средства вычислительной техники, новые способы представления и обработки информации, создание новых численных методов решения инженерных задач и оптимизации. Системы автоматизированного проектирования дают возможность на основе новейших достижений фундаментальных наук  отрабатывать и совершенствовать методологию проектирования, стимулировать развитие математической теории проектирования сложных систем и объектов. В настоящее время созданы и применяются в основном средства и методы, обеспечивающие автоматизацию рутинных процедур и операций, таких, как подготовка текстовой документации, преобразование технических чертежей, построение графических изображений и  т.д.

Современное развитие вычислительной техники позволяет широко использовать ее в различных областях науки. Составленные к настоящему моменту электронные библиотеки, развитие методического обеспечения САПР, а также написанные программные пакеты позволяют автоматизировать процесс создания изделия предъявления требований к объекту и выполняемых им функций до выпуска готового изделия.

Применение систем автоматизированного проектирования играют в настоящее время огромную роль в сфере создания различных  устройств, конструкций и процессов. Это позволяет сократить продолжительность процессов проектирования, повысить требования, предъявляемые к объекту создания и более полно и наглядно представить процесс функционирования изделия до его изготовления, оптимизировать его структуру и параметры.

1. Обзор САПР

Применение  программ моделирования позволяет  всесторонне исследовать разрабатываемые  устройства в различных режимах  работы (например, в предельно допустимых режимах), что сложно выполнить экспериментальными методами. Результаты макетирования  дают ограниченный объем информации о характеристиках разрабатываемой аппаратуры. Экспериментальные исследования отражают характеристики лишь конкретных единичных макетов. Они не позволяют оценить влияние статистического разброса параметров полупроводниковых и других элементов устройства, и поэтому трудно делать обобщающие выводы по результатам макетирования. Экспериментально сложно определить, какие последствия вызовет наихудшее сочетание параметров радиоэлементов, и что произойдет при отказе отдельных радиоэлементов. Опытным путем не просто исследовать влияние дестабилизирующих факторов, например, внешней температуры. Перечисленные проблемы, возникающие при экспериментальных исследованиях, легко преодолеваются путем моделирования работы устройств.

Программы моделирования могут с успехом использоваться и в учебном процессе. Это избавляет от необходимости делать значительные затраты на приобретение оборудования для лабораторных работ, исключает отказы оборудования из-за ошибочной коммутации, позволяет исследовать многие режимы работы устройств, которые недопустимы в реальных макетах.

Детальное исследование радиоэлектронных устройств  на ЭВМ на уровне принципиальных схем можно провести с помощью множества  специальных программ. В учебных  целях и начальных этапах работы целесообразно применять более простые программы: Electronics Workbench&MiltiSim, MicroCAP, CircuitMaker, Aplac, TangoPRO и др. Большинство этих программ готовят данные в текстовом формате SPICE, чем обеспечивается совместимость со многими программами.

При проектировании устройств сверхвысокочастотного  диапазона могут быть использованы программы Super Compact, Touchstone, Libra, Microwave Office.

Если сложность  разрабатываемых устройств невелика, то для проектирования можно использовать более дешевые продукты, например, Electronic Workbench, Pulsonix, MicroCAP, CircuitMaker.

Для сложных задач используются OrCAD (PSpice A/D) и SPECCTRA, P-CAD 2000-200X (ACCEL EDA) и Altium Designer (Protel), eProduct Designer, PowerPCB, CAM 350, Viewlogik (Analog), BETASoft, MATLAB+Simulink и т.д.

Все современные  продукты предполагают ввод проекта  в редакторе принципиальных схем, после чего генерируется список соединений, необходимый для работы программы  моделирования. В качестве счетного ядра почти во всех программах используется программа SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis). Различные версии этого алгоритма были в разное время заимствованы производителями программного обеспечения для использования в своих продуктах. Сейчас для моделирования аналоговых устройств в основном используется версия SPICE 3, а для моделирования цифровых устройств версия XSPICE. Эта версия была разработана специально для моделирования цифровых устройств, описанных списком соединений, причем сами модели компонентов описываются на языке SimCode.

Большинство систем проектирования печатных плат представляет собой сложный комплекс программ, обеспечивающий сквозной цикл, начиная с прорисовки принципиальной схемы и заканчивая генерацией управляющих  файлов для оборудования изготовления фотошаблонов, сверления отверстий, сборки и электроконтроля.

Пакет Expedition PCB (компания Mentor Graphics) представляет сейчас наиболее мощное и дорогое  решение в области проектирования плат. Основу системы составляет среда AutoActive, позволяющая реализовать такие функции, как предтопологический анализ целостности сигналов, интерактивная и автоматическая трассировка с учетом требований высокочастотных плат и специальных технологических ограничений, накладываемых использованием современной элементной базы (BGA). Единая среда позволяет с помощью модуля ICX моделировать наводки в проводниках непосредственно при прокладке трассы или шины и контролировать превышение ими заданного уровня.

Далее по мощности предлагаемых решений идут решения компании Cadence. Для верхнего уровня проектирования предлагается пакет PCB Design Studio. В качестве редактора печатных плат здесь используется программа Allegro, позволяющая разрабатывать многослойные и высокоскоростные платы с высокой плотностью размещения компонентов. В качестве штатного модуля авторазмещения и автотрассировки здесь используется программа SPECCTRA, управляемая обширным набором правил проектирования и технологических ограничений. Этот модуль является одним из лучших. Анализ электромагнитной совместимости топологии платы выполняется с помощью специального модуля SPECCTRAQuest SI Expert, для предварительного анализа проекта и подготовки наборов правил проектирования используется модуль SigXplorer.

Третьим основным производителем САПР печатных плат можно назвать компанию Altium Ltd (бывшая Protel International), которая выпустила в свет пакет Altium Designer (прежнее название продукта Protel DXP и развитие пакета PSpice корпорации MicroSim). Это комплексная система сквозного проектирования высокоскоростных электронных устройств на базе печатных плат, которая позволяет разработчику создавать проекты, начиная с принципиальной схемы и VHDL-описания ПЛИС, проводить моделирование полученных схем и VHDL-кодов, подготовить файлы для производства. Встроенный помощник импорта проектов позволяет импортировать схемы, платы, библиотеки из систем PCAD, OrCAD, PADs, DxDesigner, Allegro PCB, преобразовывая их в проекты Altium Designer. Поддерживается передача данных в пакеты проектирования печатных плат P-CAD, OrCAD, CADStar, PADS, Protel, SCICARDS и TangoPro. Дополнительно поставляется библиотека отечественных полупроводниковых приборов.

В курсовом проекте необходимо спроектировать цифровой автомат, у которого на выходе периодически появляются коды символов, образующих фамилию и инициалы студента с применением таких систем автоматизированного проектирования, как персональный компьютер с установленными на нем программными пакетами Workbench MultiSim 12.0, Workbench UltiBoard 12.0.

1.2 Программный пакет MultiSim

Multisim –  это уникальная возможность разработки схемы и ее тестирования (эмуляции) из одной среды разработки.

Благодаря Multisim описание схемы становиться простым и понятным. Представление в виде электронной таблицы позволяет одновременно изменять характеристики любого количества элементов: от схемы печатной платы до модели SPICE. Без режимное редактирование – это наиболее эффективный способ размещения и соединения компонентов. Работать с аналоговыми и цифровыми составными элементами интуитивно просто и понятно.

Кроме традиционного анализа SPICE, Multisim позволят пользователям подключать к схеме виртуальные приборы. Концепция виртуальных инструментов – это простой и быстрый способ увидеть результат с помощью имитации реальных событий.

Также в Multisim есть специальные компоненты под названием «интерактивные элементы" (interactive parts), их можно изменять во время эмуляции. К интерактивным элементам относятся переключатели, потенциометры, малейшие изменения элемента сразу отражаются в имитации.

При необходимости  более сложного анализа Multisim предлагает более 15 различных функций анализа. Некоторые примеры включают использование переменного тока, Монте-Карло, анализ наиболее неблагоприятных условий и Фурье. В Multisim входит Grapher – мощное средство просмотра и анализа данных эмуляции

Функции описания и тестирования схемы, представленные в Multisim, помогут любому разработчику схем, сэкономят его время и спасут от ошибок на всем пути разработки схемы.

1.3 Техническое  задание

Составлено  в соответствии с ГОСТ 19 201-78, в котором формируются следующие требования к техническому заданию:

1) Проектирование  цифрового автомата. Данное устройства  может применятся в управляющих  системах обработки информации  и в системах управления, каким–либо  техническим процессом и т.д.

2) Основания для разработки: Курсовой проект.

3) Разработка  ведется в программах Multisim 12.0 и Ultiboard 12.0.

4) У цифрового автомата на выходе периодически появляются коды символов, образующих фамилию студента.

5) Разработка курсового проекта будет содержать следующие этапы разработки цифрового автомата:

Составление таблиц выходных значений, функций  переходов и выходов; составление  таблицы состояния цифрового  автомата и синхронного JK триггера; составление полной таблицы функционирования цифрового автомата; составление и минимизация логических функций описывающих работу цифрового автомата; разработка функциональной принципиальной электрической схемы; разработка печатной платы.

6) Курсовой  проект будет содержать 3 приложения:

- Структурная  схема цифрового автомата и  полная таблица, описывающая его  функционирование;

- Принципиальная  электрическая схема цифрового  автомата;

- Печатная  плата цифрового автомата.

2  Проектировочная часть

В науке и  технике все более возрастающую роль играют цифровые методы обработки информации. Расширяется область применения цифровых систем – технических средств для обработки цифровой информации. Отрасль науки и техники – цифровая техника изучает принципы построения, методы проектирования и способы технической реализации цифровых систем. Цифровая техника использует достижения смежных фундаментальных и прикладных наук, таких как математическая логика, кибернетика, электроника и т.д.

2.1 Структурная схема цифрового автомата

Обобщенная  структурная схема ЦА содержит запоминающее устройство (ЗУ) (регистр, выполненный на триггерах) и два комбинационных устройства: для формирования сигналов управления триггерами КС1 и для формирования требуемых выходных сигналов КС2.

Так как ЦА должен работать совместно с другими устройствами (например, с устройствами вывода символов и т.п.), то целесообразно будет использовать внешний (по отношению к проектируемому устройству) генератор тактовых импульсов для синхронизации всех совместно работающих устройств (рис.1)

Рисунок 2.1 -  Полная структурная схема цифрового автомата:

КС1–комбинационное  устройство управления регистром на триггерах;

КС2–  комбинационная схема для формирования выходных сигналов;

ЗУ–запоминающее устройство (регистр) на триггерах;

W–сигнал сброса устройства;

Ф–синхронизирующий  сигнал внутри устройства.

Требуется синтезировать  цифровой автомат (ЦА), у которого на выходе «у» периодически появляются коды символов, образующих фамилию  и инициалы студента. Каждый символ кодируется пятью битами согласно таблице 1: два старших разряда – номер строки, три младших – номер столбца.

                                 Таблица 1 - Таблица кодов символов

Длина периода  должна быть в пределах 9-16 символов. Если период меньше 9 символов, то можно написать имя полностью. Если период больше 16 символов, можно убрать пробелы или один-два инициала.

Рисунок 2.2 - Обобщенная структурная схема ЦА

Схема КС1, КС2 должны быть выполнены на комбинационных микросхемах в логическом базисе И-НЕ (регистр выполняется на триггерах типа JK).

Последовательность  состояний регистра должна образовывать арифметическую прогрессию с разностью,  равной наименьшему простому числу, не являющимся делителем периода генерируемой последовательности.

 2.2  Алгоритм функционирования цифрового автомата

По сигналу  с дешифратора команд ДШ схема  запуска формирует входной сигнал х, который принимает только два значения: х₁=0 (пауза в работе ЦА) и х₂=1 (запуск и работа ЦА). После завершения цикла вывода формируется сигнал W, который сбрасывает регистр на триггерах в 0 и запрещает подачу тактовых импульсов Ф на схемы ЦА до момента прихода импульса запуска ЦА с дешифратора команд (длина импульса запуска должна быть не меньше длины импульса синхронизации – для срабатывания схемы).

Составим в  соответствии с заданием таблицу  выходных значений (таблица 2):

       Таблица 2 -Таблица выходных значений

Очевидно, что  период функционирования цифрового  автомата равен количеству символов, т. е. 14.

Каждый период (цикл) функционирования ЦА начинается в момент поступления на его вход сигнала запуска x(t)=1. При поступлении на его вход очередного тактового импульса Ф, максимальное число которых равно периоду функционирования автомата R=15, ЦА проходит ряд сменяющих друг друга состояний a(t) = a_l (l = 0, 1, 2, …, S). Число рабочих состояний равно S=14, а общее число состояний ЦА, включая исходное a₀, равно s+1=15 и связано с максимальным числом рабочих тактов R соотношением S ³ R (R=14).

Минимально  необходимое количество триггеров  для синтеза регистра (памяти) определяем из соотношения n ³ log₂(S + 1), N=4;

В соответствии с заданием последовательность состояний  регистра должна состоять из вычетов  по модулю R и образовывать арифметическую прогрессию с разностью, равной наименьшему  простому числу, не являющемуся делителем  числа R, где R – период генерируемой последовательности.

В рассмотренном  случае R = 14. Наименьшее простое число, не являющееся делителем 14, это 3. Поэтому  состояния регистра будут изменяться в такой последовательности:

0, 3, 6, 9, 12, 1, 4, 7, 10, 13, 2, 5, 8, 11…

Для синтеза  КС1 и КС2 зададим таблично функцию переходов (табл. 3) и функцию выходов (таблица 3).

Таблица 3 - Таблица  функций переходов