数字系统设计举例

4.4　数字系统设计举例

1.两人乒乓游戏机

两人乒乓游戏机是以8个发光二极管代表乒乓球台，中间两个发光管兼作球网。用发光管按一定的方向依次闪亮来表示球的运动，在游戏机两侧各设发球／击球开关S_A和S_B，当甲方发球时，靠近甲方的第一个发光管亮，然后依次点亮第二个……球向乙方移动，球过网后到达设计者的规定的球位乙方即可击球，若乙方提前击球或未击到球，则甲方得分。然后重新发球进行比赛，直到某一方记分达到规定分，记分清零，重开一局比赛。其结构图如图4－7所示。

图4－7　乒乓游戏机的结构图

在确定两人乒乓游戏机的逻辑功能时，需要明确以下几点：

（1）输入、输出信号的特征，格式及传送方式。乒乓游戏机的外输入信号是发球／击球的开关信号S_A、S_B，这些信号是机械开关发出的短暂异步输入信号。输出信号是模拟乒乓球向左或向右运动的信号及自动记分信号。

（2）控制信号的作用及相互之间的关系。控制信号的作用是使乒乓游戏机按约定的比赛规则有序地工作。这里规定球移动到对方第二个发光二极管时允许击球。

通过分析设计任务，可以得到乒乓游戏机的方框图和逻辑流程图分别如图4－8和图4－9所示。

图4－8　乒乓游戏机逻辑划分方框图

图中C表示球到位可以击球的标志信号；m表示记分器已记满一局的信号；CNT为记分器时钟信号，Cr为记分器清零信号；S为决定乒乓球位置及移动方向的信号；S_A、S_B为开关控制的外输入发球／击球信号；STOP为球台清除信号。

根据流程图到MDS图的转换规则，由图4－9所示的流程图出发，并设定等待状态为Wait，甲方发球L₁灯亮的状态为Light1，甲发球后球向乙移动的状态为MoveB，乙方发球L₈灯亮的状态为Light8，乙发球后球向甲移动的状态为MoveA，一方失误另一方（胜方）加1分状态为End，则可画出乒乓游戏机的MDS图，如图4－10所示。

以上介绍的是自顶向下的数字系统的设计方法。可以看出，这种方法的关键在于设计控制器，其余部分只是选用不同的功能模块而已，这就将一个复杂的数字系统设计简化为一个时序机的设计。而控制器的设计关键在于建立逻辑流程图，即关键是对系统初始方案的确定，这在整个设计过程中是最富有创造性的，以后各步只不过是按一定方法向下延伸。这也就是自顶向下设计方法的优越性所在。

图4－9　乒乓游戏机逻辑流程图

图4－10　乒乓游戏机的MDS图

2.交通灯控制器

设计制作一个用于十字路口的交通灯控制器，如图4－11所示，具体说明如下。

图4－11　交通灯控制器示意图

（1）十字路口由一条交通干线和一条小路交叉而成，平时一般情况下干线放行；

（2）小路有车并且干线放行已经超过30s时小路才放行；小路无车即不放行；小路有车则连续放行时间也不能超过30s；

（3）显示放行时间；

（4）灯的变化规律：绿变黄、黄变红、红变绿。其中黄灯亮时间为5s；

（5）特殊情况红灯亮且时间显示停止计时，并闪烁。

图4－12、4－13、4－14、4－15分别是交通灯控制器的结构图、逻辑划分方框图、控制器部分逻辑流程图和MDS图。

图4－12　交通灯控制器的结构图

图4－13　交通灯控制器逻辑划分方框图

图4－14　交通灯控制器逻辑流程图

图4－15　交通灯控制器的MDS图