1、数字电路综合设计案例8.1 十字路口交通管理器一、要求设计一个十字路口交通管理器，该管理器自动控制十字路口两组红、黄、绿三色交通灯，指挥各种车辆和行人安全通过。二、技术指标1、交通管理器应能有效操纵路口两组红、黄、绿灯，使两条交叉道路上的车辆交替通行，每次通行时间按需要和实际情况设定。2、在某条道路上有老人、孩子或者残疾人需要横穿马路时，他们可以举旗示意，执勤人员按动路口设置的开关，交通管理器接受信号，在路口的通行方向发生转换时，响应上述请求信号，让人们横穿马路，这条道上的车辆禁止通行，即管理这条道路的红灯亮。3、横穿马路的请求结束后，管理器使道口交通恢复交替通行的正常状态。三、设计原理和过程
2、：本课题采用自上而下的方法进行设计。1确定交通管理器逻辑功能、十字路口每条道路各有一组红、黄、绿灯，用以指挥车辆和行人有序地通行。其中红灯亮表示该条道路禁止通行；黄灯亮表示停车；绿灯亮表示通行。因此，十字路口车辆运行情况有以下几种可能：甲道通行，乙道禁止通行；甲道停车线以外的车辆禁止通行（必须停车） ，乙道仍然禁止通行，以便让甲道停车线以内的车辆安全通过；甲道禁止通行，乙道通行；甲道仍然不通行，乙道停车线以外的车辆必须停车，停车线以内的车辆顺利通行。、每条道路的通车时间（也可看作禁止通行时间）为 30 秒2 分钟，可视需要和实际情况调整，而每条道路的停车时间即黄灯亮的时间为 5 秒10 秒，且
3、也可调整。、响应老人、孩子或残疾人特殊请求信号时，必须在一次通行禁止情况完毕后，阻止要求横穿的那条马路上车辆的通行。换句话说，使另一条道路增加若干通行时间。设 S1 和 S2 分别为请求横穿甲道和乙道的手控开关，那么，响应 S1 或 S2 的时间必定在甲道通乙道禁止或甲道禁止乙道通两种情况结束时，且不必过黄灯的转换。这种规定是为了简化设计。由上述逻辑功能，画出交通管理器的示意图如图 8-1 所示，它的简单逻辑流程图如图 8-2所示。示意图中甲道的红、黄、绿灯分别用 R、Y、G 表示，而乙道的红、黄、绿灯分别用r、y、g 表示。简单逻辑流程图中设定通行（禁止）时间为 60 秒，停车时间为 10
4、秒。2确定系统方案及逻辑划分由确定的逻辑功能，进而来具体地讨论实施方案。交通管理器与其他数字系统一样，划分成控制器和受控电路两部分，控制器送出对受控部分的控制信号，它接受来自外部的请求信号 S1 和 S2 以及受控部分的反馈信号，决定自身状态转换方向以及输出信号。 设定 S1=1 时为有人要横穿甲道，又设定 S2=1 时为有人要横穿乙道，若S1=0，且 S2=0，则表示没有穿越马路的特殊请求。S1 和 S2 信号均用纽子开关产生。 控制器应送出甲、乙道红、黄、绿灯的控制信号。为简便起见，我们把灯的代号和驱动灯的信号合而为一，因此有如下规定：R=1 甲道红灯亮Y=1 甲道黄灯亮G=1 甲道绿灯亮
5、r=1 乙道红灯亮y=1 乙道黄灯亮g=1 乙道绿灯亮同时又作以下规定：甲道通行、乙道禁止的一段时间内，即 G=1，r=1 的时间内（假设调定为 60 秒） ，用符号 W=0 表示，否则W=1。乙道通行、甲道禁止的一段时间内，即 g=1，R=1 的时间内（假设也调定为 60 秒） ，用符号 P=0 表示，否则P=1。 在黄灯亮的时间内（假设调定为 10 秒） ，用 L=0 表示，否则 L=1。在上述各种情况时，如果无特殊请求横穿马路，那么，甲、乙道交替通行 60 秒钟，转换时有 10 秒钟的停车或准备时间。（3）当交通控制处于甲禁止乙通行的状态时，它只响应 S1 信号，因为若 S2=1 时，只
6、需本状态结束，经过 10 秒钟就转入甲通乙不通状态，行人可以穿越乙道，这样做的目的是为了简化设计。在甲通乙不通的状态时，管理器能响应 S1 信号，控制器受到 S1 信号后，状态转换为甲禁止、乙通行状态；如果 S1=0，而控制器收到 S2=1 信号，则维持甲道通行、乙道禁止状态，让行人通过乙道。（4）为使交通管理器按照规定的通行和停车时间有效地工作，故设置秒脉冲信号发生器，它作为整个电路的时钟信号和定时电路的参考间。秒脉冲发生器的构成请参阅“数字钟”的有关内容。设计者亦可安装一个模拟性的简单的秒信号发生器。（5）管理器设置 60 秒通行时间和 10 秒停车时间的定时电路。定时电路接受控制器送来C
7、1（甲道禁止乙道通行）和 C2（甲道通行乙道禁止）信号，驱动 60 秒定时电路工作，它接受C3 信号，驱动 10 秒定时电路运行，定时电路的参考时间就是秒脉冲。申明一点：定时电路的定时时间可由设计者调整。定时电路的输出信号是 W、P、L，其中 W 和 P 是 60 秒定时结束时馈送给控制器的信号，而 L 是 10 秒定时结束 时定时电路送到控制器的反馈信号。 控制器根据这些信号的状况，发生 相应的状态变换。（6）控制器的状 态经译码器译出交通信号灯的控制 信号，驱动甲、乙道相应灯点亮。现在就可以画出交 通管理器的结构组成图如图 8-3 所 示。而它的控制器的详细逻辑流程图可用图 8-4 示出。
8、控 制器的输出已在流程图各工作块的 外侧标明。3受控电路的硬件设计 由于受控电路的组成已经明确，现在的问题是如何选择具体的器件来实现。在此作简明介绍。 秒脉冲信号发生器秒脉冲是交通管理器的时间基准，秒脉冲发生器可以参照数字闹钟课题内的标准时间源。由于本课题对秒信号稳定度、精度的要求并不高，因此建议用一般的环形震荡器组成，电路如图 8-5 所示。其中逻辑门选用 74LS00 四与非门。由于该电路输出信号的周期约为T=2.2RC在保证(R+Re)700（TTL 门电路关门电阻）的前提下，选择恰当的 R 和 C 值组成。 60 秒和 10 秒定时电路定时电路有多种形式，设计者可以任选。这里介绍一种用
9、 MSI 74LS161 同步计数器构成定时电路的方法。由于电路配置秒脉冲信号发生器，如果把秒信号作为计数器的 CP 输入，那么计数器连接成 60 进制时就可作为 60 秒定时电路。由此推广，模 N 计数器就是 N 秒定时电路，这对于灵活调整道路通行时间是相当方便的。以下讨论用 74LS161 构成 N 进制计数器的方法。74LS161 具有同步预置控制端 LD，因此可以采用反馈预置法实现 N 进制计数器。实现的方法为：首先使 LD=0，数据输入端 A=B=C=D=0，CP 来到将计数器置 0（即 QDQCQBQA=0000） ，并以此作为初态；然后使 LD=1，器件在 CP 作用下开始计数，
10、当计数到（N-1）时，经与非门反馈给预置控制端 LD，又使 LD=0，再次预置数据 0，从而完成一个 0 到（N-1）的循环，实现了 N 进制计数器的功能。图 8-6（a ）示出了根据上述原理构成的模 14 计数器的外部连接图。一片 74LS161 的最大计数模数为 16，大于模 16 时必须用若干片连接。但是在连接成同步计数链时，应注意用计数器控制端 P、T 传递溢出进位信号，使各片计数器快速、正确地工作。图 8-6 (b) 示出了用两片 74LS161 组成 M=60 计数器的连接图，因为 N=（60）10= （111100）2，故反馈预置端 ，其中 QA1、Q B1 和 QD1 是低位片
11、的三个触发器的输出，QA2 和 QB2 是高位片的两个低位的输出。低位片的 TP 固定接 1，满足计数条件。而高位片要计数，只有等待低位片输出为全 1 时，因此用低位片的溢出进位输出 QC 控制高位片的 TP 端，当 QC=1 时，高位片在输入下一个计数脉冲时接受进位，加 1 计数，否则为保持状态。再则，74LS161 也有异步清零功能，故可使用清零控制端 Cr，采用反馈复位法使它成为任意进制计数器。图 8-7(a) 是用用反馈复位法构成的模 10 计数器，因为（ 10） 10=（1010） 2，由于 Cr 是异步清零端，一旦 QB=1 与 QD=1 时，立即使计数器复 0（0000） ，故（
12、1010） 2 这个状态不能持续，计数器状态由 0000、00011001、0000，实现十进制计数。图 8-7 （b）是反馈复位法连接成的 60 进制计数器，工作原理请读者自行分析。 本课题允许任选反馈预置法或反馈复位法构成 60 秒和 10 秒定时电路。这里选择反馈预置法组成，如图 8-8 所示。我们要注意几点：选通信号 C1、C 2 和 C3 来自控制器，它们反映在何时打开哪一个定时电路的 CP 控制门。如果确定两通道通行时间均为 60 秒，则可用同一定时电路实现。但考虑到两道通行时间的灵活调整，即每道通行时间可在 30 秒2 分钟之内变动，甚至甲道和乙道通行时间不相同等等， 故可分别用
13、 n1 和 n2 秒定时电路来产生 P 和 W 应答信号，以供控制器判别、决策，如图 8-9 所示。黄灯亮的定时电路是公用的，设定时时间为 n3 秒，其输出信号 L同样送至控制器。、交通管理灯选用红、黄、绿不同颜色的发光二极管组成，它们分别受控制器输出信号R、Y、 G、r、y、g 所驱动。至此，我们可画出交通管理器受控部分硬件实施简图如图 8-9 所示。4控制器设计 导出管理器的 MDS 图从图 8-4 所示的交通管理器详细逻辑流程图出发，画出相应的 MDS 图如图 8-10 所示。在图中状态 A 为甲道禁止乙道通行状态（甲 R 乙 g） ，状态 B 为甲道禁止乙道停车状态（甲 R 乙y） ，
14、状态 C 为甲道通行乙道禁止状态（甲 G 乙 r）,状态 D 为甲道停车乙道禁止状态（甲 Y 乙r） 。 状态分配本课题采用 D 触发器作为控制器记忆元件，四个状态用两个 D 触发器，状态分配如下：状态 A00、状态 B01、状态 C11、状态 D10，状态分配图如图 8-11 所示。、填写激励图根据状态分配的情况，填写两个 D 触发器激励函数降维卡诺图如图 8-12 所示。其中状态变量 Q2 为高位，Q 1 为低位。由激励函数卡诺图求得激励函数为：经化简可得 求输出函数方程乙道通行、甲道禁止时（P=0 ）的定时电路选通信号甲道通行、乙道禁止时（W=0）的定时电路选通信号停车时间（L=0）定时
15、电路的选通信号控制器驱动甲道红、黄、绿灯的信号控制器驱动乙道红、黄、绿灯的信号 控制器逻辑电路图设计工作至此，所有方程已经求出，设计者可以选择各种 SSI、MSI、LSI 器件来实现。四、讨论1试用 MSI 组合器件数据选择器和译码器实现交通管理器控制器，画出相应的控制器逻辑电路图。2试用集成单稳电路 SN74121 或 SN74123 组成交通管理器道路通行、禁止、停车定时电路。在此情况下，受控部分硬件实施图和控制器逻辑电路图。3假设甲、乙道交叉路口的交通管理按以下规则进行： 甲道通行时间为 2 分钟； 甲道停车时间为 20 秒钟； 乙道通行时间为 1 分钟； 乙道停车时间为 10 秒钟； 老人、孩子和残疾人请求过马路时，管理器立即响应，10 秒钟后允许行人穿越； 交通管理人员有权随时终止甲、乙道交替通行的状况，而使某道连续通行，以解决某道交通堵塞现象或者应付临时需要，如警车、消防车、救护车等特殊车辆的紧急或较长时间的通行。试设计并实现上述要求的十字路口交通管理器。4能否设计一个三、五条道路、以至六条交叉路口的交通管理器。5试选用 MSI 时序器件 74LS161、74LS194 等，设计交通管理器的控制器。6交通管理器控制器工作过程的 ASM 图，并与 MDS 图设计方法相比较。8.2 多路可编程控制器设计与制作
