數字邏輯課程設計拔河遊戲機
《數字邏輯》
課 程 設 計 報 告
題目： 拔河遊戲機
專業： 電腦科學與技術
班級： 14計科2班
組長： 張欽穎（1414080901218）
成員： 無
成員： 無
惠州學院計算機科學系
二○一五 年 一 月 八 日
1 設計任務書
設計題目：拔河遊戲機
拔河遊戲機用7個發光二極體排列成一行，開機後只有中間一個發亮，以此作為拔河的中心線，遊戲雙方各持一個按鍵，迅速地、不斷地按動產生脈衝，誰按得快，亮點向誰方向移動，每按一次，亮點移動一次。任一方終端二極體發亮時這一方獲勝，此時雙方按鍵被鎖住，只有經復位後才使亮點恢復到中心線。
2 總體方案設計
2.1 功能和邏輯需求分析
（1）本課程設計的拔河遊戲機由7個電平指示燈排列成一行，開機之後只有中間一個電平指示燈亮，以此作為拔河的中心線，遊戲雙方各持一個按鍵，迅速地、不斷地按動產生脈衝，誰按得快，亮點向誰移動，每按一次，亮點移動一次。移到任一方終端指示燈點亮，這一方就獲勝，此時雙方按鍵均無效，輸出保持，只有經裁判置位後才使亮點恢復到中心線。
（2）當一局比賽結束後，由點亮該終點燈的訊號使電路封鎖加減脈衝訊號的作用。即實現電路自鎖，使加減脈衝無效。同時，使電路自動加分。
（3）控制電路部分應能控制計數器的計數，可以使計數器停止計數。（其進入方向則由參賽雙方的按鍵訊號決定）
2.2 總體方案設計
2.2.1 模五計數器：
分設兩個計數器比較選手快慢，對選手輸入的手動脈衝進行計數，用預置法設初始值為0101，即5，使十進位制計數器改成五進位制計數器，先輸入五個脈衝訊號的將傳一個進位訊號到可逆計數器。
2.2.2 可逆計數器：
若甲選手對應可逆計數器的加法，乙選手對應可逆計數器的減法，若甲的速度比乙快（即甲所用計數器先輸出進位訊號），則控制可逆計數器進行加法，反之，則進行減法.
2.2.3 譯碼器：
譯碼器有三個輸入和7個輸出。每個輸入都有和它唯一對應的輸出。例如輸入為001時對應l1這個燈亮，輸入為111時對應l7這個燈亮。
2.2.4 異或門：
由於TDS-4實驗箱只有兩個手動脈衝，考慮到兩個人比賽，那麼這兩個手動脈衝必然是要接入到計數器中，而比分顯示器和可逆計數器都是需要脈衝觸發的，而我們用異或門提供一個脈衝給可逆計數器，使得它們可正常計數。
3單元模組設計
3.1 十進位制計數器（2個）
整形電路由兩個模為5帶進位訊號的計數器組成。按鍵AB為別作為兩個計數器的時鐘脈衝，這樣來實現AB按鍵哪個按得快，它所對應的計數器就會先產生一個進位訊號，在把這個進位訊號作為7模計數器的加減訊號。這樣可以減小AB按鍵直接作為計數器的加減訊號對計數器正常計數的影響。
3.2 可逆計數器
簡要原理說明：使用GAL16V8實現，接受來自兩個模五計數器的進位訊號，以及一個人工脈衝，輸出4位二進位制碼，此外，設有一個復位開關及使能開關。
實現程式碼：
MODULECOUTER
TITLE'COUTER'
DECLARATIONS
CLK,EN,CO1,CO2,MPIN 1,11,2,3,4;
Q0..Q3PIN 12..15 ISTYPE 'REG';
Q=[Q3..Q0];
EQUATIONS
Q.CLK=CLK;
Q.OE=!EN;
WHEN(M==1)
THENQ:=3;
ELSEWHEN(M==0)&(CO1==1)
THENQ:=Q-1;
ELSEWHEN(M==0)&(CO2==1)
THENQ:=Q+1;
ELSEQ:=Q;
END3.3 譯碼器
簡單原理說明：使用GAL16V8製作，接受可逆計數器的輸出的4位二進位制碼作為輸入，以下面真值表進行譯碼，輸出直接連線7個二極體。另有一個輸出控制兩個模五計數器的使能端，當滿足某一方勝利條件時輸出0，使兩個模五計數器不能工作。
實現程式碼：
MODULE YIMA
TITLE 'YIMA'
DECLARATIONS
A0..A3 PIN 2..5;
RES PIN 6;
L6,L5,L4,L3,L2,L1,L0 PIN 13..19;
E PIN 12;
A=[A3..A0];
L=[L6..L0];
EQUATIONS
WHEN(RES==1)
THEN{L=8;E=1;}
ELSE WHEN(RES==0)
THEN{
WHEN(A==0)
THEN{L=64;E=0;}
ELSE WHEN(A==1)
THEN{L=32;E=1;}
ELSE WHEN(A==2)
THEN{L=16;E=1;}
ELSE WHEN(A==3)
THEN{L=8;E=1;}
ELSE WHEN(A==4)
THEN{L=4;E=1;}
ELSE WHEN(A==5)
THEN{L=2;E=1;}
ELSE WHEN(A==6)
THEN{L=1;E=0;}
}
END
3.4 異或門
簡單原理說明：用來產生脈衝訊號給可逆計數器以及比分顯示器，另外產生模五計數器的預置訊號。
3.5 總體電路設計
4電路除錯與測試
4.1模五計數器單元模組
將74LS162計數器的輸出接二極體，脈衝接手動脈衝，並用預置法將計數器改為模五計數器，按動脈衝測試是否可以實現模五計數器並輸出進位訊號。
測試結果如下:
| 脈衝次數 |
DCBA現態 |
DCBA次態 |
進位輸出 |
| 1 |
0101 |
0110 |
0 |
| 2 |
0110 |
0111 |
0 |
| 3 |
0111 |
1000 |
0 |
| 4 |
1000 |
1001 |
0 |
| 5 |
1001 |
0101 |
1 |
DCBA為計數器輸出的4位2進位制數
由真值表可知，與理想要求一樣。
4.2 可逆計數器單元模組
將RES、X、Y、EN接開關，並接一個手動脈衝，Q3、Q2、Q1、Q0接輸出，分別按動RES、X、Y和脈衝，測試當復位開關無效時，X=1，是否可以實現加法，X=0，是否可以實現減法，再測試當復位開關有效時，是否可以實現輸出為0011。
當X=1時，可逆計數器實現加法
| 脈衝 |
RES |
X |
Y |
使能端EN |
Q3Q2Q1Q0 |
| 1 |
1 |
× |
× |
0 |
0011 |
| 2 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0100 |
| 3 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0101 |
| 4 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0110 |
當Y=1時，可逆計數器實現減法
| 脈衝 |
RES |
X |
Y |
使能端EN |
Q3Q2Q1Q0 |
| 1 |
1 |
× |
× |
0 |
0011 |
| 2 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0010 |
| 3 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0001 |
| 4 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0000 |
RES:復位開關
X:模五計數器輸出的進位訊號
Y:模五計數器輸出的進位訊號
Q3Q2Q1Q0:輸出的4位2進位制數
由真值表可知，與理想要求一樣。
4.3 譯碼器單元模組
把燒製的晶片接入實驗箱。
步驟1：把輸入端a2、a1、a0接入001到111之間所有的可能，發現輸出端y7為1時，輸入為111；y6=1時，輸入為110；y5=1時，輸入為101；y4=1時，輸入為100；y3=1 時，輸入為011；y2=1時，輸入為010；y1=1時，輸入為001。而且y7到y1只有一個燈亮，不存在兩個或者兩個燈同時亮的情況。
步驟2：重複步驟1，進行多次測試，發現該晶片符合實驗要求。
| 開關 |
輸入 |
Q |
L6 |
L5 |
L4 |
L3 |
L2 |
L1 |
L0 |
| 1 |
× |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
| 0 |
0000 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
| 0 |
0001 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
| 0 |
0010 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
| 0 |
0011 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
| 0 |
0100 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
| 0 |
0101 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
| 0 |
0110 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
4.4 異或門
X:甲使用的計數器的進位訊號
Y:乙使用的計數器的進位訊號
RES:復位開關
Q0:傳給計數器預置端的值，當復位開關有效時，將兩個計數器均進行預置，當復位開關無效時，若兩個計數器中有一個輸出了進位訊號，表示燈將往其方向跳一格，這 時，將兩個計數器進行預置，以示公平。
Q1:傳給可逆計數器的值，為可逆計數器提供脈衝，當沒有進位訊號且開關無效時，輸出0，當有進位訊號或者開關有效時，輸出1，輸出值由0變為1相當於為可逆計數器提 供了一個脈衝，使可逆計數器可以正常使用。
| 輸入 |
輸出 |
||
| X |
Y |
RES |
Q |
| 0 |
0 |
1 |
1 |
| 0 |
1 |
1 |
1 |
| 1 |
0 |
1 |
1 |
| 0 |
0 |
0 |
0 |
| 0 |
1 |
0 |
1 |
| 1 |
0 |
0 |
1 |
5總結
經歷這次實驗，雖然只用到計數器和譯碼器這兩個基本的功能，但是在實際的實驗中，通過自己寫程式碼燒製出來的晶片有時不會實現我們預想的功能。對於怎麼解決AB按鍵的訊號會影響7模計數器的計數，為此我們耗費了很多時間，最後才找到合理的、可行的、貼合實際的解決方法。對於這樣一個簡單的實驗，對於第一次做的我們來說卻是困難重重，由於經驗的不足，對於很多簡單的問題都想不出解決方法，需要花大量的時間。由於實驗過程所需的線路比較多，所以需要很大的耐心，也需要我們每個組員細心接線，既不能接重複又不能接漏哪怕一根線。不過經過耐心的接線和檢驗之後，我們的實驗倒是挺成功的，預期的實驗結果都達到了，不過可惜的是在反覆的除錯過程中燒壞了一個晶片，起初我們還不知道怎麼回事好端端的輸出結果就錯了，後來把線全拆了，又測試每個晶片才知道用GAL編寫的可逆計數器壞了才導致整個電路出錯。因此我們明白了一個道理，即使是最簡單的事情，如果沒有經驗也是很難完成。另一方面，即使是理論上可以得出的結果，在實踐過程中卻出現錯誤，所以必須經過實踐的考驗才能證明我們所做的實驗是成功的。
附錄
晶片：GAL16V8D*2、74LS86、74ls162*2
《數字 邏 輯》課 程 實 驗 芯 片 匯 集
GAL16V8D 的外引線排列圖、設計方法
同步十進位制計數器74LS162的外外引線排列圖、邏輯電路圖、功能表
數字邏輯（第六版.立體化教材）北京科學出版社 2013年3月
《數字邏輯》實驗指導書2013版
惠州學院計算機科學系硬體教研室數字系統設計實驗室 2015年1月
| 脈衝 |
RES |
X |
Y |
使能端EN |
Q3Q2Q1Q0 |
| 1 |
1 |
× |
× |
0 |
0011 |
| 2 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0100 |
| 3 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0101 |
| 4 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0110 |