Проектирование цифрового автомата

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

	0	1	2	3	4	5	6	7
0	–	А	Б	В	Г	Д	ЕЁ	Ж
1	З	И	Й	К	Л	М	Н	О
2	П	Р	С	Т	У	Ф	Ч	Ц
3	Ч	Ш	Щ	Ы	ЬЪ	Э	Ю	Я

 

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

Символы	-	П	О	Л	Я	К	О	В	А	-	А	-	А	-
Восьмеричный код	00	20	17	14	37	13	17	03	01	00	01	00	01	00

 

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

Предшествующее  состояние автомата a(t)		Последующее состояние автомата a(t+1)
		при x(t)=1	при x(t)=0
a0	0000	a 3	a 0
a 3	0011	a 6	a 0
a 6	0110	a 9	a 0
a 9	1001	a 12	a 0
a 12	1100	a 1	a 0
a 1	0001	a 4	a 0
a 4	0100	a 7	a 0
a 7	0111	a 10	a 0
a 10	1010	a 13	a 0
a 13	1101	a 2	a 0
a 2	0010	a 5	a 0
a 5	0101	a 8	a 0
a 8	1000	a 11	a 0
a 11	1011	a 0	a 0
a 0	0000	a 0	a 0