Синтез систем автоматизированного управления

 

Введение

Секретный замок - цифровой автомат, который управляет открыванием двери или включает сигналы тревоги.

Автомат должен выполнять следующие функции:

• состояние S0 замок закрыт, сигнал тревоги не звучит, замок ждет начала открывающей последовательности;
• если подана некоторая начальная часть открывающей последовательности, то замок не открывается, сигнал тревоги не звучит, замок ждет продолжения открывающей последовательности;
• если подана вся открывающая последовательность, то замок открывается, сигнал тревоги не звучит, в этом состоянии автомат остается, пока не нажмем какую-либо из кнопок;
• если замок открыт, то нажатием любой кнопки замок закрывается, автомат переходит в начальное состояние;
• если замок закрыт и очередной набор на входе автомата не соответствует ожидаемому в открывающей последовательности, то автомат формирует сигнал тревоги;
• если звучит сигнал тревоги и набирается очередной набор последовательности сброса тревоги, то сигнал тревоги продолжает звучать, дверь закрыта, но автомат ждет продолжения набора последовательности сброса тревоги;
• если подана вся последовательность сброса тревоги, то автомат переходит в начальное состояние S0.

Счетчик - основа структурных схем большинства существующих дискретных устройств. Счетчик - последовательностная схема, предназначенная для выполнения микроопераций счета и хранения слов.

Структурно-функциональное описание счетчика:

Zn Z2 Z1

X1 X2

Символами Z1 - Zn обозначены внутренние переменные автомата, символами X1, X2 - управляющие переменные, которые инициируют выполнение соответствующей микрооперации.

Количество разрядов счетчика определяется модулем счета. Счетчики делятся на счетчики с естественным и с произвольным порядком счета. В свою очередь, счетчики с естественным порядком счета могут быть суммирующими и вычитающими.

1.Постановка задачи

Построить функциональную схему синхронного автомата (СА) для 4-разрядного счетчика. Комбинационную схему реализовать на базисе элемента И-НЕ и память с помощью триггера JK. Счетчик имеет следующие микрооперации представленные в таблице 1.

Таблица 1

xМикрооперация0Прием кода a4 a3 a2 a11Счет в последовательности 0000-0001-0011-0111-0110-0100-1100-1110-1111-1101-1001-1011-1010-0010-1000-0101

На функциональном тесте построить логическое моделирование, проверяющее все режимы работы счетчика.

Построить функциональную схему асинхронного автомата «Секретный замок» по заданным ключевым последовательностям (таблица 2). Кодирование состояний автомата выполнить по критерию надежности функционирования.

Таблица 2

№ вар.Система счисленияоткрывающая последовательностьпоследовательность снятия тревогиСерия микросхем11Десятичная462151531Двоичная100110010001101001

Реализовать схему с помощью логических элементов И-НЕ, предусмотреть установку схемы в начальное состояние S0

2.Синтез синхронного автомата

Таблица 3. Алгоритм работы JK триггера

JKQ(t)Q (t+1)00000011010001101001101111011110

2.1Таблица переходов и выходов

Таблица 4

xZ1tZ2tZ3tZ4tZ1t+1Z2t+1Z3t+1Z4t+1J1K1J2K2J3K3J4K400000A1A2A3A4AXAXAXAX0001A1A2A3A4AXAXAXX! A40010A1A2A3A4AXAXX! A3AX0011A1A2A3A4AXAXX! A3X! A40100A1A2A3A4AXX! A2AXAX0101A1A2A3A4AXX! A2AXX! A40110A1A2A3A4AXX! A2X! A3AX0111A1A2A3A4AXX! A2X! A3X! A41000A1A2A3A4X! A1AXAXAX1001A1A2A3A4X! A1AXAXX! A41010A1A2A3A4X! A1AXX! A3AX1011A1A2A3A4X! A1AXX! A3X! A41100A1A2A3A4X! A1X! A2AXAX1101A1A2A3A4X! A1X! A2AXX! A41110A1A2A3A4X! A1X! A2X! A3AX1111A1A2A3A4X! A1X! A2X! A3X! A4000000010X0X0X1X000100110X0X1XX0001101110X1XX0X0011101100XX0X0X1011001000XX0X10X010011001XX00X0X11001110X0X01X0X11101111X0X0X01X11111101X0X0X1X011011001X0X10XX010011011X00X1XX010111010X00XX0X110100010X10XX00X001010001X0XX10X10000101X11X0X1X010100000XX10XX1

Составим матрицы представления функций JK триггера:

A1XXA1A1XXA1A1XXA1A1XXA1XXXXXX*XX*

X! A1! A1XX! A1! A1XX! A1! A1XX! A1! A1XXXXXX*XX*X

A2A2XXXXA2A2A2A2XXXXA2A2XXXX**XXXX

XX! A2! A2! A2! A2XXXX! A2! A2! A2! A2XXXX**XXXXXX

A3A3A3A3XXXXA3A3A3A3XXXX**XXXX*XXXX

XXXX! A3! A3! A3! A3XXXX! A3! A3! A3! A3XXXX*XXXX**

A4A4A4A4A4A4A4A4XXXXXXXXXXXXXXXX***

XXXXXXXX! A4! A4! A4! A4! A4! A4! A4! A4***XXXXXXXX

2.2Составим систему уравнений

2.3Функциональная схема и расчет ее характеристик

Технические характеристики микросхем серии 531:

Для реализации функциональной схемы асинхронного автомата могут быть использованы следующие микросхемы серии 155:

КР531ЛА1 -16 шт.;

КР531ТВ11 - 4 шт.;

КР531ЛА4 - 2 шт.;

Тип микросхемыФункциональное назначениеIcр, мАT0-1 max, нсT1-0 max, нсКР531ЛА12 элемента 4 И-НЕ1820КР531ЛА43 элемента 3 И-НЕ2715КР531ТВ112 JK триггера5015

Напряжение питанияp = 5 В + 0,05%.

Так как самый длинный путь сигнала от входа к выходу составляет 4 логических элементов, то время, которое потребуется сигналу для прохождения этого пути (максимальное время срабатывания схемы) будет равно:

tmax=18+18+7+7=50 нс.=16*18+2*27+4*50=534 mA=U*I=5*434=2,670 Вт

счетчик автомат кодирование надежность

2.4Логическое моделирование схемы на наборах функционального теста

Логическое моделирование показывает, что схема работает правильно, т.к. полученные на тестовых наборах значения выходов совпали со значениями в таблице.

Таблица 5. Таблица возбуждения JK триггера

JK0001010111

xA1A2A3A4Z1Z2Z3Z4V1V2V3V4V5V6V700101110101111101000011010111111

V8V9V10V11V12V13V14V15V16V17V18V19V2001011111111110111101111100

V21V22V23V24V25V26V27V28V29V30V31V32V3311011111111111101111111101

V34V35V36V37V38V39V40V41V42V43V44V45V4600110011001101011010010110

V47V48V49V50V51V52V53V540110011010010110

3.Синтез асинхронного автомата

3.1Примитивная таблица переходов и выходов

Модель Хаффмана

Эта модель строиться на основании трех положений:

)Комбинационная логика свободна от помех;

2)Значение переменных двух последовательных входных набора должны только различаться в одной переменной (только соседние наборы);

)Переход из одного устойчивого состояния в другой осуществляется через неустойчивые за конечное время.

Для описания алгоритма работы автомата используется примитивная таблица переходов и выходов (ПТПиВ).

ПТПиВ содержит столько строк сколько возможных комбинаций входных сигналов.

В каждом столбце ПТПиВ должно быть только одно устойчивое состояние, то которое соответствует рассматриваемому состоянию.

Недостатком ПТПиВ является большое число состояний, избыточность, потребность в минимизации. ПТПиВ строится для частичного автомата.

Примитивная таблица переходов и выходов.

Примитивной называется таблица переходов и выходов, в которой в каждом столбце Si имеется только одно устойчивое состояние Si. В этой таблице используются только непосредственные переходы из неустойчивого состояния в устойчивое, т.е. длина цепочки перехода равна единице. Примитивная таблица используется при начальном описании алгоритма работы автомата.

3.2Минимизация числа состояний

Состояния Si и Sj называются совместимыми, если при любой допустимой последовательности входных сигналов соответствуют выходные сигналы, полученные из Si и из Sj, могут быть доопределены до одинаковых.

Отношение совместимости не обладает свойством транзитивности.

Минимизированная ПТПиВ для секретного замка изображена на рисунке

1234567891011121300000000000000100000000000100000000000200000000003001100011411000001500000016111111711111811119111101111112

После этапа минимизации получаем автомат с семью состояниями, для которого минимизированная таблица переходов и выходов имеет вид:

Полученная таблица переходов.

S0S1S3S4S5S9S0S4S0S4S0S4S4XXS4S5S4XXXS4S4S4S4S3S3S4XXXS1XS4XS4XS9XS9S9S9XS9XS5S5S9S1S1XS9S9S9000010010101

Для наглядного представления построим граф связей автомата, в котором рёбрами указываем, есть ли переход между состояниями или нет:

3.3Соседнее кодирование

Для данного варианта один из возможных способов соседнего кодирования можно отобразить следующим образом:

S4S5SдS0S9XS3S1-S0?S5-Sд-S0-S0?S3-Sд-S0-S4?S1-S9-S45-S9?S5-S4-S9

Кодирования состояний

SZ1Z2Z3S0010S1011S3111S4000S5100S9001Sд110

После кодирования получена таблица.

Таблица переходов и выходов секретного замка

S4SдS0S0S9SдXS4S4S5XS4XXXS4S4S4XXXXXS4S4XXS4S3S3XXS4XXXS1XXS4S9S4XXS9XXS9S5S5XXS9XXS9S9S4XS1S1XXS9010100000010XX01

Кодированная матрица состояний

S4S5SдS0S1S3S9000110010010001110X000000100X000XXX000000000XXXXX000000XX000111111XX000XXXXXX000001000XXXXX001100100XXXXX001001000X011XXX001

Матрица представления функций z1, z2, z3 имеет вид:

**X*XXXXXXXXXXX**XXXXXXXXXXX**XXXXXXX

****XXXXXXXXXXXX**XXXXX*XXXXXXXXXXX**XX

*XXXXXXXXXXXX**XXXXX*XX*XX*XX*XX*XX**X**XX*

Определим выходные функции Y1, Y2

***X

X*

Функциональная схема и расчёт её характеристик

Технические характеристики микросхем серии 531:

Для реализации функциональной схемы асинхронного автомата могут быть использованы следующие микросхемы серии 155:

КР531ЛА1 - 8 шт.;

КР531ЛА2 - 1 шт.;

КР531ЛР9 - 3 шт.;

Тип микросхемыФункциональное назначениеIcр, мАT0-1 max, нсT1-0 max, нсКР531ЛА12 элемента 4 И-НЕ18мА20КР531ЛА21 элемент 8 И-НЕ27 мА15КР531ЛР91 элемент 2 И-НЕ165,5Напряжение питанияp = 5 В + 0,05%.

Так как самый длинный путь сигнала от входа к выходу составляет 4 логических элементов, то время, которое потребуется сигналу для прохождения этого пути (максимальное время срабатывания схемы) будет равно:

tmax=2*20+2*5,5=70 нс.=8*18+3*16+27=219 mA=U*I=5*219=1,095 Вт

Заключение

В ходе выполнения курсового проекта были разработаны два вида автомата: синхронный и асинхронный.

) Разработанный синхронный автомат - счетчик, выполняет две микрооперации: сброс кода и Счет в последовательности 0000-0001-0011-0111-0110-0100-1100-1110-1111-1101-1001-1011-1010-0010-1000-0101.

Автомат был реализован на основе элементной базы И-НЕ. За память отвечает двухступенчатые JK-триггеры.

Для проверки правильности работы автомата было проведено логическое моделирование.

Характеристики схемы были рассчитаны на основе микросхем серии КР555.

2) Разработанный асинхронный автомат - «секретный замок» выполняет следующие функции, такие как: установка в начальное состояние, открывающая последовательность, открытие двери, снятие тревоги, тревога, закрытие двери.

Автомат реализован на основе элементной базы И-НЕ. Установка в начальное состояние реализована на элементах И и ИЛИ. Память реализована линиями обратной связи по внутренним переменным, что делает автомат более быстрым.

Для проверки правильности работы автомата было проведено временное моделирование.

Характеристики схемы также рассчитаны на основе микросхем серии КР531.

Библиографический список

1.Методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине «Прикладная теория цифровых автоматов» для студентов дневной формы обучения направления 6.0501 - «Компьютерная инженерия» / Сост. Шалимова Е.М., Новоселов В.Г. - Севастополь: СевНТУ, 2010. - 20 с.

2.Новоселов В.Г. Прикладная теория цифровых автоматов. Ч. 3-4. Синхронные и асинхронные цифровые автоматы с памятью. Учебное пособие. - К: ИСИО, 1993. - 144 с.

.Антик М.И. Синхронные цифровые автоматы. Учебное пособие. - Москва: МГТУ, 2006. - 99 с.

.Шило В.Л. Популярные микросхемы ТТЛ. Серии КР1533 КР1531 К531 К555 К155. Справочник. - Москва: «Аргус», 1993. - 63 с.

.Новоселов В.Г. Прикладная теория цифровых автоматов. Ч. 2. Диагностика схем. Учебное пособие. - Севастополь: СевГТУ, 1998. - 77 с.

.Новоселов В.Г, Прикладная теория цифровых автоматов с вариантами схем индивидуальных заданий. Ч. 1. Проектирование комбинационных схем. Учебное пособие. - Киев: УМК ВО, 1993. - 73 с.

.Б.В. Цыбаков, Системы автоматизации и управления. Методические указания. - Москва: АГТУ, 2002 г. - 67 с.

Введение Секретный замок - цифровой автомат, который управляет открыванием двери или включает сигналы тревоги. Автомат должен выполнять сл

Больше работ по теме: