Рассмотрим выполнение перечисленных этапов синтеза автомата.
1. Заданный по условиям нашей задачи автомат имеет 4 состояния, следовательно, для его реализации достаточно двух триггеров.
Далее для каждой комбинации состояний триггеров нужно поставить в соответствие определенное состояние автомата. Кодирование состояний автомата может производиться произвольно. Для синтезируемого автомата кодирование его состояний проведем в соответствии с табл. 6.
Таблица 6
Кодирование состояний автомата
| Состояние автомата А | Состояние триггеров | |
| Q2 | Q1 | |
| А0 | ||
| А1 | ||
| А2 | ||
| А3 |
2. Для составления таблиц переходов и выходов автомата воспользу- емся данными таблицы функционирования системы логического управления, полученной при выполнении задания № 1 на примере варианта №32 (таблица 7).
Таблица 7
| х3 | х2 | х1 | U4 | U5 | U7 | U8 |
Если календарный год нечетный, то 4 и 5 столбцы таблицы представляют последовательность смены состояний автомата, причем 4 столбец это Q2, а 5 столбец - Q1. Если календарный год четный, то используются 6 и 7 столбцы таблицы 3(6 столбец - Q2, 7 столбец - Q1) . Запишем последовательность смены состояний автомата , используя 4 и 5 столбцы. Первая строка дает комбинацию 10, которая кодирует состояние А2 автомата, вторая – 10, что также соответствует А2, и т. д. В результате получим следующую последовательность состояний автомата: А2, А2, А3, А3, А1, А1, А2, А1. Далее заполняем таблицу переходов так, как это показано в таблице 4. Для составления таблицы выходов используется 7 столбец таблицы 3, если год нечетный , и столбец 4, если год четный. Единицы и нули соответствующего столбца построчно записываются в таблицу выходов так, как это показано в табл.5.
3. Для составления графа автомата необходимо воспользоваться примером, приведенным на рис.3.
4. Далее заполним табл. 8 функционирования автомата, заданного графом, представленным на рис.3.
Таблица 8
Таблица функционирования автомата Мили
| Входной сигнал x | Предыдущее состояние | Сигнал состояния | Сигналы управления триггерами | Выходной сигнал у | |||||
| Q2(t) | Q1(t) | Q2(t+1) | Q1(t+1) | S2 | R2 | S1 | R1 | ||
| * | |||||||||
| * | |||||||||
| * | * | ||||||||
| * | |||||||||
| * | * | ||||||||
| * | * | ||||||||
| * |
В первых трех столбцах таблицы записываются все возможные сочетания кодов входного сигнала и состояния автомата. Для заданного входного сигнала и состояния автомата по графу находится значение выходного сигнала, которое записывается в последнем столбце таблицы, и следующее состояние автомата, в которое он переходит. Код этого состояния заносится в 4 и 5 столбцы таблицы.
Столбцы с 6 по 9 отведены для записи сигналов управления триггерами. Управление триггерами осуществляется подачей сигналов на входы установки 0 (вход R) и установки 1 (вход S). Эти сигналы для каждого триггера определяются сравнением состояний в момент времени t – Q (t) и в последующий момент времени (t+1) – Q (t+1).
Например, в первой строке таблицы Q2(t)=0, Q2(t+1)=1. Это означает, что второй триггер переводится из состояния 0 в состояние 1, для чего должен быть подан сигнал 1 на вход S2 и 0 на вход R2. Во второй строке таблицы Q1(t)=1, а Q1(t+1)=0, следовательно, для перевода этого триггера из состояния 1 в состояние 0 необходимо подать сигнал 1 на вход R1 и 0 на вход S1. В тех случаях, когда предыдущее Q(t) и последующее Q (t+1) состояния триггеров совпадают, на его входы сигналы переключения могут не передаваться (S=0, R=0), или на определенный вход может подаваться сигнал подтверждения состояния триггера (S=1, R=0 или S=0, R=1).
Например, если триггер был в состоянии 1 и должен сохранить это состояние в последующем такте, то либо на обоих его входах присутствуют сигналы 0 (S=0, R=0), соответствующие режиму запоминания информации, либо на вход S может быть подан сигнал 1 подтверждения состояния (S=1, R=0). В подобных случаях, когда логический уровень сигнала управления безразличен (0 или 1), соответствующие клетки таблицы остаются пустыми или в них заносится символ *.
5-7. Для построения комбинационных устройств, формирующих сигналы управления триггерами и выходной сигнал автомата, для этих сигналов (S2, R2, S1, R1,y) составляются таблицы истинности в форме карт Карно и записываются МДНФ или МКНФ этих функций. Для сигналов управления триггерами записываются МДНФ в случае, если логическое выражение можно записать в виде простой конъюнкции, и МКНФ в остальных случаях. Для выходного сигнала часто, но не всегда, предпочтительнее получение МДНФ (это связано с ограниченным количеством ЛЭ на наборном поле лабораторного стенда).
Для сигнала S2
| * | * | ||
МДНФ или МКНФ
х S2 =
Для сигнала R2
| * | * |
МДНФ
х R2 =
Для сигнала S1
| * | |||
| * | * |
МКНФ
х S1 = v
Для сигнала R1
| * | * |
МДНФ
х R1 =
Для сигнала у
МДНФ
у = v v x · Q1 или
х у = (
Поскольку в распоряжении разработчика имеются прямые и инверсные сигналы х и Q, то для синтеза схемы формирования сигнала у по первому варианту необходимы 3 ЛЭ типа 2И и 1 ЛЭ 3ИЛИ, по второму варианту - 2 ЛЭ 2И и 2 ЛЭ 2ИЛИ. Окончательно схема выбирается исходя из возможностей наборного поля.
Используя полученные логические выражения и выбрав в качестве базиса логические элементы И и ИЛИ вычерчиваем принципиальную схему синтезируемого автомата, представленную на рис. 4.
Рис.4. Принципиальная схема автомата Мили.
Для обеспечения правильной работы схемы автомата необходимо предусмотреть синхронизацию ее функционирования во времени, т.е. формирование тактов (временных интервалов) 1, 2,…, t, t + 1…, во время действия которых осуществляются все логические зависимости. На схеме предусмотрен сигнал управления Uупр., который в момент времени t разрешает подачу управляющих сигналов с выхода комбинационного устройства на входы триггеров. При этом триггеры Т1 и Т2 устанавливаются в состояния Q1(t+1) и Q2(t+1) , в соответствии с заданным таблицей переходов законом функционирования автомата.
Однако на время действия сигнала Uупр (такта t ) выходы (Q и ) входных триггеров блокированы группой схем И, на вход каждой из которых поступает сигнал, инверсный Uупр. В это же время группа выходных триггеров Т΄2 и Т΄2 сохраняют свои состояния Q1(t) и Q2(t), и только их выходные сигналы поступают на входы обеих комбинационных схем и совместно с входным сигналом x определяют логику работы автомата. После окончания действия управляющего импульса Uупр , в течение интервала между тактами t и (t+1) сигналы с выходов триггеров Т1 и Т2 через схемы И, на входы которых уже поступает разрешающий инверсный сигнал Uупр, подаются на соответствующие входы триггеров Т΄1 и Т΄2, в результате чего последние переходят в состояния Q1(t+1) и Q2(t+1).
Благодаря наличию в схеме автомата дополнительных триггеров Т΄1 и Т΄2, сигналы Q1(t) и Q2(t) на входе комбинационного устройства сохраняются неизменными в течение всего времени (такта t) действия управляющего импульса Uупр. Это соответствует алгоритму работы синхронного двухступенчатого (МS) RS-триггера. Основная ступень (М) служит для записи входного сигнала и предварительного запоминания нового состояния автомата, а вспомогательная ступень (S) – для перевода автомата в новое состояние и последующего его хранения.
8. Разработанная принципиальная схема автомата собирается на наборном поле лабораторного стенда. Часть схемы, а именно, триггеры и 4 логических элемента 2И, разрешающие переключение триггеров второй ступени, встроена в стенд и оснащена S, R входами и выходами Q и Q. В качестве выходных элементов схем, формирующих S, R сигналы триггеров, должны быть использованы логические элементы, расположенные в левой части наборного поля (2 ЛЭ4И и 2 ЛЭ 3И). Кроме того, на наборном поле имеются гнезда для подключения входных сигналов х , Uупр и у. Для индикации внутренних состояний автомата, входных и выходных сигналов установлены светодиоды. Проверка работоспособности автомата возможна как в ручном, так и в автоматическом режиме.
Рассмотрим вариант проверки функционирования автомата Мили в ручном режиме.
1. Переключатель «Ручной -Автоматический» установить в положение «Ручной».
2. Установить переключатель входных сигналов х в положение 0.
3. Установить переключатель состояний в положение А0.
4. Нажать красную кнопку «Установка состояния», при этом установится внутреннее состояние автомата А0 и загорится сигнальная лампа А0.
5. Переключатель «Ручной-Автоматический» установить в положение автоматический и, по истечении такта управляющего импульса, зафиксировать следующее состояние автомата. Оно должно соответствовать следующему состоянию по таблице переходов при входном сигнале х равном нулю.
6. Аналогичным образом перебрать все возможные комбинации состояний автомата и входных сигналов х.
7. При построении автомата Мили чаще других встречаются следующие ошибки:
- неверно составлена обобщенная схема функционирования автомата;
- ошибки в построении диаграмм Вейча для сигналов S, R и y;
- ошибки в выборе минимальной формы для синтеза схем, реализующих сигналы S, R и y (МКНФ или МДНФ);
- ошибки при минимизации функций, реализующих сигналы S, R и y;
- неверно смонтированы комбинационные схемы для сигналов S, R и y.
Задание №3. Программная реализация СЛУ.
Программная реализация алгоритмов логического управления основана на применении микропроцессорных средств. Преимущества такого подхода проявляются в повышении унификации алгоритмического уровня, точности работы аппаратуры, расширении возможностей по резервированию, гибком изменении функций и оперативной модернизации алгоритмов.
Характерной особенностью программируемого МК является выполнение логических операции, циклический опрос и ввод переменных, вычисление значений логических функций, формирование и вывод управляющих сигналов для включения и выключения исполнительных устройств.
Программы логического управления могут быть организованы различными способами в зависимости от типа применяемого микроконтроллера.
При выполнении третьей части расчётного задания необходимо составить программу, обеспечивающую управление объектом, функционирующим по алгоритму, заданному таблицей 3, причём возможно использование любых микропроцессоров малой и средней степени сложности (PIC, AVR, МК51 и др.).
В лаборатории СЛУ реализована на МП серии MSP 430.
Также в лаборатории имеются описание аппаратуры стендов и правила пользования контроллером, необходимые для проверки работоспособности разработанной СЛУ.
Расчётное задание должно включать программу и принципиальную схему разработанной СЛУ.
Литература.
1. Потёмкин И.С. Функциональные узлы цифровой автоматики. – М.: Энергоатомиздат, 1988 (стр. 3-70).
2. Поспелов Д.А. Логические методы анализа и синтеза схем. М.: Энергия, 1974 (стр. 12-70).
3. Микропроцессорные системы: уч. пособие для вузов/ Е.К. Александров и др.; под общ. ред. Д.В. Пузанкова. – СПб.: Политехника, 2002.