生理刺激反应时间测试仪.doc

数字电子设计报告

生理刺激反应时间测试仪
一．设计背景 ……………………………………....……...……....2
二.设计指要求 ……………………………………....……...…….... 2
设计要求 ……………………………………………………………....2
三．设计原理分析 …………………………………....……...……....2
3.1随机信号的产生…………………………………....……...……....3
3.2最低位计数值的四舍五入处理 ………………....……...……....4
3.3逻辑控制电路 ………………....……...…….... ………………....…4
四 .系统概述 ………………………………………...…..…...….... 4
4.1设计思想 ……………………………………………………….. 5
4.2可行性论证 …………………………………………….…...…... 5
4.3各功能的组成 ……………………………………………………5
4.4总体工作过程 ……………………………………………………8
五. 单元电路设计与分析 ………………………………...…...…...10
六.电路的组构与调试 …………………………………..…...…... 17
6.1 遇到的主要问题 ……………………………………………….. 17
6.2 现象记录及原因分析 ……………………………………………. 17
6.3 解决措施及效果 …………………………………………………17
6.4 功能的测试方法、步骤、设备、记录的数据……………………18
七. 结束语 ………………………………………………………...19
7.1 总结设计的收获与体会 …………………………………………. 19
附图(电路图、电路总图) ………………………………………………20
参考文献 ……………………………………………………………21

一． 设计背景
人体在受到外界声，光信号刺激后作出反应的时间有快有慢，某些职业对从业人员的生理刺激反应时间有一定的要求。比如，短跑，跨栏运动员的成绩都精确到0.01s,所以运动员在起跑瞬间对发令枪作出的反应时间对其运动成绩有很大的影响。生理刺激反应时间测试仪就是用于测量被测试者在受到声光信号刺激后作出反应动作的滞后时间。本节希望通过生理刺激反应时间测试仪的设计和实现，介绍数字测试仪器的功能分析和设计综合方法。
二． 设计要求
（1）受试者可以按“刺激源选择”键选择刺激信号是光或声。
（2）当受试者按“测试开始”按键后，系统进入准备状态，“准备”灯亮，其他指示灯灭，显示器显示全零。
（3）测试仪在“准备”灯亮后的1~10 s 时间内随机发出光刺激信号（“测试”灯亮）或声刺激信号（蜂鸣器响），“准备”灯灭。
（4）当刺激信号发出后测试仪开始计时，直到受试者按下“反应”键停止计时时。计时单位为0.1 ms。
（5）以七段LED数码管显示时间测量值的高3位，最低位测量值进行四舍五入处理，显示值保持到新的测试开始
（6）受试者的反应时间超过 999.5 ms，“溢出”灯亮指示，测试计数器立即停止计时，“测试”灯灭或蜂鸣器停，“溢出”灯持续发光直到下次测试开始。
（7）若受试者在刺激信号未发出前按“反应”键，“违例”指示灯亮，“准备”灯灭，并禁止刺激信号发出

三 .设计原理分析
生理刺激反应时间测试仪是测量被测试者在受到刺激后，经过多少时间才有反应的测试仪。本设计采用光或声音作为刺激人眼的触发源，由测试对象按键作出反应。生理刺激反应时间测试仪工作流程图如下图所示。

图1. 生理刺激反应工作流程图

分析设计要求可知，生理刺激反应测试仪的基本功能是随机产生刺激信号，设计显示以及对受试者的操作进行逻辑判断。在数字逻辑电路中，计数器具有累计时钟脉冲的作用，可以实现定时，延时，以及记时功能，所以，生理刺激反应测试仪的主要部件是计数器和逻辑控制电路。系统设计中需要产生随机信号，对最低位作四舍五入处理，并且设计合适的逻辑电路。
3.1随机信号的产生
随机信号是指控制条件满足后脉冲出现时间无法确定的信号。如果以一个任意出现的控制电平去选通一个周期性定时出现的脉冲信号, 由于脉冲出现的时间与控制电平有效的时间没有任何关联, 当控制信号有效后, 在定时周期时间范围内会随机出现选通脉冲。在数字电路中, 计数器的溢出信号是循环定时产生的。比如, 计数器的模为M、计数脉冲频率为1 s, 则计数器的溢出信号周期为M s, 信号宽度一般为1 s。若用一个电平信号通过逻辑门选通该计数器的溢出脉冲, 则当控制电平有效后, 逻辑门的输出在0 ~ M s 之间产生随机脉冲信号。 同样,若用电平信号控制一个模为N、初始值为0、计数脉冲频率为1 s 的计数器使能端, 当使能电平有效后, 计数器产生溢出信号的延时时间为N - 1~ N s。
3.2最低位计数值的四舍五入处理
生理刺激反应测试仪的时间测量为四位十进制数，而显示值为三位十进制数，最低位测试值要求进行四舍五入处理。即当最低位计数值小于五时，高三位测量值直接显示；当最低位计数值大于四时，高三位测量值加一后显示。数字电路中实现四舍五入的方法很多。本设计中可以利用计数器预置数功能，在测量前将计数器的初始值预置为五。这样，测试结束时的计数器数值是实际测量值加五，当最低位测量值大于五时，必然向高位进位，实现了测量值四舍五入功能。
3.3逻辑控制电路
逻辑控制电路的功能是根据按键信号控制延时、定时电路和测试计数器, 判断受试者发出的反应信号response 是否违例、测试计时是否溢出, 并根据各信号控制相应的指示灯点亮。在生理刺激反应测试仪中, 部分控制信号是互相关联的, 比如A 信号使Q 信号置位, B信号使Q 信号复位。这样的逻辑关系可以有很多方法实现, 比如利用D 触发器的同步触发功能和异步复位功能: A 脉冲的上升
图2-1 部分控制信号的时序关系及参考控制方法
沿触发D 触发器使其输出Q 置位,B 脉冲的有效电平使D触发器立即复位。
四．系统概述
4.1设计思想
生理刺激反应测试仪的主要部件是计数器和逻辑控制电路。
分析系统功能, 可以设置生理刺激反应测试仪的主要控制信号为开始信号start、准备信号ready、随机信号random、测试信号test、反应信号response、测试计数器溢出信号overflow 和违例信号weili。若选择下降沿有效的点触键为“测试开始”键和“反应”键, 比如LP2900 开发装置上的PS1, PS2 键, 则start , response为相应按键产生的负脉冲信号。Ready , test, response, overflow , weili 设置为触发器产生的电平信号。
系统电路根据控制功能划分为刺激信号随机产生、测试计时、显示、逻辑控制、时基信号产生等5个模块。其中随机信号采用模N 的延时计数器、模M 的定时计数器及相应的控制逻辑产生, 测试计数器采用可预置、有使能控制的4 级8421BCD 码十进制加计数器实现。由于正常测试时间小于1 s, 所以时间计数值可以不经锁存直接显示。时基电路是产生定时、延时、计时电路以及显示扫描电路的时钟脉冲, 蜂鸣器的发声也需要音频脉冲控制。各脉冲可以根据所用FPGA 开发装置的基准时钟分频获得。
4.2可行性论证
根据设计电路图进行仿真操作，判断设计是否可行。
设计电路图用仿真软件QuartusⅡ，分模块设计后仿真检查电路，判断电路的逻辑是否有错，逻辑无误后，选择功能仿真并产生电路网表，判断电路是否正确。
测试仪的控制部分以FPGA实现，光刺激信号由发光二极管产生，声刺激信号由蜂鸣器产生。“测试开始”按键和“反应”按键选择买重建产生脉冲信号，刺激源选择电平键产生电平信号。测量值采用3个七段LED数码管显示，显示方式由FPGA开发装置决定。设计在ED2开发板或LP-2900开发装置上实现。
4．3各功能的组成
4.3.1产生随机信号
随机信号的的产生由两部分构成，一部分由延时1～2s的延时器，另一部分为模为10的计数器。由计数器产生随机信号。结果，随机信号的产生时间为1～12s。
4.3.2计时器
计时器由计数器产生，根据实验要求，受试者的反应时间在999.5ms以内，最小的测量单位为0.1ms，则，计数器应四个产生8421BCD码的十进制加计数器构成，计数器的设计有两种方案，一种采用同步CP信号控制，由低位的进位端控制高位的使能端。另一种是异步计数器，由低位的进位端控制高位的CP端，但是第二种方案注意在使能端与进位端之间加个反相器，否则不能得到想要的计数器。在本设计中采用异步计数器。
CP信号为10khz的脉冲信号。最终构成计时器，可以产生最大值为999.9ms的计时器，实验要求中要求最低位四舍五入，应根据设计原理分析所述的最低位计数值的四舍五入处理进行设计。
4.3.3脉冲分频电路
由于电路用到不同频率的信号，比如设计计时器的CP信号为010hz,动态扫描电路中扫描信号频率至少为200hz,才能实现视觉暂留。因此，需要设计脉冲分频电路，在此根据实验要求和器件选择，设计一个8级10分频电路。将LP-2900实验装置上的基准时钟10MHz分频后输出1MHz，100kHz，10kHz，1kHz，100Hz，10Hz，1Hz和0.1Hz脉冲信号。
首先用7490构成5421码输出的十分频电路，再复制七个十分频电路，级联后构成1个一输入、八输出的电路。输入为OSC（10MHz）信号。
4.3.4动态扫描显示设计

图2 动态扫描显示电路原理图
如图2所示，由数据选择器控制七段共阴显示器的输入端，从而可以控制数据选择器的输入来控制七段共阴显示器的显示，二进制计数器实现扫描原理，输出配合译码器控制选择显示器输出。
实现过程为，分屏器输出1Khz脉冲，控制二进制计数器循环计数，二进制计数器输出为：00，01，10，11，控制BA，从而达到数据选择，七段共阴显示器的输入端为四个选择器相同选择的输出的集合，同时控制着小数点的显示。
4.3.5逻辑控制

图3 信号间的逻辑关系
逻辑控制主要是在ready,test,weili,Overfolow,response信号之间的逻辑合理性的控制。其逻辑关系如图3所示。整理如下：
ready有效 Test、Weili、Overflow 无效。
Test有效 Ready、Delay无效
Test无效 Response脉冲使Weili有效，
Ready无效，禁止Random信号产生，使Test始终无效
Response脉冲使Test无效
Overflow有效使Test无效
4.4总体工作过程
总体工作过程中，逻辑控制电路按控制要求产生各控制信号, 根据系统工作原理,各信号时序关系如下:
（1）“测试开始”按键产生的star t 负脉冲触发ready信号有效, 控制test , weili, overflow 无效, 并预置测试计数器初值。
（2）ready 信号控制延时计数器开始计数, 延时时间1~ 2 s。当延时时间到, delay 信号有效。delay 信号等待选通模M 定时计数器的溢出信号产生随机脉冲random, 等待时间为0~ M s。这样, 随机信号random比 测试开始!按键的作用时间滞后1~ M+ 2 s 出现。
（3）当随机脉冲random 出现后, 触发test 信号有效并控制ready , delay 信号无效。test 信号点亮“测试”灯或控制蜂鸣器鸣响, 并允许测试计数器开始计时。
( 4) 当“反应”键按下后, 产生response 负脉冲, 使test 信号无效, 测试计数器停止计数。
( 5) 若反应时间超过999. 5 s, 测试计数器产生的溢出脉冲触发overflow 信号有效。overflow 信号控制测试计数器停止计数。
( 6) 若test 信号无效时按下“反应”键, response 脉冲触发weili 信号有效, 并控制ready 信号无效。weili信号禁止随机脉冲产生, test 信号始终无效。
信号时序波形示例和参考电路原理如图4所示

图4 生理刺激反应时间测试仪设计思想框图

五.单元电路设计与分析
5.1随机信号发生器
随机信号发生器电路图如下图所示

图5-1 随机信号发生器电路图
工作原理为：
上部分是1～2s延时器。7490构成二进制计数器，CPre上升沿到来，D触发器触发，输出为高电平，ready信号灯亮，7490清零端无效，其CP端为1hz的脉冲信号，1～2s后Qc为高电平，Qb为低电平，Qc与Qb非经与门产生一个高电平脉冲信号，作为其后D触发器的CP信号，上升沿到来，D被触发，输出高电平，到response信号到来或start信号无效时，其使能端无效，输出低电平。
下部分是产生1～10s随机信号。74160是十进制BCD码加法计数器，使能端有效时，1hz的CP信号控制其计数，进位端与延时后的信号经与门输出，延时后，进位端为1输出高电平，random信号有效。
产生随机信号的时间为1～12s.
其元件符号为

图5-2 随机信号发生器元件符号

5.2计时器
计时器原理图如下所示

图5-3 计时器原理图
计时器原理：
74160为十进制8421BCD码加法计数器，4个7490级联构成1000进制加法计数器。当使能端有效后，同时set端产生低电平有效，初值置为5，然后开始计数，使能端无效后计数停止。通过扫描电路显示结果。

图5-4 计时器元件符号
5.3 分频器
首先用7490构成5421码输出的十分频电路，再复制七个十分频电路，级联后构成1个一输入、八输出的电路。输入为OSC（10MHz）信号。

图5-5 10分屏原理图

图5-6 分频器原理图
工作原理：
用7490接成一个十分频的分频器，将8个十分频串联即可得到十分频，百分频，千分频……LP-2900可提供10MHZ的时钟频率，我们依次可以得到1MHZ、100KHZ、10KHZ、1KHZ、100HZ、10HZ、1HZ和0.1hz等频率的时钟信号。

图5-7分频器元件符号

5.4动态扫描电路
七段共阴显示器的编辑文件如图4-9所示。

图5—8七段共阴显示器编辑文件

图5-9 动态扫描电路图
工作原理：
分屏器输出1Khz脉冲，此时有视觉暂留效果控制二进制计数器循环计数，二进制计数器输出为：00，01，10，11，控制BA，从而达到数据选择，七段共阴显示器的输入端为四个选择器相同选择的输出的集合，同时控制着小数点的显示。
图中A4 A3 A2 A1 A0为第一块显示屏所显示符号的对应二进制数；依次类推，B4 B3 B2 B1 B0为第二块显示屏所显示符号的对应二进制数；C4 C3 C2 C1 C0为第三块显示屏所显示符号的对应二进制数；D4 D3 D2 D1 D0为第四块显示屏所显示符号的对应二进制数。

图5-10 动态扫描电路元件符号
4.5逻辑控制
逻辑控制是根据各信号之间的逻辑关系，通过与门或者与非门相互控制，其原理在步骤三中已有详细说明，其电路图在电路总图中给出。

六.电路的组构与调试
6.1遇到的主要问题
（1）在计数器置五时，计数器的最低位的置位端的控制信号难于选选择
（2）计数器达到999.9ms后自动置零时，第一个等完成置零但是剩余的灯全都不亮
（3）产生随机信号时，开始时设计的方案是通过Random信号的反馈控制D触发器停止工作，但没有成功。
（4）计数器四舍五入，曾采取在计数器输出端用加法器加五的方案，最终结果虽然可以四舍五入，但计数器不能一直工作而不能停止。。
（5）设计逻辑控制时，容易逻辑混乱
6.2现象记录及原因分析
（1）逻辑控制模式未设计好，可以通过RANDOM信号有效瞬间产生负脉冲来控制置位端
（2）通过overflow信号控制显示器使能端无效，显示器停止工作，控制方法不正确。
（3）这种方案有一定的缺陷，Random信号有效后需经历延时环节后控制D触发器清零，否则，不能产生random信号。
（4）计数器不能停止是因为计数器进位端始终无效，无法令其使能端无效而停止记时。
（5）列出逻辑关系图
6.3解决措施及效果
（1）通过通过RANDOM信号有效瞬间产生负脉冲来控制置位端有效，最低位置位为五，其后置位端无效。
（2）应该通过overflow有效控制显示全显示为零，即对计时器清零。
（3）可以通过控制置数端置数来进行四舍五入运算。
（4）改变四舍五入方式，永不止一种方法
（5）通过画逻辑关系图弄清逻辑关系，灵活使用与门，与非门。

6.4功能的测试方法、步骤、设备、记录的数据
（1）随机信号产生电路图测试，随机信号可产生

（2）计时器测试结果，可看出计时器正常工作

（3）违例的情况（红色的线）

其他的情况通过电脑仿真难以成功，对此不仿真。

七．结束语
7.1总结设计的收获与体会
本次设计过程中遇到了很多问题，各种器件的使用原理，器件间的级联，信号间的逻辑关系，时序电路的可行性，等等。在设计期间每解决一个问题就会有另一个问题出现，有时问题的解决方法就在眼前却不能够注意到因而浪费了许多时间，这也暴露我基础不扎实的弱点。在设计期间如果不虚心向同学老师请教，只是自己闭门造车，效率无疑是十分低下的。在人生当中，我们应该用学会花时间去学习请教，才能高效的发挥完成自己的工作。
设计中，熟悉了使用quartusⅡ来设计电路图，并用其仿真检验自己的设计是否有问题；利用FGPA实现测试的工作，熟悉了电路中的元器件的应用，使所学的知识融会贯通，学以致用；了解到我们专业的神奇之处，通过设计电路来实现各种控制达到某种要求，方便人们的生活，并且灵活性高，生活中很多地方都可以看到电路控制的影子，交通信号灯的控制，商店广告牌广告内容的更改，还有计算器等等。本次设计是我对本专业认识更加深刻，对未来的发展更加有信心。
通过本次课设使我有了锻炼的机会，同时也认识到了实践的重要性，希望以后还有机会做一些设计。

附图 生理刺激反应时间测试总图

参考文献
[1]崔葛瑾.<<基于FPGA的数字电路系统设计>>西安电子科技大学出版社.2008
[2]杨颂华.<<数字电子技术基础>>:西安电子科技大学出版社.2009

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