светофор. Курсовой проект по дисциплине пм 01. Мдк 01. 02 проектирование цифровых устройств
 Скачать 0.74 Mb.
|
|
Министерство цифрового развития государственного управления, информационных технологий и связи Республики Татарстан государственное автономное профессиональное образовательное учреждение «Международный центр компетенций – Казанский техникум информационных технологий и связи» Курсовой проект выполнен и защищен с оценкой ___________ Руководитель КП_____________ «____»__________20___ г КУРСОВОЙ ПРОЕКТ ПО ДИСЦИПЛИНЕ ПМ 01.МДК 01.02 «ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ» ТЕМА «ПРОЕКТИРОВАНИЕ СВЕТОФОРА НА ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТАХ»
Казань, 2021 г. СОДЕРЖАНИЕВВЕДЕНИЕ 3 1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 4 1.2 Среда проектирования Logisim 7 1.3Элементы Logisim 10 2 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЦИФРОВОГО УСТРОЙСТВА 12 2.1Этапы разработки 12 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 17 ПРИЛОЖЕНИЕ А 18  ВВЕДЕНИЕСветофор - оптическое устройство, подающее световые сигналы, регулирующие движение автомобильного, железнодорожного, водного и другого транспорта, а также пешеходов на пешеходных переходах. Считается, что самый первый светофор в истории был установлен в Лондоне 10 декабря 1868 года. Уже тогда британская столица страдала от насыщенного трафика и пробок, правда, стоит уточнить, что речь идет о движении экипажей. Изобрел светофор Джон Пик Найт, который был специалистом по железнодорожным семафорам. Поэтому устройство очень напоминало модели, применяемые на железной дороге. Оно управлялось вручную и представляло собой две семафорные стрелки, установленные на шестиметровом столбе. В горизонтальном положении они означали «стоп», а опущенные под 45 градусов – «приготовиться к движению». Ночью вместо стрелок работал вращающийся газовый фонарь, с помощью которого поочередно подавались красный и зеленый сигналы. Этот выбор цветов, который используется и на современных светофорах, вовсе не случаен. Красный и зеленый относятся к той части спектра, который человеческий глаз воспринимает максимально хорошо. В данном курсовом проекте будет реализована система управления светофорами на логических элементах в программе Logisim, которая является инструментом для разработки и моделирования цифровых логических схем. Для этого потребуется произвести анализ предметной области и основных операций светофоров. 1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬПринцип работы стиральной светофора Светофор — устройство оптической сигнализации, предназначенное для регулирования движения людей, велосипедов, автомобилей и иных участников дорожного движения, поездов железной дороги и метрополитена, речных и морских судов, трамваев, троллейбусов, автобусов и всего транспорта. Используется во всех странах мира. Главным недостатком первых светофоров было то обстоятельство, что для управления ими требовался человек. Понятно, что при таких обстоятельствах нельзя было обеспечить светофорами большое количество улиц в городах. Поэтому изобретатели направили свои усилия на создание автоматических устройств для регулирования дорожного движения. Считается, что первую подобную систему создал Эрнст Сирин, получивший на неё в 1910 году. При этом она использовала систему табличек с надписями «Stоp» и «Prоceed», которые, соответственно, запрещали и разрешали движение. Эта система не использовала подсветки, что затрудняло её использование в тёмное время суток. В современном же виде светофор был создан в 1912 году изобретателем из штата Юта Лестером Вайром. Он уже работал на электричестве и имел два светильника круглой формы зелёного и красного цвета. Правда, свою конструкцию Вайр не запатентовал. Однако массовое использование светофоров на улицах городов началось тогда, когда 5 августа 1914 года в Кливленде, штат Огайо, Американской светофорной компанией было установлено сразу четыре светофора. Располагались они на перекрестке 105 улицы и авеню Эвклида, а их создателем был Джеймс Хог. Эти аппараты так же имели два электрических фонаря, при этом при переключении они издавали звуковой сигнал. Управлял работой аппарата полицейский, находящийся в специальной стеклянной будке, стоящей на перекрёстке. Аппараты, же имеющие привычную нам трехцветную цветовую схему, появились значительно позднее, в 1920 году на улицах Нью-Йорка и Детройта. Их создателями были Джон Ф. Харрис и Уильям Поттс. Европа несколько отставала от США в процессе «светофоризации» и первый электрический светофор там появился во Франции в 1922 году, в Англии это устройство было установлено только в 1927 году. В СССР первый светофор был установлен 15 января 1930 года в Ленинграде. Поставили его на перекрёсток Невского и Литейного проспектов. В столице же страны эту систему регулирования дорожного движения установили несколько позже - 30 декабря того же 1930 года. Разместили её на углу Петровки и Кузнецкого моста. Третьим городом, оснащённым светофором, стал Ростов-на-Дону. Светофоры того времени отличались от привычных нам тем, что они использовали принцип работы механических часов, где стрелка указывала не на время, а на цветное поле, обозначающее режим движения. Их достаточно быстро заменили на знакомые нам электрические фонари с вертикальным расположением светильников, однако и они были не такие как мы привыкли. Дело в том, что расположение цветов в этой конструкции было не обычным, а перевёрнутым: сверху шёл зеленый, потом жёлтый и красный цвета. Современные нам светофоры являются достаточно сложными устройствами и состоят из собственно светофора со светильниками, контроллера дорожной сигнализации, а также датчиков транспортных средств. Устанавливаются они на специальных столбах и опорах на перекрёстках и вдоль автомобильных дорог. Управляет современным светофором компьютер, который выбирает и синхронизирует направления движения согласно постоянно меняющейся дорожной обстановки. При этом датчики движения фиксируют движущиеся по трассе транспортные средства, задавая им ритм езды при помощи световых сигналов. В крупных городах светофоры объединены в крупные автоматизированные системы по управлению дорожным движением, которые могут создавать такие достаточно сложные эффекты как, например, «зелёная волна». Дальнейшие пути развития светофора как средства управления дорожным движение будут лежать в области развития искусственного интеллекта, который, со временем, сможет взять на себя все функции регулирования транспортных потоков, полностью исключив из этого процесса человека. 1.2 Среда проектирования LogisimLogisim - это образовательный инструмент для разработки и моделирования цифровых логических схем. Благодаря простому интерфейсу панели инструментов и моделированию схем по ходу их проектирования, Logisim достаточно прост, чтобы облегчить изучение основных понятий, связанных с логическими схемами (Рисунок 1.2.1). При возможности постройки больших схем из меньших подсхем и рисования пучков проводов одним перетаскиванием мыши, Logisim может быть использован (и используется) для проектирования и моделирования целых процессоров в образовательных целях.  Рисунок 1.2.1 Интерфейс Logisim Logisim организует инструменты в библиотеки (Рисунок 1.2.2). Они отображаются в виде папок на панели проводника; чтобы получить доступ к компонентам библиотеки, достаточно дважды щелкнуть соответствующую папку. При создании проекта, автоматически включено несколько библиотек: Проводка: Компоненты, которые напрямую взаимодействуют с проводами. Элементы: Компоненты, которые выполняют простые логические функции. Плексоры: более сложные комбинационные компоненты, такие как мультиплексоры и декодеры. Арифметика: Компоненты, которые выполняют арифметику. Память: компоненты, которые запоминают данные, такие как триггеры, регистры и оперативная память. Ввод / вывод: Компоненты, которые существуют для взаимодействия с пользователем. Базовые: инструменты, которые являются неотъемлемой частью использования Logisim, хотя вам, вероятно, не нужно будет копаться в этой библиотеке очень часто.  Рисунок 1.2.2 Библиотека инструментов Logisim также позволяет добавлять дополнительные библиотеки, используя подменю «Загрузить библиотеку» в меню «Проект». Вы можете видеть, что Logisim имеет три категории библиотек (Рисунок 1.2.3).  Рисунок 1.2.3 Загрузка библиотек Встроенные библиотеки - это библиотеки, которые распространяются вместе с Logisim. Они задокументированы в справочнике библиотеки. Библиотеки Logisim - это созданные и сохраненные на диск проекты Logisim. Которые можно использовать как набор схем в качестве библиотеки для других проектов. JAR-библиотеки - это библиотеки, которые разработаны на Java, но не распространяются вместе с Logisim. Разработка библиотеки JAR намного сложнее, чем разработка библиотеки Logisim, но компоненты могут быть намного более изящными, включая такие вещи, как атрибуты и взаимодействие с пользователем. Встроенные библиотеки (кроме Базовые) были написаны с использованием того же API, что и библиотеки JAR, поэтому они точно демонстрируют диапазон функциональных возможностей, которые могут поддерживать библиотеки JAR. Элементы LogisimПри проектировании системы индикации режимов работы светофора на логических элементах было использовано множество инструментов встроенной библиотеки Logisim. В ниже приведенной таблице описаны все используемые компоненты и их свойства (Таблица 1.1). Таблица 1.1 Используемые компоненты проекта
Продолжение таблицы 1.1
2 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЦИФРОВОГО УСТРОЙСТВАЭтапы разработкиДля реализации логической схемы светофора были использованы различные компоненты Logisim и возможность реализации подсхем в виде отдельных схем. ПО Logisim обладает всем необходимым функционалом для создания различных схем цифровых устройств. Целью было создание светофора с анимацией на логических элементах. Для начала было решено сделать схему управления светофора. Данная схема, построена на нескольких элементах И, с инверсными входами и выходами. Схема имеет четыре входа и три выхода. При смене сигнала на входах, меняется значения на выходах. В дальнейшем выходы будут подключены к светодиодам. Как работает данная схема светофора можно посмотреть на рисунке 2.1.  Рисунок 2.1 Таблица работы схемы светофора Готовая схема представлена в ПРИЛОЖЕНИИ А. Для пешеходного светофора с анимацией ходячего человека потребовалось: четыре ПЗУ, декодеры, разветвители, регистры, счетчики и светодиодная матрица на 32x32 пикселя. В начале надо нарисовать четыре вида человечка и сохранить их в ПЗУ.В дальнейшем рисунок человека будет меняться при каждом такте. Для этого потребуется собрать схему, показанную на рисунке 2.2.  Рисунок 2.2 Рисунок человека, чтения ПЗУ Внесения данных в ПЗУ показана на рисунке 2.3.  Рисунок 2.3 Внесения данных в ПЗУ В данной схеме каждый такт меняется значения При необходимости выключить схему, необходимо отключить тактовый генератор, затем отключить разрешающий контакт. В случае если необходимо зафиксировать определенное значение светофора, или же необходимо сбросить значения на триггере, подается активные сигналы на два контакта х2 и х3(Рисунок 2.9). После сброса схема переходит в неактивное состояние, и для повторного включения схемы необходимо отключить два дополнительных контакта, и включить тактовый генератор, если он находился в неактивном положении.  Рисунок 2.9 Контакты х2 и х3 Некоторые входы логических элементов не подключены. Это объясняется тем, что они просто не нужны в данной схеме, и они остались не подключенными. Некоторые элементы, представленные в ПО Logisim, не имеют аналогов в реальном мире, и поэтому в случае необходимости реализации данной схемы, может потребоваться нахождение элементов. Во время работы схемы, логические единицы и нули поступают на вход светодиодов, которые являются выходами данной схемы (Рисунок 2.10). Рисунок 2.10 Светодиоды В схеме установлены дополнительно два контакта на выход схемы, которые показывают, какие значения поступают на вход светодиодов (Рисунок 2.11).  Рисунок 2.11 Контакты Данные контакты помогают определить, какой именно сигнал поступает. Благодаря этому можно определить, правильно ли работает схема. В случае неисправности ее необходимо исправить. Библиотека Logisim обладает широким ассортиментом элементов, благодаря которому можно исправить любой недочет в логической схеме цифрового устройства. Схема построена на элементах И, ИЛИ, НЕ. Благодаря этому, схема довольно простая и не требует больших вложений в разработку такого устройства в реальном мире. Но из-за несуществующих элементов, могут возникнуть трудности в исполнении. При необходимости, можно изменять значение логического нуля и единицы прямо на триггере, но этого не рекомендуется делать, так как могут сбиться настройки данной схемы. Так как в основе схемы лежит тактовый генератор (Рисунок 2.12), то с легкостью можно менять продолжительность логического нуля и единицы.  Рисунок 2.12 Тактовый генератор  Данная процедура необходима, если нужно изменить время смены цвета светофора (Рисунок 2.13)Рисунок 2.13 Продолжительность тактов Функционал схемы ограничивается сменой цвета светофора через определенное время тактов, кнопкой сброса, или же фиксация определенного значения на триггерах (Рисунок 2.14).  Рисунок 2.14 Триггеры Для сброса используются контакты х2 и х3. Правая часть схемы регулирует подачу активного и пассивного сигнала на светодиоды. Подается активный сигнал, который проходит через триггеры, после идет на логические элементы. Данные элементы необходимы для разделения сигнала и подачи на нужный светодиод. На каждый триггер приходится по три светодиода. Остальные стороны дублируются от двух основных. Все светодиоды загораются по очереди. Продолжительность одного такта составляет 10. В данной схеме присутствуют недоработки, которые связаны с использованием логических элементов. Для исправления данных недочетов необходимо пересобрать схему с использованием таймера, для более четкого переключения цветов светофора. ЗАКЛЮЧЕНИЕВ данном курсовом проекте была реализована система управления светофором на логических элементах в программе Logisim, которая является инструментом для создания различных логических схем. При дальнейшем изучении программы, возможно будет усовершенствовать данную схему устройства. Данная схема имеет много недочетов, которые возможно будет устранить при дальнейшем изучении программы Logisim, и могут быть добавлены следующие функции: - дистанционное управление светофором; - отдельный светофор на каждую полосу; - светофор с разрешающим езду прямо и направо или налево. ПРИЛОЖЕНИЕ А |
Элемент НЕ»
Элемент ИЛИ»
Элемент И»
D-Триггер»