生理刺激反应时间测试仪

1、数字电路课程设计课题：生理刺激反应时间测试仪东华大学信息学院Xxxxxxxxxxx 第一章 设计指标 第二章 系统概述 2.1设计思想 2.2可行性论证 2.3各功能的组成 2.4总体工作过程 第三章 单元电路设计与分析 3.1各单元电路的选择 3.2设计及工作原理分析 第四章 电路的组构与调试 4.1 遇到的主要问题 4.2 现象记录及原因分析 4.3 解决措施及效果 4.4 功能的测试方法、步骤、设备、记录的数据 第五章 结束语 5.1对设计题目的结论性意见及进一步改进的意向说明 5.2 总结设计的收获与体会 附图(电路图、电路总图) 参考文献 第一章 设计指标n 受试者可以按“刺激源选择

2、”键选择刺激信号是光或声。n 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。n 测试仪在“准备”灯亮后的110 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。n 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。n 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。n 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。n 若受试者在

3、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。第二章 系统概述2.1 设计思想分析设计要求可知，生理刺激反应时间测试仪的基本功能是随机产生刺激信号、计时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，可以实现定时延时或计时功能，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。系统设计中需要解决以下几个问题。 随机信号的产生 最低位计数值得四舍五入处理 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resp

4、onse、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。

5、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。2.2 可行性论证（硬件环境）生理刺激反应时间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”按键选择点触键产生脉冲信号，刺激源选择采用自锁键产生电平信号。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。设计随机脉冲发生模块在DE2 开发板或LP-900开发装置上实现。2.3各功能的组成2.

6、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

7、 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。2.3.2 测试计时器（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，最低位测量值要求进行四舍五入处理。即当最低位计数值小于5 时, 高三位测量值直接显示；当最低位计数值大于4 时，高三位测量值加1 后显示。数字电路中实现数值四舍五入的方法很多。本设计可以利用计数器的预置数功能，在测量前将测试计数器的初始值预置为5。这样, 测试结束时的计数值是实际测量值加5。当最低位测量值大于等于5 时, 必然产生向高位的进位, 实现了测量值的四舍五入功能。2.3.3 逻

8、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。信号时序波形示例和参考电路原理如图所示。2.3.4分频器设计一个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1

9、MHz，100kHz，10kHz，1kHz，100Hz，10Hz，1Hz和0.1Hz脉冲信号。 用7490构成5421码输出的十分频电路。 分析与综合通过后，对1级50%占空比十分频电路仿真。 再复制七个十分频电路，输入OSC（10MHz）信号，构成1个一输入、八输出的电路。 分析与综合通过后创建Div8逻辑符号。2.3.5 动态扫描电路设计一个四位LED数码显示动态扫描控制电路，显示4位十进制数或字母，要求显示内容可以通过按键切换。动态扫描显示控制的关键问题在于产生顺序脉冲分时选通各显示器的公共端，并同步输出其段控制信号。在本实验数字电路中，采用计数器控制二进制译码器产生。采用LP-2900

10、开发装置，由于已在FPGA外部设置了38线译码器74138控制显示器的公阴端，因此只要采用计数器产生二进制计数信号控制译码器即能实现动态显示扫描。“七段显示译码器”可以用真值表输入方式。用真值表方法编辑AHDL文件。2.4 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

11、 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

12、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。生理刺激反应时间测试仪的总体设计思想框图如图所示。第三章 单元电路设计与分析3.1.1随机信号发生器7490构成了伪随机信号发生器，CLKA端输入1HZ脉冲信号，QD端输出0.1HZ脉冲信号，周期为10 s ，即伪随机信号发生器每10秒产生一个脉冲信号。74161构成一个二进制计数器，与两个D触发器和一些逻辑门共同构成延迟信号发生器。当“测试开始”按键按下后，上升沿脉冲使D触发器输出高电平，从而使741

13、61的使能端处于计数状态，CLK输入1HZ的时钟脉冲信号，当计数器计到2时，一方面通过非门使前一个触发器清零，74161处于不工作状态，并且清零，保证只产生一个延时信号；一方面使后一个D触发器输出高电平的延时信号。3.1.2 测试计时器（最低位计数值的四舍五入处理） 元件符号3.1.3 逻辑控制电路元件符号3.1.4 分频器元件符号3.2 设计及工作原理分析输入随机信号发生模块电路，建立仿真文件。改变start信号有效时段，观察方针报告文件中随机信号产生时间是否不同，随机信号产生后delay信号能否保持。仿真通过后创建模块符号。输入逻辑控制模块电路，建立仿真文件。根据正常、违例两种情况分别设置

14、仿真文件的输入信号start、response及random，观察模块输出信号test、weili信号是否符合设计要求。仿真通过后创建模块符号。输入测试计数器模块电路，建立仿真文件。观察仿真结果：计数器能否正常进位；最低位计数值能否四舍五入；计数器溢出后能否停止计数。建立顶层文件，调用底层各模块，创建或导入分频模块和显示控制模块，连接整个系统电路。将测试及舒淇的输出与显示控制电路相连接，注意各信号为序关系。设计刺激源选择电路，当声刺激信号有效时蜂鸣器可有脉冲频率控制。分析与综合通过后，根据所使用的实验装置FPGA端口连接协议锁定输入输出信号引脚编号，编译通过后下载观察设计效果。3.2 设计及工

15、作原理分析输入随机信号发生模块电路，建立仿真文件。改变start信号有效时段，观察方针报告文件中随机信号产生时间是否不同，随机信号产生后delay信号能否保持。仿真通过后创建模块符号。输入逻辑控制模块电路，建立仿真文件。根据正常、违例两种情况分别设置仿真文件的输入信号start、response及random，观察模块输出信号test、weili信号是否符合设计要求。仿真通过后创建模块符号。输入测试计数器模块电路，建立仿真文件。观察仿真结果：计数器能否正常进位；最低位计数值能否四舍五入；计数器溢出后能否停止计数。建立顶层文件，调用底层各模块，创建或导入分频模块和显示控制模块，连接整个系统电路。

16、将测试及舒淇的输出与显示控制电路相连接，注意各信号为序关系。设计刺激源选择电路，当声刺激信号有效时蜂鸣器可有脉冲频率控制。分析与综合通过后，根据所使用的实验装置FPGA端口连接协议锁定输入输出信号引脚编号，编译通过后下载观察设计效果。第四章 电路的组构与调试4.1 遇到的主要问题 随机信号产生不正确，当随机信号产生一次后，将会不断产生，无法停止。 下载后显示灯不亮。 计时器溢出不正确，计时器总在999.8ms时溢出。4.2 现象记录及原因分析 由于随机信号导通后，没有反馈电路使其停止，因此会不停产生。 主文件没有置顶 计时器第一个芯片为74161，之后用的是7490，溢出提前了一个脉冲。4.3