5.2. Разработка структурных и функциональных схем на основе алгоритма функционирования ску

На основе алгоритма функционирования СКУ разрабатываются структурные и функциональные схемы.

Пример. Построить структурную электрическую схему устройства, включающего аппаратуру при наборе определенного шифра («126264»), алгоритм функционирования которого был получен выше (9.12).

В алгоритме имеются операторы А и р₁ р₂ р₃ р₄, формирующие команды в соответствии с выбранной кнопкой – следовательно, для их реализации необходима клавиатура, содержащая 10 кнопок.

Для реализации операторов Н и р₅ необходимо запоминающее устройство.

Оператор В – реализуется исполнительным устройством.

Оператор Т - реализуется устройством сигнализации или индикации.

Оператор R и дополнительные логические условия реализуются счетчиком и дешифратором, которые могут быть выделены в отдельный блок.

И, наконец, для обеспечения выполнения операторов в заданной последовательности необходимо устройство управления.

Для определения связей между блоками необходимо проанализировать сущность процесса, заданного алгоритмом, и содержание операторов.

Линии связи проводятся исходя из анализа содержаний алгоритма. Так как от оператора А (клавиатура) управление передается дополнительному логическому условию r₁ (счетчик с дешифратором), то должна быть связь, направленная от клавиатуры к счетчику (возможно через устройство управления). К оператору Н переход осуществляется от логических условий р₁, р₂, р₃ и р₄, а от логического условия р₅ – к оператору Т. Поэтому необходимо установить связь от клавиатуры к запоминающему устройству и от запоминающего устройства к устройству сигнализации.

Аналогично можно расставить все остальные линии связи. Однако, в рассматриваемом примере переходы от одного функционального оператора к другому осуществляется через «цепочки» логических операторов, которые с большим количеством разветвлений реализуются устройством управления. Поэтому в разрабатываемой электрической структурной схеме целесообразно все связи между блоками показывать через устройство управления. В результате получим структурную схему, показанную на рис.4.3.

Рис.4.3. Структурная схема устройства

Разработка функциональной схемы является одним из наиболее творческих этапов, на котором реализуются оригинальные инженерные решения, основанные на знаниях, опыте разработчика. Функциональная схема разрабатывается путем поблочного раскрытия структурной схемы с учетом анализа особенностей объекта, содержания работы и ТТТ.

Все блоки можно условно разделить на две группы:

блоки, функциональную схему которых можно синтезировать, используя формальные методы теории конечных автоматов;

блоки, функциональная схема которых получается иными методами.

Блоки второй группы обычно выбираются из известных схем. Некоторые блоки могут даже не раскрываться, если они не имеют более мелких функциональных элементов, а их содержание раскрывается на принципиальной электрической схеме (генераторы стимулирующих сигналов, генераторы эталонных сигналов, устройства сравнения и т.п.).

Для синтеза блоков первой группы необходимо установить, какие сигналы, и в каком порядке должны поступать на вход, и какие сигналы, и в каком порядке должны сниматься с выхода блока. Так как все блоки в той или иной степени связаны между собой, то можно рекомендовать следующую последовательность получения блоков функциональной схемы.

Сначала выбираются или разрабатываются блоки, только принимающие или только выдающие сигналы в другие блоки (генераторы стимулирующих сигналов, генераторы эталонных сигналов, формирователи временных интервалов и т.п.). Сюда же можно отнести блоки, которым для выполнения операции требуется один командный сигнал на выполнение операции.

В рассматриваемом примере такими блоками являются клавиатура, исполнительное устройство и сигнализатор.

Затем выбираются или разрабатываются схемы функциональных блоков, принимающих и вырабатывающих сигналы (устройства сравнения, измерения, коммутации, управления). При этом следует учитывать, что чем больше сигналов перерабатывает устройство, тем позднее приступают к его синтезу.

В рассматриваемом примере вначале следует выбрать запоминающее устройство, так как оно принимает только одну команду Н и вырабатывает одно донесение р₅. Исходя из условий работы можно сделать вывод, что запоминающее устройство должно иметь всего два устойчивых состояния, переход из одного в другое должен осуществляться по команде Н. Поэтому в качестве запоминающего устройства можно выбрать триггер (рис.4.4).

Рис.4.4 - Запоминающее устройство

Счетчик и дешифратор представляют собой стандартные функциональные блоки, поэтому для них необходимо только определить их разрядность. Так для шести нажатий (шестиразрядный код) достаточно иметь трехразрядный счетчик, так как n = [loq₂ 6] = 3 и дешифратор на шесть выходов (рис. 4.5)

Рис.4.5 - Счетчик и дешифратор

Клавиатура имеет десять кнопок от s₀ до s₉. нажатие любой из кнопок формирует команду А. логическая функция, описывающая эту команду, имеет вид:

и реализуется логическим элементом ИЛИ (дизъюнктором).

Кроме того, четыре кнопки s₁, s₂, s₆ и s₄ формируют логические условия р₁, р₂, р₃ и р₄ соответственно.

Ф ункциональная схема клавиатуры показана на рис. 9.6.

Рис.4.6 - Функциональная схема клавиатуры

Исполнительное устройство только принимает команду В (рис.4.7).

Рис.4.7 - Исполнительное устройство

Устройство сигнализации принимает команду Т. Его можно изобразить в виде излучателя видимого света (рис. 4.8).

Рис.4.8 - Устройство сигнализации

Последним приступают к синтезу устройства управления. При этом желательно предварительно разобраться, какие сигналы могут подаваться на вход устройства управления и какие команды формируются на выходе.

Синтезировать подобное устройство методами синтеза дискретных устройств затруднительно (т.к. оно имеет 13 входов) поэтому его можно разбить на несколько частей, например, для каждого выхода синтезировать свое устройство, либо синтез провести на основе алгоритма функционирования устройства управления.

Методика синтеза дискретных устройств рассматривается в главе 10, поэтому, для примера рассмотрим синтез устройства управления по алгоритму функционирования.

Для наглядности получения логических функций реализуемых устройством управления представим объединенный алгоритм (4.12) в матричной форме (табл.4.3).

Таблица 4.3 - Матричная форма объединенного алгоритма

	R	A	H	B	T	Ak
A0	1
R		1
A
H	1					1
B						1
T

Каждый столбец матрицы соответствует одной команде, формируемых одним из устройств, а каждая строка соответствует команде, получаемой каким либо устройством.

В матричной форме объединенного алгоритма можно выделить столбцы, соответствующие командам, формируемым устройством управления (R, H, B, T) и строки, соответствующие командам, принимаемым устройством управления (А и H). В результате получится матричная форма алгоритма работы устройства управления (табл.4.4).

Таблица 4.4.

Матричная форма алгоритма работы устройства управления

	R	H	B	T
A
H	1

Логическая функция, описывающая условия формирования выходной команды А_j имеет вид дизъюнкции всех конъюнкций логических функций перехода, соответствующих j-му столбцу, и поступающих входных команд А_i:

. (4.13)

В рассматриваемом примере условия работы устройства управления описываются системой логических функций:

(4.14)

Для получения функциональной схемы устройства управления система выражений (4.14) путем логических равносильных преобразований приводится к виду удобному для реализации на логических элементах. Например, второе уравнение можно подставить в первое, а в четвертом вынести за скобки одинаковые члены. В результате выражение 4.14 преобразуется к виду:

(4.15)

На основе системы выражений 4.15 разрабатывается функциональная схема устройства управления (4.9).

Для получения функциональной схемы устройства включения аппаратуры необходимо объединить все функциональные схемы изображенные на рис.9.4 - 9.9 в одну схему (рис.4.10).

При получении объединенной схемы следует обратить внимание на возможное дублирование элементов в исходных схемах. Чаще всего это инверторы.

Кроме того, некоторые элементы имеют входы, не предусмотренные алгоритмом (например, обнуляющие входы счетчика и триггера) для которых нужно предусмотреть собственную команду. Если окажется, что таких входов достаточно много или будет затруднительно определить место и время получения управляющих сигналов на эти входы, то следует уточнить частные алгоритмы и повторить синтез устройства.