Как разработать устройство логического управления с нуля полное руководство для вашей курсовой

Проектирование систем управления — задача, уходящая корнями во времена логических машин, которые были предвестниками современных компьютеров. Эти ранние устройства уже умели на основе правил делать выводы и выполнять вычисления. Сегодня их потомки, устройства логического управления, являются основой современной автоматизации. Они управляют физическими процессами по заданным алгоритмам практически во всех сферах человеческой деятельности: от станков с ЧПУ до систем жизнеобеспечения зданий. Целью курсовой работы, как правило, является разработка электронного автомата по заданному алгоритму функционирования. Такая работа имеет высокую теоретическую и практическую значимость, поскольку позволяет на практике освоить фундаментальные принципы, лежащие в основе сложнейших современных систем управления.

Теоретический фундамент, или Что нужно знать перед началом работы

В основе любого устройства логического управления лежит последовательностная логическая схема. В отличие от комбинационных схем, чьи выходы зависят только от текущих входов, последовательностные схемы обладают памятью. Их поведение описывается моделью конечного автомата — абстрактного устройства, которое может находиться в одном из конечного числа состояний и переключаться между ними под воздействием входных сигналов.

Существует два основных типа автоматов — Мура и Мили. Для целей курсовой работы чаще всего выбирают автомат Мура, и на это есть веские причины:

• Стабильность: В автомате Мура выходные сигналы зависят только от текущего состояния, а не от входных сигналов. Это делает его более предсказуемым и устойчивым.
• Отсутствие «гонок»: При проектировании на базе автомата Мура легче избежать так называемого эффекта состязаний («гонок») — опасной ситуации в асинхронных схемах, когда результат работы зависит от скорости срабатывания разных элементов.
• Простота реализации: Таблица выходных сигналов для автомата Мура значительно проще, что упрощает дальнейший синтез схемы.

Работа таких устройств синхронизируется тактовым сигналом, который обеспечивает четкую смену состояний в каждый момент времени. Структурно любая такая схема состоит из двух ключевых частей: узла памяти на триггерах (например, D-триггерах) и комбинационной логики на базовых логических вентилях, которая вычисляет сигналы для следующего состояния и выходные сигналы.

Этап 1. Как формализовать задачу и построить граф-схему алгоритма

Первый и самый ответственный шаг в проектировании — это создание точной спецификации, то есть перевод словесного описания задачи на формальный язык. В нашем случае таким языком является граф-схема алгоритма (ГСА). Этот этап требует внимательного анализа исходного алгоритма, выделения в нем отдельных операций и логических условий.

При построении ГСА для автомата Мура используется четкое правило: каждая операторная вершина (действие, которое нужно выполнить) ставится в соответствие одному из состояний будущего автомата. За операторной вершиной всегда следует условная вершина (проверка условия), которая определяет, в какое следующее состояние перейдет автомат.

Пример: если в задании сказано «Включить насос и ждать, пока уровень воды достигнет отметки Х», то «Включить насос» — это операторная вершина и, соответственно, состояние автомата. «Уровень воды достиг отметки Х?» — это условная вершина, которая определит переход к следующему действию.

В результате у вас получится наглядный направленный граф, который однозначно описывает всю логику работы будущего устройства. Эта схема станет вашим главным документом на следующих этапах проектирования.

Этап 2. Абстрактный синтез, или Превращаем граф в таблицы

Абстрактный синтез — это процесс перехода от графического представления (ГСА) к табличной, математической модели автомата. На этом этапе мы все еще работаем с абстрактными понятиями состояний (А1, А2, А3…), не задумываясь об их будущей аппаратной реализации. Работа включает два ключевых шага.

Сначала на основе построенной ГСА составляется первичная таблица переходов-выходов. В ней для каждого текущего состояния и каждой возможной комбинации входных сигналов указывается следующее состояние и соответствующий ему выходной сигнал. Это прямое «переписывание» графа в табличную форму.

Далее следует важнейшая процедура — минимизация числа состояний. Зачастую в первичном описании алгоритма присутствуют избыточные, или эквивалентные, состояния. Это состояния, из которых при любых одинаковых входных последовательностях автомат будет переходить в одни и те же следующие состояния и генерировать одинаковые выходные сигналы. Их объединение позволяет значительно сократить количество элементов в итоговой схеме, сделав ее более компактной и эффективной. В результате этого шага мы получаем минимизированную таблицу состояний, которая является каноническим и самым эффективным абстрактным описанием нашего автомата.

Этап 3. Структурный синтез, где абстракция обретает код

Структурный синтез — это мост между абстрактной моделью автомата и его будущей физической реализацией. Здесь мы определяем, как именно состояния автомата будут представлены в виде двоичных сигналов в памяти устройства. Этот процесс начинается с кодирования состояний.

Каждому абстрактному состоянию (А1, А2, …) из минимизированной таблицы присваивается уникальный двоичный код. Например, для 4 состояний нам понадобится 2 бита (коды 00, 01, 10, 11). Выбор метода кодирования — нетривиальная задача, поскольку он существенно влияет на сложность итоговой комбинационной схемы.

• Прямое двоичное кодирование: Самый простой и очевидный способ.
• Код Грея: Код, в котором соседние значения отличаются только в одном разряде. Его применение может упростить логику переходов и снизить риск сбоев.

После того как состояния закодированы, минимизированная таблица переходов преобразуется в набор таблиц истинности. Отдельные таблицы составляются для каждой функции возбуждения триггеров (они определяют, какой код будет записан в память в следующем такте) и для каждой выходной функции. Финальным шагом этого этапа является минимизация полученных логических функций, например, с помощью карт Карно. В результате мы получаем набор оптимизированных логических уравнений — готовую математическую основу для будущей электронной схемы.

Этап 4. Построение принципиальной схемы устройства

Имея на руках набор минимизированных логических уравнений, мы можем приступить к финальному этапу конструирования — построению принципиальной электрической схемы. Эта схема является графической реализацией полученных на прошлом шаге функций.

Устройство логического управления, как мы помним, состоит из двух основных блоков:

1. Функциональный узел памяти: Реализуется на наборе D-триггеров. Количество триггеров определяется количеством бит, которое мы использовали для кодирования состояний. Этот узел хранит код текущего состояния автомата.
2. Комбинационная схема: Собирается из набора логических вентилей (И, ИЛИ, НЕ и др.) в точном соответствии с полученными уравнениями для функций возбуждения и выходных функций. Входами для этой схемы служат выходы триггеров (код текущего состояния) и внешние входные сигналы автомата.

При графическом оформлении схемы важно придерживаться общепринятых стандартов, например, ГОСТ. Это обеспечит читаемость схемы и продемонстрирует вашу инженерную культуру.

По сути, мы «переводим» алгебраические формулы на язык электронных компонентов, получая законченное схемотехническое решение нашей задачи.

Этап 5. Верификация и симуляция, или Проверяем работоспособность

Спроектировать схему — это лишь полдела. Абсолютно необходимо убедиться, что она работает корректно и в точности реализует исходный алгоритм. Этот процесс называется верификацией. Пренебрежение этим этапом может свести на нет всю проделанную работу.

Классический метод проверки, часто используемый в курсовых работах, — это построение временных диаграмм. Для этого выбирается несколько контрольных последовательностей входных сигналов, и вручную или с помощью симулятора прослеживается, как меняются состояния автомата, сигналы на выходах триггеров и на общих выходах схемы с каждым тактом. Диаграммы наглядно показывают динамику работы устройства и позволяют выявить возможные ошибки в логике.

В современной инженерной практике проектирование и верификация неразрывно связаны и часто проводятся в специализированных САПР (системах автоматизированного проектирования). Для этого используются языки описания аппаратуры, такие как VHDL или Verilog. Они позволяют описать логику работы устройства и провести его полную симуляцию в виртуальной среде еще до аппаратной реализации, что гарантирует корректность и производительность будущей системы.

Как оформить пояснительную записку и графическую часть

Правильное оформление — залог успешной защиты курсовой работы. Пояснительная записка должна четко и последовательно отражать все этапы вашего проектирования. Рекомендуется придерживаться классической структуры:

• Введение: Обосновывается актуальность темы, ставится цель работы (разработка УЛУ по заданному алгоритму), описывается объект и предмет исследования.
• Теоретическая часть: Кратко излагаются основы теории конечных автоматов, дается сравнительный анализ автоматов Мура и Мили и обосновывается выбор в пользу первого.
• Практическая (конструкторская) часть: Это ядро вашей работы. Здесь последовательно описывается каждый этап проектирования, который мы рассмотрели:
  • Анализ и формализация задачи, построение ГСА.
  • Абстрактный синтез (первичная и минимизированная таблицы).
  • Структурный синтез (выбор способа кодирования, получение и минимизация функций).
  • Описание построенной принципиальной схемы.
  • Верификация работы устройства (например, с помощью временных диаграмм).
• Заключение: Подводятся итоги, формулируются выводы о достижении поставленной цели и о практической ценности проделанной работы.
• Список литературы.
• Приложения: Сюда выносятся громоздкие элементы: большая принципиальная схема, таблицы истинности, временные диаграммы.

Графическая часть обычно представляет собой плакат, на котором размещаются самые важные результаты: граф-схема алгоритма (ГСА), итоговая принципиальная схема устройства и, возможно, ключевые временные диаграммы, подтверждающие работоспособность.

Заключение

Мы прошли полный путь проектирования устройства логического управления: от анализа текстового задания до создания работающей, проверенной принципиальной схемы и рекомендаций по оформлению проекта. Каждый шаг этого процесса — от формализации и абстрактного синтеза до структурной реализации и верификации — является логическим продолжением предыдущего. В результате этого процесса была полностью достигнута ключевая цель курсового проекта — разработан электронный автомат по заданному алгоритму.

Важно понимать, что освоенный системный подход к проектированию на базе автомата Мура — это не просто учебная задача. Это универсальный и мощный инструмент для решения широчайшего класса практических задач в области промышленной автоматизации, робототехники и встраиваемых систем. Полученные знания и навыки являются фундаментом для дальнейшего изучения более сложных систем управления и современных методов их разработки.

Список источников информации

1. Бойко В.И. и др. Схемотехника электронных систем. Цифровые устройства/Авторы: В.И. Бойко, А.Н. Гуржий, В.Я. Жуйков, А.А. Зори, В.М. Спивак, В.В. Багрий. – СПб.: БХВ – Санкт-Петербург, 2004. – 512 с.
2. Микушин, А. В. Цифровые устройства и микропроцессоры: учеб. пособие / А. В. Микушин, А. М. Сажнев, В. И. Сединин. – СПб.: БХВ-Петербург, 2010. – 832 с.
3. Новиков Ю. В. Основы цифровой схемотехники. Базовые элементы и схемы. Методы проектирования. – М.: Мир, 2001. – 379 с.
4. Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Цифровые устройства: Учебное пособие для втузов. СПб.: Политехника, 1996. – 885 с.
5. Угрюмов Е. П. Цифровая схемотехника: учеб. пособие для вузов. – 3-е изд., перераб. и доп. – СПб.: БХВ-Петербург, 2010. – 816 с.
6. Электротехника и электроника. Учебник для вузов. – В 3-х кн. Кн. 3. Электрические измерения и основы электроники/Г.П. Гаев, В.Г. Герасимов, О.М. Князьков и др.; Под ред. проф. В.Г. Герасимова. – М.: Энергоатомиздат, 1998. – 432с.
7. Горячева Г.А., Добромыслов Е.Р. Конденсаторы: Справочник. – М.:Радио и связь, 1984. – 88с.
8. Диоды, тиристоры, транзисторы и микросхемы широкого применения. Справочник. /Б.Ф. Бессарабов, В.Д. Федюк, Д.В. Федюк – Воронеж: ИПФ «Воронеж», 1994. – 720 с.
9. Микросхемы ТТЛ. Том 1:Пер. с нем. – М.: ДМК Пресс, 2001 – 384 с.
10. Резисторы: Справочник/ В.В. Дубровский, Д.М. Иванов, Н.Я. Патрусевич и др.; Под ред. И.И. Четверткова и В.М. Терехова. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Радио и связь, 1991. – 528 с.