数字电路—交通灯故障检测电路
1. 设计题目的理论分析
1.1电路的理论分析
交通灯故障监测逻辑电路的设计，红灯R ，黄灯Y ，绿灯G 。其中，灯单独亮正常，黄绿同时亮正常，其他情况不正常。设灯亮为“1”，不亮为“0”，正常为“0”，不正常为“1”。用与非门实现该逻辑电路。使用Simulink 进行简单的仿真。
从题目上看，这是一个基本逻辑门电路在实际生活中的应用问题。根据我们本学期已经学过的数字电路方面的知识，首先要分析一下该题目中的逻辑命题，再根据命题确定我们要设定的输入和输出变量分别是什么。在这个设计实验中，很明显，输入变量是红，黄，绿三种灯的显示状态，而输出变量是检测电路的结果，即交通灯是否有故障。然后用二值逻辑的0和1两种状态，分别对输入输出变量进行赋值。题目中灯亮用“1”表示，灯不亮则用“0”表示，电路有故障用用“1”表示，不亮用“0”表示。再根据题目的意思，我们很容易写出该题目所要求实现的逻辑门电路的真值表，如下所示。
表1 电路实现的逻辑功能表
要设计出所需的逻辑电路，我们得先知道真值表所对应的的函数表达式。而要根据真值表得到逻辑函数表达式，我们可以用画卡诺图的方法。如下图所示，为输入输出变量的卡诺图表示。
图1 真值表对应的卡诺图
最后根据已经列写好的卡诺图，我们可以运用数字电路中学过的知识化简出输出变量Z 的最终表达式，即：
Z =R Y G +RG +RY （1）
但是题目要求我们用与非门实现该逻辑功能，所以我们还要将式（1）化成只由与非门构成的基本逻辑函数表达式，即：
Z =R Y G +RG +RY =R Y G ∙RG ∙RY
（2）
1.2电路原理图的绘制
根据式（2），我们可以利用Altium designer 软件绘制出相应的原理电路图，
在原理图中，三个开关分别控制三个指示灯的亮或暗，元件“NAND ”则表示相应的二输入端与非门74LS00，或者三输入与非门，其中三输入端的与非门可以由四输入端的与非门74LS20改变，只要让四输入端与非门的一个输入端接入高电平即可，最后的Z 则表示监测信号的输出端。下面是绘制好的原理图形。
武汉理工大学《基础技能强化训练》课程设计说明书
图2 实验原理图
2.MATLAB 软件的使用
2.1 MATLAB 软件的简要介绍
MATLAB 是美国Mathworks 公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据
可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB 和Simulink 两大部分。
其中，MATLAB 是matrix 和laboratory 两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室），它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB 的主要功能有数值分析、数值和符号计算、工程与科学绘图、控制系统的设计与仿真、数字图像处理、数字信号处理、通讯系统设计与仿真、财务与金融工程等。
Simulink 则是基于MATLAB 的框图设计环境，可以用来对各种动态系统进
行建模、分析和仿真，它的建模范围广泛，可以针对任何能够用数学来描述的系统进行建模，例如航空航天动力学系统、卫星控制制导系统、通信系统、船舶及汽车等，其中还包括了连续、离散条件执行，事件驱动，单速率、多速率和混杂系统等。它提供了利用鼠标拖放的方法建立系统框图模型的图形界面，而且Simulink 还提供了丰富的功能块以及不同的专业模块集合，利用Simulink 几乎可以做到不书写一行代码就完成整个动态系统的建模工作。
2.2 利用Simulink 软件绘制模型及对模型的仿真
根据上一节中我们对设计题目的理论分析，在得到了最后的逻辑函数表达
式后，我们就可以打开MATLAB ，并运用其中自带的系统仿真软件SIMULINK 连接我们所需要的基本逻辑门电路。下面是我在本次的设计实验中使用MATLAB 软件的具体操作步骤。
图3 打开MATLAB 软件
图4 打开MATLAB 的系统仿真软件Simulink
图5 打开新建模型窗口及新建模型
在“Simulink Library Browser ”窗口中将“Simulink ”节点展开，并选中“Logical and bit operations”模板库中的“Logical operator”模块，如图6所示，鼠标右击，在弹出的快捷菜单中选择“Add to Untitled”菜单项，就可以将“Logical operator ”模块添加到“Untitled ”模型中。也可以直接将“Logical operator”模块拖拽到模型编辑窗口中，完成模块的添加操作。
图6 模块的添加
添加元件的模型完成后，就可以开始按照原理图连接线路。完成连线，首
先应该改一下电路中元件模型的名称，以方便我们看清各个模型。同时，还要对一些模型的参数加以更改，例如，模型图里的与非门都是由基本的与门通过设计相关参数来确定它的类型，输入管脚数。最后的Display 则是用来观察输入和输出信号的状态。这样，我们就能在一次仿真的结果中同时看到输入和输出的高低电平状态。如下图7就是连接好的模型图。
图7 模型线路连接图
连接好模型线路图后，就可以开始进行模型的仿真了。该电路的输入共有
八种不同的状态，为了证明该电路模型的正确性，我们需要将每一种状态都进行仿真。在仿真的过程中，我们可以通过改变开关的状态来控制各个信号灯的亮或暗，再通过Display 来观察电路的每一次仿真的输入和输出的状态。所有的状态仿真完成后，再将仿真结果与理论值进行比较。下面是八次仿真的结果图。
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图8 八种状态的仿真结果图
3. 实验结果及分析
由上面对模型电路的仿真结果，将八次结果列成一张仿真表，如下表所示。根据上面的理论表和仿真结果表相比较可以看出，仿真和理论值是一样的。即：当三个灯单独亮，或当黄绿灯同时亮时，模型电路输出信号“0”，说明信号灯工作正常；其他情况下，模型电路输出信号“1”，说明指示灯工作处于不正常的状态。由两个表格分析结果可以看出，本次实验里所绘制的逻辑原理电路图完全正确，它能够检测出交通灯的工作是否正常，完全实现了实验任务书中所要求的实验内容。当用Simulink 进行电路的仿真时，其结果与我们用理论得到的结果是一样的。而这个题目本身并没有太大的难度，但是当我们用仿真软件将模型电路进行仿真时，可以更加清楚直观的看到信号的输入和输出的变化，加深了我对理论的理解。
表2 八次仿真结果整理表
4. 心得体会
通过本次基础强化训练，一方面，在完成本次实验课题的过程中，我对于MATLAB 这个高级的计算软件有了初步的了解，也学会了使用一种新的仿真软件Simulink 。应该说，在这次的基础强化训练中，我的收获还是很大的。
首先，我最大的体会还是关于这个软件强大的功能。在此之前，因为我所学习的专业，对这个软件听说过，但没有学习使用这个软件。在做本次的实验课题前，我先去网上和图书馆找了一下关于这个软件的介绍和使用方法，才发现原来这个软件的功能非常强大，应用也很广泛。当然，因为它所涉及到的东西太多，所以要真正地掌握这个软件的使用，对我们新手来讲，是基本不可能的。我认为，对现在的我来说，能够使用MATLAB 中的基本功能，如矩阵的相关运算，简单程序的编写，系统仿真软件Simulink 的使用，也要花不少的时间去学透他们。
再者，其实这次的课题设计我做的有点匆忙，所以关于MATLAB 软件的使用，我也只是为了省时间而仅仅先学会了怎么使用Simulink 系统仿真软件对基本的逻辑门电路进行模型的建立和仿真，但是对于MATLAB 真正的强大功能，矩阵和程序这两方面，我却还没有来得及去认真地学习。但是经过这次的实验，我想既然这个软件这么强大，特别是在数学建模方面，我想，应该不能少了这个软件，这样就更激发了我以后学习这个软件的兴趣。
课题设计实验一般都是这样，虽然不难，一般情况下，大家都能完成。但是重要的是我们在完成这个课题的过程中，所学习到的平常我们忽视的，或者是学不到的知识。就像在这次的课题设计中，我还是掌握到了很多的知识，是一次收、收获很大的基础强化训练。
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参考文献
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[4] 曹岩 主编. MATLAB R2006a 基础篇. 北京：化学工业出版社，2008
[5] 李学明 主编. 数字电子技术仿真. 北京：清华出版社，2010
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