摘 要：随着电子技术的飞速发展，在集成技术高度发达的今天，人们已越来越不满足使用传统的通用逻辑器件的设计。FPGA的应用是现代教育发展的一种趋势，通过生理刺激反应时间测试仪设计实例，比较详细地说明人体受到刺激反应后在数字逻辑电路的实践应用。通过本设计，有意识地激发学生学习的兴趣和积极性，培养他们熟练运用EDA技术的能力，以满足时代的需要。
关键词：FPGA;EDA;生理刺激反应;通用逻辑器件
中图分类号：TM13 文献标识码：B 文章编号：1004373X(2008)1717103
Design of a Circuit for Physiological Stimulus Reaction
LIU Yuying
(School of Information Science,Donghua University,Shanghai,200135,China)
Abstract：It is tenderncy of modern education that FPGA will be applied to the electronic teaching practice.By using physiological stimulus reaction in design,this article introduces the design application of digital logic circuit.This paper gives a complete example of design report.By the design,students′interest and activity are aroused and they can skillfully master the capibitity of EDA.This pratice is a pivotal step to enhance the integrative diathesis and the innovative ability of the students in order to meet the need of the times.
Keywords：FPGA;EDA;physiological stimulus reaction;general logic device
随着电子技术发展，电子电路的形式趋向复杂化，面对这一状况，人们已经清醒地认识到，要分析和设计复杂的电子系统人工的方法已不适用。依靠传统的实验教学已远不能满足社会对高新技术人才的培育需要。本文就一个综合性的实例“生理刺激反应时间测试仪”的设计过程具体说明了FPGA在电子电路设计中所起的作用。
1 总体方案的设计
人体在受到外界声、光信号刺激后作出反应的时间有快有慢，某些职业对从业人员的生理刺激反应时间有一定要求。比如，短跑、跨栏运动员的成绩都精确到0.01 s，所以运动员在起跑瞬间对发令枪响做出的反应时间对其运动成绩有很大程度的影响。生理刺激反应时间测试仪就是用于测量被测试者在受到声、光信号刺激后做出反应动作的滞后时间。本文通过生理刺激反应时间测试仪的设计和实现，介绍数字测量仪器的功能分析和设计综合方法。
1.1 设计要求
(1) 受试者可以按“刺激源选择”键选择刺激信号是光或声。
(2) 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。
(3) 测试仪在“准备”灯亮后的1~10 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。
(4) 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，计时单位为0.1 ms。
(5) 以七段 LED数码管显示计时测量值的高三位，最低位测量值进行四舍五入处理，显示值保持到新的测量开始。
(6) 若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。
(7) 若受试者在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。
1.2 硬件环境
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-2900开发装置上实现，其原理框图如图1所示。
2 设计任务分析
分析设计要求可知，生理刺激反应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。
2.1 随机信号产生
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。
2.2 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 逻辑控制电路
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3所示。
3 电路的实现
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response、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。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。
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start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，dealy信号有效。dealy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，dealy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。
4 结 语
本文将FPGA用于电子技术课程设计，取得了较好的效果。通过本设计激发了学生学习的兴趣，拓宽了学生的思路，为学生今后的毕业设计和从事电子技术方面的科研、开发工作打下了良好的基础。
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作者简介 刘玉英 女，1974年出生，上海人，讲师。主要从事《电路分析》、《电子技术》等教学工作和研究。