数字逻辑与数字系统中如何画波形图

承接一个数字系统的课题后，一方面要对课题的任务、要求、原理、使用环境作详细的分析，另一方面也应调研相类似的课题目前有哪些解决方法及其优缺点。在此基础上确定初步方案。
1．基本要求和使用环境分析
对一只保险箱而言，基本要求是：
① 安全性，开锁的密码被破译的可能性要尽可能小；
② 操作方便，开锁的程序不过于复杂；
③ 密码可以更换，遇到不正常情况时应启动报警系统；
④ 使用者在拨错号码时可将原拨号予以清除并重拨。
先看安全性问题。普通机械密码锁保险箱采用3位十进制码，除了密码外还有一个锁孔，钥匙投对时才能开锁，总的开锁率约为10-6左右。现改用全数字锁，如采用二进制码，要达到这样高的安全性能，就要采用20位码，这将是一个难以记忆的密码，操作也极麻烦，故宜采用十进制码或十六进制码。
密码锁开锁的基本原理是符合，即当送入的密码与预置的密码相同时解锁。密码输入的方式有并行和串行。串行方案成本低，且用时序电路实现，对结果的判别与操作程序有关。例如对3位密码而言，多拨一位、少拨一位皆属于错误，大大加强了系统的可靠性，因而可使密码位数减少。故宜采用串行数字锁，并对操作过程有所规定。
一旦采用串行数字输入，就得有起始标志和结束标志。起始标志可采用复位信号，将电路恢复到起始状态。复位信号由START键产生，然后开始接收数码输入，当接收确定的几个数码(例如3个十进制数)后，应送入结束标志。大多数保险箱上都有个门把手，必须扭动这个把手才可以打开这个箱门，因此可以将结束信号和门把手的操作结合起来。当输入密码后，便去扭动把手(相当于向控制电路发出OPEN信号)，若前面输入的3个数码正确，便可开门，否则向保安系统发出警报。OPEN便是输入码结束的标志，该信号在输入码未达3个或多于4个时皆判为错码，发出报警信号。若使用者不慎按错号码，并在扭动把手前发现，可以按START键使电路恢复到初始状态，重新按动密码。
系统刚接通电源或保险箱门被打开时，数字锁系统尚未工作，称为“待锁状态”。按一下SETUP键才能使数字锁锁上，称为“安锁状态”。另外，系统在报警时需经保安人员处理后，按SETUP键才可恢复工作。
通过以上分析，可以确定系统的基本操作流程如图6．32(a)所示。

(a) 基本流程图 （b)电子系统简单框图

（c) 简单锁初步方案
图6.32 数字锁初步方案

2．系统结构的几个具体问题研究
输入问题 开始(START)、建立(SETUP)等控制信号可用按键开关实现，门把手转动产生开门信号(OPEN)也可用一个OPEN键代替。密码输入采用10个按键开关，不同的数码采用不同的键，如同电话机的按键。与此相适配的内部电路应是编码器。
输出问题 数字锁的输出有两种情况：
①开门信号，当拨号正确又按动OPEN键后，应发出信号，打开数字锁。此时可用一只绿色信号灯10标示开门状态。
②当密码或开锁程序不对时，按动OPEN键将发出报警信号。报警信号可以用一种单频率的方波振荡(约500Hz)，驱动扬声器发声，还可以用红色信号灯LA表示。以上开门信号、报警信号一旦出现，就一直保持下去，直至使用者或保安人员按动SETUP键为止。
预置数问题 预置数就是设置系统的密码，宜每隔一段时间更换一次，因此应有置数装置。每次置入3位十进制数的方法有多种。为分析方便，现采用的方法是安排12个输入端，每个输入端通过一只双列直插式组件(DIP)开关、将其输入切至Vcc或GND。
综合上述讨论，确定保险箱密码锁的基本方案如下：
(1)采用3位十进制数密码，密码用DIP开关确定，必要时可以更换。
(2)系统通电后须关上门，且按动SETUP键后方投入运行。运行时标志开门的灯或警报灯和警铃皆不工作，系统处于安锁状态。
(3)开锁过程如下：①按START键启动开锁程序，此时系统内各部分应处于初始状态；②依次键入3个十进制数码；③按开门键OPEN。
若上述程序执行且拨号正确，则开门继电器动作，绿灯LO亮。若按错密码或未按上
述程序执行，则按动开门键OPEN后警报装置呜叫，红灯LA亮。
(4)开锁处理事务完毕后，应将门关上，按SETUP键，使系统重新进入安锁状态。若在报警状态，按SETUP键或START键应不起作用，需另用一内部ISET键才能使系统进入安锁状态，此ISET键应放在保安人员值班室。
(5)使用者如按错密码，可在按OPEN键以前按START键，重新启动开锁程序。
(6)号码0～9，START，SETUP，OPEN均用按键产生。
根据上述考虑，可以画出系统的粗略框图如图6．32(b)所示，它说明了整个系统的外部输入和输出情况。加上图6．32(a)描述系统行为的流程图，就勾画了这一系统的总体逻辑功能。图6．32(c)中画出了数字锁简单的工作波形图，对输入、输出信号的时序做了进一步描述。