 |
Для случая, когда логические операции выполняются на электронных вентилях.
|
|
|
|
Рис. 3.7.5. Структура проектируемого изделия с логикой на электронных вентилях (последовательность операций алгоритма отпирания замка и соединение узлов для его реализации), ключ № 29.
Пояснения к структуре
1) Датчик кода ключа (преобразователь физического воздействия пальца в уровень напряжения) выполним на кнопках с парой контактов НЗ (нормально замкнутый – размыкающий при подаче физического воздействия) и НР (нормально разомкнутый – замыкающий), например, на кнопке КМ-1-1.
В исходном состоянии со всех кнопок снимаем низкий уровень напряжения (см. рис. 3.7.6). Закодируем его логическим нулем, тогда высокий уровень напряжения – логической единицей. Такое кодирование называется ППЛ – положительная потенциальная логика (в ОПЛ – отрицательной потенциальной логике уровни напряжения кодируются наоборот). ППЛ принята для кодирования входной и выходной информации на этапах проектирования алгоритма (на этапах структурного синтеза цифрового устройства).
|
|
Рис. 3.7.6. Электрическая схема включения кнопки как датчика
Все пять входных кнопок замка включены одинаково, как показано на рис. 3.7.6. Ограничивает ток сопротивление 
, величина его зависит от применяемой серии ИМС (интегральных микросхем). Например, для ИМС серии КР1533 изготовитель рекомендует 
Напоминание. Значком 
на электрических схемах обозначают общий для всех компонентов схемы провод с нулевым потенциалом (0 Вольт). Например, для пятивольтовой логики (источник питания электронных усилителей-вентилей имеет +5 Вольт) «минус» источника является общей точкой с нулевым потенциалом (относительно +5В) для всех вентилей.
|
|
|
Обычно линии питания +5 В и 0 Вольт () не «разводят» на электрических функциональных и принципиальных схемах, чтобы не «затенять» наглядность схемы. Слово «общий» подчеркивает, что этот провод (и потенциал) является общим для входного (управляющего) напряжения и выходного (управляемого) напряжения в каждом вентиле, т.е. вентиль – это трехполюсник.
Например, для вентиля НЕ входное и выходное напряжения (потенциалы) измеряются относительно общей точки (0 Вольт), как показано на рис. 3.7.7.
Рис. 3.7.7. Пояснение понятия «общий» потенциал
Общий потенциал – от него измеряются все потенциалы в схеме (а не от +Е Вольт), т.е. «минус» вольтметра подключается к общему потенциалу.
2) Логика принятия решения (говорят, просто «логика») строится в соответствии с формулой 3.5.1, полученной в результате структурного синтеза:
– это совершенная дизъюнктивная нормальная форма (СДНФ), в общем случае содержит все три булевы операции: НЕ, И, ИЛИ.
В данной задаче всего две булевы операции: НЕ и И. Операция ИЛИ отсутствует, т.к. замок отпирается только одним ключом-шифром.
Согласно стандарту ЕСКД (Единая Система Конструкторской документации) УГО (условное графическое обозначение электронных компонентов на электрических схемах) электронных вентилей, моделирующих булевы операции НЕ, И, ИЛИ, изображаются в соответствии с рис. 3.7.8.
Напоминание. Операции И и ИЛИ многоместные, т.е. применимы для многих входных переменных. На рис. 3.7.8 изображены УГО для двух входных переменных 
и 
.
| 
| 
|
Работа: вентиль НЕ инвертирует значение входного бита х:
на входе 0, на выходе  ;
на входе 1, на выходе  .
| Вентиль И выполняет логическое перемножение (конъюнкцию) значений входных переменных (битов): если хотя бы один ноль есть на входе, логическое произведение (выход) равно нулю. | Вентиль ИЛИ выполняет логическое сложение (дизъюнкцию) значений входных переменных (битов): если хотя бы одна единица есть на входе, логическая сумма (выход) равна единице. |
Рис. 3.7.8. УГО вентилей, моделирующих булевы операции
|
|
|
Использование этих элементов показано на рис. 3.7.9.
Напоминание. Электронный вентиль – это электронный усилитель, в котором транзисторы работают в «ключевом» режиме (из-за большого размаха входного сигнала).
| Обрамление логики по входу. Устройство ввода: датчик кода ключа, в ППЛ импульс (единица) – это «нажато». | Узел: логика принятия решения «ключ верен?» (жесткая реализация алгоритма – по логическому уравнению) | Обрамление логики по выходу (устройство вывода): усилитель мощности, привод механизма (электромагнит) и механизм-задвижка замка (это сердечник – якорь электромагнита) |
Рис. 3.7.9. Функциональная схема кодового замка с параллельной подачей битов кода-шифра (ключа) для случая проектирования логики принятия решения (алгоритма) на электронных вентилях
Все компоненты ФС – виртуальные, у них нет имени – их не выпускает промышленность, поэтому эту схему, в отличие от принципиальной, нельзя изготовить (спаять) и протестировать.
Напоминание. Здесь входной код представлен уровнем напряжения: есть напряжение – «1», нет – «0».
Порядок построения схемы логики:
1. Имеем рабочую логическую формулу замка: 
,
– это i -й входной сигнал, т.е. на входе 5 логических (битовых) сигналов, на выходе один 
.
2. Формула показывает, что переменную надо проинвертировать, поэтому ставим инвертор НЕ в цепь этого сигнала (переменной), остальные переменные подаем на логику замка (на перемножение) напрямую.
3. Формула показывает, что пять входных переменных надо перемножить, следовательно, применим логический перемножитель пяти переменных – вентиль 5И.
4. Сигнал с выхода логики замка (логики принятия решения: правильный ключ на входе или нет) через усилитель на транзисторах, работающих в ключевом режиме, подаем на ключ-мощный транзистор, который управляет приводом (вызывает ток в индуктивности L электромагнита), который приводит в движение якорь электромагнита, являющийся задвижкой замка.
Работа: если код верен (нажаты кнопки 
), на входах вентиля 5И все единицы, произведение их (на выходе вентиля 5И) дает =1 (ВУ напряжения), усилитель открывает мощный ключ-транзистор, возникает ток в L, магнитное поле отодвигает задвижку замка (согласно правилу «левой руки»).
|
|
|
При неправильном коде =0, замок не открывается.
Напоминание: в случае реализации логики на электронных вентилях необходим усилитель мощности, т.к. выход вентиля логики маломощный – сотые доли ватта, а усилие, необходимое для отжатия пружины замка – до нескольких десятков ватт. Таким образом, для обработки одного бита информации нужна очень маленькая мощность (микроватты). Поэтому специалистов по радиоэлектронике и вычислительной технике называют «слаботочниками», а специалистов по силовым электрическим сетям – «сильночниками».
Задание 7.2.
1. Изобразить ФС (функциональную схему) замка для своего ключа, в котором логические операции выполняются на электронных вентилях.
2. Указать, сколько пальцев надо и на какие кнопки нажать, чтобы открыть замок.
|
|
|
