摘 要：音樂教室控制臺在音樂教學中可實現(xiàn)一對多的輪流指導，具有非?，F(xiàn)實的意義。借助于軟件Proteus的原理圖設(shè)計與仿真的超強功能，來完成音樂教室控制臺的設(shè)計與實現(xiàn)，展示了Proteus在數(shù)字電路設(shè)計方面的完美功能，它不僅僅是專門為單片機而開發(fā)的軟件，在模、數(shù)電設(shè)計與仿真方面毫不遜色于常用的Multisim等軟件。詳細闡述了音樂教室控制臺的設(shè)計思路及各部分電路的設(shè)計分析和電路仿真，并給出了更經(jīng)濟和更易實現(xiàn)的改良電路。

關(guān)鍵詞：EDA;子類;可逆計算器;數(shù)據(jù)分配器

中圖分類號：TP337文獻標識碼：B文章編號：1004373X(2008)1909804

Design of Music Classroom Control Platform Based on Proteus

WANG Zhikui，ZHU Qinghui

(Nanyang Insititute of Technology，Nanyang，473004，China)

Abstract：Music classroom control platform can implement that one teacher directs more students in turn with very important practical meaning.This paper performs the design and debug of music classroom control platform by using of Proteus′strong function in sketch design and simulation，exhabitting the perfect functions of Proteus in digital circuits design.Proteus is not only used for MCU but also for analog and digtal circuits.The design thought and each part of the circuits′design and simulationare given in the paper，and also the circuit which has been renewed and be more ecnomic.

Keywords：EDA;sub-category;up/down conunter;demultiplexer

1 引 言

Proteus 軟件是由英國 Lab Center Electronics 公司開發(fā)的EDA工具軟件，它集電路設(shè)計、制版及仿真等多種功能于一身，是目前世界上最先進、最完整的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與仿真平臺。它是一種可視化的支持多種型號單片機(如51，PIC，AVR，Motorola hcll等)、并且支持與當前流行的單片機開發(fā)環(huán)境(Keil，MPLAB，IAR)連接調(diào)試的軟硬件仿真系統(tǒng)——Proteus。Proteus除了具有和其他EDA工具一樣的原理圖、PCB自動或人工布線及電路仿真功能如數(shù)字電路、模擬電路外，針對微控制系統(tǒng)與外設(shè)的混合電路的電路仿真、軟件仿真、系統(tǒng)協(xié)同仿真做到了一體化和互動效果，是目前電子設(shè)計愛好者廣泛使用的電子線路設(shè)計與仿真軟件Protel 和Mulsim功能的聯(lián)合和進一步的擴展。

它包含以下應用軟件：

ISIS——智能原理圖輸入系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計與仿真的基本平臺;

ARES——高級PCB布線編輯軟件。

在Proteus中，從原理圖設(shè)計、單片機編程、系統(tǒng)仿真到PCB設(shè)計一氣呵成，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。

音樂教室控制臺是數(shù)字邏輯電路中一個比較新穎的題目，它主要用了可逆計數(shù)器和數(shù)據(jù)分配器，加強了數(shù)字組合邏輯電路中非常重要的兩個環(huán)節(jié)的應用。如果利用傳統(tǒng)的設(shè)計方法，會在反復調(diào)試及電路的改新等方面浪費時間和元件，使設(shè)計周期加長，成本增高。而使用Proteus軟件的ISIS功能，能夠快捷方便地圓滿完成題目的設(shè)計要求。

本設(shè)計需完成以下功能：

(1) 教師和學生各在一個屋，要求教師對學生通過語音進行課堂指導，可任意指定要指導的學生，也可按順序指導，共有學生40名。

(2) 教師所在的屋設(shè)有數(shù)碼顯示以顯示每個學生的代號(00~39)，并設(shè)有拔碼開關(guān)，可設(shè)置要單個指導的學生代號或輪流指導的初始學生代號。

(3) 單個指導時，指導時間由教師決定，輪流指導時時間可調(diào)。

(4) 輪流指導時，可正序和反序兩種方式。正序從N~39，再返回N；反序從N~N-1，直到00，再返回N。

2 題目分析與設(shè)計

本題目采用兩片74LS190可逆計數(shù)器來計00~39個數(shù)，采用4片74HC154譯碼器(4-16)作數(shù)據(jù)分配器，接40個發(fā)光二極管來模擬學生端收到的信號，本題只進行單向信息傳送，如果要實現(xiàn)雙向信息傳送，即教師也可聽到學生彈琴或視唱，則需另加其他電路，這里暫不考慮。

2.1 計數(shù)電路

計數(shù)電路是本題目設(shè)計的難點和重點。主要包括兩位十進制加減計數(shù)器的級連、預置數(shù)電路中撥碼開關(guān)的模擬、手動置數(shù)和自動加減計數(shù)電路的實現(xiàn)及顯示電路。

先不考慮預置數(shù)這部分。首先把兩個74LS190連接成同步的100進制計數(shù)器，即把兩個芯片的時鐘接在一起，把個位的計數(shù)終端輸出RCO接到十位的使能端上，因為一個是0~9或9~0時輸出負脈沖，一個是輸入低電平有效。

兩片74LS190應具有同樣的計數(shù)方式。所以把二者連接在一起，接到一個兩位開關(guān)上，當開關(guān)接高電平時，減計數(shù)；當開關(guān)接地時，加計數(shù)。

預置數(shù)端PL低電平有效。此題有手動和自動兩種方式，手動置數(shù)時，教師在置數(shù)電路中先置一個數(shù)比如20號學生，再把手動/自動預置數(shù)開關(guān)撥到低電平，直接使PL=0，把20裝入到計數(shù)器中，計數(shù)器不進行計數(shù)，一直保持目前狀態(tài)，直到PL=1為止。在這段時間內(nèi)認為教師指導20號學生，表示該生接收信息的對應發(fā)光二極管會一直亮。

當自動置數(shù)時，又分加計數(shù)和減計數(shù)兩種情況。加計數(shù)時，從N計到40時，給出一個低電平信號使PL有效，裝入提前設(shè)置好的數(shù)N；減計數(shù)時，減到00后，再減一個數(shù)變成99，此時要產(chǎn)生一個低電平信號使PL有效，裝入提前設(shè)置好的數(shù)N，再接著進行減計數(shù)。

通過以上的分析，連接成如圖1所示的電路。雙聯(lián)開關(guān)同時用于選擇加/減計方式和加減計數(shù)時產(chǎn)生的不同的PL信號，反送給PL。

由于加計數(shù)時計到40返回N，所以只需把十位的Q2反相后給PL即可；減計數(shù)時減到00后是99，要99通過預置數(shù)變成N。十位為9，而加計數(shù)時十位最大為4不會計到9，所以可以用9來生成一個減計數(shù)時的預置數(shù)信號，而個位的9在加計數(shù)過程中并不也會出現(xiàn)，所以不用。又因十位減計數(shù)時先9后8，所以為了省一根線我們直接把十位的Q3經(jīng)反相器接到PL上，并不表示8，因為9時Q3也為1。

2.2 撥碼電路

撥碼電路實際是由排電阻和排開關(guān)串聯(lián)組成的，前面搶答器電路中已經(jīng)用到了類似的電路。

Proteus 中的8路排電阻位于RESISTOR類中的Resistor Packs子類中，8路排開關(guān)RP1位于Switches Relays類中的Switches子類中。把排電阻和排開關(guān)一一串接后，開關(guān)一端接地，電阻公共端接5 V電源，而中間的引出端分別接74LS190的預置數(shù)輸入端D0~D3，如圖1所示。實際應用中的排阻取值為150 kΩ。

2.3 數(shù)據(jù)分配電路

這一部分電路完成學生端對教師信號的接收，并對應一一顯示。我們知道74HC154是4-16線譯碼器，但是它通過和使能端的配合能完成數(shù)據(jù)分配器的功能。

此題目中，在教師的指導過程中，當學生的編號顯示出來的同時，對應的40個發(fā)光二極管中的某一個要點亮，表示該學生正在接收教師的指導。

把發(fā)光二極管接在74HC154的輸出端，把學生的編號接在74HC154的輸入端。因為學生的編號為BCD碼，故譯碼輸出0~9有效

，每個74HC154只能接10個發(fā)光二極管，如圖2所示。

74HC154的兩個使能端E1和E2，一個用作片選信號，來自2-4線譯碼器74LS139；另一個接教師的模擬指導信號，這里用低電平表示。當開關(guān)合上時，信號有效，當開關(guān)打開時，信號無效。

74HC154的BCD碼輸入端DCBA應該接學生編號的個位數(shù)Q3Q2Q1Q0(來自計數(shù)器74LS190的個位)，比如3，74LS139的二進制碼輸入端BA應接學生編號的十位數(shù)的的Q1Q0(來自計數(shù)器74LS190的十位)，因為學生編號的十位不大于3，故只接低兩位即可。

圖2中74LS139的輸入BA=11，74HC154的輸入DCBA=0011，教師信號E2=0有效，故此時數(shù)顯的數(shù)應該是33，而點亮的二極管應該是第33號。因為U9是第四片74HC154，它的發(fā)光二極管的排號應該從30~39。其他三片的DCBA及E2應該分別和此片相應信號并聯(lián)，片選信號E1應分別接74LS139的Y0，Y1，Y2，二極管編號分別從00~09，10~19，20~29。

因為每個74HC154并排接十個發(fā)光二極管，所以

這里的發(fā)光二極管也采用條狀LED顯示比較方便，它位于Proteus的Optoelectronics類中的Bargraph Displays子類中。因為74HC154輸出低電平有效，所以要

把LED-BARGARPH-RED左右鏡像(可點右鍵操作)后再連接。像這樣的多排水平等距連接，只要連接好第一根線，其他的連接只要在起始點雙擊鼠標左鍵即可實現(xiàn)，非常方便。另外，由于條狀LED顯示管腳上的編號分布較密，從74HC154向它連線如不方便，也可反過來從右到左連接，同樣可以使用剛才介紹的方便連線方法。

2.4 定時電路

定時電路是指的教師輪流指導學生時，每個學生指導時間的產(chǎn)生電路，即74LS190計數(shù)器的時鐘的周期。因為時間要能調(diào)整，可以用555定時器組成頻率可調(diào)的多諧振蕩器，來作計數(shù)器的時鐘。 但由于此題中學生人數(shù)(40)較多，如果每位學生指導10 min，電路運行時間會很長，所以電路仿真時，我們直接用數(shù)字脈沖源作為計數(shù)器的時鐘，實際應用中可改為555電路。具體定時電路略。最后的完整仿真電路圖如圖3所示。

為了節(jié)約集成芯片74HC154，可采用圖4所示的顯示部分電路。圖中只用了1片74HC154，該芯片的輸入端接法不變，仍和圖3一樣，但輸出端同時驅(qū)動40個發(fā)光二極管。每10個發(fā)光二極管一組，第一組編號為00~09，第二組編號為10~19，第三組編號為20~

29，第三組編號為30~39。

74HC154的每一路輸出接4個發(fā)光二極管，比如輸出0接發(fā)光二極管00，10，

20，30，分別為4個組中的第一個發(fā)光二極管。 2-4譯碼器74LS139的4個輸出

經(jīng)反相器74LS00驅(qū)動后分別接四組發(fā)光二極管的共陽極端，

從而達到第一時刻只點亮一個發(fā)光二極管，同樣達到設(shè)計目的，但卻大大節(jié)約了元件成本，起到事半功倍的效果。

3 結(jié) 語

利用Proteus來設(shè)計和仿真此題目可做到快捷方便、節(jié)約時間和成本，并且具有較高的成功率和容易產(chǎn)生創(chuàng)新思維等優(yōu)勢。

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作者簡介 王志奎 男，1966年出生，副教授，南陽理工學院任教。主要研究方向為數(shù)控及自動化技術(shù)。