湖北省武昌實驗中學(xué) 傅宇翔

多路開關(guān)協(xié)同控制實現(xiàn)組合燈具多狀態(tài)回環(huán)遷移

湖北省武昌實驗中學(xué) 傅宇翔

近年來組合燈具逐步取代傳統(tǒng)的照明燈具呈現(xiàn)加速發(fā)展的趨勢。與多路開關(guān)控制傳統(tǒng)燈具的點亮/熄滅（兩狀態(tài)）相比，組合燈具存在著多路開關(guān)協(xié)同控制和多狀態(tài)回環(huán)遷移的問題。本文從時序邏輯電路的新視角提出將多路開關(guān)的切換信號匯總轉(zhuǎn)換為時序脈沖序列，驅(qū)動組合/存儲電路來解決多路開關(guān)協(xié)同控制問題。分別基于開關(guān)切換信號的循環(huán)計數(shù)、回環(huán)遷移的現(xiàn)/次態(tài)映射來解決多狀態(tài)回環(huán)遷移問題。采用門電路構(gòu)建輸出方程和狀態(tài)遷移方程，實現(xiàn)了多路開關(guān)協(xié)同控制組合燈具的預(yù)設(shè)目標(biāo)。最后通過Mutisim的仿真驗證了設(shè)計的有效性和可靠性。

多狀態(tài)回環(huán)遷移；協(xié)同控制；循環(huán)計數(shù)；時序邏輯電路

在人類的日常生活和工作中，通常遇到兩路開關(guān)協(xié)同的對單個照明燈具進(jìn)行控制的場景。例如進(jìn)入臥室，切換門口的開關(guān)點亮臥室照明燈。入睡前，切換床頭的開關(guān)關(guān)閉該臥室的照明燈。這兩個開關(guān)就像一個開關(guān)的兩個副本一樣，獨立而又默契的協(xié)同工作。目前隨著人類生活水平的提高，照明燈具不再僅僅具有開啟、關(guān)閉的兩種狀態(tài)，而是具有多種狀態(tài)如：關(guān)閉/柔和/高亮的三狀態(tài)、節(jié)能燈、日光燈與LED光帶多種組合的燈具組等[1-3]。由于燈具工作后總要回到初始狀態(tài)（例如熄滅），所以這種場景下多狀態(tài)的遷移呈現(xiàn)為回環(huán)特性。目前市面上的對于這種燈具的控制大多是基于遙控器或單個開關(guān)來操控的。能否采用多路開關(guān)協(xié)同實現(xiàn)對照明燈多狀態(tài)的回環(huán)遷移控制？這是本文旨在實現(xiàn)的目標(biāo)。

1 控制兩狀態(tài)燈具

首先回顧一下經(jīng)典的多路開關(guān)控制常規(guī)照明燈具（兩狀態(tài)）的場景。目前的主流方法是采用平行線路A和B串聯(lián)多個雙刀雙擲開關(guān)（首尾為單刀雙擲）組成兩條并行的通道A和B（如圖1所示）。這兩條通道一條為導(dǎo)通狀態(tài)，一條為阻斷狀態(tài)。當(dāng)回路上的任何一個開關(guān)進(jìn)行切換，就會使得通道A和通道B的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)多路開關(guān)對常規(guī)照明燈具的協(xié)同兩狀態(tài)控制。

這是一個典型的組合邏輯解決方案，通道A（或通道B）將多路開關(guān)的編碼映射到狀態(tài)1（導(dǎo)通）和狀態(tài)0（阻斷）。具體而言，該電路在開關(guān)連接上采用了互斥技巧：①開關(guān)、 處于上擲位，電流接入線路A；開關(guān)處于下擲位則電流接入線B；②開關(guān) 可視為兩入兩出的雙端口，開關(guān)處于上擲位則兩線路信號流交叉，開關(guān)處于下擲位則兩線路信號流平行。顯然，我們可以得到如下組合邏輯：

圖1 通過多個開關(guān)協(xié)同控制常規(guī)照明燈具

任意多路開關(guān)切換時改變了原有的奇數(shù)偶數(shù)格局，從而實現(xiàn)了多路開關(guān)對常規(guī)照明燈具（兩狀態(tài)）的協(xié)同控制。

我們也可以從另外一個視角來剖析：由于每次變換一個開關(guān)的狀態(tài)實現(xiàn)目標(biāo)狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)，所以這個組合邏輯的可視為依托格雷編碼將多路開關(guān)的全部編碼狀態(tài)分類為兩個集合，一個集合映射為狀態(tài)1，一個集合映射為狀態(tài)0。這樣當(dāng)任何一個開關(guān)進(jìn)行切換（相鄰格雷碼只有一位不同），即可實現(xiàn)了集合間的遷移，從而實現(xiàn)目標(biāo)（燈具）的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)。

通過上面的分析我們獲悉，抽取所研究問題的模式，實現(xiàn)基于開關(guān)位置無關(guān)的編碼是基于組合邏輯解決多路開關(guān)協(xié)同控制照明燈具的關(guān)鍵。由于在此類問題中，邏輯實現(xiàn)是其核心。故在本論文中后面論述中主要研究邏輯實現(xiàn)，對于驅(qū)動點亮照明燈具過程不再贅述和討論。

2 控制多狀態(tài)燈具

當(dāng)目標(biāo)（燈具）的狀態(tài)變?yōu)?個及其以上，直接對多路開關(guān)進(jìn)行位置無關(guān)的編碼、抽取映射模式將會變得比較復(fù)雜。考慮到為此本文從時序邏輯電路的視角重新解構(gòu)多路開關(guān)協(xié)同控制常規(guī)照明（兩狀態(tài)）的問題。不失一般性，可將燈熄滅狀態(tài)標(biāo)記為0狀態(tài)，開啟狀態(tài)標(biāo)記為1狀態(tài)。要求切換任意的多路開關(guān)，系統(tǒng)實現(xiàn)基于當(dāng)前狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)。其狀態(tài)方程為，其中Q(n)為現(xiàn)態(tài)，Q(n+1)為次態(tài)，這個映射用一個非門即可實現(xiàn)。需要指出的是，這里我們提出將多路開關(guān)的狀態(tài)匯總組合為時序脈沖序列（可等效視為時鐘信號），利用其邊沿（上升沿或下降沿）驅(qū)動狀態(tài)方程完成從現(xiàn)態(tài)到次態(tài)的遷移。這個視角巧妙的避開了組合邏輯方案中位置無關(guān)的編碼及抽取映射模式的難題，實現(xiàn)非常簡潔。

接來下，我們以三狀態(tài)紅/藍(lán)/黃三色LED燈為例討論如何通過多路開關(guān)協(xié)同控制照明燈具多狀態(tài)回環(huán)遷移，即實現(xiàn)紅燈-藍(lán)燈-黃燈的依次周期點亮。

2.1 時序脈沖系列

借鑒總線的思想，我們將多個轉(zhuǎn)換開關(guān)開啟/關(guān)閉過程產(chǎn)生的脈沖信號在空間上疊加，組合成一條時序脈沖序列（偽時鐘）去實現(xiàn)時序邏輯控制。理論上這個過程可通過或門來實現(xiàn)。但是機(jī)械開關(guān)在接通和關(guān)閉過程中，由于振動會使電壓或電流波形產(chǎn)生“毛刺”干擾導(dǎo)致時序邏輯電路工作出錯。我們采用基本RS觸發(fā)器來消除機(jī)械開關(guān)振動影響，繪制多路開關(guān)時序脈沖整形電路（以兩路開關(guān)為例）如圖2所示：

圖2 多路開關(guān)消抖和序列脈沖匯總

圖2所示中S5和S6是兩路兩位自復(fù)位按鈕開關(guān)，它們接到雙路RS觸發(fā)器（74LS279D）實現(xiàn)消除按鈕動作時機(jī)械振動引起的脈沖，最后通過U10或門實現(xiàn)匯總為條時序脈沖序列。注意：這里使用的是自復(fù)位開關(guān)，不同于前面的圖1的單刀雙擲開關(guān)。

2.2 狀態(tài)表達(dá)和輸出方程

普通照明燈具的僅具有開啟、關(guān)閉兩個狀態(tài)情況，可用一個二進(jìn)制位來表達(dá)。而為了實現(xiàn)對多狀態(tài)照明燈具（關(guān)閉/柔和/高亮的三狀態(tài)、紅/藍(lán)/黃三色LED燈等）的控制，則需要有兩位及以上的二進(jìn)制位來編碼期望的目標(biāo)狀態(tài)。在本文中，我們要控制三狀態(tài)紅/藍(lán)/黃三色LED燈，首先繪制編碼狀態(tài)如下表所示。

表1 三狀態(tài)LED燈編碼

在實際電子電路中，采用譯碼器（74LS139D）將系統(tǒng)內(nèi)部的編碼轉(zhuǎn)化為期望輸出端口的高電平輸出，從而點亮相應(yīng)的led燈。例如，若內(nèi)部編碼為10則Z1口輸出高電平，驅(qū)動點亮藍(lán)色led燈。顯然其輸出方程為：

內(nèi)部狀態(tài)Q= [BA]，B表示狀態(tài)Q的第1位，A表示狀態(tài)Q的第0位。顯然，輸出信號Z僅與存儲電路的狀態(tài)有關(guān)，為Moore型電路形式。

圖3 三狀態(tài)LED燈譯碼驅(qū)動電路示意

2.3 狀態(tài)方程

嚴(yán)格意義上的動態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)跳轉(zhuǎn)建模（狀態(tài)方程）同時需要當(dāng)前狀態(tài)信息和外部輸入觸發(fā)信號的信息[4]。在本文中，我們設(shè)計出兩種解決方案。一種是基于兩狀態(tài)控制的分析基礎(chǔ)上的計數(shù)器方案，一種是采用內(nèi)部狀態(tài)建模方案。

（1）計數(shù)器方案

回顧前面的多路開關(guān)控制兩狀態(tài)照應(yīng)燈的分析可知，其電路設(shè)計的核心是任意多路開關(guān)切換時改變了原有的奇數(shù)偶數(shù)格局，從而實現(xiàn)了多路開關(guān)對常規(guī)照明燈具（兩狀態(tài)）的協(xié)同控制。從時序邏輯電路的視角，我們看而將其視為對多路開關(guān)狀態(tài)切換的計數(shù)。若初始狀態(tài)偶數(shù)，若當(dāng)前計數(shù)值為偶數(shù)則照明燈點亮，若當(dāng)前計數(shù)值為奇數(shù)則照明燈熄滅。

延拓該思路到控制三狀態(tài)照明燈具的場合。同樣，三狀態(tài)觸發(fā)跳轉(zhuǎn)具有周期性，可將觸發(fā)信號按照時序（累計計數(shù)）分為劃分為：被3整除余0、余1和余2三大類（分別用右上的標(biāo)號(0)(1)(2)來表達(dá)）。具體分析回環(huán)狀態(tài)跳轉(zhuǎn)過程如下（默認(rèn)初始狀態(tài)為B(0)A(0)=00）：

當(dāng)觸發(fā)信號P(0)到來后，初始或周期初始狀態(tài)B(0)A(0)=00；

當(dāng)觸發(fā)信號P(1)到來后，B(1)A(1)=01；

當(dāng)觸發(fā)信號P(2)到來時，B(2)A(2)=10；

其時序電路狀態(tài)圖為（注：這里的輸出為內(nèi)部狀態(tài)BA）

圖4 計數(shù)器方案狀態(tài)圖

采用2個D觸發(fā)器構(gòu)成的異步計數(shù)器來實現(xiàn)上述循環(huán)。但是n個二進(jìn)制計數(shù)器只能實現(xiàn) 2n的循環(huán)。換言之，2個二進(jìn)制技術(shù)器可實現(xiàn)00-01-10-11-00的循環(huán)計數(shù)。但是對于三狀態(tài)情況下需要外加邏輯電路才能使得循環(huán)在00-01-10-00的周期執(zhí)行。具體而言，當(dāng)雙位二進(jìn)制計數(shù)器計數(shù)到11時對計數(shù)器復(fù)位，使得計數(shù)器輸出值為00重新開始一輪循環(huán)。電路連接參見圖5。當(dāng)計數(shù)狀態(tài)為11時，與門U21輸出高電平使得D觸發(fā)器U1A(1Q端)和U19A(1Q端)復(fù)位輸出值00，進(jìn)而驅(qū)動譯碼器使得紅燈色led燈點亮。后對于一般的k狀態(tài)回環(huán)遷移，均可按照此方法進(jìn)行。

圖5 計數(shù)器方案電路實現(xiàn)

接下來，我們討論采用現(xiàn)態(tài)/次態(tài)建模方案來實現(xiàn)LED燈的依次跳轉(zhuǎn)。

（2）內(nèi)部狀態(tài)建模方案

分析閉環(huán)多狀態(tài)跳轉(zhuǎn)場景，兩個前后狀態(tài)的真值表如下：

表2 變量BA的動態(tài)跳轉(zhuǎn)真值表

可得到現(xiàn)態(tài)/次態(tài)的對應(yīng)邏輯如下：搭建門電路實現(xiàn)的組合邏輯電路詳見圖6：

圖6 內(nèi)部狀態(tài)建模方案電路實現(xiàn)

其中A(n)標(biāo)記為A，B(n)標(biāo)記為B，標(biāo)記為，A(n+1)標(biāo)記為，B(n)標(biāo)記為。這一部分通過一個或門U3、一個與門U4和兩個非門U7U8建模了n時刻的狀態(tài)向n+1時刻狀態(tài)遷移的組合邏輯映射。

在時序邏輯電路中，僅當(dāng)(n)時刻向(n+1)時刻遷移時上述邏輯映射起作用，而其余時刻保持該狀態(tài)不變。為實現(xiàn)該功能，我們采用D觸發(fā)器(U5A和U6A)做隔離和鎖存。當(dāng)時鐘信號的上升沿到來時，特征方程Q(n+1)=D將組合邏輯的映射值保存，實現(xiàn)Q(n)→Q(n+1)狀態(tài)轉(zhuǎn)移如公式(3)所示。其余時刻隔離輸入端D，保持原來的狀態(tài)不變。

3 仿真實現(xiàn)與分析展望

Multisim是美國國家儀器（NI）推出的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計工作[5]。我們應(yīng)用Multisim繪制上述各功能組件并進(jìn)行仿真，實驗結(jié)果顯示我們的設(shè)計有效、可靠。對于計數(shù)器方案和內(nèi)部狀態(tài)建模方案，我們可以看出前者更加簡潔。這說明，我們不必機(jī)械地拘泥時序邏輯設(shè)計范式，而應(yīng)對所研究對象進(jìn)行深入解剖，抽取其特有規(guī)律，靈活處理才可以大大提升設(shè)計的質(zhì)量。目前的驗證是基于仿真，后續(xù)將開展實物硬件原型制作進(jìn)一步驗證其有效性。

[1]徐華.淺談?wù)彰骺刂萍爸悄苷彰骺刂葡到y(tǒng)[J].低壓電器,2008(06):4-7.

[2]劉宇,張金祥,吳洪波,等.新型組合燈具安裝技術(shù)[J].安裝,2013(12):44-45+53.

[3]張曉英.智能照明系統(tǒng)在智能建筑中的應(yīng)用[J].工程技術(shù):文摘版,00212-00212.

[4]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ) 數(shù)字部分(第四版)[M].北京:高等教育出版社,2000.

[5]孟海濤.MUTISIM10.0在電工電子教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2011(7):50-50.

Realization of multistate loopback transition of combined lamps by synergic control of multiplex switch

Fu Yuxiang
（Hubei Wuchang Experimental High School）

Recently,combination lamps gradually replace traditional lighting fixtures，showing a trend of accelerated development.Compared with situation which multiplex switches control the lighting and extinguishing(two states)of the traditional lamps，the combination lamps have the problems of multiplex switches synergic control and multi state loopback transition arise.From the new point of view of sequential logic circuits，we propose a method which aggregates the switching signals of multiplex switches into sequential pulse sequences and drives combinational/storage circuits to solve the cooperative control problem of multiple switches.Based on the cycle counting of all switching signals and the present/secondary state mapping of loopback transition，the problem of multistate loopback transition is solved in two ways.The output equation and state transition equation are constructed by using gate circuit，and the preset objective of multi switch cooperative control of combined lamps is realized.Finally，the validity and reliability of the design are verified by Mutisim simulation.

multistate loopback transition；synergic control；cycle count；sequential logic circuit