Глава 6. Дешифратор команд движения и поворота

После завершения работы, описанной в этой главе, функциональная блок-схема Бастера будет выглядеть, как показано на рис. 6.1. Это почти полностью законченная модель Бастер I; прибавив простую панель управления, которая описана в конце главы, вы сможете задавать Бастеру почти те же действия, которые выполняет завершенная модель Бастер III.

Рис. 6.1. Схема соединений дешифратора команд движения и поворота

Включение в систему управления дешифратора команд движения и поворота знаменует собой отход от использовавшихся до настоящего времени принципов управления. За исключением небольшого числа автоматически управляемых действий в системе управления поворотом, каждое действие Бастера управлялось отдельно с помощью соответствующего тумблера. Дешифратор команд кладет конец такому принципу управления раз и навсегда, реализуя управление на основе двоичных управляющих слов.

Преобразователь принимает только четыре входных сигнала, но различные комбинации этих четырех сигналов с двумя состояниями могут дать на выходе 16 различных команд. Каждая комбинация четырех входных сигналов вызывает определенный набор действий в схемах управления движением и поворотом Бастера.

У читателя, незнакомого с цифровой техникой, может возникнуть вопрос, зачем использовать в Бастере команды такого формата, который оказывается неоправданно усложненным? Зачем возиться с новым форматом, если привычная простая переключающая схема делает все, что необходимо? Ответ ясен: простота. Однако этот ответ заслуживает некоторого пояснения.

Перевод системы управления Бастера на 4-разрядные управляющие слова вначале создает некоторые трудности. Во-первых, оператор должен запомнить двоичные коды соответствующих команд или постоянно отыскивать их в списке (табл. 6.1). Всякий раз, когда вы хотите, например, задать Бастеру быстрое движение вперед, вы должны задать двоичное слово 1111. Для движения вперед с крутым поворотом вправо следует задать 1010.

Таблица 6.1. Список управляющих слов Бастера

Если вы привыкли к использованию дискретных систем управления, вам будет легко задавать команды вышеописанным способом. Тот, кому это покажется неудобным, может подключить одну из панелей управления, описываемых в гл. 7, которые переводят названия команд на естественном языке в двоичные управляющие слова.

Истинной причиной перехода к управлению Бастером с помощью 4-разрядных кодов является стремление в дальнейшем упростить возможность наращивания схемы новыми блоками. Хотя дешифратор команд может показаться излишним усложнением модели Бастер I, к тому же удорожающим ее, он значительно уменьшает сложность и стоимость дальнейших моделей.

Опытный инженер мог бы возразить против формата 4- разрядных управляющих слов на том основании, что это ограничивает возможный набор действий Бастера 16 действиями. Это, разумеется, справедливо, однако оказывается, что 16 действий, перечисленных в табл. 6.1, вполне достаточно для того, чтобы машина попала в бесконечное множество ситуаций и вышла из них, а это и есть наша основная цель.

Принципы построения дешифратора команд

Все команды дешифратора собраны в табл. 6.1. В столбце "двоичный" приведены двоичные разряды на входе дешифратора в стандартной последовательности 8-4-2-1, а в столбце "содержание" перечислены соответствующие действия Бастера. Связь между ними и двоичными кодами не является совершенно произвольной. К примеру отметим, что бит 8 равен О для всех действий, совершаемых при движении назад, в то время как для движения вперед этот разряд равен 1. Такой выбор в значительной степени упрощает логическую схему.

Заметим также, что скорость пропорциональна числу в разрядах 4-2-1: стоп - 000, медленно - 001, средняя скорость - 011 и быстро - 111. Бастер движется вперед или назад с этими скоростями в зависимости от состояния старшего разряда.

Оставшиеся восемь управляющих слов задают различные повороты. Дешифратор команд построен таким образом, что все крутые повороты осуществляются на малой скорости, а обычные - на средней. Такая связь не является обязательной для Бастера I, но Бастеру III она обеспечивает значительно более плавные движения в режиме поиска.

В столбце "сокращение" приведены сокращенные названия команд. Эти названия используются в схемах, блок-схемах и на панелях управления.

Столбец "десятичный" содержит десятичные эквиваленты двоичных управляющих слов. Такая запись используется при рассмотрении работы второго варианта дешифратора команд; кроме того, некоторым, может быть, удобнее думать в десятичных, а не в двоичных числах и пользоваться ими.

Таблица истинности, описывающая работу преобразователя, приведена в табл. 6.2. Столбец "вход" повторяет предыдущую таблицу, а в столбце "команда" перечислены все команды Бастера. В оставшихся столбцах таблицы представлены 10 различных управляющих сигналов, задающих работу секций управления движением и поворотом. Это те же самые сигналы, которые использовались для проверки и управления Бастером на более ранних этапах его создания.

Таблица 6.2. Таблица истинности дешифратора команд движения и поворота

Из табл. 6.2 видно, что при подаче на вход дешифратора двоичного числа 0110 (RSLT) на шинах SLT, R и MED должны появиться высокие уровни, а на остальных выходах потенциалы должны быть низкими. Другими словами, подача команды 0110 должна вызывать появление таких сигналов, по которым Бастер будет поворачивать налево (SLT), двигаясь назад (R) со средней скоростью (MED). Для начинающего весьма полезно проанализировать каждую команду; это дает некоторый опыт и служит введением в управление с помощью двоичной логики.

В настоящей главе описываются две возможные реализации дешифратора команд движения и поворота. Обе схемы делают одно и то же и имеют одни и те же входы и выходы. Различия заключаются лишь в схемной реализации.

В первом варианте схема построена по принципу непосредственного преобразования двоичного слова на входе в соответствующий набор выходных сигналов. Основной недостаток этой схемы состоит в том, что для нее требуется 6 корпусов интегральных микросхем и печатная плата с двусторонней печатью. Кроме того, входные сигналы должны поступать как в прямом, так и в инверсном коде.

Схема второго варианта не требует двусторонней печатной платы и инвертированных входных сигналов. Такое упрощение схемы становится возможным благодаря применению микросхемы - дешифратора двоичного кода.

Стоимость обоих вариантов составляет около 4 долл., так что она не является определяющим аргументом в пользу той или иной схемы. Первоначально я разработал более сложную схему и по-прежнему использую ее в работающей модели Бастера. Межэлементные соединения во второй схеме проще расположить на печатной плате, и она больше подходит тем, кто не собирается значительно модифицировать формат управления в дальнейшем.

Первый вариант дешифратора команд движения и поворота

Логические уравнения для первого варианта естественным образом следуют из табл. 6.2. Проведем подробный вывод этих уравнений; в окончательном виде они собраны в

Таблица 6.3. Логические уравнения первого варианта схемы дешифратора

табл. 6.3. Можно сразу воспользоваться готовыми результатами, но весьма поучительно проследить за выкладками:

Из табл. 6.3 нетрудно заметить, что сигналам поворота, а также FAS и SLO соответствуют очень похожие уравнения, содержащие одну логическую операцию ИЛИ над тремя младшими разрядами двоичного числа на входе. Для вычисления сигналов SLO и MED требуется несколько более сложная схема.

Практические соображения по конструированию первого варианта схемы дешифратора

Схема дешифратора приведена на рис. 6.2. В ней использовано 5 строенных вентилей 3И-НЕ типа 7410 и одна микросхема 7404, содержащая 6 инверторов. Ввиду довольно большого количества микросхем и сложных соединений между ними целесообразно использовать плату с двусторонней печатью. Можно, конечно, воспользоваться и односторонней платой, если вас не смущает необходимость включить в схему некоторое количество перемычек.

Рис. 6.2. Схема первого варианта дешифратора команд движения и поворота. ИС1-ИС5 - 3-3И-НЕ 7410, ИС6 - 6-НЕ 7404

Автономная проверка платы

Перед тем как: включить схему дешифратора в систему управления Бастера, ее следует проверить автономно. Руководством по проверке может служить табл. 6.4. Проверка состоит в том, что на вход подаются различные комбинации 0 и 1 (земля и +5 В), и замеряется напряжение на каждом выходе. Например, соединение входов 1, 2, 4 и 8 с шиной +5 В, а входов 1, 2, 4 и 8 - с земляной шиной должно привести к появлению высокого потенциала на выходах F и FAS и близкого к нулю потенциала на остальных выходах.

Таблица 6.4. Логические уравнения второго варианта схемы дишифратора

Для устранения неисправностей в дешифраторе можно следить за состоянием соответствующих входов и выходов на плате, пользуясь полной схемой дешифратора, приведенной на рис. 6.2.

Законченную и проверенную плату установите в соответствии с рис. 6.1.

Второй вариант схемы дешифратора команд

Эта схема использует обычный интегральный дешифратор двоично-десятичного кода, который выполняет большую часть логических преобразований. Общим результатом этого является уменьшение сложности схемы и возможности сделать ошибки в проектировании печатной платы.

В моей первой разработке Бастера я не воспользовался этим упрощением просто потому, что эта мысль не пришла мне в голову. Интегральный дешифратор приводится в каталогах как выходная микросхема для десятичных индикаторов - он переводит обычный двоично-десятичный код в 10 сигналов управления низковольтными светящимися индикаторами.

Использование дешифратора основано на формате кода в табл. 6.1. Действительно было бы трудно использовать двоично-десятичный дешифратор, если бы я не спланировал формат кода так тщательно. Это может служить наглядным примером того, что часто стоит строить такие коды логически. Можно было бы сделать код совершенно произвольным способом, и при этом первый вариант дешифратора не стал бы значительно сложнее. Но я спланировал код упорядоченным образом, не зная заранее, что он так хорошо впишется в другую (и более простую) схему преобразования.

Основные логические уравнения второго варианта дешифратора приведены в табл. 6.4. Фактически это те же самые уравнения, что и в табл. 6.3 для первого варианта дешифратора; но они записаны в десятичном, а не в двоичном виде. Например, в двоичном виде HRT записывается как 4-2-1, в десятичном виде этот же сигнал записывается как число 2. На вход дешифратора по-прежнему поступает двоичный код, но благодаря интегральному дешифратору логические уравнения во втором варианте выглядят значительно проще, чем в первом.

Окончательная схема второго варианта дешифратора приведена на рис. 6.3. Отметим, что старший разряд поступает прямо на выход R. Нет никакой необходимости подавать этот разряд на микросхему дешифратора; в результате этого приема для дальнейшей экспериментальной работы остаются свободными один вход (Х_i) и два выхода (Х₈ и Х₉).

Рис. 6.3. Схема второго варианта дешифратора команд движения и поворота. ИС1 - дешифратор десятичного кода 7442, ИС2 - 6-НЕ 7404, ИС3 - 3-3И-НЕ 7410

Для вычисления сигналов SLO и MED используются два вентиля 3И-НЕ и связанные с ними инверторы, на входы которых поступают выходы интегрального дешифратора.

Спаянную схему следует автономно проверить, как это было описано для первого варианта преобразователя. После проверки законченная схема устанавливается в соответствии с рис. 6.1.

Панель управления для дешифратора команд движения и поворота

Хотя панелям управления посвящена вся следующая глава, можно с уверенностью сказать, что вам не терпится включить дешифратор как можно скорее и проще. Панель управления, которая описывается здесь, можно собрать за час или меньше. Хотя она и не дает некоторых удобств, которыми обладают законченные панели управления, с ее помощью Бастер будет двигаться с новым двоичным форматом управления.

На рис. 6.4 приведена схема этой временной панели управления. Схема состоит из четырех тумблеров с двумя парами контактов, с которых на вход платы дешифратора команд поступают прямые и инверсные сигналы. Если тумблеры установлены, как показано на рис. 6.5, крайний левый тумблер соответствует старшему разряду, следующий тумблер - следующему разряду и т. д. Распайка должна быть сделана так, чтобы, когда тумблер установлен в верхнее положение, неинвертированные сигналы имели высокий уровень.

Рис. 6.4. Схема временной панели управления дешифратора команд движения и поворота

Рис. 6.5. Расположение тумблеров на панели управления

В первом варианте схемы дешифратора необходимы как прямые, так и инверсные значения каждого двоичного разряда. Если вы пользуетесь вторым вариантом схемы дешифратора, распаивать инверсные значения разрядов не требуется.

Панель управления можно изготовить из применявшихся ранее временных панелей управления или из пластинки дюраля размером 10X15 см. Панель управления соединяется с платой дешифратора команд посредством двухметрового кабеля.

Установив временную панель управления, задайте Бастеру различные команды и заметьте его реакции на них. Сравните это с содержимым табл. 6.1. (В это время стоит начать запоминать команды.

С этого момента исключается возможность одновременной подачи противоречивых команд, например одновременного поворота налево и направо.