Đồ án Thiết kế hệ thống khoá có mã hoá dựa trên các nguyên lý kỹ thuật số logic cơ bản

1 Lời nói đầu Trong lĩnh vực Điện tử và Thông tin,Kỹ thuật số đóng vai trò vô cùng quan trọng.Do đó việc tìm hiểu và nghiên cứu vấn đề đó là rất cần thiết đối với sinh viên Khoa Điện tử. Đồ án môn Thiết kế mạch Logic sẽ giúp sinh viên khoa Điện tử viễn thông nắm vững được kiến thức về Kỹ thuật số,khả năng tự tìm tòi nghiên cứu các hệ thống số .Sử dụng các kiến thức về Kỹ thuật số logic có thể thực hiện nhiều bài toán có tính ứng dụng thực tiễn cao. Đồ án của em là bài toán thiết kế Hệ Thống Khoá Có Mã Hoá dựa trên các nguyên lý Kỹ thuật số logic cơ bản.Đây mới chỉ là những bước thiết kế hệ thống trên cơ sở lý thuyết nên sẽ không tránh khỏi nhưng sai sót,hy vọng em có điều kiện cụ thể hoá bài toán hơn nữa . Em xin cảm ơn thầy vì đã cho em những ý kiến rất quan trọng để hoàn thành đồ án này. Sinh viên : Nguyễn Việt Hùng. 2 Mục lục Lời nói đầu 1 Mục lục 2 Phần I Giới thiệu chức năng hệ thống 3 Phần II Sơ đồ khối và vận hành hệ thống 1. Sơ đồ khối 4 2. Vận hành hệ thống 4 Phần III Chức năng và nguyên lý các khối 1. Hệ thống phím và tạo mã 6 2. Giải mã 11 3. Phân kênh 11 4. Chốt 17 5. Hiển thị 19 6. Thiết lập Password 20 7. So sánh 22 8. Báo động 24 9. Khoá 28 Phần IV Kết luận 29 Phần V Sơ đồ mạch của toàn hệ thống Phần I : Giới thiệu chức năng hệ thống. 3 Đây là hệ thống bật tắt có mã hoá,được sử dụng trong các hệ thống khoá cần tính bảo mật cao.Ví dụ như: cửa của một căn hộ,một nhà kho,một hệ thống máy móc hoạt động cần mang tính riêng tư hay bảo mật... Muốn mở khoá,thông qua bàn phím và đèn hiển thị,người sử dụng nhập Password vào và nhấn phím mở khoá,khoá sẽ mở.Muốn đóng khoá thì nhấn vào phím đóng.Người sử dụng có thể sửa lại số đã nhập bằng cách dùng các phím sang phải hay trái để điều chỉnh.Người sử dụng chỉ có thể mở khoá nếu nhập đúng Password đã được thiết lập trước đó.Nếu nhập Password vào 3 lần mà không mở được khoá thì hệ thống sẽ bị treo trong một khoảng thời gian 30 phút đồng thời hệ thống báo động sẽ được kích hoạt,nhờ đó tính bảo mật sẽ được nâng cao.Việc thiết lập Password cho khoá tuỳ thuộc vào người sử dụng,đảm bảo bí mật và an toàn.Chỉ có thể thay đổi Password nếu đã nhập đúng Password cũ. Phần II : Sơ đồ khối và vận hành hệ thống. 4 1.Sơ đồ khối: Sơ đồ khối hệ thống ( Hình 1 ) bao gồm 9 khối,các khối có nhiệm vụ và chức năng khác nhau nhưng có liên hệ với nhau qua các tín hiệu. 2.Vận hành của hệ thống. Qua phần phân tích chức năng và sơ đồ khối của hệ thống khoá có mã hoá ta có thể mô tả hoạt động của hệ thống như sau: Khoá đang ở trạng thái đóng ,muốn mở khoá,nhờ các phím số ta nhấn vào đúng Password đã thiết lập trước đó (password bao gồm 6 chữ số bất kỳ trong khoảng từ 0 đến 9).Mỗi lần nhấn phím để nhập số,nó sẽ phát ra một mã của phím đó ở dạng nhị phân,mã gồm 4 bit,mã này qua mạch giải mã 7 khe,qua bộ phân kênh để đưa tới mạch chốt và tới bộ giải mã 7 khe để hiển thị.Tiếp tục nhập vào các số tiếp,nhờ có bộ phân kênh nên nó sẽ được hiển thị ở đèn tiếp theo và mã của nó sẽ bị chốt ở một mạch chốt tương ứng,cứ tiếp tục nhập cho đến hết mã.Khi phím Hình 1 Tạo Mã Giải Mã Phân Kênh Chốt Hiển Thị Lập Password So sánh Khoá Báo Động 5 OPEN được nhấn nó xét tín hiệu mang dấu hiệu so sánh từ khối So Sánh,khối này có nhiệm vụ so sánh mã số vừa nhập có đúng với Password đã thiết lập không,nếu sai mà người sử dụng tiếp tục nhấn OPEN đến 3 lần thì khối Báo Động sẽ bị kích hoạt,hệ thống báo động sẽ kéo dài trong một khoảng thời gian 30 phút ,đồng thời khoá sẽ bị treo.Sau khoảng thời gian 30 phút đó hệ thống mới làm việc bình thường.Nếu Password đã được nhập đúng nhấn phím OPEN mạch khoá sẽ mở,khoá vẫn mở mặc dù lúc này ta thay đổi dãy số nhập vào khác với Password.Khoá chỉ đóng khi ta nhấn tiếp phím CLOSE. Khi muốn thay đổi Password người sử dụng phải nhập vào đúng Password cũ,khi đã nhập đúng ,nhấn vào phím CODING và tiến hành nhập mã mới.Giá trị Password này sẽ được lưu khi ta nhấn vào phím SAVE. Phần III : Phân tích chức năng và nguyên lý của các khối . 6 1.Hệ thống phím và tạo mã. Sơ đồ của bàn phím được bố trí trên Panel như sau: Nhiệm vụ của khối Tạo Mã chỉ dùng để tạo mã cho các số,trên sơ đồ bàn phím có chứa các phím điều khiển các hoạt động của hệ thống,các phím này không cần tạo mã, sẽ được xét đến ở các khối khác,và các phím số dùng để nhập Password.Các phím có chức năng điều khiển dùng để : khởi động mở/đóng khoá,lựa chọn đèn sáng hiển thị,thiết lập Password. Trước hết ta hãy xét thao tác nhấn phím:Các phím là tập hợp các công tắc kiểu tiếp xúc cơ khí,có gắn bộ phận đàn hồi do vậy một chu trình thực hiện thao tác với phím bao gồm cả nhấn và nhả phím mà phần trước và sau này ta chỉ gọi là thao tác nhấn phím.Nếu xem các công tắc có sự tiếp xúc tốt thì mỗi lần nhấn chỉ là 1 quá trình bật/tắt,nếu kém sẽ gây ra nhiều chu trình nhấn và làm hệ thống làm việc không chính xác.Một đặc điểm của các phím : các phím là phím kép mà ta sẽ xét trong các khối cụ thể sau. SW PUSHBUTTON Hình 2 0 321 4 6 85 7 9 Save CodingCloseOpen 7 Khối Tạo Mã dùng nhập Password và tạo mã cho các số:Trên bàn phím của hệ thống gồm 16 phím, trong đó có 10 phím số do vậy chỉ cần 4 bit để mã hoá cho các phím số đó.Ta mã hoá các phím số theo bảng : Phím 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 Mã 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 Như vậy các phím từ 0 đến 9 được mã hoá thành nhị phân theo số thập phân. Mỗi khi nhấn 1 phím sẽ có một mã bàn phím được truyền lên bus bàn phím đưa tới mạch chốt và hiển thị.Khi nhấn phím ,thao tác đó không chỉ tạo mã các số mà còn có tác động điều khiển các khối khác mà ta sẽ xét ở sau(Ví dụ như điều khiển khối Phân Kênh,khối Chốt). Để tạo mã các phím như bảng ,ta có thể sử dụng nhiều cách,có thể sử dụng các FF để mã hoá: dùng 4 FF_JK ,mỗi FF sẽ mã hoá 1 bit.Ta có bảng trạng thái của FF_JK như hình trang sau(Hình 3),qua bảng ta nhận thấy FF sẽ truyền dữ liệu khi có đột biến âm vào chân CLK của nó. Lợi dụng tính chất đó ta có thể tạo nên một tổ hợp bit cho mỗi lần nhấn phím bằng cách nối các chân J,K của các FF các mức điện áp thích hợp. K J Q FF JK 8 CP J K Q /Q Chú Thích Đột biến âm 0 0 Q /Q Không đổi Đột biến âm 0 1 0 1 Đột biến âm 1 0 1 0 Truyền DL Đột biến âm 1 1 /Q Q Đảo 1 X X Q /Q 0 X X Q /Q Không đổi Ta xét cách tạo mã cho số 3 thập phân: Khi phím số 3 được nhấn chính là công tắc được bật và tắt tạo nên các đột biến âm ở chân CLK của các FF ,do các đầu J,K đã được nối hoặc là đất hoặc là +5V nên khi đó các đầu ra Q của các FF sẽ là mức logic tương ứng.Các mức logic này tạo thành 4 bit mã của phím số 3 là 0011 .Một cách tương tự ta có thể tạo mã cho các phím khác .Như vậy,để tạo mã cho 10 phím số cần một ma trận 4x10=40 Flip Flop JK .Tuy nhiên cách tổ chức này không thực tế ,trong việc thiết kế sử dụng các linh kiện thông thường tổ hợp 40 FF làm kích thước mạch rất lớn. Hình 3 9 Một giải pháp thực tế hơn là thiết kế hoặc sử dụng một mạch tạo mã ưu tiên(Priority Encoder):nếu tại một thời điểm có thể có nhiều đầu vào ở mức tích cực thì mạch sẽ tạo ra mã của đầu vào được ưu tiên tại thời điểm đó.Trong việc tạo mã các số của hệ thống này,sử dụng IC đã được thiết kế sẵn thích hợp hơn.Do đó ta sẽ dùng IC 74147 10 to 4 line Priority Encoder ,bảng trạng thái của nó(Hình 4): 1 2 3 4 5 6 7 8 9 D C B A 1 1 1 1 1 1 1 1 1 X X X X X X X X 0 X X X X X X X 0 1 X X X X X X 0 1 1 X X X X X 0 1 1 1 X X X X 0 1 1 1 1 X X X 0 1 1 1 1 1 X X 0 1 1 1 1 1 1 X 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 IC 74147 có 9 đầu vào từ 1 đến 9 và 4 đầu ra A,B,C,D.Nhìn vào bảng trạng thái của nó ta thấy 4 đầu ra phải nối với một cổng đảo thì mới đúng với dạng mã các số mà hệ thống yêu cầu. Khi đầu vào 1 có logic 0,các đầu vào còn lại có logic 1 thì tín hiệu ra ứng với tổ hợp bit 1110(DCBA ),nếu cho qua cổng đảo sẽ là 0001 chính là mã của số 1. Khi đầu vào 5 có logic 0,các đầu 6,7,8,9 có logic 1 thì tín hiệu ra ứng với tổ hợp bit 1010,qua cổng đảo sẽ là 0101 chính là mã của số 5. Các số khác cũng tương tự,như vậy ta chỉ việc ghép nối IC này với hệ thống các phím.Do tác động phím là đóng ngắt ,mỗi khi có thao tác nhấn đầu ra của IC sẽ có tổ hợp mã,khi nhả phím tín hiệu sẽ trở về trạng thái 0 ban đầu, yêu cầu tín Hình 4 10 hiệu vào cho các LED hiển thị không bị mất đi khi nhả phím ,cần phải có 1 mạch chốt trước các LED.Ta có sơ đồ tổ chức tạo mã cho các số(Hình 5): Các mạch chốt chỉ mở nhận mã của phím nếu có sự kiện nhấn phím,và đóng khi nhả phím. Để tạo mã cho phím số 0 ,vì trạng thái ổn định ra của khối Tạo Mã luôn là 0000 nên chỉ cần tạo phím mà khi nhấn sẽ mở các mạch chốt(xét ở khối Chốt). Đối với các phím có chức năng điều khiển : Phím OPEN dùng để điều khiển mạch mở khoá sau khi đã nhập đủ Password.Muốn đóng khoá thì sử dụng phím CLOSE. Hai phím sang phải và sang trái để điều khiển lựa chọn vị trí số cần nhập,nhờ đó dễ dàng có khả năng sửa mỗi khi nhập sai Password.Hai phím này chính là tạo xung đếm thuận và nghịch của một bộ đếm,nó sẽ có chức năng điều khiển lựa chọn đầu ra của các DEMUX của khối Phân Kênh. VCC VCC 3 5 4 8 9 1 6 7 2 0 Khối Tạo Mã 1 2 1 2 1 2 4.7K 74147 1N 1 2N 2 3N 3 4N 4 5N 5 6N 6 7N 7 8N 8 9N 9 DN 10CN 11BN 12AN 13 1 2 4.7K 4.7K 4.7K4.7K Hình 5 11 Phím CODING để thiết lập lại Password người sử dụng cần phải nhập đúng Password,lúc đó phím này mới có khả năng kích hoạt mở khối cài thiết lập mã.Password muốn có hiệu lực cần nhấn vào phím SAVE để đóng mạch cài. Chức năng cụ thể của phím điều khiển ta sẽ xét ở các khối liên quan. 2.Khối GiảI Mã. Khi nhấn một phím số trên bàn phím số đó sẽ được hiển thị trên các đèn hiển thị 7 khe,khối giải mã sẽ thực hiện chức năng này,nó sẽ là khối giải mã nhị phân sang 7 khe. Tại mỗi thời điểm nhấn phím nhập chỉ có 1 tổ hợp 4 bit cần giải mã,do vậy để hiển thị 6 LED chỉ cần 1 bộ giải mã là đủ .Ta sử dụng IC 7447 để thực hiện việc này.Bảng chuyển mã như Hình 6. ứng với bit 1 là khe sáng ngược lại sẽ tối.Bốn chân vào cho IC chính là các bit của mã phím tương ứng được lấy từ đầu ra IC 74147 của khối Tạo Mã.7 chân ra của IC không nối trực tiếp LED 7 khe mà qua khối Phân Kênh để có thể giải mã cho cả 7 LED. NBCD A b c d e f g 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 3.Khối Phân Kênh. Vì hệ thống có Password gồm 6 chữ số mà chỉ dùng 1 giải mã ,khối giải mã có 7 tín hiệu ra nên cần phải có thêm khối 7 DEMUX 8-1 ,và trước mỗi LED 7 khe Hình 6 12 phải có một mạch chốt 7 bit để chốt dữ liệu vừa nhập để có thể hiển thị được tất cả đồng thời.Cần phải có mạch chốt bởi nếu không,sau mỗi lần nhập số mới ,số cũ sẽ không hiện trên LED(xét sau).Cũng theo yêu cầu của hệ thống đã phân tích,có thể sử dụng các phím sang phải và trái để chọn vị trí nhập,khi nhập xong 1 số sẽ tự động nhảy sang LED tiếp theo.Các chức năng này thực hiện nhờ việc điều khiển khối Phân Kênh . Khối Phân Kênh bao gồm 7 DEMUX và mạch điều khiển chọn kênh,sơ đồ khối: Tín hiệu để điều khiển chọn đầu ra cho DEMUX chính là một bộ đếm 6 thực hiện,bộ đếm này sẽ được thiết kế là thuận nghịch để trong quá trình nhập có thể sử dụng các phím sang phải và trái để điều khiển vị trí cần nhập hoặc sửa.Các phím này vừa tạo xung đếm vừa kích cho bộ đếm là thuận hay nghịch.Bộ đếm chọn phải là thuận nghịch ,ta sử dụng vi mạch đếm có sẵn :đếm 10 thuận nghịch,đồng bộ và có khả năng lập trình 74190 để xây dựng bộ đếm theo yêu cầu.Sơ đồ của vi mạch như hình vẽ bên. Chức năng của các chân IC: GN: Cho phép IC làm việc ở mức tích cực thấp. Điều Khiển 7 DEMUX Từ khối giải mã Tới Khối Chốt Hình 7 VCC GND 74190 GN 1 LDN 2 DNUP 3 A 4 B 5 C 6 D 7 CK 8 QD 9QC 10QB 11QA 12 MNMX 13 RCON 14 13 Khi GN ở mức thấp thì mạch sẽ đếm. DNUP(DOWN/UP): Điều khiển đếm thuận nghịch mức tích cực thấp. DNUP=0: Đếm thuận DNUP=1: Đếm nghịch Các đầu A,B,C,D thiết lập trạng thái đầu cho bộ đếm khi chân LDN logic thấp. LDN: Nạp các trạng thái đầu,mức tích cực thấp CLK: Xung nhịp cho các FF,tác động bằng sườn dương. Đây là vi mạch đếm 10 nhưng hệ thống chỉ cần đếm 6 do đó cần phải đặt lại trạng thái ,quá trình đếm là đếm thuận nghịch nên sơ đồ đếm sẽ là: Khi đếm thuận phải dùng trạng thái 6 tạo tín hiệu điều khiển r xoá tất cả FF trở về trạng thái 0.Khi bộ đếm đang ở trạng thái 0101(5) khi có xung đếm sẽ chuyển sang trạng thái: 0101(5) -> 0110(6) với bộ đếm K=10 0101(5) -> 0000(0) với bộ đếm K=6 So sánh 0110 với 0000 thì chỉ khác nhau 2 bit B và C nên ta chỉ cần thiết lập lại hai FF B và C. Còn khi đếm nghịch phải dùng trạng thái 9 tạo tín hiệu điều khiển r xoá tất cả FF trở về trạng thái 5.Khi bộ đếm đang ở trạng thái 0000(0) khi có xung đếm sẽ chuyển sang trạng thái: 0 1 8 2 3 4 5 6 7 9 Hình 8 14 0000(0) -> 1001(9) với bộ đếm K=10 0000(0) -> 0101(5) với bộ đếm K=6 So sánh 1001 với 0101 thì chỉ khác nhau 2 bit D và C nên ta chỉ cần thiết lập lại hai FF D và C. Vì cả đếm 6 thuận và nghịch nên phải xây dựng tín hiệu LOAD cho cả 2. Sơ đồ mạch : Khi đếm thuận đến trạng thái 5 sang trạng thái 6 bit OB và OC logic 1 nên đầu ra cổng NOR logic 0 tạo đột biến âm cho chân LDN,bộ đếm trở về trạng thái do các bit A,B,C,D thiết lập(0000),chính là trạng thái 0.Giản đồ thời gian: VCC VCC GND -> <- 74190 GN 1 LDN 2 DNUP 3 A 4 B 5 C 6 D 7 CK 8 QD 9QC 10QB 11QA 12 MNMX 13 RCON 14 NAND1 1 2 3 NAND2 1 2 3 NAND3 1 2 3 NAND4 1 2 3 NAND5 1 2 3 NOR 12 3 NAND6 1 2 3 Hình 9 15 Khi đếm nghịch đến trạng thái 0 sang trạng thái 9 bit OA và OD logic 1 nên đầu ra cổng NOR logic 0 tạo đột biến âm cho chân LDN,bộ đếm trở về trạng thái do các bit A,B,C,D thiết lập.Do OC qua cổng đảo nối với C,OA nối với A nên các bit thiết lập lại là 0101 chính là trạng thái 5.Giản đồ thời gian: Qua mạch của bộ đếm (Hình 9) ta thấy khi nhấn phím -> sẽ đặt 1 mức logic 0 vào chân DNUP đồng thời tạo xung đếm,bộ đếm sẽ đếm thuận.Khi nhấn phím <- sẽ đặt mức logic 1 vào DNUP và cũng tạo xung đếm,bộ đếm sẽ đếm nghịch.Tín hiệu ra từ 3 chân OA,OB,OC của bộ đếm được đưa tới điều khiển các DEMUX. OA OB OC OD CLK OA OB OC OD CLK 16 DEMUX chọn là IC 74151,sơ đồ ghép nối như Hình 10,7 tín hiệu từ khối giải mã được đưa tới 7 đầu vào của 7 DEMUX,7 tín hiệu này được chọn đưa vào mạch chốt nào tuỳ thuộc vào tổ hợp tín hiệu của bộ đếm.Nếu đầu ra bộ đếm là 000 thì các chân D0 có dữ liệu ra và mạch chốt thứ nhất sẽ chốt dữ liệu từ khối giải mã hiển thị trên LED1. VCC DEMUX1 GND-> VCC <- DEMUX2 DEMUX3 DEMUX4 DEMUX5 DEMUX6 DEMUX7 Giải mã NAND4 1 2 3 NAND6 1 2 3 NAND3 1 2 3 NAND5 1 2 3 NAND1 1 2 3 74190 GN 1 LDN 2 DNUP 3 A 4 B 5 C 6 D 7 CK 8 QD 9QC 10QB 11QA 12 MNMX 13 RCON 14 NOR 12 3 NAND2 1 2 3 Hình 10 17 Khối Phân Kênh còn có một tổ hợp logic có nhiệm vụ điều khiển các Led chỉ thị vị trí hiển thị các đèn.Do yêu cầu hệ thống khi dùng phím trái và phải để nhập số cần phải biết vị trí di chuyển.3 đầu ra của bộ đếm 6 được qua các cổng NOT và AND thích hợp sẽ điều khiển các Led sáng.Sơ đồ tổ hợp này được trinh bày trong sơ đồ mạch toàn hệ thống . 4.Khối Chốt. Khối chốt thực hiện chức năng chốt dữ liệu cho các LED hiển thị,khối chốt cần có 6 mạch chốt 7 bit từ Latch1 đến Latch6, mỗi Latch dùng hiển thị cho LED tương ứng. Mỗi Latch này chỉ mở để nhận tín hiệu khi có sự kiện nhấn phím số đồng thời với tín hiệu chọn LED do khối Phân kênh đưa tới,khi nhả phím dữ liệu sẽ bị chốt lại.Sơ đồ khối (Hình 11): Tu khoi Phan Kenh Toi Khoi Lap Ma Latch1 LED1 LED6 Tu khoi Phan Kenh Toi Khoi Lap Ma Latch6 Tu Ban Phim Tu Ban Phim Hình 11 18 Ta có thể thiết kế một khối chốt gồm 6 mạch chốt từ tính chất của FF_D:chỉ khi có xung CLK thì mới cho phép dữ liệu qua,và khi không có xung nữa thì trạng thái ra của FF vẫn giữ nguyên.Như vậy một mạch chốt có 7 FF_D,các chân CLK được nối với nhau.Ta cần xây dựng 1 ma trận 42 FF_D. Để đơn giản cho mạch của hệ thống ta sẽ sử dụng IC làm nhiệm vụ chốt,đó là IC 4508.Các chân của nó: ST(Strobe/ Chốt dữ liệu): Đặt ở mức 1 sẽ mở mạch cài làm việc.Khi đặt mức 0 sẽ chốt dữ liệu lại. /EO(Enable Output/ Cho phép ra) :Khi tác dụng mức 1 vào tín hiệu này sẽ chặn tín hiệu ra.Khi tác dụng mức 0 dữ liệu có thể ra. MR (Master Reset Đặt lại chính) Khi có mức logic 1 sẽ xoá toàn bộ dữ liệu ra. Bảng trạng thái của IC: ST /EO BUS Q Chú Thích 0 0 0 1 BUS Q BUS Q Giữ ổn 1 0 Hở mạch Cấm ra 1 1 BUS D Truyền Như vậy 1 IC 4508 chính là 1 Latch mà hệ thống yêu cầu,các chân cùng chức năng trong IC sẽ được nối với nhau.Tín hiệu từ sự kiện nhấn phím qua 1 tổ hợp logic với tín hiệu từ khối phân kênh sẽ được đưa đến chân ST của từng Latch. Sơ đồ mạch đối với Latch2 nối với LED2 như hình vẽ(Hình 12).Qua hình vẽ ta thấy do có tổ hợp logic nên chỉ khi phím được nhấn và 3 mức logic của đầu ra A,B,C bộ đếm 6 là 001(CBA) thì chân ST đặt Latch2 mở,còn các Latch khác đóng,và số sẽ được hiển thị.Khi nhả phím chân ST có logic 0 Latch sẽ chốt.Chân /EO luôn có logic 1 để có thể truyền dữ liệu. 19 Mạch nguyên lý đối với các Latch và mạch chốt còn lại cũng tương tự ,chỉ khác nhau ở tổ hợp logic. 5.Khối hiển thị. Khối Hiển Thị gồm các LED 7 khe và các Led chỉ thị,có chức năng hiển thị số được nhập và chỉ thị vị trí hiện tại.Lúc dùng các phím sang phải và sang trái các Led chỉ thị sẽ thay đổi chỉ thị vị trí chọn.Sơ đồ của khối trình bày trong sơ đồ toàn hệ. VCC Latch2 Tới Khối Lập M∙ Từ Khối Phân Kênh LED2 Bộ Đếm 6 Các Phím A B C /EOST Từ Bàn Phím NOT 1 2 NOT 1 2 AND4 1 2 3 4 5 Hình 12 20 6.Khối thiết lập Password. Khối Lập Password là khối vừa có chức năng lưu giữ vừa có thể thay đổi thiết lập Password.Do vậy thành phần chính của nó là một tổ hợp có chức năng nhớ và các phím điều khiển .Theo yêu cầu của hệ thống thì chỉ khi người sử dụng nhập vào đúng Password thì mới cho phép thiết lập Password mới.Như vậy hoạt động của khối Lập Password là: Khi đã nhập đúng Password rồi,nhấn vào phím CODING,lúc này ta có thể nhấn các phím trên bàn phím để nhập Password mới,Password mới chỉ có hiệu lực khi ta nhấn phí SAVE. Tín hiệu vào khối Lập mã từ các mạch chốt (Latch)của khối chốt.Hệ thống khoá gồm 6 chữ số mà mỗi số có 7 bit để mã hoá dạng 7 khe do vậy để nhớ được Password cần một khối cài dữ liệu 6x7bit=42bit.Khối này có chức năng tương tự khối chốt đã xét ở trên,chỉ khác nhau ở chỗ:các mạch chốt trong khối chốt được chốt và mở ở các thời điểm khác nhau,trong khi mạch cài của khối Lập mã được đóng mở đông thời.Sơ đồ của khối này như sau: Các tín hiệu có ý nghĩa : ST(Strobe Chốt dữ liệu): Đặt ở mức 1 sẽ mở mạch cài làm việc, đặt mức 0 sẽ chốt dữ liệu lại. /EO(Enable Output Cho phép ra) : Khi tác dụng mức 1 vào tín hiệu này sẽ chặn tín hiệu ra.Khi tác dụng mức 0 dữ liệu có thể ra.Thực chất của khối cài chính là các mạch chốt,khi muốn thay đổi Password thì các chốt sẽ mở,ngược lại thì chúng luôn chốt. Để xây dựng mạch cài dữ liệu tương tự như việc xây dựng mạch chốt dữ liệu đã xét ở trên,ta sẽ sử dụng các IC 4508 để thiết kế mạch cài này. Hệ thống yêu cầu khối cài 6x7 bit do vậy ta phải sử dụng 6 IC 4508 mắc song song tạo thành khối cài 42 bit,mỗi IC dùng để nhớ mã của 1 số.Các tín hiệu điều 42 bit 42 bit ST /EO LATCH 21 khiển sẽ được nối với nhau theo chức năng:Các chân ST nối với ST,MT nối với MT,/EO nối với/ EO. Như trên đã phân tích khi tín hiệu ra từ chân P=Q của khối so sánh có mức logic 0 ,tức là đã vào đúng Password thì khối Lập Password mới chấp nhận nhập Password mới. Ta có sơ đồ nguyên lý của khối cài mã kết nối với khối Chốt,khối So sánh và các phím CODING, SAVE (Hình 13). Khi nhập đúng Password chân P=Q của khối so sánh có logic 0, nếu nhấn phím CODING,đầu ra Q của FF JK có logic 1 ,tín hiệu từ khối so sánh qua cổng đảo và Q qua cổng AND sẽ đưa mức logic 1 vào chân ST(Strobe) của khối cài 48 bit, mạch cài được mở .Ta đã có thể nhập vào Password mới,trong quá trình nhập mặc dù Password thay đổi nhưng vì mạch cài được mở nên chân P=Q khối So Hình 13 K J CODING Từ Khối So Sánh Q' Q Từ Khối Chốt Tới Khối So Sánh Latch 48 bit 6x 4508 SAVE K J Từ Bộ Đếm Tạo Trễ +5V+5V 1 2 3 MR EO ST 1 2 7404 12 1 2 1 2 22 sánh luôn có mức logic 0 do vậy chân ST không bị chuyển tới mức logic 0 trong quá trình vào Password mới.Sau khi nhập xong, muốn lưu giá trị của nó ta cần đặt lại tín hiệu cho chân ST mức logic 0 để đóng mạch cài .Nhấn phím SAVE sẽ thực hiện chức năng đó,lúc này Password mới được giữ.Khi nhấn SAVE,đầu ra Q của FF thứ 2 sẽ có mức logic 0,tín hiệu này được đặt vào ST đóng khối cài Latch 48 bit.Từ khối Chốt có 42 bit,do vậy mỗi Latch thừa 1 bit.Trong sơ đồ có tín hiệu từ khối So sánh,tín hiệu này lấy từ chân P=Q,cho phép khối cài thực hiện chức năng và tín hiệu từ bộ tạo trễ đặt vào chân/EO.Khi Khối báo động làm việc,nó sẽ đặt vào chân /EO logic 0 ,không cho xuất dữ liệu từ khối cài tới khối So Sánh,hệ thống sẽ bị treo. Trong sơ đồ nguyên lý có sử dụng 2 FF_JK và các cổng AND,NOT.Để thực hiện mạch cụ thể ta dùng IC 74107 chứa 2 FF JK,IC 7400 chứa 4 cổng NAND. 7.Khối so sánh. Khi người sử dụng đã nhập xong Password,nhân phím Open để mở khoá,khối so sánh sẽ đưa ra 1 tín hiệu có logic 0 tới khối khoá để mở khoá.Vởy nhiệm vụ của khối So Sánh là so sánh các số nhập vào với Password đã thiết lập,các số và Pasword đều ở dạng mã hoá nhị phân,như vậy so sánh ở đây là so sánh từng cặp bit một.Hệ thống có 6 số mỗi số mã hoá dạng 7 khe bằng 7 bit nên khối So Sánh phải so sánh 42 bit,nếu các bit bằng nhau thì đưa ra mức logic 0,ngược lại đưa ra mức logic 1,tín hiệu này sẽ điều khiển khối Khoá và khối Báo Động.Các tín hiệu logic đưa vào khối này là từ 6 mạch chốt của khối Chốt và từ khối Lập Password mạch so sánh sẽ so sánh từng bit đến từ 2 khối này,các bit phải có thứ tự tương ứng nhau. Do là so sánh từng đôi bit một tương ứng,ta lợi dụng tính chất của hàm XOR để so sánh,sơ đồ và bảng chân lý của nó : A B F 23 0 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 Từ bảng chân lý của hàm Xor ta thấy đầu ra F sẽ bằng 0 khi 2 đầu vào có giá trị bằng nhau.Như vậy ta có thể sử dụng một ma trận mạch XOR để thực hiện so sánh.So sánh 42 bit ,do vậy cần 42 cổng XOR ,nếu đầu ra 42 cổng XOR đồng thời có logic 0 thì các bit tương ứng sẽ băng nhau.Vì khối So Sánh cần 1 đầu ra duy nhất nên 42 đầu ra phải qua các cổng AND tạo chân P=Q của khối.Số lượng các cổng tạo thành tổ hợp mạch rất lớn. Để khối đơn giản hơn ta sử dụng IC thiết kế sẵn làm nhiệm vụ so sánh,ta sẽ sử dụng IC 74LS688,đây là IC so sánh 8 bit.Có 16 bit vào chia làm 2 nhóm: 8 bit P so sánh với 8 bit Q.Sơ đồ của IC(Hình 14). Chân /G phải có logic .Khi các bit P,Q tương ứng bằng nhau chân P=Q sẽ có logic 0,tất cả trường hợp khác P=Q có logic 1. Hệ thống so sánh 42 bit do vậy phải cần 6 IC so sánh,các chân /G cùng được nối đất.Mỗi IC so sánh 7 bit của từng mạch chốt của khối Chốt và 7 bit ra của từng mạch cài tương ứng của khối Lập Password ,do đó 6 IC so sánh riêng biệt.Để so sánh cung lúc cả 42 bit thì các chân P=Q của 6 IC so sánh phải đồng thời có mức logic 0 do vậy các chân này phải qua tổ hợp các cổng AND. Trong sơ đồ có dùng các cổng AND,ta có thể dùng các IC 7408 để tạo các tổ hợp logic. Sơ đồ của khối(Hình 15). P=Q P0 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 /G Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 74LS688 Hình 14 24 8.Khối báo động. Như sơ đồ khối đã phân tích ,khi nhập Password đến lần thứ 3 lần sẽ kích hoạt mạch báo động đồng thời làm tính năng mở khoá bị treo 30 phút.Chức năng này làm tăng tính bảo mật và độ an toàn cho hệ thống.Như vậy khối Báo Động ngoài mạch báo động còn có các bộ đếm để đếm số lần nhập sai Password và tạo thời gian trễ. Khi tín hiệu từ chân P=Q của khối so sánh có mức logic 0 ( không đúng Password ) mà nhấn phím OPEN sẽ kích hoạt bộ đếm Counter1 trong khối Báo Q6 P5 Q4 /G Q2 Q1 P0 Q7 P6 P3 P=Q Q0 Q3 P4 P2 P7 Q5 P1 P=Q Q4 P0 P2 Q1 Q7 Q0 P4 Q6 Q5 Q3 Q2 P7 P3 P5 P6 /G P1 /G P=Q Q6 P2 P6 Q4P4 Q0 P7 Q1 Q5P5 Q3 P1 P3 P0 Q7 Q2 BUS khối chốt BUS khối lập mã P1 Q3P3 Q6 P7 Q4 P7 Q5 /G P6 P3 P4 Q7 P4 P2 /G P0 P=Q Q5 P6 Q7 Q3 P2 Q2 Q4 Q3 P0 Q1 Q2 P4 Q2 Q1 Q6 Q0 Q0 P5 P7 P1 Q1 /G Q7 P=Q Q0 P3 P5 P6 P5 Q4 P0 P=Q Q5 P2 Q6 P1 P=Q AND1 1 2 3 4 AND2 1 2 3 4 AND3 1 2 3 Hình 15 25 Động,bộ đếm này sẽ đếm cho đến 3 nếu tiếp tục nhấn OPEN mà sai Password,lúc này mạch báo động sẽ làm việc.Đồng thời Counter1 sẽ đưa một tín hiệu có mức logic 1 đến chân /EO của khối cài 42 bit trong khối lập mã,làm cho dữ liệu ra bị ngăn lại(hở mạch),tín hiệu này cũng sẽ kích cho một bộ đếm khác(Counter 2),bộ đếm này có tác dụng làm trễ thời gian khoảng 30 phút,sau 30 phút nó mới xuất ra tín hiệu điều khiển chân /EO của khối cài 42 bit trở lại mức logic 0 và hệ thống trở lại bình thường. Từ phân tích đó ta có sơ đồ khối(Hình 16): Bộ đếm Counter 1 là bộ đếm lớn hơn 3,xung kích cho bộ đếm do việc nhấn phím OPEN khi không đúng Password.Khi Counter1 đếm đến tổ hợp bit 011(3),các bit nay qua tổ hợp logic kích mạch báo động và tới chân /EO của khối so sánh,ta sử dụng IC đếm 7490.Bộ đếm Counter 2 tạo trễ ,ta chọn bộ đếm 4 bit,với chu kỳ xung đếm 2s ta có thể đếm được 30 phút,quá trình đếm kết thúc ứng với tổ hợp bit 1111 của bộ đếm,các bit này qua các cổng logic tạo tín hiệu khôi phục hệ thống hoạt động bình thường,ta dùng IC đếm 7493 là bộ đếm 16. Trước hết ta xét các IC đếm 7490 , 7493 cùng chức năng các chân của nó: IC 7490 có 14 chân,R01 và R02 dùng để thiết lập trạng thái 0 cho bộ đếm,khi các chân này ở mức logic cao thì bộ đếm xoá về 0.R91 và R92 thiết lập trạng thái 9,hai đầu này phải có ít nhất 1 ở mức logic 0 bộ đếm mới đếm.CKAvà CKB để đưa tín hiệu vào đếm,các đầu QA,QB,QC,QD là các chân ra. Mạch Báo Động Counter 1 Counter 2 Tổ hợp Logic Tổ hợp Từ khối khoá và so sánh Tới /EO khối so sánh Hình 16 26 IC 7493 cũng có 14 chân,chức năng các chân tương tự như IC 7490,các chân NC không sử dụng. Sơ đồ mạch cụ thể của khối báo động: (Hình 17) Trong sơ đồ có sử dụng 2 loại IC là 7400(NAND) và 7408(AND).Vị trí các cổng NAND và AND trong IC đã xét ở trên. IC NAND1 nối với tụ 120mF và trở 1K có nhiệm vụ tạo xung cho IC đếm 7493.Sơ đồ nguyên lý mạch tạo xung như hình bên(Hình 17).Độ rộng 1 chu kỳ xung T=2,2x1Kx0.9mF=2s,tức là cứ 2s sẽ kích đếm một lần. Hai cổng NAND được sử dụng từ chân 1,2,3 và 4,5,6(1,2 và 4,5 là vào). IC NAND2 nối với QA,QB của IC7490 tạo mức logic cao cung cấp nguồn cho mạch tạo dao động(NAND1). Toi 7493 QB QA 7400 1 2 3 7400 1 2 3 1K 4.7K 120mF 1 2 3 1 2 3 Hình 17 Từ OPEN Tới /EO của Lập Mã VCC GND Counter1 Counter2 Mạch Báo Động 7493 RO1 1 RO2 2 CK 3 QD 4QC 5QB 6QA 7 0.9mF 1K 7400 1 2 3 1 2 3 1 2 3 7490 A 14 B 1 R0(1) 2 R0(2) 3 R9(1) 6 R9(2) 7 QA 12 QB 9 QC 8 QD 11 7400 1 2 3 AND2 12 3 AND2 12 3 4.7K 7400 1 2 3 27 Khi Counter1 đếm đến 3 ứng với tổ hợp bit 0011,nên QA=QB=1,qua 2 cổng NAND sẽ cho ở đầu ra chân 8 của NAND2 mức logic 1,mức cao này vừa cung cấp nguồn cho bộ tạo xung(NAND1) vừa tạo tín hiệu ngừng đếm để tổ hợp bit 0011(3) ổn định đồng thời vừa kích tới chân /EO của khối Lập Password,không cho khối Lập Password xuất tín hiệu tới khối so sánh.Để tạo tín hiệu ngừng đếm,tín hiệu từ chân 8 cần qua 1 cổng NOT đưa tới đầu vào xung đếm của Counter1.Ta tận dụng IC NAND2 để lấy cổng NOT,do vậy khi chân 8 của NAND2 có logic 1 thì chân 3(đầu ra NOT) có logic 0,mức logic này nối tới chân A của Counter1 làm bộ đếm không chịu tác động của việc nhấn OPEN nữa. Counter2 sẽ đếm cho đến tổ hợp bit 1111 ,quá trình đếm xong mất khoảng 30 phút,tổ hợp này qua 2 cổng AND và 1 cổng NAND lấy từ IC 7408 và 7400 được đưa tới chân /EO của khối Lập Password khôi phục khoá hoạt động trở lại. 9.khối khoá. Mạch khoá có thể là bất kỳ hệ thống bật/tắt điện nào.Khi đầu ra P=Q của bộ so sánh có mức logic 1,nếu ta nhấn phím OPEN sẽ tác động đưa ra một mức logic 1 vào mạch khoá,mức này sẽ mở nguồn cung cấp cho khoá làm việc làm khoá mở,để đóng khoá ta cần thay đổi số nhập vào khác Password và nhấn vào CLOSE,lúc này mức logic 0 sẽ đóng nguồn cung cấp cho khoá,khoá sẽ đóng.Như vậy trạng thái đóng là trạng thái ổn định của khoá.Từ đó ta có sơ đồ nguyên lý điều khiển chức năng trên như hình vẽ(Hình 19). Khi đầu ra P=Q ở mức logic 1,nghĩa là đã nhập đúng Password,qua mạch ta thấy J=1 , K=0 .Nếu nhấn phím OPEN tạo ra 1 xung vào chân CLK của FF và đầu ra Q của nó sẽ có mức logic 28 1,mức này mở nguồn cung cấp một mức logic 0,mức logic này không có tác động tới bộ đếm.Vào lúc này nếu nhấn phím CLOSE thì đầu vẫn ở mức logic 1 nghĩa là khoá vẫn mở. Khi đầu ra Q=P của khối so sánh có mức logic 0,nghĩa là Password sai,khi đó J=0 K=1 nếu nhấn OPEN,Q sẽ có mức logic 0,do vậy khoá không mở,tương tự đối với việc nhấn phím CLOSE.Do OPEN là phím kép nên khi nhấn nó sẽ tác động cấp cho khoá .Vì phím OPEN là phím kép nên có tác động tới đầu vào Counter1 một xung ,bộ đếm này sẽ đếm. Phần IV :Kết luận. Hình 19 Tới Counter 1 +5V Từ chân P=Q của khối so sánh J CLOSE K QOPEN Tới mạch khoá Mạch Khoá Khối Khoá 1 2 1 2 29 Thiết kế hệ thống khoá có mã hoá có những ứng dụng rất cụ thể trong cuộc sống hàng ngày.Tuy nhiên xây dựng mạch cho hệ thống cần phải gọn và giản đơn hơn nữa bằng cách tổ hợp các khối thành IC chức năng .Chẳng hạn đối với khối phân kênh hoặc khối chốt,khối thiết lập mã...Điều này thực hiện trong việc sản xuất hàng loạt. Bài toán thiết kế khoá có mã hoá chỉ mới là cơ sở lý thuyết,để đi đến mạch thực tế còn cần phải cụ thể hơn nữa.Vì là thiết kế lý thuyết nên chắc chắn em không tránh khỏi những sai sót trong thực tế,mong thầy chỉ dẫn thêm.Em xin cảm ơn ! 30 Tới Counter 1 VCC T ớ i /E O c ủ a L ậ p M ã Từ OPEN Q6 Q 6 Q 0 K D2 D1 ST A D2 1 Q 5 Q1 Q7 DE MU X3 D5 /G Q6 D6D1 Q 3 Q 6 /E O Q7 P 1 Q6 LA TC H Q2 P 6 P 5 ST Khối Giải Mã K h ố i B á o Đ ộ n g Q4 J P 3 P 6 Q5 Q 4 P 3 V C C D3 Q 7 EO A Q3 Q 1 Q5 ST A EO A Q7 Q 7 Q0 -> Q 7 CL OS E Q 7 Q1 Q0 D7 ST Q4 D4 P 7 P 0 Q5 D5 Q 1 Q0 5/ EO Q 1 D6 D3 LA TC H /G Q 3 P = Q /E O P 2 P 4 /E O Q 3 K h ố i K h o á D3 P = Q P 3 P 1 Q 0 P = Q D2 Q 4 D4 Q 3 G iả i m ã Q6 D4 Q 0 Q 4 ST Q1 K h ố i L ậ p M ã 3 Q4 ST A /G K h ố i S o S á n h P 4 Q5 Q 6 P 0 DE MU X5 6 D1 P 7 Q 2 Q0 Q3 Q 2 Q6 D0 D7 P 7 OP EN D6 +5 V Q5 Q 6 /G G N D EO A D0 P 3 Q6 ST A P 3 D7 P 6 P 5 P 5 EO A P 0 EO A Q 5 D4 Q 3 Q3 D4 P 2 P 5 D2 P 0 Q 0 ST P 2 Q1 Q4 D3 Q2 P 0 K h ố i C h ố t Q 2 K h ố i H iể n T h ị P 0 D0 Q 2 P 3 2 P 5 DE MU X4 Q 0 Q1 Q5 DE MU X1 /E O DE MU X6 P = Q D1 P 7 /GP 6 P 4 ST Q 5 D5 Q 5 P 6 Q 0 P 4 <- P 1 Q4 P 2 LA TC H Q3 Q 2 D4 ST A Q7 V C C Q 6 EO A 4 D6 P 1 Q7Q1 Q 7 D0 P 1 D6 Q7 D1 LA TC H Q 5 M ạ ch B á o Đ ộ n g D0 P 2 D6 /G Q 6 P 7 ST T ừ c h â n P = Q c ủ a k h ố i so sá n h P = Q D1 P 7 Q2 Q 7 DE MU X2 P 1 D2 Q 1 P = Q Co un te r1 D7 Q 4 Q2 D5 Q 5 T ớ i m ạ ch k h o á LA TC H M ạ ch K h o á Q 4 Q 4 D3 Co un te r2 D7 Q3 P 5 Q2 D5 D7 P = Q Q4 D5 Q 1 D0 Q2 Q3 P 4 D2 /E O DE MU X7 P 6 Q 2 Q P 4 Q 1 D3 Q0 G N D ST A Q 3 Q0 LA TC H P 2 Khối Phân Kênh 1 M ạ ch K h o á Đ iệ n T ử E W ed ne sd ay , D ec em be r 2 6, 2 00 1 N g u y ễn V iệ t H ù n g Đ T 5 K 4 3 Ti tle S iz e D oc um en t N um be r R ev D at e: S he et o f 1 2 3 NAND1 1 2 3 NAND3 1 2 3 2 AND2 1 2 3 7400 1 2 3 0. 9m F 74190 G N 1 LD N 2 D N U P 3 A 4 B 5 C 6 D 7 C K 8 Q D 9 Q C 10 Q B 11 Q A 12 M N M X 13 R C O N 14 2 1 2 AND1 1 2 3 4 7400 1 2 3 4.7K 7493 R O 1 1 R O 2 2 C K 3 Q D 4 Q C 5 Q B 6 Q A 7 7400 1 2 3 NAND2 1 2 3 7490 A 14 B 1 R 0(1) 2 R 0(2) 3 R 9(1) 6 R 9(2) 7 Q A 12 Q B 9 Q C 8 Q D 11 AND2 1 2 3 NOR 1 2 3 LED5 7400 1 2 3 /E O 1 2 3 1 2 LED2 1 2 3 7400 1 2 3 2 NAND4 1 2 3 LED6 AND3 1 2 3 1K 1 2 3 LED3 NAND5 12 3 AND2 1 2 3 4 LED4 2 NAND6 1 2 3 1 2 3 S T LED1 1 2 3