Projeto de Máquinas de Estado

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Sistemas Digitais
Aula 17
Projeto de Máquinas de Estado
Eduardo Peixoto
Departamento de Engenharia Elétrica
Faculdade de Tecnologia
Universidade de Braśılia
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Sumário
Aula 17
Detector de Sequência
Contador Gray
Moedeiro
Linha de Enchimento de Garrafas
Portão de Garagem
Vidro Elétrico Veicular
Ford Thunderbird
Exerćıcios Diversos
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Exerćıcios
Para todos os exerćıcios propostos, o projeto consiste em escrever:
A tabela de transição de estados / sáıda.
O Diagrama de Estados
As equações de excitação dos flip-flops e da sáıda.
O esquemático do circuito.
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Exerćıcios
Detector de Sequência
Projete um detector de sequência que poderia detectar a seguinte sequência: 10001.
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Exerćıcios
Contador Gray
Projete um contador com uma entrada de enable que conte da seguinte forma:
000 → 001 → 011 → 010 → 110 → 111 → 101 → 100 → 000...
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Exerćıcios
Moedeiro (Slide 1 de 2)
Considere o problema de um moedeiro para uma máquina de refrigerantes. O refrigerante
custa R$ 1, 50, e a máquina aceita somente moedas de R$ 0, 25, R$ 0, 50 e R$ 1, 00. O
usuário vai colocando moedas na máquina até atingir o valor desejado. Assim que o
usuário tiver inserido o valor correto (no caso, uma quantidade de moedas equivalentes a
R$ 1, 50), a máquina deverá indicar que o valor correto foi atingido e colocar um
refrigerante na bandeja. No entanto, se o usuário tiver inserido um valor maior que o
preço do refrigerante, a máquina deverá indicar um erro e devolver ao usuário as moedas
que ele inseriu. O usuário não pode abortar o processo no meio - a máquina vai
continuar a receber moedas enquanto uma das duas condições não for alcançada.
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Exerćıcios
Moedeiro (Slide 2 de 2)
No circuito, deverá haver quatro possibilidades para a moeda: R$ 0, 25, R$ 0, 50, R$
1, 00 e n.d.a. (no caso de nenhuma das anteriores, o sistema apenas rejeita a moeda e
continua no estado anterior). O Clock é considerado como o ato de empurrar a moeda
para dentro da máquina. O usuário irá definir a moeda que foi colocada através da
entrada M e irá confirmar sua escolha através da entrada C (clock). Podemos pensar que
M é a sáıda de um subsistema que detecta qual moeda foi inserida, e trabalharmos
apenas com o valor binário de qual moeda foi inserida. A sáıda R irá indicar à máquina
que um refrigerante (previamente escolhido pelo usuário) deve ser colocado na bandeja, e
a sáıda E indica à máquina que um erro foi detectado e, portanto, todas as moedas
inseridas pelo usuário devem ser devolvidas. Ao fim do processo, tanto em caso de
sucesso ou erro, uma nova batida do clock deverá retornar a máquina ao estado inicial.
Projete a máquina de estados descrita.
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Exerćıcios
Linha de Enchimento de Garrafas
Considere uma linha para encher garrafas. Esta linha é constitúıda por uma esteira que
conduz as garrafas vazias até a posição de enchimento e por uma torneira que abre ou
fecha de forma a encher cada garrafa. O sistema de controle possui duas entradas G e C
e duas sáıdas M e T. A entrada G fica ativa assim que uma garrafa está pronta na
posição de enchimento. A entrada C sinaliza o fim do enchimento de uma garrafa. A
sáıda M, quando ativa, faz a esteira avançar, enquanto a sáıda T ativa uma válvula que
comanda o enchimento da garrafa. Considere que, ao ser ligado, o circuito encontra-se
em um estado inicial em que as sáıdas M e T não estão ativas. A máquina deve decidir,
com base nas entradas, se move a esteira ou se enche a garrafa, conforme a leitura das
entradas G e C. Projete o circuito descrito.
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Exerćıcios
Portão de Garagem
Considere o controle do motor de um portão de garagem. O motor tem duas entradas,
SOBE e DESCE, que indicam a direção para a qual o motor deve girar para abrir e fechar
o portão. Além disso, o circuito tem os sensores CIMA, que fica ativo quando a porta
está completamente aberta, e BAIXO, que fica ativo quando a porta está completamente
fechada. Para evitar colisões, o circuito conta com um sensor PASSA, que fica ativo
enquanto um objeto estiver passando pelo sensor. O comando do sensor é feito por uma
entrada IV, que fica ativo quando ele recebe o comando do controle remoto. A porta
fecha automaticamente. Projete o circuito descrito.
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Exerćıcios
Vidro Elétrico Veicular
Considere um sistema para controlar o acionamento do vidro elétrico veicular. O sistema
possui os seguintes requisitos: o usuário deve controlar o sistema usando uma pequena
alavanca que, ao ser puxada, aciona o sinal BS e, ao ser empurrada, aciona o sinal BD.
Enquanto a alavanca for pressionada o motor girará no sentido anti-horário para a
abertura da janela se a mesma estiver fechada ou entre-aberta. Entretanto, se a alavanca
for puxada, o motor girará no sentido horário para fechar o vidro. Uma caracteŕıstica
importante que o sistema deve ter é o sistema de fechamento ou abertura automática -
ao acionar a alavanca duas vezes seguidas na mesma direção, o fechamento (ou abertura)
do vidro deve ser realizado sem o acionamento manual da alavanca. Por questões de
usabilidade e segurança, a abertura ou fechamento automáticos devem ser interrompidos
quando o condutor acionar a alavanca uma vez. Adicione quantas entradas achar
necessário para cumprir os requisitos do sistema. A sáıda do sistema deverá controlar um
motor que possui duas entradas: A, que indica se o motor está ativo, e D, que indica a
direção do motor (0 para anti-horário e 1 para horário). Projete o circuito descrito.
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Exerćıcio
Um Exerćıcio Clássico de projeto de máquinas de estados envolve o Ford Thunderbird
1965.
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Exerćıcio
Mais especificamente, envolve as lanternas traseiras do Thunderbird.
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Exerćıcio
Esse carro tem 6 lanternas traseiras: LC, LB, LA, RC, RB e RA.
ZOTTFFS
CALIFORNIA
RA RB RCLC LB LA
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Exerćıcio
E essas lanternas acendem de forma distinta, como uma seta:
LC(a) LB LA RA(b) RB RC
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Exerćıcios
Exerćıcio
Projete a máquina de estados do Ford Thunderbird considerando que ela tem apenas
duas entradas: LEFT e RIGHT (isto é, as setas para a esquerda e para a direita).
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Exerćıcios
Exerćıcio
Projete a máquina de estados do Ford Thunderbird considerando que ela tem três
entradas: LEFT, RIGHT e HAZ,isto é, as setas para a esquerda, para a direita e o
pisca-alerta. Caso o pisca-alerta esteja acionado, todas as seis lâmpadas piscam. Além
disso, ele pode entrar no pisca-alerta a qualquer momento.
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Exerćıcios
Exerćıcio - Prova 02/2014 (Slide 1 de 2)
Em um bitstream de v́ıdeo em formato digital é necessário rotular todos os pacotes que
fazem parte dessa bitstream para que o decodificador consiga realizar a decodificação
(por exemplo, para que o decodificador entenda aonde termina cada frame). Isto é ainda
mais importante caso essa bitstream seja transmitida em um canal sem retransmissão
(via rádio, por exemplo), em que o aparelho possa começar a decodificação a qualquer
momento (uma vez que o usuário pode ligar o aparelho a qualquer momento). Para que
se estabeleça essa comunicação, o bitstream contém periodicamente frames chamados de
IDR (instantaneous decoder refresh), que podem ser decodificados sem a utilização de
qualquer informação prévia (isto é, de frames anteriores), uma vez que essa informação
pode não estar dispońıvel no decodificador. Estes frames são indicados no bitstream
através de um cabeçalho bem definido, através de uma sequência de sincronização
(syncword ou preamble). Portanto, é de extrema importância para esta aplicação
circuitos que consigam detectar rapidamente a localização dessa sequência no bitstream,
para que o decodificador possa sincronizar com a sequência e começar a decodificar o
sinal (no caso, o v́ıdeo).
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Exerćıcios
Exerćıcio - Prova 02/2014 (Slide 2 de 2)
Projete uma máquina de estados comuma entrada X e uma sáıda Z. A sáıda Z deverá
ser 1 apenas quando os sete últimos valores de X forem iguais à sequência: 1011110
(onde o primeiro bit da sequência é o bit mais à esquerda), não importa qual seja o bit
atual (isto é, o oitavo bit). Um sinal de clock indica quando um novo bit de X deve ser
lido. Além disso, quando a sáıda Z = 1, a máquina reseta no próximo ciclo de clock (isto
é, começa a procurar uma nova sequência) não importando qual seja a entrada nesse
momento.
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Exerćıcios
Exerćıcio - Prova 01/2015
Joãozinho quer tunar sua bicicleta, utilizando um sistema que mostra, em um mostrador
decimal, a marcha atualmente engatada. A bicicleta de Joãozinho é uma bicicleta
vintage, que possui apenas 7 marchas na coroa traseira (a coroa dianteira é fixa) em um
câmbio puramente sequencial. Para realizar o seu circuito, Joãozinho achou melhor
utilizar o sinal de comando da bicicleta, que possui apenas duas posições: up e down,
para incrementar e decrementar a marcha. Além desse sinal, Joãozinho utilizou um outro
sinal para indicar (em ńıvel alto) quando a bicicleta está em movimento (mais
precisamente, quando a corrente está girando - isto é importante, pois a marcha só é
efetivamente trocada se a corrente estiver girando). Note também que, neste tipo de
câmbio, é imposśıvel mudar da primeira para a sétima marcha ou vice-versa.
Projete uma máquina de estados com duas entradas: X, que corresponde à direção da
mudança de marchas, e Y, que indica se a corrente está girando (ativo em ńıvel alto), e
uma sáıda Z, que corresponde à marcha engatada em BCD (de 1 a 7). O ato da troca de
marchas é indicado pelo clock da máquina.
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Exerćıcios
Exerćıcio - Prova 02/2015
Joãozinho está desenvolvendo um circuito para controlar o câmbio de sua bicicleta. O
câmbio da bicicleta de Joãozinho é um câmbio sequencial, que possui apenas 7 marchas.
Neste tipo de câmbio, é imposśıvel mudar da primeira para a sétima marcha ou vice-versa.
Entretanto, como Joãozinho quer utilizá-lo para competições, ele pensou em controlar o
câmbio com dois comandos: um comando de direção e um comando de velocidade. O
comando de direção D indica a direção da troca da marcha (para cima ou para baixo), e
o comando de velocidade V indica se ele vai passar apenas uma marcha ou duas marchas
de uma vez. Projete, utilizando flip-flops D, uma máquina de estados com estas entradas
e uma sáıda Z, que corresponde à marcha engatada em BCD (de 1 a 7). O ato da troca
de marchas é indicado pelo clock da máquina.
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Exerćıcios
Exerćıcio - Prova 01/2016
Considere um circuito detector de toques em uma tela touchscreen. Considere um
circuito especicamente projetado para decidir as ações posśıveis que o toque na tela pode
realizar. O circuito tem apenas uma entrada, T, que indica o toque na tela, e quatro
sáıdas, que indicam o gesto realizado. As sáıdas são:
Clique simples;
Clicar e segurar;
Clicar duas vezes (duplo clique); e
Clicar duas vezes e segurar (no segundo clique).
As sáıdas devem ser mutuamente exclusivas e só devem ser acionadas quando o
dispostivo tiver certeza de qual gesto foi executado. Uma vez ativada uma determinada
sáıda, ela deve ser mantida em ńıvel alto por pelo menos um tick do clock, e o circuito
deve retornar a análise da entrada o mais rápido posśıvel.
Projete o circuito descrito. Inclua no seu projeto o diagrama de estados e o esquemático
do circuito. Podem ser utilizados quaisquer CIs encontrados no Anexo I, além de portas
lógicas adicionais. Identifique claramente os CIs utilizados, bem como todos os seus
sinais de entrada e sáıda relevantes.
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