多路開關協同控制實現組合燈具多狀態回環遷移

湖北省武昌實驗中學 傅宇翔

多路開關協同控制實現組合燈具多狀態回環遷移

湖北省武昌實驗中學 傅宇翔

近年來組合燈具逐步取代傳統的照明燈具呈現加速發展的趨勢。與多路開關控制傳統燈具的點亮/熄滅（兩狀態）相比，組合燈具存在著多路開關協同控制和多狀態回環遷移的問題。本文從時序邏輯電路的新視角提出將多路開關的切換信號匯總轉換為時序脈沖序列，驅動組合/存儲電路來解決多路開關協同控制問題。分別基于開關切換信號的循環計數、回環遷移的現/次態映射來解決多狀態回環遷移問題。采用門電路構建輸出方程和狀態遷移方程，實現了多路開關協同控制組合燈具的預設目標。最后通過Mutisim的仿真驗證了設計的有效性和可靠性。

多狀態回環遷移；協同控制；循環計數；時序邏輯電路

在人類的日常生活和工作中，通常遇到兩路開關協同的對單個照明燈具進行控制的場景。例如進入臥室，切換門口的開關點亮臥室照明燈。入睡前，切換床頭的開關關閉該臥室的照明燈。這兩個開關就像一個開關的兩個副本一樣，獨立而又默契的協同工作。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、關閉的兩種狀態，而是具有多種狀態如：關閉/柔和/高亮的三狀態、節能燈、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（例如熄滅），所以這種場景下多狀態的遷移呈現為回環特性。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來操控的。能否采用多路開關協同實現對照明燈多狀態的回環遷移控制？這是本文旨在實現的目標。

1 控制兩狀態燈具

首先回顧一下經典的多路開關控制常規照明燈具（兩狀態）的場景。目前的主流方法是采用平行線路A和B串聯多個雙刀雙擲開關（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通狀態，一條為阻斷狀態。當回路上的任何一個開關進行切換，就會使得通道A和通道B的狀態翻轉，從而實現多路開關對常規照明燈具的協同兩狀態控制。

這是一個典型的組合邏輯解決方案，通道A（或通道B）將多路開關的編碼映射到狀態1（導通）和狀態0（阻斷）。具體而言，該電路在開關連接上采用了互斥技巧：①開關、 處于上擲位，電流接入線路A；開關處于下擲位則電流接入線B；②開關 可視為兩入兩出的雙端口，開關處于上擲位則兩線路信號流交叉，開關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 通過多個開關協同控制常規照明燈具

任意多路開關切換時改變了原有的奇數偶數格局，從而實現了多路開關對常規照明燈具（兩狀態）的協同控制。

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的狀態實現目標狀態的翻轉，所以這個組合邏輯的可視為依托格雷編碼將多路開關的全部編碼狀態分類為兩個集合，一個集合映射為狀態1，一個集合映射為狀態0。這樣當任何一個開關進行切換（相鄰格雷碼只有一位不同），即可實現了集合間的遷移，從而實現目標（燈具）的狀態翻轉。

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

2 控制多狀態燈具

當目標（燈具）的狀態變為3個及其以上，直接對多路開關進行位置無關的編碼、抽取映射模式將會變得比較復雜。考慮到為此本文從時序邏輯電路的視角重新解構多路開關協同控制常規照明（兩狀態）的問題。不失一般性，可將燈熄滅狀態標記為0狀態，開啟狀態標記為1狀態。要求切換任意的多路開關，系統實現基于當前狀態的翻轉。其狀態方程為，其中Q(n)為現態，Q(n+1)為次態，這個映射用一個非門即可實現。需要指出的是，這里我們提出將多路開關的狀態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）驅動狀態方程完成從現態到次態的遷移。這個視角巧妙的避開了組合邏輯方案中位置無關的編碼及抽取映射模式的難題，實現非常簡潔。

接來下，我們以三狀態紅/藍/黃三色LED燈為例討論如何通過多路開關協同控制照明燈具多狀態回環遷移，即實現紅燈-藍燈-黃燈的依次周期點亮。

2.1 時序脈沖系列

借鑒總線的思想，我們將多個轉換開關開啟/關閉過程產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）去實現時序邏輯控制。理論上這個過程可通過或門來實現。但是機械開關在接通和關閉過程中，由于振動會使電壓或電流波形產生“毛刺”干擾導致時序邏輯電路工作出錯。我們采用基本RS觸發器來消除機械開關振動影響，繪制多路開關時序脈沖整形電路（以兩路開關為例）如圖2所示：

圖2 多路開關消抖和序列脈沖匯總

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

2.2 狀態表達和輸出方程

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

表1 三狀態LED燈編碼

在實際電子電路中，采用譯碼器（74LS139D）將系統內部的編碼轉化為期望輸出端口的高電平輸出，從而點亮相應的led燈。例如，若內部編碼為10則Z1口輸出高電平，驅動點亮藍色led燈。顯然其輸出方程為：

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

圖3 三狀態LED燈譯碼驅動電路示意

2.3 狀態方程

嚴格意義上的動態系統狀態跳轉建模（狀態方程）同時需要當前狀態信息和外部輸入觸發信號的信息[4]。在本文中，我們設計出兩種解決方案。一種是基于兩狀態控制的分析基礎上的計數器方案，一種是采用內部狀態建模方案。

（1）計數器方案

回顧前面的多路開關控制兩狀態照應燈的分析可知，其電路設計的核心是任意多路開關切換時改變了原有的奇數偶數格局，從而實現了多路開關對常規照明燈具（兩狀態）的協同控制。從時序邏輯電路的視角，我們看而將其視為對多路開關狀態切換的計數。若初始狀態偶數，若當前計數值為偶數則照明燈點亮，若當前計數值為奇數則照明燈熄滅。

延拓該思路到控制三狀態照明燈具的場合。同樣，三狀態觸發跳轉具有周期性，可將觸發信號按照時序（累計計數）分為劃分為：被3整除余0、余1和余2三大類（分別用右上的標號(0)(1)(2)來表達）。具體分析回環狀態跳轉過程如下（默認初始狀態為B(0)A(0)=00）：

當觸發信號P(0)到來后，初始或周期初始狀態B(0)A(0)=00；

當觸發信號P(1)到來后，B(1)A(1)=01；

當觸發信號P(2)到來時，B(2)A(2)=10；

其時序電路狀態圖為（注：這里的輸出為內部狀態BA）

圖4 計數器方案狀態圖

采用2個D觸發器構成的異步計數器來實現上述循環。但是n個二進制計數器只能實現 2n的循環。換言之，2個二進制技術器可實現00-01-10-11-00的循環計數。但是對于三狀態情況下需要外加邏輯電路才能使得循環在00-01-10-00的周期執行。具體而言，當雙位二進制計數器計數到11時對計數器復位，使得計數器輸出值為00重新開始一輪循環。電路連接參見圖5。當計數狀態為11時，與門U21輸出高電平使得D觸發器U1A(1Q端)和U19A(1Q端)復位輸出值00，進而驅動譯碼器使得紅燈色led燈點亮。后對于一般的k狀態回環遷移，均可按照此方法進行。

圖5 計數器方案電路實現

接下來，我們討論采用現態/次態建模方案來實現LED燈的依次跳轉。

（2）內部狀態建模方案

分析閉環多狀態跳轉場景，兩個前后狀態的真值表如下：

表2 變量BA的動態跳轉真值表

可得到現態/次態的對應邏輯如下：搭建門電路實現的組合邏輯電路詳見圖6：

圖6 內部狀態建模方案電路實現

其中A(n)標記為A，B(n)標記為B，標記為，A(n+1)標記為，B(n)標記為。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時刻的狀態向n+1時刻狀態遷移的組合邏輯映射。

在時序邏輯電路中，僅當(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不變。為實現該功能，我們采用D觸發器(U5A和U6A)做隔離和鎖存。當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Q(n)→Q(n+1)狀態轉移如公式(3)所示。其余時刻隔離輸入端D，保持原來的狀態不變。

3 仿真實現與分析展望

Multisim是美國國家儀器（NI）推出的仿真工具，適用于板級的模擬/數字電路板的設計工作[5]。我們應用Multisim繪制上述各功能組件并進行仿真，實驗結果顯示我們的設計有效、可靠。對于計數器方案和內部狀態建模方案，我們可以看出前者更加簡潔。這說明，我們不必機械地拘泥時序邏輯設計范式，而應對所研究對象進行深入解剖，抽取其特有規律，靈活處理才可以大大提升設計的質量。目前的驗證是基于仿真，后續將開展實物硬件原型制作進一步驗證其有效性。

[1]徐華.淺談照明控制及智能照明控制系統[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[J].安裝,2013(12):44-45+53.

[3]張曉英.智能照明系統在智能建筑中的應用[J].工程技術:文摘版,00212-00212.

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

[5]孟海濤.MUTISIM10.0在電工電子教學中的應用研究[J].數字技術與應用,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