基于姿態(tài)編碼的數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)

李萬(wàn)益，區(qū)濟(jì)初，黃靖敏，鄺 蕓，鄒 領(lǐng)，黃曉潔，許偉輝，廖理想

（1.廣東第二師范學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣州 510303；2.廣東第二師范學(xué)院數(shù)學(xué)學(xué)院，廣州 510303；3.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與智能科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410125）

0 引言

目前，人體動(dòng)作識(shí)別是計(jì)算機(jī)視覺(jué)和人機(jī)交互領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題，在虛擬現(xiàn)實(shí)、智能控制和終端設(shè)備上具有廣泛的應(yīng)用［1］，并且精準(zhǔn)識(shí)別人體動(dòng)作所表達(dá)的語(yǔ)義信息可以為人們生產(chǎn)生活提供便利，在人類生活的各個(gè)方面都具有重大意義［2］。此外，姿態(tài)識(shí)別的目的是使計(jì)算機(jī)能夠通過(guò)自主理解和運(yùn)算，分析出當(dāng)前人體呈現(xiàn)的姿態(tài)并根據(jù)當(dāng)前姿態(tài)預(yù)測(cè)出接下來(lái)最有可能會(huì)呈現(xiàn)的姿態(tài)，它在可穿戴計(jì)算、智能監(jiān)控、行為分析、動(dòng)畫(huà)建模等行業(yè)都有著廣泛的應(yīng)用，無(wú)論是實(shí)際還是學(xué)術(shù)應(yīng)用，都具有重要的研究意義［3-4］。同時(shí)，姿態(tài)識(shí)別是計(jì)算機(jī)科學(xué)和語(yǔ)言技術(shù)的主題，在人機(jī)交互智能領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，但由于在相對(duì)復(fù)雜的環(huán)境難以處理，因此有必要探索更合適的方法［5-6］。再者，隨著社會(huì)針對(duì)姿態(tài)識(shí)別在現(xiàn)實(shí)生活適用性的要求不斷提高，合適的數(shù)據(jù)集的開(kāi)發(fā)變得越來(lái)越具有挑戰(zhàn)性［7］。因此，本文基于姿態(tài)編碼，利用硬件實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)出相應(yīng)的數(shù)字邏輯電路，融入姿態(tài)識(shí)別的知識(shí)進(jìn)行探索，將所設(shè)計(jì)的數(shù)字邏輯電路通過(guò)Multisim進(jìn)行仿真測(cè)試，所得的模擬結(jié)果與真值表完全一致。

數(shù)字系統(tǒng)以二值信號(hào)為基礎(chǔ)，用數(shù)字信號(hào)對(duì)數(shù)字量進(jìn)行算數(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，數(shù)字系統(tǒng)又被稱為數(shù)字電路。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，數(shù)字集成電路技術(shù)的水平不斷地提高，相比于以前的技術(shù)發(fā)展是一個(gè)領(lǐng)先性的發(fā)展趨勢(shì)［8］，已被廣泛應(yīng)用于數(shù)字測(cè)量、數(shù)字計(jì)算機(jī)、現(xiàn)代數(shù)字通信、自動(dòng)控制等領(lǐng)域［9］。與其他類型的電路設(shè)計(jì)相比，數(shù)字電路設(shè)計(jì)有著自己的特點(diǎn)，數(shù)字電路集成度高、穩(wěn)定可靠，功能容易實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用十分廣泛［10-11］。

Multisim是一款功能強(qiáng)大的電子電路仿真軟件，該軟件界面友好、操作方便［12］，可以直觀地觀察電路運(yùn)行結(jié)果，通過(guò)不斷的測(cè)試和調(diào)試，可以檢驗(yàn)方案的正確性，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)，修改錯(cuò)誤，簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)步驟及難度，大大提高了電路設(shè)計(jì)的效率和可靠性，是電路設(shè)計(jì)中常用的軟件之一［13］。

對(duì)于Multisim數(shù)字化集成電路的仿真測(cè)試，測(cè)試的主要目的是測(cè)試電路功能是否達(dá)到或滿足實(shí)際要求的效果，根據(jù)電路的輸入端輸入測(cè)試，然后檢驗(yàn)電路產(chǎn)生相應(yīng)的反應(yīng)輸出信號(hào)，分析輸出信號(hào)是否為預(yù)期結(jié)果，從而體現(xiàn)所設(shè)計(jì)電路應(yīng)有的科學(xué)性與合理性。具體數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)見(jiàn)下文。

1 姿態(tài)編碼識(shí)別電路的設(shè)計(jì)

下面將設(shè)計(jì)一個(gè)基于姿態(tài)編碼的數(shù)字邏輯電路。

假設(shè)只有初始狀態(tài)（即還沒(méi)有進(jìn)行識(shí)別的狀態(tài)）、走路、跑步、跳舞4種姿態(tài)情況。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)姿態(tài)編碼識(shí)別電路，要求能顯示輸出結(jié)果。

首先，根據(jù)要求，我們可以設(shè)定出外輸入端A，輸出端X、Y，并確定4種有效的姿態(tài)，當(dāng)Q2Q1Q0=000時(shí)，其為初始狀態(tài)；當(dāng)Q2Q1Q0=001或010或100（即只有一個(gè)1）為走路狀態(tài)；當(dāng)Q2Q1Q0=011或110或101（即只有兩個(gè)1）為跑步狀態(tài)；當(dāng)Q2Q1Q0=111（即全1）為跳舞狀態(tài)。因此，畫(huà)出其相關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，如圖1所示。

圖1 姿態(tài)編碼識(shí)別電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

該狀態(tài)圖中有一個(gè)外輸入端A，它的功能是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。該狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖描述了7個(gè)有效狀態(tài)，4個(gè)不同的循環(huán)，根據(jù)外輸入端A的狀態(tài)0或1，分別進(jìn)入到相應(yīng)的循環(huán)當(dāng)中，并且伴隨得到相應(yīng)X Y的輸出結(jié)果。在Q2Q1Q0=011狀態(tài)下，若輸入端A=0，電路將回到初始狀態(tài)，同時(shí)給出X=0，Y=0；若輸入端A=1，電路將回到初始狀態(tài)，同時(shí)給出X=0，Y=1。在Q2Q1Q0=100狀態(tài)下，若輸入端A=0，電路將回到初始狀態(tài)，同時(shí)給出X=0，Y=1；若輸入端A=1，電路將回到初始狀態(tài)，同時(shí)給出X=1，Y=0。在Q2Q1Q0==101狀態(tài)下，若輸入端A=0，電路將回到初始狀態(tài)，同時(shí)給出X=0，Y=1；若輸入端A=1，電路將回到初始狀態(tài)，同時(shí)給出X=1，Y=0。在Q2Q1Q0=110狀態(tài)下，若輸入A=0，電路將回到初始狀態(tài)，同時(shí)給出X=1，Y=0；若輸入A=1，電路將回到初始狀態(tài)，同時(shí)給出X=1，Y=1。這個(gè)狀態(tài)圖可以為后面設(shè)計(jì)邏輯變量和選用相關(guān)觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)相應(yīng)邏輯功能提供重要依據(jù)。

然后，選用D觸發(fā)器進(jìn)行設(shè)計(jì)，畫(huà)出卡諾圖并化簡(jiǎn)，得到相應(yīng)狀態(tài)方程，如圖2所示。

圖2 姿態(tài)編碼識(shí)別電路的卡諾圖及其狀態(tài)方程（續(xù)）

圖2 姿態(tài)編碼識(shí)別電路的卡諾圖及其狀態(tài)方程

卡諾圖化簡(jiǎn)盡可能以2的整數(shù)冪次來(lái)圈數(shù)字1或0，并且滿足卡諾圖的“圈盡量大，圈盡量少”的畫(huà)圖規(guī)則進(jìn)行畫(huà)圈［14］，其中X表示任意信號(hào)值，可為1或0。本文以圈1為例，以相同數(shù)字保留，不同的數(shù)字去掉，邊緣的數(shù)字相鄰，以及最后得出的邏輯表達(dá)是與或式的原則進(jìn)行化簡(jiǎn)。經(jīng)過(guò)5個(gè)圖的化簡(jiǎn)，最終得到相應(yīng)原態(tài)和次態(tài)狀態(tài)方程，結(jié)果與如圖2所示的結(jié)果一致。據(jù)此可以得到相關(guān)變量的真值表，如表1所示。

表1 姿態(tài)編碼識(shí)別電路的真值表

該真值表描述了狀態(tài)變化的過(guò)程，是狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖（圖1）的另一種表達(dá)方式，不僅可以直觀地顯示邏輯關(guān)系中每種狀態(tài)下的邏輯結(jié)果，還可以更直接地描述狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程，同時(shí)能夠更好地描述所設(shè)計(jì)電路的功能。

在設(shè)計(jì)電路時(shí)，應(yīng)該合理充分地應(yīng)用器件的功能，以最簡(jiǎn)的方式滿足需求。因此，在設(shè)計(jì)姿態(tài)編碼識(shí)別電路時(shí)，為達(dá)到最簡(jiǎn)電路的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)盡可能用最少的觸發(fā)器和門電路，并且其輸入端數(shù)目也要盡量少［15］。在得到真值表后，我們選擇D觸發(fā)器，其電路圖如圖3所示。

圖3 姿態(tài)編碼識(shí)別電路圖

為把我們的理論成果應(yīng)用到硬件開(kāi)發(fā)來(lái)，下面在Multisim14［16-18］的仿真軟件上進(jìn)行電路設(shè)計(jì)并測(cè)試，選用D觸發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)編碼識(shí)別。如圖4所示，我們選用了3個(gè)D觸發(fā)器（型號(hào)為74ls74D），13個(gè)與門（7個(gè)二輸入一輸出與門、4個(gè)三輸入一輸出與門、2個(gè)四輸入一輸出與門），5個(gè)或門（4個(gè)二輸入一輸出或門、1個(gè)三輸入一輸出或門），1個(gè)非門（一輸入一輸出非門），選用2個(gè)指示燈做調(diào)試輸出X和Y的顯示，最后選用一個(gè)10Hz的時(shí)鐘信號(hào)源做時(shí)鐘信號(hào)同步。

圖4 Multisim14的姿態(tài)編碼識(shí)別電路圖

在完成元器件的線材連接后，部分仿真測(cè)試結(jié)果如圖5所示，舉例展示了其中兩種不同有效循環(huán)的仿真測(cè)試結(jié)果，該兩種循環(huán)分別為000→001→011→000和000→001→100→000，其中值得注意的是在狀態(tài)為011時(shí)，當(dāng)外輸入端A為0時(shí)，輸出結(jié)果X Y的值為00，當(dāng)外輸入端A為1時(shí)，輸出結(jié)果X Y的值為01；在狀態(tài)為100時(shí)，當(dāng)外輸入端A為0時(shí)，輸出結(jié)果X Y的值為01，當(dāng)外輸入端A為1時(shí)，輸出結(jié)果X Y的值為10。因此，經(jīng)過(guò)Multisim14仿真的測(cè)試，我們發(fā)現(xiàn)所設(shè)計(jì)電路的仿真結(jié)果符合預(yù)期，且該電路能夠達(dá)到較好的設(shè)計(jì)性能，具備較強(qiáng)的可移植性，根據(jù)外輸入A的輸入狀態(tài)和時(shí)鐘的切換，可以顯示出狀態(tài)000→001→011→000，000→001→100→000，000→010→101→000，000→010→110→000的四種不同的有序循環(huán)，相應(yīng)的X、Y指示燈的亮滅也顯示出相應(yīng)輸出結(jié)果XY的值。即該電路通過(guò)D觸發(fā)器（型號(hào)為74LS74D）進(jìn)行邏輯運(yùn)算后，把相應(yīng)的高低電平輸出到相應(yīng)的邏輯門，再把相關(guān)二進(jìn)制的電平轉(zhuǎn)換為指示燈顯示X、Y的電平，最終顯示出相應(yīng)的邏輯結(jié)果，由此證明本文所設(shè)計(jì)的方法有效，電路設(shè)計(jì)符合預(yù)期。

二是通過(guò)應(yīng)用服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中存儲(chǔ)的各傳感器數(shù)據(jù)從多個(gè)維度進(jìn)行分析,將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析并展現(xiàn)到互聯(lián)網(wǎng)上、微信等手機(jī)APP。

圖5 姿態(tài)編碼識(shí)別電路的部分仿真測(cè)試結(jié)果

圖5 姿態(tài)編碼識(shí)別電路的部分仿真測(cè)試結(jié)果（續(xù)）

圖5 姿態(tài)編碼識(shí)別電路的部分仿真測(cè)試結(jié)果（續(xù)）

2 結(jié)語(yǔ)

本文基于姿態(tài)編碼進(jìn)行了數(shù)字邏輯電路的設(shè)計(jì)，并且利用Multisim14軟件進(jìn)行仿真測(cè)試。經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的電路實(shí)用性較強(qiáng)，可滿足一定數(shù)量姿態(tài)編碼識(shí)別需求。在使用D觸發(fā)器的姿態(tài)編碼識(shí)別的時(shí)序電路設(shè)計(jì)中，電路設(shè)計(jì)圖簡(jiǎn)潔，便于擴(kuò)展。所提出的電路在邏輯變量編碼的設(shè)計(jì)時(shí)，也考慮電路自啟動(dòng)和自檢查功能，大大降低電路工作時(shí)的故障率。若有更多類型的姿態(tài)編碼需要識(shí)別，觸發(fā)器和邏輯門的數(shù)量也要相應(yīng)增加。本文所提出的設(shè)計(jì)方案中只需要增加狀態(tài)編碼和相應(yīng)邏輯變量。