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2013年5月25日 星期六

使用差動雙投擲計時器應用於時鐘製作之研製

minecraft是一款我認為設計得相當好的遊戲,透過簡單方塊的堆積,讓你組出任何你想要的內容;而紅石又是其中最有變化的物件,可以模擬出許多數位電路的行為,老實說基本的邏輯設計課程應該可以用minecraft當作輔助教材(XD)。

minecraft升級到1.5之後,多了很多新的紅石元件,其中包括可以測定日光強度的日光sensor,讓我們有機會在minecraft當中,實現時鐘的功能。
之前已經有相當多相關的設計,包括直接用sensor輸出信號接在redstone lamp(1),及用長線分離出各時段的信號(2)等。
因為sensor輸出信號在白天呈現山形,第一種時鐘,共有上午和下午時會呈現相同的時間、計時非線性、晚上也只能顯示為晚上而非確切時間等問題;第二種則需要相當大的空間和電路,在一般server不用creative mode難以實現。
這裡我們就要設計的是,能夠線性計時,利用daylight sensor來校正,同時體積儘量小的設計。

最終設計的minecraft時鐘共有兩個主要部分,分別為:差動雙投擲計時器、雙比較器實現計數器(counter).本文將分為以下幾個部分:
1. minecraft 時間及sensor介紹:
2. 差動雙投擲計時器之設計:
3. 雙比較器實現計數器之設計:
4. 設計展示:
5. 相關設計:

1. minecraft 時間及sensor介紹:

minecraft一天有現實的20分鐘,共分為24000個基本時間單位ticks,ticks設為0時相當於每日早上6點。sensor的部分,固定每天22500ticks到13500ticks會發出信號,其他時間則不發射,信號強度依日光強度有所不同。
詳細資料請參考:(3)minecraft wiki daylight sensor。

2. 差動雙投擲計時器之設計:

過去minecraft上常難以實現長時間的delayer,可行的辦法包括用rail+detect rail、dispensor+蜘蛛網、鐵路+流水回收(4)等、活塞循環(5)等;但一般rail+detect rail需要相當大的面積來達成長delay,一般大小下delay只有約10-20秒,且重登入時不容易reset;dispensor+蜘蛛網、鐵路+流水回收則不夠精確,delay時間的可調長度與可調精度不佳;活塞循環相較之下較為可行,但拉到四角的紅石信號容易造成信號線相當複雜,一般體積也較大。 

本文提出之差動雙投擲計時器,除了能精確計時外,還具有容易reset、停止、可調長度相當廣及所佔體積相當小等好處,主要的參考來源為「SCAMP全自動造山機」(6)。 

雙投擲器將兩個投擲器相對,驅動一個投鄭器即會將內容物送至另一個投擲器內,透過1.5版新增的比較器,偵測投擲器是否內含物品,驅動比較器製成的振盪器(圖左),即可自動將一投擲器(下稱發射端)的物品送到另一側(下稱預備端),調整投擲器內的物品數量和振盪器的頻率,可以調整輸出變化的時間,由於comparator的delay不明,粗估送完的時間方式為,投擲器內的物品數量*(Osc. Delay),實測上兩個repeater調最長,17個物品送完的時間是30秒。
理論上可以在另一邊複製相同的振盪電路,將一側電路的輸出鎖住另一方向的repeater,達到來回振盪的功能,但如下圖,repeater要鎖住的方向不同,這樣的設計會讓電路變得相當大;同時兩邊都是相同的振盪頻率,實用上不容易做到校正的功能。


新架構加入另一套雙投擲計時器,兩計時器互鎖,當A方鎖住B方時(A方的Q值為1),A方輸出和B方預備端是否含物品的信號通過AND閘,驅動高速振盪器,將物品送回發射端。



運作包含五個相位:
1. A方發射端將物品送入預備端,B方預備端高速送物品回發射端。
2. B方預備端送完,高頻振盪器停止。
3. A方發射端送完,B方發射端解鎖,使A方輸出鎖住,並啟動A方預備端高頻振盪器。
4. A方預備端送完,高頻振盪器停止。
5. B方發射端送完,A方發射端解鎖,使B方輸出鎖住,並啟動B方預備端高頻振盪器,回到相位一。

最後則是控制信號的部分,可以透過強制將A/B方鎖住信號設在1來達成開關計時器的功能;但要注意的是,repeater的鎖住是鎖在 0或1,如果鎖在1的話,會使雙投擲器進入來回投擲的不穩定狀態;因此我們要在控制信號的輸入處,加入一個由輸出控制的鎖,以避免上述狀況的發生,詳細如下圖所示。
完成之雙投擲計時器所佔面積為10*8*3,相當compact,理論上的最長delay時間估計為2032秒左右




3. 雙比較器實現計數器之設計:

由於上述差動雙投擲計時器的輸出端,只能隨時間輸出長週期的1/0信號,因此輸出端先接入一個上升/下降緣檢測電路(edge detector),產生短脈衝;再接入計數器計算短脈衝的數量,以達成隨不同時間輸出不同信號的能力。

這裡狀態機的設定參考(7)的設計,功能考量,我們只取其中的down counter跟重設的能力,同樣由雙比較器維持信號強度,每一個脈衝進來,經比較器產生強度一的信號,使狀態強度減小一,達到狀態記錄。
實作上計數器記錄的是計時器發出多少次信號;在這裡我們用來記錄經過多少時間,在日間感測器開始運作之後,到日落的時間為15000ticks=12.5分,晚上感測器則是9000ticks=7.5分,分別需要記錄12, 7個狀態。

為了reset計數器,我們需要特定強度的信號,當然也可以用強度15的信號reset,但這樣會加大計數器的體積;這部分使用箱子+comparator產生,並利用另一個信號為15的信號相減,來產生所需的強度。
以日間計數器需設到強度12的信號,箱子要放345-460個物品。
以日間計數器需設到強度7的信號,箱子要放921-1036個物品。(雞蛋的話請除4)
這個用骨粉來放最容易了。



4. 設計展示:

最終時鐘設計如下圖所示:

中央的日光偵測器為核心,左右各為一套雙投擲計時器,分別在日、夜時工作(左日右夜,不想看到紅石電路請自己拉到地底=w=);計時器Q+輸出經edge detector進到計數器-1端,Q-經edge detector到對方計數器reset端;上方為夜間計數器,七個狀態;下方為日間計數器,12個狀態;有一些些調整是在鎖住sensor信號跟接到計數器的部分,都是為了讓體積更小。

稍微提一下,因為在雙投擲計時器,鎖住控制信號的那一方(Q-),在計時器被鎖住時,其輸出為0,如圖中左邊上半的狀態,因此在停止工作的瞬間,會有一個negative edge pulse,利用negative edge detector偵側這個信號幫另一方重設。
開始計時的時候,Q-端會先變1,然後30秒後換Q+端變1,再30秒Q+變0;因此從Q+端接到計數器減一端的detector同樣是negative edge detector。

這大概是整體時鐘的設計了,每個一紅石燈的信號可以自行拉線到想顯示的方式上;就我所知,這是目前能線性計時,同時體積最小的設計。

5. 參考資料:

(1)Basic Minecraft Clock Using 13w01a "Daylight Sensors"
http://www.youtube.com/watch?v=2x-l0owQGF0
(2)WORKING 12-HOUR CLOCK IN MINECRAFT
http://www.youtube.com/watch?v=1-ylYISMAck
(3)daylight sensor
www.minecraftwiki.net/wiki/Daylight_Sensor
(4)Minecraft clocks (6min)
http://www.youtube.com/watch?v=Rz1Qxbh3_XI
(5)Minecraft : Piston clock for long delay
http://www.youtube.com/watch?v=M19UQ5Y_wzQ
(6)The SCAMP: How it Works, and How to Use It
http://www.youtube.com/watch?v=vBpPKVwIwP4
(7)Decimal Counter with Comparators [Tutorial] Minecraft 1.5
http://www.youtube.com/watch?v=J7mRNZXshCQ
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