帝国竞争算法（ICA）详解：从原理到应用
2025/12/18 4:56:46
本文针对 “串行序列 00011000 检测（可重叠）” 需求，从设计原理、Multisim 电路搭建两个维度展开，用74HC164 移位寄存器 + 74HC151 选择器、74HC164+74HC273 寄存器两种方案实现 “输入序列匹配时输出 1，否则输出 0” 的功能。
一、设计原理：串入并出 + 序列比对
题目要求 “检测串行输入中的00011000（可重叠）”，核心逻辑是将串行数据转换为并行数据，再与目标序列逐位比对。
1. 核心器件及真值表
（1）74HC164（8 位串入并出移位寄存器）
功能：串行输入数据，在时钟上升沿依次移入，最终并行输出（Q0~Q7）。
| 输入 | 功能 | 输出变化（Q0→Q7） |
|---|---|---|
| \(\overline{CLR}\)=0 | 异步清零（优先级最高） | Q0~Q7 全置 0 |
| \(\overline{CLR}\)=1，CLK 上升沿 | 串行输入（A・B）移位 | 新数据→Q0，原 Q0→Q1，…，原 Q6→Q7 |
| \(\overline{CLR}\)=1，CLK 稳态 | 保持 | Q0~Q7 保持当前值 |
（2）74HC151（8 选 1 数据选择器）
功能：根据地址选择 8 路输入中的 1 路输出，用于 “固定序列比对”。
| 输入（地址 A2A1A0） | 输出 Y |
|---|---|
| 000 | D0 |
| 001 | D1 |
| ... | ... |
| 111 | D7 |
（3）74HC273（8 位 D 触发器寄存器）
功能：时钟上升沿锁存 8 路 D 输入，并行输出，用于 “动态序列缓存 + 比对”。
| 输入（CLK 上升沿） | 输出 Qn |
|---|---|
| Dn=X | Qn=X（锁存 D 输入） |
2. 两种方案逻辑
- 方案 1：74HC164（串转并） + 74HC151（固定序列比对）：将目标序列
00011000预存在 151 的输入，用 164 的输出作为 151 的地址，当 164 输出与目标序列一致时，151 输出 1。 - 方案 2：74HC164（串转并） + 74HC273（缓存目标序列） + 与门（逐位比对）：用 273 锁存目标序列，通过 8 个与门逐位比对 164 输出与 273 输出，全 1 则总输出 1。
二、Multisim 电路设计
方案 1：74HC164 + 74HC151（固定序列检测）
1. 电路接线
74HC164（串转并）：
- \(\overline{CLR}\)（9 脚）：接 5V（禁止清零）；
- A、B（1、2 脚）：短接后接串行输入信号（函数发生器生成的 0/1 序列）；
- CLK（8 脚）：接时钟信号（频率与串行输入同步，如 1kHz 方波）；
- Q0~Q7（3~6、10~13 脚）：依次接 74HC151 的地址端 A0~A7（Q0→A0，Q1→A1，…，Q7→A7）。
74HC151（序列比对）：
- 数据输入 D0~D7：按目标序列
00011000设置：D0=0、D1=0、D2=0、D3=1、D4=1、D5=0、D6=0、D7=0（0 接 GND，1 接 5V）； - 使能端\(\overline{EN}\)（7 脚）：接 GND（使能选择）；
- 输出 Y（5 脚）：接LED 指示灯（匹配时亮，即输出 1）。
- 数据输入 D0~D7：按目标序列
2. 功能验证
- 串行输入
00011000时，74HC164 的 Q0~Q7 输出为00011000，对应 74HC151 的地址为00011000，此时 151 选择 D3=1 输出，LED 亮； - 输入其他序列时，151 输出 0，LED 灭；
- 可重叠检测：输入
0001100011时，当第 8 位输入后输出 1，第 9 位输入后 Q0~Q7 变为00110001，不匹配；第 10 位输入后变为01100011，依此类推（符合可重叠要求）。
方案 2：74HC164 + 74HC273 + 与门（动态序列检测）
1. 电路接线
74HC164（串转并）：接线同方案 1（A/B 接串行输入，CLK 接同步时钟）。
74HC273（缓存目标序列）：
- CLK（11 脚）：接 5V（上电锁存）；
- D0~D7（1~4、13~16 脚）：按目标序列
00011000设置（D0=0、D1=0、D2=0、D3=1、D4=1、D5=0、D6=0、D7=0）； - Q0~Q7（2~5、14~17 脚）：依次接8 个 2 输入与门的一端。
与门阵列（逐位比对）：
- 每个与门的另一端接 74HC164 的 Q0~Q7；
- 8 个与门的输出接1 个 8 输入与门的输入；
- 8 输入与门的输出接 LED 指示灯（全位匹配时输出 1）。
2. 功能验证
- 串行输入
00011000时，74HC164 的 Q0~Q7 与 273 的 Q0~Q7 逐位相等，8 个与门全输出 1，最终 8 输入与门输出 1，LED 亮； - 输入其他序列时，至少 1 个与门输出 0，最终输出 0，LED 灭；
- 可重叠检测：输入
0001100011时，第 8 位输入后触发输出 1，后续输入自动移位比对，符合要求。
三、总结
本文用两种 74 系列芯片方案实现了 “00011000 序列检测”：
- 方案 1（164+151）：电路简洁，适合固定序列检测；
- 方案 2（164+273 + 与门）：支持动态修改目标序列，扩展性更强。