數(shù)字式競爭搶答器

1、課程設(shè)計課 程_EDA技術(shù)課程設(shè)計題 目數(shù)字式競爭搶答器院 系電子科學學院專業(yè)班級電子信息工程學生姓名學生學號指導教師2011年3月11日大學課程設(shè)計任務書課程 EDA技術(shù)課程設(shè)計 題目數(shù)字式競賽搶答器 專業(yè)電子信息工程姓名 學號 主要內(nèi)容、基本要求、主要參考資料等 主要內(nèi)容：設(shè)計一個可容納6組參賽的數(shù)字式搶答器，當?shù)谝粋€人按下?lián)尨鸢粹o時，其他組的按鈕不起作用。當 主持人按下復位”按鈕，所有組的按鍵才可用。基本要求：1、設(shè)計一個可容納6組參賽的數(shù)字式搶答器，每組設(shè)一個按鈕，供搶答使用。2、搶答器具有第一信號鑒別和鎖存功能，使除第一搶答者外的按鈕不起作用。3、設(shè)置一個主持人 復位”按鈕。4、主持

2、人復位后，開始搶答，第一信號鑒別鎖存電路得到信號后，有指示燈顯示搶答組別，揚聲器 發(fā)出2-3秒的音響。5、 設(shè)置一個計分電路，每組開始預置100分，由主持人記分，答對一次加10分，答錯一次減10分。主要參考資料：1 潘松著.EDA技術(shù)實用教程（第二版）.北京：科學出版社,2005.2 康華光主編電子技術(shù)基礎(chǔ) 模擬部分.北京：高教出版社,2006.3 閻石主編.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：高教出版社,2003.完成期限指導教師專業(yè)負責人2011年3月7日1. 基本原理在許多比賽活動中，為了準確、公正、直觀地判斷出第一搶答者，通常設(shè) 置一臺搶答器，通過數(shù)顯、燈光及音響等多種手段指示出第一搶答者。同時還

3、 可以設(shè)置記分、犯規(guī)及獎勵記錄等多種功能。該設(shè)計就是針對上述各種要求設(shè) 計出的供 6 名選手參賽使用的數(shù)字式競賽搶答器。該電路的根本任務時準確的 判斷出第一搶答者的信號并將其鎖存。實現(xiàn)這一功能可用觸發(fā)器和鎖存器等。 在得到第一信號后應立即將電路的輸入封鎖，即使其他組再次發(fā)出搶答信號也 無效。同時還必須注意，第一搶答信號應該在主持人發(fā)出搶答命令之后才有效。 當電路形成第一搶答信號之后，用編碼、譯碼及數(shù)碼顯示電路顯示出搶答者的 組別，也可以用發(fā)光二級管直接指示出組別。還可以用鑒別出的第一搶答信號 控制一個具有兩種工作頻率的交替變化的音頻振蕩器工作，使其推動揚聲器發(fā) 出兩個笛音音響，表示該題搶答有效

4、。2.設(shè)計框圖CPLD為復雜可編程邏輯器件，通過 EDA技術(shù)對其進行編程，可將一個較復 雜的數(shù)字系統(tǒng)集成于一個芯片中，制成專用集成電路芯片，并可隨時在系統(tǒng)修 改其邏輯功能。智力競賽搶答器，分為 5 個模塊：選手搶答模塊、搶答啟動模塊、加減 分模塊、顯示模塊、蜂鳴器控制模塊。搶答啟動模塊包括：復位和記時，用于啟動搶答和啟動定時。輸出信號給 選手識別模塊，并顯示剩余時間。選手搶答模塊具有識別與鎖存功能，并輸出 選手號給顯示模塊。加減分模塊用于存儲各個選手的分數(shù)，并輸出給顯示模塊 蜂鳴器控制模塊則對超時和搶答成功鳴聲報警。顯示模塊用于輸出搶答剩余時 間、搶答模塊、選手得分。、設(shè)計步驟和調(diào)試過程1、總

5、體設(shè)計電路MH MMaBM：MMMV MM sjLW1Fuiir砂一嚴 nirir一_rT打ZfLflTEfiS r.JJEI hS.Ka叩HCOOP”P_VJtf Eflp 町SCDFBp q 5StiF3P.lI岀f.刃 TMW. JI niaj|gm2、模塊設(shè)計和相應模塊程序(1)搶答啟動模塊搶答啟動模塊由控制搶答啟動的復位鍵和控制定時的兩個定時啟動鍵。定 時時間為 5秒和 20秒兩種，分別由兩個鍵控制。主持人按下復位鍵啟動搶答， 并完成置數(shù)。定時啟動鍵則在置數(shù)信號有效的情況下，讀入定時初值，進行減 1 操作，開始倒計時。本模塊程序：搶答啟動LIBRARY IEEE;USE IEEE.S

6、TD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY START_5_20 ISPORT(CLK1,RST,START5,START20:IN STD_LOGIC;B,A:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); 輸-出定時初值S_FLAG:OUT STD_LOGIC);- 置數(shù)信號END ENTITY;ARCHITECTURE ONE OF START_5_20 ISSIGNAL DATAIN:STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0);TYPE ST_TYPE IS (ST0,ST1,ST2

7、); - 定義狀態(tài)SIGNAL C_ST:ST_TYPE;BEGINDATAIN=START5&START20; - 兩個輸入信號放在PROCESS(RST,CLK1)BEGINIF RST=0 THEN -B=0000;A=0000;C_ST=ST0;S_FLAG IF DATAIN=01 THEN起判斷復位S_FLAG=1;-置數(shù)信號有效B=0000;A=0101; -定時初值“ 05”ELSIF DATAIN=10 THENC_ST=ST2; -輸入信號為 10,S_FLAG=1;-置數(shù)信號有效B=0010;A=0000; -定時初值“ 20”C_ST二ST1;-輸入信號為01,轉(zhuǎn)ST1

8、狀態(tài)轉(zhuǎn) ST1 狀態(tài)ELSE C_STIF DATAIN=11 THENC_ST=ST0;-防按鍵抖動，為11時才轉(zhuǎn)ST0狀態(tài)S_FLAG=0;-置數(shù)信號無效ELSE C_STIF DATAIN=11 THEN C_ST=ST0;S_FLAG=0;ELSE C_STC_ST=ST0;B=0000;A=0000;END CASE;END IF;END PROCESS;END ARCHITECTURE;定時控制LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY DE_COUNT ISPORT

9、(CLK2,LOAD,L_CR,RST:IN STD_LOGIC;B,A:IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);TIMEB,TIMEA:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);TIMEOUT,SR1:OUT STD_LOGIC);END ENTITY;ARCHITECTURE TWO OF DE_COUNT ISBEGINPROCESS(LOAD,L_CR,RST,CLK2)VARIABLE P1,P0:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);BEGINIF LOAD=1 THENP1:=B;P0:=A; - 指數(shù)信號有效，

10、將 B、A 值讀入 P1、P0ELSIF L_CR=O THEN -有選手搶答成功，L_CF輸入為0,定時時間清0 P1:=0000;P0:=0000;TIMEOUT=0;SR1=1;ELSIFRST=0THENP1:=0000;P0:=0000;TIMEOUT=0;SR10 THENP1:=P1-1;P0:=1001; - 若個位為 0,十位減 1,個位賦為 9END IF;ELSEP0:=P0-1;-若個位不為 0,個位直接減一IF P0=0000 AND P1=0000 THENTIMEOUT=0;SR1=1;- 若時間到,輸出鎖存信號END IF;END IF;END IF;TIMEB

11、=P1;TIMEA=P0;END PROCESS;END ARCHITECTURE;實現(xiàn)兩個子模塊組合LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY DE_COUNT ISPORT(CLK2,LOAD,L_CR,RST:IN STD_LOGIC;B,A:IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);TIMEB,TIMEA:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);TIMEOUT,SR1:OUT STD_LOGIC);END ENTITY;AR

12、CHITECTURE TWO OF DE_COUNT ISBEGINPROCESS(LOAD,L_CR,RST,CLK2)VARIABLE P1,P0:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);BEGINIF LOAD=1 THENP1:=B;P0:=A; - 指數(shù)信號有效，將 B、A 值讀入 P1、P0ELSIF L_CR=O THEN -有選手搶答成功，L_CF輸入為0,定時時間清0P1:=0000;P0:=0000;TIMEOUT=0;SR1=1;ELSIFRST=0THENP1:=0000;P0:=0000;TIMEOUT=0;SR10 THENP1:=P1-1;P0:

13、=1001; - 若個位為 0，十位減 1，個位賦為 9 END IF;ELSEP0:=P0-1; -若個位不為 0，個位直接減一IF P0=0000 AND P1=0000 THENTIMEOUT=0;SR1=1; - 若時間到，輸出鎖存信號 END IF;END IF;END IF;TIMEB=P1;TIMEA=P0;END PROCESS;END ARCHITECTURE;2、選手搶答模塊選手有 6 名，在一個結(jié)構(gòu)體中用 6 個進程同時對 6 個選手按鍵電平變化的 監(jiān)測是不可實現(xiàn)的，因為若出現(xiàn)檢測上升沿或下降沿的語句，編譯軟件會認為 所檢測的信號為實體的時鐘信號，而一個實體只允許用一個時

14、鐘信號控制。故 可將本模塊分為兩部分：單個選手按鍵和判斷搶答。將 6 位選手按鍵模塊和判 斷選手連接起來得到整個選手搶答模塊。本模塊程序如下：單個選手按鍵模塊LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY BUTTON1 ISPORT(LOCK , BUTTON , RST :IN STD_LOGIC;PRESSED:OUT STD_LOGIC);END ENTITY;ARCHITECTURE B1 OF BUTTON1 ISBEGINPROCESS(RST , BUTTON) - 使用進程時刻監(jiān)測RST BUTTO信號BEGINIF RST=0

15、 THENPRESSED=0;-復位ELSIF BUTTONEVENT AND BUTTON=0 THENIF LOCK二1 THEN-鍵被按下并且LOCK言號無效PRESSED=1;-則輸出信號給判斷模塊END IF;END IF;END PROCESS;END ARCHITECTURE;判斷選手模塊LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY IDENTIFIER ISPORT(PP1,PP2,PP3,PP4,PP5,PP6,PP7,PP8:IN STD_LOGIC;P_NUM:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0

16、);LOCK,SR1:OUT STD_LOGIC);END ENTITY;ARCHITECTURE ONE OF IDENTIFIER ISSIGNAL P:STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);BEGINPP_NUM=0001;LOCK=0;SR1P_NUM=0010;LOCK=0;SR1P_NUM=0011;LOCK=0;SR1P_NUM=0100;LOCK=0;SR1P_NUM=0101;LOCK=0;SR1P_NUM=0110;LOCK=0;SR1P_NUM=0000;LOCK=1;SR1LOCK,B=P1,RST=RST,PRESSED=a1); U2:BUTTO

17、N1 PORT MAP(LOCK=LOCK,B=P2,RST=RST,PRESSED=a2);U3:BUTTON1 PORT MAP(LOCK=LOCK,B=P3,RST=RST,PRESSED=a3);U4:BUTTON1 PORT MAP(LOCK=LOCK,B=P4,RST=RST,PRESSED=a4);U5:BUTTON1 PORT MAP(LOCK=LOCK,B=P5,RST=RST,PRESSED=a5);U6:BUTTON1 PORT MAP(LOCK=LOCK,B=P6,RST=RST,PRESSED=a6); U7:IDENTIFIERPORT MAP(PP1=a1,PP2

18、=a2,PP3=a3,PP4=a4,PP5=a5,PP6=a6,PP7=a7,PP8=a8,P_NUM=P_NUM,LOCK=LOCK_S,SR1=SR1);END ARCHITECTURE;3、加減分模塊加減分模塊分別由加 10 分按鍵與減 10 分按鍵控制，采用狀態(tài)識別機的方 式來識別。搶答選手有 6 位，若每一個選手都分配一個寄存器來保存分數(shù)，每個人的 分數(shù)有 3 位數(shù)，每個數(shù)用 4 位二進制表示，那么 6 個選手的分數(shù)需要 12*6=72 根線輸出，加上其它的管腳，將可能超過一個 FPGA芯片可用的管教數(shù)，編譯時 就會報錯。故采用分組的方法把 6 個選手依次分成 3 組，每組兩個人。分

19、數(shù)以 組的單位分配，搶答成功時只顯示組的分數(shù)。本模塊由三個子模塊組成：組別判斷子模塊，加減分寄存器子模塊，分數(shù) 選擇輸出子模塊。組別判斷模塊根據(jù)搶答成功的選手編號，判斷出該選手屬于 哪組，并輸出使能信號允許該組的分數(shù)寄存器進行加減操作。加減分寄存器用 狀態(tài)機來識別，狀態(tài)機狀態(tài)的轉(zhuǎn)換由 CLK信號來控制。只有在EN信號有效的情 況下，加分或減分按鍵的按下才會起作用。每次加 10 分或減 10 分。分數(shù)選擇 輸出模塊只顯示當前搶答成功選手分數(shù)，使用 3個 7段數(shù)碼管顯示。本模塊程序：組別判斷LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY DECODE

20、 ISPORT(CLK:IN STD_LOGIC;P_NUM:IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);EN1,EN2,EN3,EN4:OUT STD_LOGIC);END ENTITY;ARCHITECTURE ONE OF DECODE ISSIGNAL E:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);BEGINPROCESS(CLK) - 引入時鐘信號，協(xié)調(diào)各部分電路的工作BEGINIF CLKEVENT AND CLK=1 THENCASE P_NUM ISWHEN 0001=EEEEEEE=0000; -其他情況則四個分數(shù)鎖存器都不工作 END C

21、ASE;END IF;END PROCESS;EN4=E(3);EN3=E(2);EN2=E(1);EN1=E(0);END ARCHITECTURE;加減分寄存器LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY COUNTER1 ISPORT(CLK,EN:IN STD_LOGIC;ADD,SUB:IN STD_LOGIC;AA2,AA1,AA0:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);END ENTITY;ARCHITECTURE ONE OF COUNT

22、ER1 ISSIGNAL A:STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0);TYPE ST_TYPE IS (ST0,ST1,ST2);SIGNAL C_ST:ST_TYPE;BEGINAIF A二01 THEN -A 為“ 01”，說明 ADD按下 C_ST=ST1;-下一狀態(tài)轉(zhuǎn)ST1,以等待按鍵彈起 IF P0=0101 THENP0:=0000; - 若個位為 5，加 5 后變?yōu)?0，高位進1IF P1=1001 THENP1:=0000; - 十位為 9，進 1 為 0，再向百位進1IF P2=1001 THENP2:=0000;- 百位為 9，進一為 0ELSE P2:=

23、P2+1;- 百位不為 9，百位加 1END IF;ELSE P1:=P1+1; - 十位不為 9，加一END IF;ELSE P0:= 5; - 個位不為 5，個位變?yōu)?5END IF;ELSIF A二10 THEN -A 為“ 10”，說明 SUB按下C_ST二ST2;-下一狀態(tài)轉(zhuǎn)ST2,以等待按鍵彈起IF (P2/=0 OR P1/=0 OR P0/=0) THENIF P0=0000 THENP0:=0101;- 若個位為 0，加 5后變?yōu)?5，高位借 1IF P1=0000 THENP1:=1001;- 十位為 0，借 1 后為 9，向百位借 1P2:=P2-1; - 十位向百位借

24、1ELSE P1:=P1-1;- 十位不為 0，直接減 1END IF;ELSE P0:=0000;- 個位為 5，則個位直接清 0END IF;END IF;ELSE C_STIF A二11 THEN- A為“ 11”，說明按鍵彈起C_ST二STO;-回到ST0繼續(xù)監(jiān)視按鍵ELSE C_STIF A二11 THEN- A為 “11” 說明按鍵彈起C_ST=STO; -回到STO繼續(xù)監(jiān)視按鍵ELSE C_STC_ST=STO;END CASE;END IF;END IF;AA2=P2;AA1=P1;AAOD2=AA2;D1=AA1;D0D2=AA2;D1=AA1;D0D2=BB2;D1=BB1

25、;D0D2=BB2;D1=BB1;D0D2=CC2;D1=CC1;D0D2=CC2;D1=CC1;D0D2=DD2;D1=DD1;D0D2=0000;D1=0000;D0=0000;END CASE;END PROCESS;END ARCHITECTURE;4、顯示模塊顯示模塊顯示分 3 部分分別顯示：搶答成功選手號，選手分數(shù)、倒計時時 間。選手號有一個 7 段數(shù)碼管顯示，選手分數(shù)由三個 7 段數(shù)碼管顯示，倒計顯 示也由兩個數(shù)碼管顯示。本模塊程序如下：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL

26、;ENTITY DISPLAY ISPORT(CLK:IN STD_LOGIC;SCORE2,SCORE1,SCORE0,P_NUMBER,TIMEB,TIMEA:INSTD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);BT,SG:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);END ENTITY;ARCHITECTURE ONE OF DISPLAY ISSIGNAL CNT8:STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0);SIGNAL A:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);BEGINP1:PROCESS(CLK)BEGINIF

27、CLKEVENT AND CLK=1 THEN - 時鐘信號一來，顯示下一位 CNT8BT二10000000;ABT=01000000;ABT=00100000;ABT=00010000;ABT=00001000;ABT=00000100;ABT=00000010;ABT=00000001;ASGSGSGSGSGSGSGSGSGSGSGNULL;END CASE;END PROCESS;END ARCHITECTURE;5、蜂鳴器當定時時間帶或有選手搶答成功時，SR1輸出信號給蜂鳴器，時鐘信號驅(qū)動 蜂鳴器發(fā)聲。本模塊程序：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164

28、.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY SPEAKER ISPORT(CLK1,SR1,CLK2:IN STD_LOGIC;S:OUT STD_LOGIC);END ENTITY;ARCHITECTURE ONE OF SPEAKER ISTYPE ST_TYPE IS (ST0,ST1);SIGNAL C_ST:ST_TYPE;SIGNAL A:STD_LOGIC;BEGINPROCESS(CLK1)VARIABLE P:STD_L0GIC_VECT0R(7 DOWNTO 0);用于定時，使蜂鳴器發(fā) 聲持續(xù)BEGINIF CLK1EVENT A

29、ND CLK1=1 THENCASE C_ST ISWHEN ST0=IF SR1=1 THEN -SR1 信號有上升沿 P:=00111111;C_ST=ST1;A=1;- 蜂鳴器發(fā)聲，開始定時ELSE C_ST=ST0;AIF P/=0 THEN - 定時還沒到，等待 P:=P-1;C_ST=ST1;ELSEA=0; - 定時到，蜂鳴器停止發(fā)聲IF SR1=1 THENC_ST=ST1; - 等待系統(tǒng)復位ELSE C_STC_ST=ST0;A=0;END CASE;END IF;END PROCESS;S二CLK2 AND A;-只有A為1時，蜂鳴器才發(fā)聲END ARCHITECTURE;

30、3、仿真及仿真結(jié)果分析（1 ）搶答啟動子模塊仿真如下：搶答定時子模塊仿真如下：整個模塊仿真如下圖：2）單個選手按鍵模塊仿真圖如下：判斷選手搶答模塊仿真圖如下：整個模塊仿真圖如下：（七）3）組別判斷子模塊仿真圖如下：加減分寄存器仿真圖如下：分數(shù)輸出模塊仿真圖如下：4）顯示模塊仿真如下：此圖表示四號選手搶答成功，分數(shù)為 265，剩余時間為十七秒(5)模塊仿真圖如下:cmCLK2SH1SimmwMil 制nmiMnrnwimmBioniniiw當SR1為上升沿時，S輸出信號給蜂鳴器，并且持續(xù)一段時間4、實驗調(diào)試結(jié)果1、我們寫好程序保存好，點擊按鈕“Start compilation ”對程序進行編譯

31、。編譯成功后，新建波形文件，設(shè)置好輸入輸出引腳，生成仿真文件。各個 子模塊都編譯成功生成波形文件，并生成了相應的符號。采用原理圖設(shè)計方法實現(xiàn)總系統(tǒng)。首先新建文件File f New選擇“Block Diagram/Schematic File ”, 打開原理圖編輯窗口。接著在編輯窗口空白處右擊選擇“ Insert f Symbo” ,找 到已經(jīng)創(chuàng)建的各個模塊的符號所在的文件夾，選擇符號。各個模塊的符號創(chuàng)建好，選擇 “ In sert f Symbol”后，在搜索欄輸入“ in put ”和“ output ”，插入 相應的輸入輸出引腳。最后連接好原理圖，保存并編譯。2、進 入 調(diào)試階 段 的

32、首先 分配 好管 腳 ，進入 Quartus 菜 單 欄中選 擇 “Assignments”宀“ Pin Planner ”，根據(jù)實驗箱中元件與 CPLD芯片管腳的就 近關(guān)系來選擇管腳。3、選擇試驗箱右下角的 16 個指撥開關(guān)的第一排為 6 個選手的搶答按鍵。 第二排從左至右依次為加 10分鍵、減 10分鍵、復位鍵、 20秒倒計時鍵 和 5秒 倒計時鍵。4、因為開關(guān)的按下的電平抖動非常大， 所以當掃描按鍵的時鐘頻率過高時， 會使電路出現(xiàn)錯誤動作。這里將用于數(shù)碼管掃描顯示的頻率和掃描按鍵輸入的 頻率都連到735Hz用于倒計時的時鐘頻率應為 1Hz5、管腳分配完畢后，重新編譯。將試驗箱用 USB線

33、連接到電腦，并安裝驅(qū) 動程序。安裝成功后，在 Quartus菜單欄中“ Tools ”宀“ Programmer”，準備 下載程序到芯片上。檢查“ Hardware Setup ”欄是否顯示“ USB”，是則表示 實驗箱與電腦連接成功，否則為失敗，不能進行調(diào)試，需重新安裝。點擊“START 按鈕，下載程序，下載完并調(diào)試。6、調(diào)試開關(guān)全部置“ 1”。按下復位鍵，開始搶答。此時數(shù)碼管各個模塊顯示都為“ 0”。按下倒記時 20 秒鍵，啟動記時，搶答開始。若 3 號選手于 10 秒鐘時搶答成功，蜂鳴器發(fā)聲，顯示模塊上顯示為“ 3 000 10”。此時假如按下其他選手搶答鍵，顯示模塊不會顯示，說明搶答電路已鎖。