基于EDA技術(shù)的搶答器設(shè)計與實現(xiàn)畢業(yè)設(shè)計

1、 基于eda技術(shù)的搶答器設(shè)計與實現(xiàn) 摘 要：本設(shè)計基于常用的eda工具proteus軟件，以atmega16a單片機為核心芯片的八路數(shù)字搶答器系統(tǒng),該系統(tǒng)滿足了來自三方面的需求和解決了一個核心問題，這三個方面分別是搶答計時模式、表決模式，計分查詢模式；核心問題是解決了8 個搶答選手按鍵的“自鎖”與“互鎖”操作，即系統(tǒng)要保存好成功實現(xiàn)搶答操作的第一按鍵信息，與此同時要屏蔽搶答期間其他搶答按鍵操作，以保證每一輪的搶答操作只有一名選手能夠成功實現(xiàn)搶答。經(jīng)過調(diào)試和運行使該系統(tǒng)達到預(yù)期目標,具有反應(yīng)快、功能齊全、實用性和擴展性強的等特點。關(guān)鍵詞：eda技術(shù)；proteus；搶答器；atmega16a；a

2、bstract：this design is based on commonly used eda tools proteus software, eight digital responder system to atmega16a microcontroller core chip, the system to meet the demand from the three aspects and resolve a core issue in these three areas are the answer in timing mode mode of voting, scoring qu

3、ery mode; the core problem is to solve the 8 responder player button "self-locking "and" inter-lock "operation, the system you want to save the successful answer in the operation of the first key information at the same time to be during the shield responder responder button oper

4、ation, to ensure that the responder operations in each round only one player is able to successfully achieve responder. after commissioning and operation of the system to achieve the desired goal, with a fast response, fully functional, usability and scalability characteristics.keyword：eda technolog

5、y; the proteus; responder; atmega16a;1 引言對于8路智能搶答器目前主要的的設(shè)計方法有模擬電路設(shè)計、數(shù)字電路設(shè)計、模擬電路和數(shù)字電路相結(jié)合設(shè)計、單片機設(shè)計、硬件描述語言vhdl設(shè)計。20世紀90年代，計算機和電子技術(shù)較為先進的國家，一直在積極探索新的電子電路設(shè)計方法，并在設(shè)計方法、工具等方面進行了徹底的變革，取得了巨大的成功。在電子設(shè)計領(lǐng)域、可編程邏輯器件（如fpga）的廣泛普及給數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計帶來了極大地靈活性。對于可編程邏輯器件，設(shè)計人員可利用價格低廉的軟件工具快速開發(fā)、仿真和測試其設(shè)計。然后，可快速將設(shè)計編程到器件中，并立即在實際運行的電路中對設(shè)計進行

6、測試?？删幊踢壿嬈骷某霈F(xiàn)極大地改變了傳統(tǒng)的數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計理念，提高了電路設(shè)計的效率和可操作性，減輕了設(shè)計者的勞動強度。基于可編程邏輯器件設(shè)計的系統(tǒng)在克服了使用數(shù)字電路和模擬電路設(shè)計系統(tǒng)硬件電路復(fù)雜、成本較高的問題的同時，也克服了單片機i/o端口不足的問題，最終本設(shè)計已做成實物。2 系統(tǒng)概述2.1設(shè)計要求1)系統(tǒng)要具有鑒別鎖存,搶答計時,計分電路,掃描顯示四個方面的功能；2)方案成本低，軟件編寫簡易，可擴展性強。3)核心芯片型號種類多、可靠性較高、靈敏可靠2.2系統(tǒng)的主要功能本設(shè)計主要實現(xiàn)三個功能搶答計時模式、表決模式，計分查詢模式。單片機啟動以后首先進入30秒倒計時，led按1秒速度流動

7、閃亮30秒，每秒響一短嘀，可用于檢查計時器以及各位選手的指示燈是否正常。當(dāng)主持人按下?lián)尨疰I后搶答才有效，否則視為違規(guī)。超過30秒未搶答，此輪搶答作廢：聲響四長聲。解決的主要功能有鑒別鎖存,答題計時,計分電路,掃描顯示四個方面。：1）鑒別鎖存的關(guān)鍵是準確判斷出第一搶答者并將其鎖存，實現(xiàn)的方法是通過軟件的方式，解決8 個搶答選手按鍵的“自鎖”與“互鎖”操作；2）搶答計時模塊的任務(wù)是當(dāng)主持人啟動這個計時開關(guān)時開始計時；如果在主持人按下啟動鍵后搶答則搶答有效，如果主持人未按下啟動鍵，則搶答無效。計時器從規(guī)定的時間倒計時，計時為零時計時結(jié)束。3）計分電路主持人判定答題有效則加分，如無效則按照設(shè)定不加分或

8、者扣分。并將分數(shù)顯示在計分屏幕上。4）掃描顯示是計分結(jié)果通過掃描并顯示出來于屏幕上，搶答者和觀眾則通過顯示屏幕上的分數(shù)來判別競賽都之間的成績。系統(tǒng)的主要的功能模塊方框圖如下：復(fù)位搶答模式響聲電路計分查詢模式表決模式4位七段數(shù)碼顯示atmega 16aled燈顯示8路搶答器輸入按鈕圖1 系統(tǒng)的主要的功能模塊方框圖單片機是整個搶答器的核心，內(nèi)部程序設(shè)計采用c語言編寫。它完成搶答號碼的譯碼、保存、輸出顯示；選手計分、保存、查詢、輸出顯示；搶答第一信號的識別，違規(guī)報警；搶答計時等功能。本設(shè)計中，有一個共陽的數(shù)碼管組。其中有兩個顯示時間，一個空著，一個顯示搶答號。2.3系統(tǒng)的工作流程系統(tǒng)的工作原理：整個

9、系統(tǒng)實現(xiàn)三種功能，即搶答模式、表決模式、計分查詢模式。每種模式有不同的工作流程，系統(tǒng)初始化以后首先進入搶答模式，倒計時30秒 整個工作流程如下圖所示初始化程序運行進入倒計時表決鍵按下查詢鍵按下啟動鍵未按下有選手搶答啟動鍵按下先顯示組別號 延時一秒 然后顯示分數(shù) 流水燈開始閃爍停止返回等待進入表決模式當(dāng)表決鍵按下時對應(yīng)的led燈點亮 數(shù)碼管顯示選手號數(shù)碼管顯示時間30秒倒計時開始顯示違規(guī)選手號碼并伴有響2短聲倒計時結(jié)束超時報警四聲長響有選手搶答啟動鍵按下顯示選手號碼 一聲短響表決復(fù)位鍵按下顯示30 停止等待啟動鍵按下答題完畢 由裁判決定答題是否正確錯誤 不加分 等待下一次搶答正確 加十分保存 等

10、待下一次搶答圖2系統(tǒng)的工作流程3 硬件系統(tǒng)的設(shè)計硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)的設(shè)計，兩者相互結(jié)合，不可分離，隨著eda技術(shù)的不斷發(fā)展，使軟硬件協(xié)同設(shè)計 3 思想解決上述問題成為可能。本系統(tǒng)就是基于proteus軟件采用該思想進行硬件系統(tǒng)的設(shè)計。當(dāng)然我們在硬件電路初步設(shè)計時也應(yīng)該考慮以下幾個方面：(1) 盡可能采用功能強的芯片， (2) 留有設(shè)計余地。在設(shè)計硬件電路時，要考慮到將來修改擴展的方便。(3) 程序空間，選用片內(nèi)程序空間足夠大的單片機，本設(shè)計采用atmega16a單片機。(4) 多留一些空間ram空間，增強軟件數(shù)據(jù)處理功能。(5) i/o端口沉余：預(yù)留出一些i/o端口，雖然當(dāng)時空著沒用，那么用的

11、時候就派上用場了。3.1硬件系統(tǒng)的詳細設(shè)計與實現(xiàn)方法本系統(tǒng)劃分為6個模塊，每個模塊負責(zé)的功能相對專一。整個搶答器的硬件系統(tǒng)如下圖示：圖3 搶答器的硬件系統(tǒng)3.2.1 搶答電路的設(shè)計獨立鍵盤的接法是單片機測控系統(tǒng)中最常用的，它是指直接用i/o線構(gòu)成的單個按鍵電路。相對于矩陣鍵盤，獨立鍵盤每個按鍵占一個i/o口線，所以每根i/o口工作狀態(tài)不受其它i/o口影響其次是消除在按鍵過程中產(chǎn)生的“毛刺” 現(xiàn)象。這里采用最常用的方法，即延時重復(fù)掃描法，延時法的原理為：因為“毛刺”脈沖一般持續(xù)時間短，約為幾ms，而我們按鍵的時間一般遠遠大于這個時間,所以當(dāng)單片機檢測到有按鍵動靜后再延時一段時間(這里我們?nèi)?0m

12、s)后再判斷此電平是否保持原狀態(tài),如果是則為有效按鍵，否則無效。本設(shè)計的按鍵主要有：搶答按鈕07 八個按鍵，一個啟動/錯誤鍵、一個正確鍵鍵、一個表決鍵、一個計分查詢鍵/表決復(fù)位鍵。按鍵的觸點在閉合和斷開時都會產(chǎn)生抖動，這時觸點的邏輯電平是不穩(wěn)定的，不妥善處理將會引起按鍵命令的重復(fù)執(zhí)行或錯誤執(zhí)行?，F(xiàn)在常用采用軟件延時的方法消除抖動影響，這一延時時間通常要大于5ms，可取10-20ms之間。當(dāng)監(jiān)控程序中的讀鍵操作是在主程序（后臺程序）或鍵盤中斷（外部中斷）子程序中時，那該延時子程序可直接插入讀鍵過程之中。3.2.2 顯示電路的設(shè)計顯示功能與硬件關(guān)系極大，當(dāng)硬件固定后，如何在不引起操作者誤解的前提下

13、提供盡可能豐富的信息，全靠軟件來解決。根據(jù)驅(qū)動方式，數(shù)碼管分為靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩類。靜態(tài)顯示：靜態(tài)驅(qū)動又叫直流驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動是指每個數(shù)碼管段碼都要一個單片機的i/o端口進行驅(qū)動，或者二-十進制譯碼器譯碼驅(qū)動。它的優(yōu)點在于編程簡單，顯示亮度高，但不足之處是占用i/o端口多。動態(tài)顯示驅(qū)動：單片機中應(yīng)用較多的一種顯示方式之一就是數(shù)碼管動態(tài)顯示，動態(tài)驅(qū)動是把數(shù)碼管的"a,b,c,d,e,f,g,dp"8個顯示碼的同名端被組合一起，且每一個數(shù)碼管的公共極增加控制位選通電路，位選通由各自相互獨立的i/o線控制，當(dāng)字形碼由單片機輸出時，所有數(shù)碼管接收到相同的字形碼，那個數(shù)碼管會顯示出字

14、形取決于單片機對位選通電路的控制。通過查表法，將其在數(shù)碼管上顯示出來，其中p0口為字型碼輸入端，p2口低3位為字選段輸入端。在這里我們通過查表將字型碼送給7段數(shù)碼管顯示的數(shù)字，電路圖如下所示：段碼端口連接pc（07）口，第一個顯示器位碼連接到pd.5口,最后兩個分別連接到pd.2、pd.1口圖 4 數(shù)碼管顯示3.2.3 led顯示電路的設(shè)計led彩燈顯示電路(如圖所示)實際上是由8個發(fā)光二極管和8個電阻構(gòu)成的電路。發(fā)光二極管與電阻對應(yīng)串聯(lián),然后接在與之相對應(yīng)的p2口上。通過軟件編程對p2口輸出高低電平來實現(xiàn)不同的閃爍花型。由于發(fā)光二極管的導(dǎo)通電壓一般為1.7v以上，另外，他的工作電流根據(jù)型號不

15、同一般為1ma到30ma，電阻選擇范圍100歐姆3千歐姆在此我們這里選用470歐姆的電阻。3.2.4 復(fù)位電路的設(shè)計使cpu進入初始狀態(tài)以后，將從0000h地址開始執(zhí)行程序的過程叫系統(tǒng)復(fù)位。從實現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位的方法來看，系統(tǒng)復(fù)位可分為硬件復(fù)位和軟件復(fù)位10。硬件復(fù)位必須通過cpu外部的硬件電路給cpu的reset端加上足夠時間的高電位才能實現(xiàn)。在8路智能搶答器中復(fù)位電路主要完成復(fù)位操作，當(dāng)程序運行出現(xiàn)錯誤或者需要返回到初始狀態(tài)時就要用到復(fù)位鍵。本設(shè)計采用自動、手動復(fù)位組合電路，手動復(fù)位一般采用按鈕的方法使得avr單片機發(fā)生復(fù)位。當(dāng)按下按鈕復(fù)位鍵后，電容迅速放電，電容兩端被短路，rest為低電平有效

16、，向rest引腳是加一定的寬度的復(fù)位脈沖，從而實現(xiàn)單片機的復(fù)位。3.2.5時鐘頻率電路的設(shè)計第 15 頁 共 15 頁選用石英晶體振蕩器。此電路在加電大約延遲10ms后振蕩器起振，在xtal2引腳產(chǎn)生幅度為3v左右的正弦波時鐘信號，其振蕩頻率主要由石英晶振的頻率確定。電路中兩個電容 c1，c2的作用有兩個：一是幫助振蕩器起振；二是對振蕩器的頻率進行微調(diào)。c1，c2的典型值為22pf。單片機在工作時，由內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生或由外直接輸入的送至內(nèi)部控制邏輯單元的時鐘信號的周期稱為時鐘周期。其大小是時鐘信號頻率的倒數(shù)，常用fosc表示。圖中時鐘頻率為1mhz，即fosc=1mhz，則時鐘周期為1µ

17、;s。3.2.6響聲電路的設(shè)計聲音的頻譜范圍約在幾十到幾千赫茲，若能利用程序來控制單片機某個口線的“高”電平或低電平，則在該口線上就能產(chǎn)生一定頻率的矩形波，接上喇叭就能發(fā)出一定頻率的聲音11。若再利用延時程序控制“高”“低”電平的持續(xù)時間，就能改變輸出頻率，從而改變音調(diào)，使喇叭發(fā)出不同的聲音。在軟件設(shè)計中設(shè)計了兩種發(fā)聲子程序，用于控制揚聲器發(fā)出不同的聲音。4 軟件系統(tǒng)的設(shè)計4.1軟件分析軟件任務(wù)分析環(huán)節(jié)的目的是為軟件設(shè)計做一個總體上的規(guī)劃?？筛鶕?jù)軟件的功能將其分為兩大類：一類是稱為監(jiān)控軟件，它是專門用來協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊和操作者的關(guān)系，在系統(tǒng)軟件中充當(dāng)組織調(diào)度角色的軟件：另一類是執(zhí)行軟件，它能完成

18、各種實質(zhì)性的功能，如測量，計算，顯示，打印，輸出控制和通信等，這兩類軟件的設(shè)計方法各有特色。執(zhí)行軟件的設(shè)計側(cè)重于算法效率，與硬件關(guān)系密切，軟件任務(wù)分析就是將各執(zhí)行模塊一一列出，并為每一個執(zhí)行模塊進行功能定義和接口定義（輸入輸出定義），執(zhí)行模塊任務(wù)明確單純，比較容易編程；對于監(jiān)控程序，它較易出問題，一般來講在設(shè)計完執(zhí)行程序后應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)功能和鍵盤設(shè)置選擇一種最適合的監(jiān)控程序結(jié)構(gòu)，其主要作用是協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊與操作之間關(guān)系。4.2主程序系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖6 主程序系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4.3 主程序流程圖圖7 主程序流程圖4.4軟件系統(tǒng)的詳細設(shè)計與實現(xiàn)方法本搶答器的軟件系統(tǒng)主要包括主程序設(shè)計，按鍵掃描程序的設(shè)計，表決模

19、式程序的設(shè)計，計分查詢程序的設(shè)計，時鐘程序設(shè)計，顯示程序的設(shè)計4.4.1主程序設(shè)計主程序的功能主要是完成內(nèi)部各寄存單元的初始化 ,內(nèi)部定時器的初始化,中斷的初始化及調(diào)用顯示程序?qū)Τ跏紶顟B(tài)的顯示以及對外部信號的等待處理,也就是說完成前期的準備工作等待隨時對外部信號進行響應(yīng)。初始化主程序進入30秒倒計時，開始鍵盤掃描，當(dāng)啟動鍵未按下時有人搶答視為違規(guī)，違規(guī)的搶答者相應(yīng)的燈亮，違規(guī)搶答響2短聲，有效搶答響一長聲；當(dāng)啟動鍵按下時，重新30秒計時，有搶答鍵按下視為正常搶答，顯示選手號等待判斷對錯，主程序初始化代碼如下： cli(); /關(guān)總中斷 port_init(); /初始化輸出端口 timer1_

20、init(); /定時器1初始化 mcucr=0x00; gicr=0x80; /允許外部1中斷 timsk=0x05; /允許定時器1中斷 sei(); /開總中斷4.4.2 時鐘程序設(shè)計時鐘電路要控制系統(tǒng)的時序，也有消除鍵盤抖動的功能，所以本程序通過軟件延時的方法編寫了兩個延時子程序，延時單位分別為1ms和1us,從而實現(xiàn)消除抖動和動態(tài)掃描等程序?qū)r鐘的要求。此外本程序也通過定時計數(shù)器中斷設(shè)定30秒搶答時間延時函數(shù)1：入口i，單位ms，最大65536msvoid delay_ms(uint i) uchar a; for(;i;i-) for(a=1141;a;a-) ; 延時函數(shù)2：入口

21、i，單位us，最大65536usvoid delay_us(uint i) for(;i;i-) ; 4.4.3顯示程序的設(shè)計顯示程序包含數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示和控制led燈的亮滅。數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示中顯示碼定義成數(shù)組采用查表的方式進行顯示；led的顯示是通過軟件按位操作來實現(xiàn)的，顯示子程序代碼如下：void display(uchar x) /led數(shù)碼管顯示函數(shù) portd|=0x02; /顯示led數(shù)碼管的個位 portc=dmx%10; /送個位的段碼值到portc delay_ms(100); /保持一定時間 portd=0x02; portd|=0x01; /顯示led數(shù)碼管的十位 portc

22、=dmx/10; /送十位的段碼值到portcdelay_ms(100); /保持一定時間 portd=0x01; 4.4.4響聲函數(shù)的設(shè)計本次設(shè)計中多次用到揚聲器發(fā)聲用于報警或者提示，所以要求不同的模式下?lián)P聲器發(fā)出的聲音不同，為了便于控制在本設(shè)計中一共定義了三響聲函數(shù)，分別是響正確聲函數(shù)和響錯誤聲函數(shù)，程序代碼如下：響聲函數(shù)：入口i：響聲長度i*10ms，n：響聲次數(shù)*/ void sound1(uchar i,uchar n) for(;n;n-) uint a=i*10; for(;a;a-) on_spk; /開蜂鳴器 delay_us(100); off_spk; /關(guān)蜂鳴器 del

23、ay_us(100); delay_ms(200); 響正確音函數(shù)* void sound_ok(void) uchar a,b; for(a=4;a;a-) for(b=250;b;b-) on_spk;/開蜂鳴器delay_us(a+10)*10);off_spk;/關(guān)蜂鳴器delay_us(a+10)*10); delay_ms(20); 4.4.5表決模式程序的設(shè)計表決功能的實現(xiàn)是通過外部中斷1來實現(xiàn)的，在主程序初始化時打開外部中斷1，打開總中斷。當(dāng)表決模式鍵按下是進入外部中斷1服務(wù)程序;在表決模式下，按下表決復(fù)位鍵，led燈以流水燈閃爍，led流水燈結(jié)束后進入下一輪表決，當(dāng)按下?lián)尨饐?/p>

24、動建時，將進入搶答模式倒計時30秒。外部中斷1程序流程圖：圖8 外部中斷1程序流程圖4.4.6計分查詢模式程序的設(shè)計計分查詢模式的實現(xiàn)主要是通過標志位實現(xiàn)，在程序開頭定義了許多標志位，當(dāng)進入表決模式時，停止定時計數(shù)器計時，使搶答標志位清零，當(dāng)有按鍵按下時 先顯示選手號 后顯示所得分數(shù)。計分查詢模式的程序流程圖如下：圖9 計分查詢模式的程序流程圖5 系統(tǒng)仿真調(diào)試5.1系統(tǒng)軟件的仿真本設(shè)計主要使用的iccavr軟件進行編程。系統(tǒng)的軟件仿真主要是在proteus軟件中進行，proteus中的isis（智能原理圖輸入軟件）是labcenter開發(fā)的電路分析實物仿真系統(tǒng)，是常用的eda工具。它不僅是數(shù)字

25、電路、模擬電路、數(shù)/模混合電路的設(shè)計和仿真平臺，更具特色的是它是目前世界上最完整、最先進的多型號微處理器的設(shè)計和仿真平臺，它的出現(xiàn)實現(xiàn)了在計算機上完成原理圖設(shè)計、微處理器的設(shè)計與仿真、電路的設(shè)計與仿真、系統(tǒng)的測試與功能驗證到電路板的完整電子設(shè)計過程。5.1.1搶答成功與搶答犯規(guī)仿真當(dāng)按下啟動鍵時，如有選手按下時，程序?qū)z測第一信號鎖存并送給數(shù)碼管顯示選手號碼，同時揚聲器會發(fā)出一聲短響提示搶答成功，搶答成功以后選手再按下?lián)尨疰I無效，然后進入等待狀態(tài)；如果此時正確鍵被按下，揚聲器將會升調(diào)提示答題，同時給相應(yīng)的選手加十分,接著數(shù)碼管將顯示30；如果錯誤鍵按下，揚聲器將會降調(diào)提示答案錯誤，相應(yīng)的選手

26、將不加分,接著數(shù)碼管將顯示30當(dāng)未按下啟動鍵時，如有選手按下時，數(shù)碼管會顯示違規(guī)選手號碼，同時揚聲器會發(fā)出兩聲短響報警提示，報警之后將繼續(xù)倒計時，30秒倒計時結(jié)束時啟動鍵仍未按下則進行搶答結(jié)束報警四聲長響，提示主持人和選手搶答結(jié)束。而后顯示30程序進入等待狀態(tài)，等待下次按下啟動鍵進入下一次搶答5.1.2表決模式和計分查詢模式的仿真圖11 表決模式led燈圖12 表決模式數(shù)碼管顯示5.2系統(tǒng)硬件的調(diào)試系統(tǒng)的硬件調(diào)試過程，是在軟件仿真結(jié)束后進行的。到現(xiàn)在為止，我們完成了系統(tǒng)的簡單的硬件測試。因為測試計劃，測試方案和測試結(jié)果是硬件配置的重要部分，他們對硬件的可維護性影響很大，因此我們?nèi)砸龃罅康臏y試

27、工作。為使硬件電路設(shè)計盡可能合理，應(yīng)注意：盡可能采用功能強的芯片，以簡化電路； 留有設(shè)計余地，在設(shè)計硬件電路時，要考慮到將來修改擴展的方便；程序空間，選用片內(nèi)程序空間足夠大的單片機；ram空間 不僅要滿足一般場合的使用，同時也有效支持使用高級語言開發(fā)系統(tǒng)程序 avr片內(nèi)漢高質(zhì)量的flash程序存儲器，并具有高保密性，擦寫方便，支持isp和iap,ye 可擴展外部ram。單片機目標程序的下載和聯(lián)合調(diào)試：源程序的編譯是在iccavr軟件平臺下進行的，通過軟件仿真后，就可以將iccavr編譯產(chǎn)生的目標程序通過通用編程器燒寫到amega16a內(nèi)部的程序存儲器中。程序燒寫到atmega16a中之后，就要綜合調(diào)試整個硬件部分，包括顯示電路、流水燈電