電子搶答器課程設(shè)計論文

1、1 引言現(xiàn)代電子產(chǎn)品在性能提高、復雜度增大的同時，價格卻一直呈下降趨勢，而且產(chǎn)品更新?lián)Q代的步伐也越來越快，實現(xiàn)這種進步的主要因素是生產(chǎn)制造技術(shù)和電子設(shè)計技術(shù)的發(fā)展。前者以微細加工技術(shù)為代表，目前已進展到深亞微米階段，可以在幾平方厘米的芯片上集成數(shù)千萬個晶體管。后者的核心就是EDA技術(shù)。1.1 關(guān)于 EDAEDA是電子設(shè)計自動化（Electronic Design Automation）的縮寫，在20世紀90年代初從計算機輔助設(shè)計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）、計算機輔助測試（CAT）和計算機輔助工程（CAE）的概念發(fā)展而來的。EDA技術(shù)就是以計算機為工具，設(shè)計者在EDA軟件平臺上，用硬件

2、描述語言HDL完成設(shè)計文件，然后由計算機自動地完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合、優(yōu)化、布局、布線和仿真，直至對于特定目標芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作。目前有多種EDA工具支持采用VHDL進行電路綜合、仿真以及實現(xiàn)。一些可編程器件生產(chǎn)商將使用VHDL進行電路設(shè)計所需的多種EDA工具集成為統(tǒng)一的開發(fā)平臺提供給用戶，進行針對本公司可編程器件產(chǎn)品的開發(fā)，從而使整個設(shè)計流程更加簡捷和易于使用。目前比較常見的是Altera公司的QuartusII 和Xilinx 公司的ISE開發(fā)平臺。1.2關(guān)于VHDLVHDL是一種用于電路設(shè)計的高級語言。它在80年代的后期出現(xiàn)。最初是由美國國防部開發(fā)出來供美軍

3、用來提高設(shè)計的可靠性和縮減開發(fā)周期的一種使用范圍較小的設(shè)計語言 。VHDL的英文全寫是：VHSIC（Very High Speed Integrated Circuit）Hardware Description Language.翻譯成中文就是超高速集成電路硬件描述語言。因此它的應(yīng)用主要是應(yīng)用在數(shù)字電路的設(shè)計中。目前，它在中國的應(yīng)用多數(shù)是用在FPGA/CPLD/EPLD的設(shè)計中。當然在一些實力較為雄厚的單位，它也被用來設(shè)計ASIC。VHDL主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，行為，功能和接口。除了含有許多具有硬件特征的語句外，VHDL的語言形式和描述風格與句法是十分類似于一般的計算機高級語言。VHDL

4、的程序結(jié)構(gòu)特點是將一項工程設(shè)計，或稱設(shè)計實體（可以是一個元件，一個電路模塊或一個系統(tǒng)）分成外部（或稱可視部分,及端口)和內(nèi)部（或稱不可視部分），既涉及實體的內(nèi)部功能和算法完成部分。在對一個設(shè)計實體定義了外部界面后，一旦其內(nèi)部開發(fā)完成后，其他的設(shè)計就可以直接調(diào)用這個實體。這種將設(shè)計實體分成內(nèi)外部分的概念是VHDL系統(tǒng)設(shè)計的基本點 。與其他硬件描述語言相比，VHDL具有以下特點：（1）功能強大、設(shè)計靈活。VHDL具有功能強大的語言結(jié)構(gòu)，可以用簡潔明確的源代碼來描述復雜的邏輯控制。它具有多層次的設(shè)計描述功能，層層細化，最后可直接生成電路級描述。VHDL支持同步電路、異步電路和隨機電路的設(shè)計，這是其他

5、硬件描述語言雖不能比擬的。VHDL還支持各種設(shè)計方法，既支持自底向上的設(shè)計，又支持自頂向下的設(shè)計；既支持模塊化設(shè)計，又支持層次化設(shè)計。（2）支持廣泛、易于修改。由于VHDL已經(jīng)成為IEEE標準所規(guī)范的硬件描述語言，目前大多數(shù)EDA工具幾乎都支持VHDL，這為VHDL的進一步推廣和廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。在硬件電路設(shè)計過程中，主要的設(shè)計文件是用VHDL編寫的源代碼，因為VHDL易讀和結(jié)構(gòu)化，所以易于修改設(shè)計。（3）強大的系統(tǒng)硬件描述能力。VHDL具有多層次的設(shè)計描述功能，既可以描述系統(tǒng)級電路，又可以描述門級電路。而描述既可以采用行為描述、寄存器傳輸描述或結(jié)構(gòu)描述，也可以采用三者混合的混合級描述。另外

6、，VHDL支持慣性延遲和傳輸延遲，還可以準確地建立硬件電路模型。VHDL支持預定義的和自定義的數(shù)據(jù)類型，給硬件描述帶來較大的自由度，使設(shè)計人員能夠方便地創(chuàng)建高層次的系統(tǒng)模型。（4）獨立于器件的設(shè)計、與工藝無關(guān)。設(shè)計人員用VHDL進行設(shè)計時，不需要首先考慮選擇完成設(shè)計的器件，就可以集中精力進行設(shè)計的優(yōu)化。當設(shè)計描述完成后，可以用多種不同的器件結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)其功能。（5）很強的移植能力，易于共享和復用。VHDL采用基于庫（Library）的設(shè)計方法，可以建立各種可再次利用的模塊。這些模塊可以預先設(shè)計或使用以前設(shè)計中的存檔模塊，將這些模塊存放到庫中，就可以在以后的設(shè)計中進行復用，可以使設(shè)計成果在設(shè)計人員

7、之間進行交流和共享，減少硬件電路設(shè)計。VHDL語言最直接的應(yīng)用領(lǐng)域是可編程邏輯器件和專用集成電路（ASIC：Application Specific Integrated Circuits）,其中可編程邏輯器件包括復雜可編程邏輯器件（CPLD:Complex Programmable Logic Devices ）和現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA:Field Programmable Gate Arrays )。可編程邏輯器件自七十年代以來，經(jīng)歷了PAL、GAL、CPLD、FPGA幾個發(fā)展階段，其中CPLD/FPGA屬高密度可編程邏輯器件，目前集成度已高達200萬門/片，它將掩膜ASIC集成度高的

8、優(yōu)點和可編程邏輯器件設(shè)計生產(chǎn)方便的特點結(jié)合在一起，特別適合于樣品研制或小批量產(chǎn)品開發(fā)。2 功能簡介本次設(shè)計的四組（人）參加的智力競賽搶答計時器，它具有四路搶答輸入，主持人按下復位鍵后，系統(tǒng)復位進入搶答狀態(tài)，計時顯示初始值；當某組首先按下?lián)尨疰I時，該路搶答信號，競賽搶答器能夠設(shè)別最先搶答的信號，鎖定該信號，同時揚聲器響起，參賽小組的序號在數(shù)碼管上顯示；主持人對搶答結(jié)果進行確認，給出倒計時計數(shù)允許信號，開始回答問題，計時顯示器從初始值30開始以秒為單位倒計時，計數(shù)至0時，停止計數(shù)，揚聲器發(fā)出超時報警信號，以中止繼續(xù)回答問題；當主持人給出倒計時計數(shù)禁止信號時，揚聲器停止鳴叫；參賽者在規(guī)定時間內(nèi)回答完

9、問題，主持人給出倒計時計數(shù)禁止信號，以免揚聲器鳴叫，按下復位鍵，又可開始新一輪的搶答；總原理圖如圖2-1所示。圖2-1 總原理圖3 系統(tǒng)設(shè)計本次設(shè)計的搶答器系統(tǒng)由5部分模塊組成，分別是：選手搶答模塊、鎖存模塊、計數(shù)模塊、聲音模塊、聲音信號產(chǎn)生模塊。3.1 選手搶答模塊設(shè)計本模塊主要完成兩個功能，一是準確的判斷出第一位搶答者，二是當選手搶答后送出聲音使能信號，從而作為下個模塊的聲音的觸發(fā)信號。其VHDL源程序如下：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity xuanshou isport(player:in std_logic_vector(3

10、 downto 0); clear:in std_logic; y1:buffer integer range 0 to 9; y2:out std_logic_vector(3 downto 0); ea:out std_logic);end;architecture bhv of xuanshou isbeginprocess(clear,player )beginif clear=1 then -復位信號有效則清零；y1=0;y2=0000;eay1=1;y2=0001;eay1=2;y2=0010;eay1=3;y2=0100;eay1=4;y2=1000;eaNULL;end cas

11、e;end if;end process;end;仿真波形如圖3-1-1所示。其中player3，player2，player1，player0分別代表四個參賽選手，組別為4、3、2、1組。按下clear鍵，系統(tǒng)清零且置ea為高電平，否則，系統(tǒng)自動識別第一位搶答者 player3，并且將ea置低，其后的搶答無效。輸出顯示第一位搶答者的組別4并且使選手前指示燈亮。此模塊生成的元件圖如圖3-1-2所示。圖3-1-1選手搶答模塊仿真圖圖3-1-2 選手搶答元件3.2 鎖存模塊設(shè)計鎖存模塊是對第一位搶答者的信號進行鎖存，其后的信號無效。其中alm0為觸發(fā)選手搶答報警的聲音信號。整個模塊VHDL源程序如

12、下：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity suocunqi isport(d:in integer range 0 to 9; clear,ea:in std_logic; q: out integer range 0 to 9; clk:in std_logic; alm0:out std_logic); end; architecture bhv of suocunqi is begin process(clear,ea,clk) variable temp:integer range 0 to 20:=0; begin if cl

13、ear=1then q=0;alm0=0;temp:=0; elsif ea=0then -ea為零時鎖定選手號，再次選中則無效 q=d; if clkevent and clk=1thentemp:=temp+1;if temp=2 then alm0=0; temp:=temp-1; else alm0=1; end if; end if; end if; end process; end;仿真圖及生成元件圖分別如圖3-2-1、圖3-2-2所示圖3-2-1鎖存模塊仿真圖3-2-2 鎖存元件圖3.3計數(shù)模塊設(shè)計比賽中要求第一搶答者在規(guī)定時間內(nèi)回答問題，系統(tǒng)開始30秒倒計時，倒計時完畢發(fā)出響聲

14、，若能在規(guī)定時間內(nèi)完成，由主持人按使能開關(guān)停止倒計時，不發(fā)出響聲。整個計數(shù)模塊的源程序及仿真圖和元件圖如下：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity jishuqi isport(stop,clk,rst,en:in std_logic; m:out std_logic; high,low:out std_logic_vector(3 downto 0);end;architecture bhv of jishuqi issignal hh:std_logic_vector(3

15、 downto 0);signal ll:std_logic_vector(3 downto 0);begin process(clk,rst,en,hh,ll)beginif rst=1 then ll=0000;hh=0011;m=0;elsif clkevent and clk=1 then if en=1 then ll=ll-1; if ll=0000 then ll=1001;hh=hh-1; if hh=0000 and ll=0000 then m=1; -計時到則觸發(fā)聲音信號 hh=0000; ll=0000; if stop=1 then -停止計時 ll=ll;hh=hh

16、; end if; end if; end if; end if;end if;high=ll;low=hh;end process;end;仿真圖：圖3-3-1計數(shù)模塊仿真圖圖3-3-2 計數(shù)元件圖3.4 聲音報警模塊設(shè)計當鎖存器鎖存第一位搶答選手時，觸發(fā)短時間報警，顯示搶答完成，并且當計時完成時也產(chǎn)生報警信號。這部分的設(shè)計程序如下：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity shengyin isport(high:in integer range 0 to 9; low:in integer range 0 to 9; stop,m:i

17、n std_logic; clear:in std_logic; alm:out std_logic ); end; architecture bhv of shengyin is begin process(high,low,stop,clear) begin if clear=1then alm=0; elsif stop=1then alm=0; elsif high=0 and low=0 then alm=1; elsif m=1then alm=1; else alm=0; end if; end process; end; 其仿真波形如圖3-4-1所示。圖3-4-1聲音報警模塊仿

18、真圖元件圖如圖3-4-2所示圖3-4-2 聲音報警元件圖3.5 聲音信號產(chǎn)生模塊設(shè)計由于聲音頻率與搶答器頻率不同，因此本模塊使用單獨的時間信號，當報警信號為高電平時，此模塊向試驗箱上揚聲器輸入聲音信號使其產(chǎn)生報警音，反之則不輸出。其VHDL程序如下：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity fenpin is port(a,c:in std_logic; -c為聲音信號的時鐘 s:out std_logic);end;architecture bhv of fenpin isbegin process(a)beginif a=1thens=

19、c;elses=0;end if;end process;end;仿真圖及元件圖如圖3-5-1、圖3-5-2所示：圖3-5-1 聲音信號產(chǎn)生模塊仿真圖圖3-5-2 聲音模塊生成元件圖3.6 頂層文件設(shè)計將各個模塊生成的器件進行原理圖連接或是按下面程序進行綜合；并設(shè)置為頂層文件，其仿真圖如圖3-6-1所示。整個系統(tǒng)設(shè)計完成，下載到實驗箱運行成功。library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity qiangdaqi isport(player:in std_logic_vector(3 downto 0); clear,clk,clock,rst,st

20、op:in std_logic; q:out integer range 0 to 9; y:out std_logic_vector(3 downto 0); alm:out std_logic; high:out integer range 0 to 9; low:out integer range 0 to 9 ); end ; architecture bhv of qiangdaqi is component xuanshou is port(player:in std_logic_vector(3 downto 0); clear:in std_logic; y1:out inte

21、ger range 0 to 9; y2:out std_logic_vector(3 downto 0); ea:out std_logic);end component; component suocunqi isport(d:in integer range 0 to 9; clear,ea:in std_logic; q: out integer range 0 to 9; clk:in std_logic; alm0:out std_logic); end component ; component jishuqi isport(clk,clear,rst,stop:in std_l

22、ogic; high:out integer range 0 to 9; low:out integer range 0 to 9);end component ; component shengyin isport(high:in integer range 0 to 9; low:in integer range 0 to 9; stop,m:in std_logic; clear:in std_logic; alm:out std_logic ); end component;component fenpin isport(a,c:in std_logic; s:out std_logi

23、c);end component; signal x1:integer range 0 to 9; signal x2,x3,x6:std_logic; signal x4:integer range 0 to 9; signal x5:integer range 0 to 9; begin -進行元件例化 u1:xuanshou port map(player,clear,x1,y,x2); u2:suocunqi port map(x1,clear,x2,q,clk,x3); u3:jishuqi port map(clk,clear,rst,stop,x4,x5); u4:shengyi

24、n port map(x4,x5,stop,x3,clear,x6);u5:fenpin port map(x6,clock,alm); high=x4; low=x5; end;圖3-6-1總器件仿真圖4 設(shè)計總結(jié)經(jīng)過了一段時間的努力我終于完成了四路搶答器的設(shè)計，從方案的選擇，再到設(shè)計與實現(xiàn)。在這個過程中我學習到了很多在課本上不能學習到的知識，對一個產(chǎn)品也有了一個新的認識，以前我都很簡單的認為一個產(chǎn)品很容易就做出來了，現(xiàn)在我知道了每一個產(chǎn)品都需要。通過這次的課程設(shè)計我學到了主要有如下幾點：1提前做好準備工作在開始動手之前，我們要把各器件的功能弄清楚，以及如何拓展，只有把這些真正的搞懂之后才能

25、順利完成設(shè)計。2.耐心分析，解決問題設(shè)計與實現(xiàn)的過程中我們會遇到一些困難這是很正常的事，但是不能一遇到問題就慌了，要耐心的分析問題并解決，這次課程設(shè)計的時候我就遇到了這樣的情況。3.團隊合作，不懂請教。這次課程設(shè)計培養(yǎng)了團隊合作，有些時候我們也需要別人的幫助，比如說當我們把元器件連接錯的時候，自己一個人很難找到錯誤，就需要別人幫忙，無形中培養(yǎng)了團隊合作的精神。有的時候可能遇到一些問題自己不能解決，這時我們應(yīng)該虛心像同學請教，只能這樣才能更好的解決問題。課程設(shè)計雖然結(jié)束了，但是我們還有很多的事情要做，對仍然不熟悉或不了解的知識點我們要盡快的去學習了解，對課程設(shè)計中出現(xiàn)的問題我們還要去認真的分析研

26、究。還有我們還需要去增強自己的動手能力，去不斷的鍛煉，只有這樣該課程設(shè)計才能發(fā)揮最大的作用。本次實習最主要的收獲是：使我們對VHDL語言編程和QuartusII的使用有了更深層次的感性和理性認識；培養(yǎng)和鍛煉我們的實際動手設(shè)計的能力。使我們的理論知識與實踐充分地結(jié)合，作到不僅具有專業(yè)知識，而且還具有較強的實踐動手能力，能分析問題和解決問題的高素質(zhì)人才，為以后的順利就業(yè)作好準備。5參考文獻1.Voknei A.Pedroni.VHDL數(shù)字電路設(shè)計教程.電子工業(yè)出版社，2008.52.潘松，黃繼業(yè).EDA技術(shù)實用教程（第二版）.科學出版社，2005.23.焦素敏.EDA應(yīng)用技術(shù).清華大學出版社，2002.44.高吉祥，電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗與課程設(shè)計.電子工業(yè)出版社5.曾繁態(tài)，等.EDA工程概論.北京：清華大學出版社，2003tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGshLs50cLmTWN60eo8Wgqv7XAv2OHUm32WGeaUwYDIAWGMeR4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3