FPGA技術(shù)課程設(shè)計(jì)-數(shù)字式競賽搶答器終稿

1、西南科技大學(xué)FPGA技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)名稱：數(shù)字式競賽搶答器 姓 名： 學(xué) 號(hào): 專業(yè)班級 通信1301 教 師： 徐鋒 西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院制設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書設(shè)計(jì)名稱： 數(shù)字式競賽搶答器 組長姓名： 組員姓名（其他5人）： 課題總設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)題目的要求： （1）設(shè)計(jì)一個(gè)可容納 3 組參賽的數(shù)字式搶答器，每組設(shè)一個(gè)按鈕，供搶答使用。 （2）搶答器具有第一信號(hào)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(gè)主持人“復(fù)位”按鈕。 （4）主持人復(fù)位后，開始搶答，第一信號(hào)鑒別鎖存電路得到信號(hào)后，有指示燈顯示搶 答組別，揚(yáng)聲器發(fā)出 12 秒的音響。 （5）設(shè)置一個(gè)計(jì)分電路，每組

2、開始預(yù)置 100 分，由主持人記分，答對一次 1 0分，答錯(cuò) 一次減 10 分。 組員（姓名） 張濤 的設(shè)計(jì)要求（由組長提供給組員）：主要任務(wù)：設(shè)計(jì)搶答鑒別鎖存模塊輸入端口：group1,group2,group3,reset.輸出端口：group2:0功能描述：reset為主持人復(fù)位信號(hào)（開始搶答信號(hào)），當(dāng)reset有一個(gè)低電平到來時(shí)（下降沿），該模塊開始鎖存輸入端口的信號(hào)，當(dāng)其中有一個(gè)發(fā)生變化時(shí)，將輸入封鎖。然后將鎖存到的信號(hào)按下列真值表輸出：鎖存信號(hào)輸出信號(hào)group1group2group3group1group2011011001011011當(dāng)信號(hào)還沒有被鎖存時(shí)，group輸出為00

3、。組員（姓名） 曾雪 的設(shè)計(jì)要求：主要任務(wù)：組別譯碼提醒模塊輸入信號(hào)：group2:0，clk輸出信號(hào)：warn,light2:0功能描述：模塊用于控制蜂鳴器及三個(gè)LED燈，其中warn控制蜂鳴器，light控制組別信號(hào)燈。當(dāng)出現(xiàn)group信號(hào)從00變化到其它后，蜂鳴器發(fā)出12s聲響，頻率由表示已經(jīng)搶答到，對應(yīng)搶答到組別的LED燈亮。組員（姓名） 李明亮 的設(shè)計(jì)要求:主要任務(wù)：計(jì)分模塊輸入端口：group2:0,right,wrong輸出端口：score17:0,score27:0,score37:0功能描述：該模塊用于對各個(gè)組進(jìn)行計(jì)分，并將結(jié)果輸出。當(dāng)right每來一個(gè)下降沿觸發(fā)對應(yīng)組別加分

4、功能，當(dāng)wrong每來一個(gè)下降沿觸發(fā)對應(yīng)組別扣分功能。其中加分功能和扣分功能有其他組員提供函數(shù)。score1,score2,score3分別對應(yīng)于組別1，組別2，組別3的計(jì)分結(jié)果。由于只需考慮十位和百位，所以只需要8位的二進(jìn)制數(shù)，其中score的高4位表示得分的百位，低四位表示得分的十位數(shù)字。組員（姓名） 王翔 的設(shè)計(jì)要求:主要任務(wù)：組別分?jǐn)?shù)動(dòng)態(tài)掃描顯示模塊輸入端口：score17:0 ,score27:0,score37:0,group2:0輸出端口：wei7:0,duan6:0功能描述：該模塊主要實(shí)現(xiàn)對分?jǐn)?shù)，搶答到的組別的動(dòng)態(tài)掃描，將它們動(dòng)態(tài)顯示在數(shù)碼數(shù)碼管上。其中score1，score

5、2，score3分別表示當(dāng)前得分，wei7:0和duan6:0分別表示位選和段選信號(hào)，clk為掃描時(shí)鐘。 組員（姓名） 林靜 的設(shè)計(jì)要求:主要任務(wù)：編寫2個(gè)函數(shù)，分別實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)模塊加分功能，扣分功能。 并在一個(gè)模塊進(jìn)行仿真測試函數(shù)功能，直到正確。add:其參數(shù)為當(dāng)前分?jǐn)?shù)，實(shí)現(xiàn)對參數(shù)的加分功能，每次加分為10分，并以八位二進(jìn)制儲(chǔ)存百位和十位，其中高四位表示得分百位上的數(shù)字，低四位表示十位上的數(shù)字。reduce: 實(shí)現(xiàn)對參數(shù)的加分功能，每次扣分為10分，其他相同。 2015 年 4 月 20 日一 設(shè)計(jì)步驟1、 設(shè)計(jì)準(zhǔn)備：根據(jù)設(shè)計(jì)需求，分析整個(gè)系統(tǒng)功能及設(shè)計(jì)任務(wù)，可知，系統(tǒng)需要四個(gè)模塊來實(shí)現(xiàn)其功能。

6、分別為：設(shè)計(jì)搶答鑒別鎖存模塊、組別譯碼搶答模塊、計(jì)分模塊、組別分?jǐn)?shù)動(dòng)態(tài)掃描模塊。初步選定設(shè)計(jì)方案，然后根據(jù)功能分配任務(wù)。2、 設(shè)計(jì)輸入：（1） 設(shè)計(jì)編寫搶答鎖存模塊代碼。（2） 設(shè)計(jì)編寫組別譯碼模塊。（3） 設(shè)計(jì)編寫計(jì)分模塊（4） 設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)掃描模塊（5） 將以上四個(gè)模塊組合，設(shè)計(jì)出這四個(gè)模塊的頂層模塊。（6） 加上消抖模塊3、 功能仿真：在每個(gè)模塊設(shè)計(jì)完成后，對該模塊設(shè)計(jì)仿真波形，進(jìn)行仿真。4、 引腳約束：根據(jù)功能設(shè)計(jì)及FPGA外圍電路設(shè)計(jì)，對引腳進(jìn)行約束。二設(shè)計(jì)整體流程圖加減分搶答信號(hào)搶答按鈕主持人控制開關(guān)分組LED燈FPGA數(shù)碼顯示分?jǐn)?shù)蜂鳴器響起復(fù)位三設(shè)計(jì)方案（可包含主控制電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖）

7、1、 FPGA的具體模塊電路連接組合如下圖所示：Group1:0Cllkwrongright搶答鎖存模塊組別譯碼提醒模塊計(jì)分模塊組別分?jǐn)?shù)動(dòng)態(tài)掃描顯示模塊Light2:0Score7:0【&：0】2、 各個(gè)模塊的功能及設(shè)計(jì)方案;(1)搶答鎖存鑒別模塊功能：reset為主持人復(fù)位信號(hào)（開始搶答信號(hào)），當(dāng)reset有一個(gè)低電平到來時(shí)（下降沿），該模塊開始鎖存輸入端口的信號(hào)，當(dāng)其中有一個(gè)發(fā)生變化時(shí)，將輸入封鎖。然后將鎖存到的信號(hào)按真值表輸出。（2） 組別譯碼提醒模塊 功能：模塊用于控制蜂鳴器及三個(gè)LED燈，其中beep控制蜂鳴器，light控制組別信號(hào)燈。當(dāng)出現(xiàn)group信號(hào)從00變化到其它后

8、，蜂鳴器發(fā)出12s聲響，表示已經(jīng)搶答到，對應(yīng)搶答到組別的LED燈亮。（3）計(jì)分模塊功能：該模塊用于對各個(gè)組進(jìn)行計(jì)分，并將結(jié)果輸出。當(dāng)right每來一個(gè)下降沿觸發(fā)對應(yīng)組別加分功能，當(dāng)wrong每來一個(gè)下降沿觸發(fā)對應(yīng)組別扣分功能。score1,score2,score3分別對應(yīng)于組別1，組別2，組別3的計(jì)分結(jié)果。由于只需考慮十位和百位，所以只需要8位的二進(jìn)制數(shù)，其中score的高4位表示得分的百位，低四位表示得分的十位數(shù)字。（4） 計(jì)分模塊的加分，扣分函數(shù)設(shè)計(jì)：Add：其參數(shù)為當(dāng)前分?jǐn)?shù)，實(shí)現(xiàn)對參數(shù)的加分功能，每次加分為10分，并以八位二進(jìn)制儲(chǔ)存百位和十位，其中高四位表示得分百位上的數(shù)字，低四位表示

9、十位上的數(shù)字。reduce: 實(shí)現(xiàn)對參數(shù)的加分功能，每次扣分為10分，其他相同。（5）動(dòng)態(tài)掃描組別分?jǐn)?shù)顯示模塊功能：該模塊主要實(shí)現(xiàn)對分?jǐn)?shù)，搶答到的組別的動(dòng)態(tài)掃描，將它們動(dòng)態(tài)顯示在數(shù)碼數(shù)碼管上。其中score1，score2，score3分別表示當(dāng)前得分，wei7:0和duan6:0分別表示位選和段選信號(hào).（6）前4個(gè)模塊的組合設(shè)計(jì)思路：根據(jù)設(shè)計(jì)方案具體的模塊連接，如1中圖所示，設(shè)計(jì)頂層模塊。輸入：總共3個(gè)按鍵輸入信號(hào)，一個(gè)時(shí)鐘輸入信號(hào)輸出：一個(gè)控制組別燈的信號(hào)，一個(gè)數(shù)碼管斷選和一個(gè)位選信號(hào)。具體設(shè)計(jì)如下：四. 頂層及各自模塊波形圖仿真分析1、 鑒別鎖存模塊波形設(shè)計(jì)：分析：開始時(shí)，group輸出

10、為00，當(dāng)reset復(fù)位后，key2出現(xiàn)一低電平（第三組按下），group輸出11，當(dāng)接著key1按下，group輸出不變，當(dāng)再來了一個(gè)reset信號(hào)后，key又有效了，后面的也是如此。顯然實(shí)現(xiàn)了搶答鑒別鎖存功能。2、 組別譯碼提醒模塊：分析：當(dāng)group由00變化到01，10,11，時(shí)顯然light對應(yīng)真值表變化。而Warn開始以時(shí)鐘周期一半的頻率變化，由于需要在50個(gè)時(shí)鐘周期才能停止變化，所以為了更完整的驗(yàn)證light信號(hào)的變化，設(shè)計(jì)group的變化時(shí)沒有根據(jù)實(shí)際時(shí)間來變化。3、 計(jì)分模塊：（1）分析：score表示分?jǐn)?shù)百位和十位。開始時(shí)，初始分?jǐn)?shù)為100分，當(dāng)group為10時(shí)，righ

11、t來了一個(gè)低脈沖后，score2變?yōu)榱?h11;當(dāng)group為01時(shí)，right來了一個(gè)低脈沖后，score1變?yōu)榱?h11;當(dāng)group為11時(shí)，wrong來了一個(gè)低脈沖后，score3變?yōu)?h09;再對其他分析，顯然實(shí)現(xiàn)了功能。（2） 該模塊調(diào)用的加分，扣分函數(shù)的測試波形及分分析Add：Reduce:分析：這兩個(gè)函數(shù)都用時(shí)鐘信號(hào)（作為測試的輔助信號(hào)）對其測試，可以看到，add中實(shí)現(xiàn)了每次加1的功能，（由于百位和十位，相當(dāng)于加了10），reduce實(shí)現(xiàn)了減一的功能。4、 動(dòng)態(tài)掃描模塊： 分析：每來一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，位選按次序變化一次，斷選信號(hào)變化一次，對應(yīng)于該位所顯示的分?jǐn)?shù)的數(shù)碼管控制數(shù)值。比如

12、：第三位對應(yīng)于用于控制score2百位，被選中時(shí)，score3位8h30，顯然對應(yīng)斷選輸出8h06;其他位置可的同樣驗(yàn)證。5、次頂層模塊分析：復(fù)位信號(hào)后，當(dāng)key0出現(xiàn)一個(gè)脈沖，light變?yōu)?h1. Warn開始以時(shí)鐘頻率的一半變化。顯然實(shí)現(xiàn)了模塊1和模塊2的功能。 每來一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，位選按次序變化一次，斷選信號(hào)變化一次，對應(yīng)于該位所顯示的分?jǐn)?shù)的數(shù)碼管控制數(shù)值。開始時(shí)，由于每人開始都是100分，段選百位和十位應(yīng)顯示1和0，對應(yīng)斷選信號(hào)為7h01,7h4f;第八位用于顯示搶答到的組數(shù)，當(dāng)?shù)诎宋晃贿x打開時(shí)，對應(yīng)斷選輸出為7h4f,恰好對應(yīng)于所選組數(shù)第一組。當(dāng)來了一個(gè)right低脈沖后，位選第一位

13、，第二位打開時(shí)（控制score1百位和十位），斷選信號(hào)輸出7h4f, 7h4f，對應(yīng)于110分，顯然實(shí)現(xiàn)了加分功能和動(dòng)態(tài)掃描功能。同樣可以驗(yàn)證減分功能的真確性。五體會(huì)本次課程設(shè)計(jì)是一次對前段時(shí)間學(xué)習(xí)的考驗(yàn)與檢測，通過這次對一個(gè)比較完整數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從最初的完全迷茫，到后來的題目選定，在到任務(wù)分配，與同學(xué)一起討論，查閱資料，解決遇到的問題，我真真切切地感受到了設(shè)計(jì)中的快樂與辛酸。有時(shí)候遇到了一個(gè)很簡單的錯(cuò)誤，卻要找很久才能解決。有時(shí)候甚至苦惱，發(fā)怒。但是最欣喜的時(shí)刻莫過于當(dāng)綠色的波形在眼前出現(xiàn)的那刻，那是一份努力的結(jié)果，每每都讓我感到了小小的興奮。設(shè)計(jì)過程，我發(fā)現(xiàn)了很多以前沒有注意到的問題，比

14、如，同一個(gè)變量不能在兩個(gè)always語句中進(jìn)行賦值，盡管沒有語法錯(cuò)誤，但是在綜合的時(shí)候會(huì)報(bào)錯(cuò)。再比如，所有的輸入都應(yīng)該是wire型變量，所以在例化時(shí)，中間變量都要設(shè)置成線網(wǎng)型的。再比如，在調(diào)用函數(shù)時(shí)，不能把輸入直接作為參數(shù)傳遞。多少天的屏幕守候，多少個(gè)夜晚的挑燈夜戰(zhàn)，當(dāng)時(shí)間的記憶寫滿辛酸的汗水，我想我收獲了艷陽下最豐碩的果實(shí)。六程序源碼(1)搶答鎖存鑒別模塊module snatch(key,reset,group );input2:0 key;input reset;output reg1:0 group;reg q;wire qiang,clk;assign qiang=(key0&

15、;key1&key2);assign clk=(qiang|q);always(negedge clk or negedge reset)if(!reset) begin q<=0;endelse q<=!q;always(negedge clk)begincase(key)3'b110:group<=2'b01;3'b101:group<=2'b10;3'b011:group<=2'b11;default:group<=2'b00;endcaseendendmodule（2） 組別譯碼提醒模塊

16、module warning(clk, group,light,warn );input clk;input 1:0 group;output reg2:0 light;output reg warn;reg ena;reg5:0 cnt;initialbeginwarn<=1'b1;cnt<=6'b0;endalways(posedge clk)beginif(ena)begincnt<=cnt+1'b1;if(cnt=6'b1111111)ena<=1'b0;endendalways(group) begincase(grou

17、p)2'b00: light <= 2'b000;2'b01: light <= 2'b001;2'b10: light <= 2'b010;2'b11: light <= 2'b100;endcaseif(group!=00)beginena<=1'b1;endendalways(cnt)warn<=warn+1'b1;endmodule（3）計(jì)分模塊module cont(group,score1,score2,score3,right,wrong );input right

18、,wrong;input1:0 group;output reg7:0 score1,score2,score3;reg7:0 s1,s2,s3;initialbegin s1<=8'b00010000; s2<=8'b00010000; s3<=8'b00010000; score1<=8'b00010000; score2<=8'b00010000; score3<=8'b00010000;endfunction7:0 add;input7:0 score_start;reg3:0 gao4,di4;beg

19、in gao4=score_start7:4;di4=score_start3:0+4'b1;if(di4=4'b1010)begindi4=4'b0000;gao4=gao4+4'b1;endadd=gao4,di4;endendfunctionfunction7:0 reduce;input7:0 score_start;reg3:0 gao4,di4;begin gao4=score_start7:4;di4=score_start3:0;if(di4=4'b0)begingao4=gao4-4'b1;di4=4'b1001;end

20、elsedi4=di4-4'b1;reduce=gao4,di4;endendfunctionalways(negedge right,negedge wrong)beginif(right=0) beginif(group=2'b01) s1=add(s1);if(group=2'b10) s2=add(s2);if(group=2'b11) s3=add(s3);score1=s1;score2=s2;score3=s3;end elsebeginif(group=2'b10) s1=reduce(s1);if(group=2'b10) s2

21、=reduce(s2);if(group=2'b11) s3=reduce(s3);score1=s1;score2=s2;score3=s3;endendendmodule（4）動(dòng)態(tài)掃描組別分?jǐn)?shù)顯示模塊module scan_led(group,score1,score2,score3,clk,wei,duan);input 7:0score1,score2,score3;input clk;input1:0 group;output reg6:0 duan;output reg7:0 wei;reg2:0 cnt_scan;reg3:0 dataout;initialbegincn

22、t_scan<=16'b0;endalways(posedge clk)cnt_scan<=cnt_scan+1'b1;always(cnt_scan)begincase(cnt_scan)3'b000:wei=8'b0000_0001;3'b001:wei=8'b0000_0010;3'b010:wei=8'b0000_0100;3'b011:wei=8'b0000_1000;3'b100:wei=8'b0001_0000;3'b101:wei=8'b0010_0000;3'b110:wei=8'b0100_0