基于FPGA的電子搶答器的程序的設(shè)計(jì)說明

1、 基于FPGA的電子搶答器的程序設(shè)計(jì)摘 要隨著科學(xué)技術(shù)日新月異，文化生活日漸豐富，在各類競(jìng)賽、搶答場(chǎng)合電子搶答器已經(jīng)作為一種工具得到了較為廣泛的應(yīng)用。顧名思義，電子搶答器是一種通過搶答者的指示燈顯示、數(shù)碼顯示和警示顯示等手段準(zhǔn)確、公正、直觀地判斷出最先獲得發(fā)言權(quán)選手的設(shè)備。此次設(shè)計(jì)有4組搶答輸入，每組設(shè)置一個(gè)搶答按鈕供搶答者使用。電路具有第一搶答信號(hào)的鑒別和鎖存功能。當(dāng)?shù)谝粨尨鹫甙聪聯(lián)尨痖_關(guān)時(shí)，該組指示燈亮以示搶答成功。同時(shí)，電路也具備自鎖功能，保證能夠?qū)崿F(xiàn)在一路成功搶答有效后，其他三路均不能搶答。本設(shè)計(jì)基于VHDL語言，采用FPGA為控制核心，并結(jié)合動(dòng)手實(shí)踐完成，具有電路簡單、操作方便、靈敏

2、可靠等優(yōu)點(diǎn)。該四路搶答器使用VHDL硬件描述語言進(jìn)行編程，分為七個(gè)模塊：判斷模塊，鎖存模塊，轉(zhuǎn)換模塊，掃描模塊，片選模塊，定時(shí)報(bào)警模塊和譯碼模塊。編程完成后，使用QuartersII工具軟件進(jìn)行編譯仿真驗(yàn)證。關(guān)鍵詞：VHDL，F(xiàn)PGA，四路搶答器，仿真 目錄1 概述11.1 設(shè)計(jì)背景11.2 搶答器現(xiàn)狀11.3 本論文主要完成的工作11.4 設(shè)計(jì)心得22 開發(fā)工具簡介32.1 VHDL語言簡介32.2 FPGA開發(fā)過程與應(yīng)用42.2.1 FPGA發(fā)展歷程與現(xiàn)狀42.2.2 FPGA工作原理42.2.3 FPGA開發(fā)流程52.3 Quartus II軟件63系統(tǒng)設(shè)計(jì)83.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求83.2

3、 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案83.2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案83.2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案83.3.3 系統(tǒng)原理詳述104 電路程序設(shè)計(jì)與仿真124.1 搶答鎖存模塊設(shè)計(jì)124.1.1 VHDL源程序124.1.2 搶答鎖存電路的模塊134.2 仿真14總結(jié)15致17參考文獻(xiàn)18輕工業(yè)學(xué)院課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書題目基于FPGA的電子搶答器的程序設(shè)計(jì) 專業(yè)班級(jí) 電子信息工程10-1班 學(xué)號(hào)主要容、基本要求、主要參考資料等：主要容：搶答器是在競(jìng)賽、文體娛樂活動(dòng)（搶答活動(dòng)）中，能準(zhǔn)確、公正、直觀地判斷出搶答者的機(jī)器。要求學(xué)生使用硬件描述語言（Verilog 或者 VHDL）設(shè)計(jì)基于FPGA的電子搶答器的源程序。

4、實(shí)現(xiàn)如下功能：設(shè)計(jì)一個(gè)四路搶答器；在一路成功搶答有效后，其他三路均不能搶答，并且將搶答成功的一路用指示燈顯示出來?；疽螅?、 學(xué)會(huì)quartusII的使用，掌握FPGA 的程序設(shè)計(jì)方法。 2、掌握硬件描述語言語法。 4、程序設(shè)計(jì)完成后要求在quartusII中實(shí)現(xiàn)功能仿真。主要參考資料：1、褚振勇. FPGA設(shè)計(jì)與應(yīng)用（第三版）M.電子科技大學(xué).2012,42、懷琛.MATLAB與在電子信息課程中的應(yīng)用M.：電子工業(yè).2008,1完 成 期 限：2013.6.212013.6.25指導(dǎo)教師簽名：課程負(fù)責(zé)人簽名：2013年 6月 18日19 / 221 概述1.1 設(shè)計(jì)背景現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(

5、簡稱FPGA)是20世紀(jì)80年代中期出現(xiàn)的高密度可編程邏輯器件,采用SRAM開關(guān)元件的FPGA是易失性的,每次重新加電, FPGA都要重新裝入配置數(shù)據(jù)。突出優(yōu)點(diǎn)是可反復(fù)編程,系統(tǒng)上電時(shí),給FPGA加載不同的配置數(shù)據(jù),即可令其完成不同的硬件功能。這種配置的改變甚至可以在系統(tǒng)的運(yùn)行中進(jìn)行,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的動(dòng)態(tài)重構(gòu)?！霸谙到y(tǒng)可編程”(簡稱ISP)是指對(duì)器件、電路或整個(gè)電子系統(tǒng)的邏輯功能可隨時(shí)進(jìn)行修改或重構(gòu)的能力,支持ISP技術(shù)的可編程邏輯器件稱為在系統(tǒng)可編程邏輯器件，它不需要專門的編程器，利用計(jì)算機(jī)接口和一根下載電纜就可以對(duì)器件編程了。本設(shè)計(jì)針對(duì)電子技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)的要求，利用EDA技術(shù)中quartusI

6、I作為開發(fā)工具,設(shè)計(jì)了一款基于FPGA的智力競(jìng)賽搶答器。1.2 搶答器現(xiàn)狀在進(jìn)行智力競(jìng)賽搶答題比賽時(shí),各參賽者考慮后都想搶先答題。如果沒有合適的設(shè)備,有時(shí)難以分清他們的先后，使主持人感到為難。為了使比賽能順利進(jìn)行,需要有一個(gè)能判斷搶答先后的設(shè)備,我們將它稱為智力競(jìng)賽搶答器。在許多搶答競(jìng)賽、文體娛樂活動(dòng)，為了準(zhǔn)確、公正、直觀地判斷出第一搶答者，通常需要設(shè)置一臺(tái)這樣的搶答器，通過指示燈顯示出第一搶答者。1.3 本論文主要完成的工作本課程設(shè)計(jì)基于VHDL語言，采用FPGA為控制核心，并結(jié)合動(dòng)手實(shí)踐完成，具有電路簡單、操作方便、靈敏可靠等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)四路搶答器使用VHDL硬件描述語言進(jìn)行編程，分為七個(gè)模

7、塊：判斷模塊，鎖存模塊，轉(zhuǎn)換模塊，掃描模塊，片選模塊，定時(shí)報(bào)警模塊和譯碼模塊。編程完成后，使用QuartersII工具軟件進(jìn)行編譯仿真驗(yàn)證。系統(tǒng)達(dá)到要求：在一路成功搶答有效后，其他三路均不能搶答，并且將搶答成功的一路用指示燈顯示出來。1.4 設(shè)計(jì)心得通過這次課程設(shè)計(jì)，幫助我們加深理解FPGA程序設(shè)計(jì)方法，學(xué)會(huì)quartusII軟件的使用，了解簡單多功能搶答器組成原理，掌握在quartusII中實(shí)現(xiàn)功能仿真的方法，相應(yīng)地提高動(dòng)手能力和排障能力，并且良好地鞏固已學(xué)的理論知識(shí)，將硬件描述語言語法與實(shí)踐相結(jié)合。通過分析多功能搶答器各單元電路之間的關(guān)系與相互影響，從而能正確設(shè)計(jì)、計(jì)算定時(shí)計(jì)數(shù)的各個(gè)單元電

8、路。2 開發(fā)工具簡介2.1 VHDL語言簡介VHDL的英文全名是Very-High-Speed Integrated Circuit HardwareDescription Language,誕生于1982年。1987年底，VHDL被IEEE和美國國防部確認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言 。自IEEE公布了VHDL的標(biāo)準(zhǔn)版本，IEEE-1076之后，各EDA公司相繼推出了自己的VHDL設(shè)計(jì)環(huán)境，或宣布自己的設(shè)計(jì)工具可以和VHDL接口。此后VHDL在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了廣泛的接受，并逐步取代了原有的非標(biāo)準(zhǔn)的硬件描述語言。1993年，IEEE對(duì)VHDL進(jìn)行了修訂，從更高的抽象層次和系統(tǒng)描述能力上擴(kuò)展VHDL的容

9、，公布了新版本的VHDL，即IEEE標(biāo)準(zhǔn)的1076-1993版本?，F(xiàn)在，VHDL和Verilog作為IEEE的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言，又得到眾多EDA公司的支持，在電子工程領(lǐng)域，已成為事實(shí)上的通用硬件描述語言。有專家認(rèn)為，在新的世紀(jì)中，VHDL于Verilog語言將承擔(dān)起大部分的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)。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(fēng)格與句法是十分類似于一般的計(jì)算機(jī)高級(jí)語言。VHDL的程序結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將一項(xiàng)工程設(shè)計(jì)，或稱設(shè)計(jì)實(shí)體（可以是一個(gè)元件，一個(gè)電路模塊或一個(gè)系統(tǒng)）分成外部（或稱可是部分,與端口)和部（或稱不可視部分）

10、，既涉與實(shí)體的部功能和算法完成部分。在對(duì)一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)體定義了外部界面后，一旦其部開發(fā)完成后，其他的設(shè)計(jì)就可以直接調(diào)用這個(gè)實(shí)體。這種將設(shè)計(jì)實(shí)體分成外部分的概念是VHDL系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本點(diǎn)VHDL語言目前在數(shù)字設(shè)計(jì)領(lǐng)域已為廣大設(shè)計(jì)者所接受，眾多CAD廠商紛紛使自己新開發(fā)的電子設(shè)計(jì)軟件與VHDL兼容，VHDL語言成了電子設(shè)計(jì)工程師必須掌握的工具。 在目前，CPU和可編程邏輯器件已經(jīng)成為數(shù)字系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)，從事數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須掌握可編程邏輯器件的設(shè)計(jì)方法，而VHDL語言作為可編程邏輯器件設(shè)計(jì)時(shí)最重要的輸入方法，為所有可編程邏輯器件廠商所支持。應(yīng)用VHDL進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是多方面的。一、與其他的硬件描述

11、語言相比，VHDL具有更強(qiáng)的行為描述能力，從而決定了他成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域最佳的硬件描述語言。強(qiáng)大的行為描述能力是避開具體的器件結(jié)構(gòu)，從邏輯行為上描述和設(shè)計(jì)大規(guī)模電子系統(tǒng)的重要保證。二、VHDL豐富的仿真語句和庫函數(shù)，使得在任何大系統(tǒng)的設(shè)計(jì)早期就能查驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能可行性，隨時(shí)可對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真模擬。三、VHDL語句的行為描述能力和程序結(jié)構(gòu)決定了他具有支持大規(guī)模設(shè)計(jì)的分解和已有設(shè)計(jì)的再利用功能。符合市場(chǎng)需求的大規(guī)模系統(tǒng)高效，高速的完成必須有多人甚至多個(gè)代發(fā)組共同并行工作才能實(shí)現(xiàn)。四、對(duì)于用VHDL完成的一個(gè)確定的設(shè)計(jì)，可以利用EDA工具進(jìn)行邏輯綜合和優(yōu)化，并自動(dòng)的把VHDL描述設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變成門級(jí)網(wǎng)表。五

12、、VHDL對(duì)設(shè)計(jì)的描述具有相對(duì)獨(dú)立性，設(shè)計(jì)者可以不懂硬件的結(jié)構(gòu)，也不必管理最終設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)器件是什么，而進(jìn)行獨(dú)立的設(shè)計(jì)。2.2FPGA開發(fā)過程與應(yīng)用隨著現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件越來越高的集成度，加上不斷出現(xiàn)的I/O標(biāo)準(zhǔn)、嵌入功能、高級(jí)時(shí)鐘管理的支持，使得現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器越來越廣泛。2.2.1 FPGA發(fā)展歷程與現(xiàn)狀從Xilinx公司推出了世界上第一片F(xiàn)PGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯芯片)，F(xiàn)PGA已經(jīng)歷幾十年的發(fā)展。從最初的一千多可利用門，發(fā)展到90年代的幾十萬個(gè)可利用門，到十一世紀(jì)又陸續(xù)推出了幾千萬門的單片F(xiàn)PGA芯片。FPGA使用靈活，適用性強(qiáng)，特別適用于復(fù)雜邏輯的設(shè)計(jì)，有利用電子系統(tǒng)小型化，而且其開

13、發(fā)周期短、開發(fā)投入少、芯片價(jià)格不斷降低，促使FPGA越來越多地取代了ASIC的市場(chǎng)。2.2.2 FPGA工作原理FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）這樣一個(gè)概念，部包括可配置邏輯模塊CLB（Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊IOB（Input Output Block）和部連線（Interconnect）三個(gè)部分。FPGA的基本特點(diǎn)主要有： 1）采用FPGA設(shè)計(jì)ASIC電路，用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片。 2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路的中試樣片。 3）FPGA部有豐富的觸發(fā)器和IO引腳。 4）FPGA是A

14、SIC電路中設(shè)計(jì)周期最短、開發(fā)費(fèi)用最低、風(fēng)險(xiǎn)最小的器件之一。 5) FPGA采用高速CHMOS工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容。 可以說，F(xiàn)PGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。 FPGA是由存放在片RAM中的程序來設(shè)置其工作狀態(tài)的，因此，工作時(shí)需要對(duì)片的RAM進(jìn)行編程。用戶可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。 加電時(shí)，F(xiàn)PGA芯片將EPROM中數(shù)據(jù)讀入片編程RAM中，配置完成后，F(xiàn)PGA進(jìn)入工作狀態(tài)。掉電后，F(xiàn)PGA恢復(fù)成白片，部邏輯關(guān)系消失，因此，F(xiàn)PGA能夠反復(fù)使用。FPGA的編程無須專用的FPGA編程器，只須用通用的EPROM、PROM編程器即

15、可。當(dāng)需要修改FPGA功能時(shí)，只需換一片EPROM即可。這樣，同一片F(xiàn)PGA，不同的編程數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生不同的電路功能。因此，F(xiàn)PGA的使用非常靈活。2.2.3 FPGA開發(fā)流程FPGA開發(fā)流程可以分為如下幾步：設(shè)計(jì)輸入，設(shè)計(jì)輸入主要包括原理圖輸入、狀態(tài)圖輸入、波形圖輸入以與某種硬件描述語言，比如說是VHDL、Verilog的源程序。它是利用這些輸入去描述一個(gè)電路的功能。功能仿真，功能仿真就是利用相關(guān)仿真工具對(duì)相關(guān)電路進(jìn)行功能級(jí)別仿真，也就是說對(duì)你的輸入設(shè)計(jì)的邏輯功能進(jìn)行相關(guān)的模擬測(cè)試。在功能上面來了解電路是否能夠達(dá)到預(yù)期要求。這里的功能仿真純粹是模擬性質(zhì)的，不會(huì)設(shè)計(jì)的任何具體器件的硬件特性。綜

16、合，綜合就是行為或者功能層次表達(dá)的電子系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成低層次門級(jí)電路的網(wǎng)表。布局布線，就是將綜合后的網(wǎng)表文件針對(duì)某一個(gè)具體的目標(biāo)器件進(jìn)行邏輯映射。此時(shí)應(yīng)該使用FPGA廠商提供的實(shí)現(xiàn)與布局布線工具，根據(jù)所選芯片的型號(hào)，進(jìn)行芯片部功能單元的實(shí)際連接與映射。時(shí)序驗(yàn)證，就是要使得時(shí)序仿真過程中，建立與保持時(shí)間要符合相關(guān)的制約，以便數(shù)據(jù)能被正確的傳輸。使仿真既包含門延時(shí)，又包含線延時(shí)信息。能較好地反映芯片的實(shí)際工作情況。生成SOF等文件，此文件可以通過調(diào)試器把它下載到系統(tǒng)中間去。而FPGA設(shè)計(jì)流程的其他步驟基本上由相關(guān)工具去完成，因此只要自己設(shè)置好相關(guān)參數(shù)，不要人為干預(yù)太多。而驗(yàn)證的話就需要用戶花費(fèi)大量的時(shí)間

17、去完成。2.3 Quartus II軟件Quartus II是Altera提供的FPGA/CPLD開發(fā)集成環(huán)境，Altera是世界最大可編程邏輯器件供應(yīng)商之一。Quartus II在21世紀(jì)初推出，是Altera前一代FPGA/CPLD集成開發(fā)環(huán)境MAX+plus II的更新?lián)Q代產(chǎn)品，其界面友好，使用便捷。在Quartus II上可以完成設(shè)計(jì)輸入、HDL綜合、布線布局（適配）、仿真和下載和硬件測(cè)試等流程，它提供了一種與結(jié)構(gòu)無關(guān)的設(shè)計(jì)環(huán)境，使設(shè)計(jì)者能方便地進(jìn)行設(shè)計(jì)輸入、快速處理和器件編程。Altera的Quartus II 提供了完整的多平臺(tái)設(shè)計(jì)環(huán)境，能滿足各種特定設(shè)計(jì)的需要，也是單芯片可編程系

18、統(tǒng)（SOPC）設(shè)計(jì)的綜合性環(huán)境和SOPC開發(fā)的基本設(shè)計(jì)工具，并為AlteraDSP開發(fā)包進(jìn)行系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)提供了集成綜合環(huán)境。Quartus II設(shè)計(jì)工具完全支持VHDL、Verylog的設(shè)計(jì)流程，其部嵌有VHDL、Verilog邏輯綜合器。Quartus II也可以利用第三方的綜合工具，如Leonardo Spectrum、Synplify Pro、FPGA Complier II，并能直接調(diào)用這些工具。同樣，Quartus II具備仿真功能，同時(shí)也支持第三方的仿真工具，如ModelSim。此外，Quartus II與MATLAB和DSP Builder結(jié)合，可以進(jìn)行基于FPGA的DSP系統(tǒng)開

19、發(fā)，是DSP硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵EDA工具。Quartus II包括模塊化的編譯器。編譯器包括的功能模塊有分析/綜合器（Analysis & Synthesis）、適配器（Filter）、裝配器（Assembler）、時(shí)序分析器（Timing Analyzer）、設(shè)計(jì)輔助模塊（Design Assistant）、EDA網(wǎng)表文件生成器（EDA Netlist Writer）和編輯數(shù)據(jù)接口（Complier Database Interface）等。可以通過選擇Start Complication來運(yùn)行所有的編譯器模塊，也可以通過選擇Start單獨(dú)運(yùn)行各個(gè)模塊。還可以通過選擇Complier

20、 Tool（Tools 菜單），在Complier Tool 窗口中運(yùn)行該模塊來啟動(dòng)編輯器模塊。在Complier Tool 窗口中，可以打開該模塊的設(shè)置文件或報(bào)告文件，或打開其他相關(guān)窗口。Quartus II編譯設(shè)計(jì)的主控界面顯示了Quartus II自動(dòng)設(shè)計(jì)的各主要處理環(huán)節(jié)和設(shè)計(jì)流程，包括設(shè)計(jì)輸入編輯、設(shè)計(jì)分析與綜合、適配、編程文件匯編（裝配）、時(shí)序參數(shù)提取以與編程下載幾個(gè)步驟。 圖1 Quartus II設(shè)計(jì)流程3系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求搶答器是在競(jìng)賽、文體娛樂活動(dòng)（搶答活動(dòng)）中，能準(zhǔn)確、公正、直觀地判斷出搶答者的機(jī)器。本設(shè)計(jì)使用硬件描述語言VHDL設(shè)計(jì)基于FPGA的電子搶答器的源程

21、序。要現(xiàn)如下功能：設(shè)計(jì)一個(gè)四路搶答器；在一路成功搶答有效后，其他三路均不能搶答，并且將搶答成功的一路用指示燈顯示出來。3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案3.2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案本設(shè)計(jì)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，這兩者相互結(jié)合，不可分離；從時(shí)間上看，硬件設(shè)計(jì)的絕大部分工作量是在最初階段，到后期往往還要做一些修改。只要技術(shù)準(zhǔn)備充分，硬件設(shè)計(jì)的大返工是比較少的，軟件設(shè)計(jì)的任務(wù)貫徹始終，到中后期基本上都是軟件設(shè)計(jì)任務(wù)。 圖2 硬件設(shè)計(jì)流程3.2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案軟件設(shè)計(jì)和硬件電路設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合進(jìn)行，哪些功能由硬件完成，哪些任務(wù)由軟件完成，在硬件電路設(shè)計(jì)基本定型后，也就基本上決定下來了。軟件任務(wù)分析環(huán)節(jié)是為軟件設(shè)計(jì)做

22、一個(gè)總體規(guī)劃。從軟件的功能來看可分為兩大類：一類是執(zhí)行軟件，它能完成各種實(shí)質(zhì)性的功能，如測(cè)量，計(jì)算，顯示，輸出控制和通信等，另一類是監(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。這兩類軟件的設(shè)計(jì)方法各有特色，執(zhí)行軟件的設(shè)計(jì)偏重算法效率，與硬件關(guān)系密切，千變?nèi)f化。軟件任務(wù)分析時(shí)，應(yīng)將各執(zhí)行模塊一一列出，并為每一個(gè)執(zhí)行模塊進(jìn)行功能定義和接口定義（輸入輸出定義）。在各執(zhí)行模塊進(jìn)行定義時(shí)，將要牽扯到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)類型問題也一并規(guī)劃好。各執(zhí)行模塊規(guī)劃好后，就可以監(jiān)控程序了。首先根據(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)。相對(duì)來講，執(zhí)行模塊任務(wù)明確單純，

23、比較容易編程，而監(jiān)控程序較易出問題。這如同當(dāng)一名操作工人比較容易，而當(dāng)一個(gè)廠長就比較難了。圖3 軟件設(shè)計(jì)流程. . 系統(tǒng)原理詳述 圖4 具有完整搶答器功能的結(jié)構(gòu)圖根據(jù)對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的分析可知，系統(tǒng)的輸入信號(hào)有：各組的搶答按鈕S0，S1，S2，S3輸入，復(fù)位信號(hào)CLEAR用于控制整個(gè)系統(tǒng)清0，按下該復(fù)位鍵系統(tǒng)清0，抬起該復(fù)位鍵搶答開始。在主持人將系統(tǒng)復(fù)位并使搶答有效開始后，S0，S1，S2，S3任何第一搶答者按下?lián)尨鸢粹o，對(duì)應(yīng)的輸入引腳接高電位1，電路記憶下第一搶答者身份，并封鎖其他各組的按鈕，即其他任何一組按鍵都不會(huì)使電路響應(yīng)，完成搶答過程。系統(tǒng)的輸出信號(hào)有：四組搶答成功與否的指示燈控制信號(hào)輸

24、出口LEDA、LESB、LEDC、LEDD，當(dāng)任何第一搶答者成功搶答后指示燈亮起。本系統(tǒng)應(yīng)具有的功能有：第一搶答信號(hào)的鑒別和鎖存功能，指示燈顯示第一搶答者功能。根據(jù)分析我們可以把該四路搶答器設(shè)計(jì)分為判斷模塊，鎖存模塊，掃描模塊等部分，依據(jù)各模塊功能編寫相應(yīng)的源程序，并對(duì)相應(yīng)的程序進(jìn)行編譯以與時(shí)序仿真。若正確就進(jìn)行到下一個(gè)模塊的編寫，若錯(cuò)誤就修改直至編譯成功。系統(tǒng)的具體工作原理如下：搶答鎖存模塊主要實(shí)現(xiàn)搶答過程中的搶答功能，并且能實(shí)現(xiàn)當(dāng)有一路搶答按鍵按下時(shí)，該路搶答信號(hào)將其余搶答信號(hào)封鎖的功能。在這個(gè)模塊輸入端有WARN輸入(以時(shí)間控制系統(tǒng)的WARN輸出信號(hào)為信號(hào)源)、一個(gè)和時(shí)間控制系統(tǒng)公用的C

25、LEAR端、4人搶答輸入信號(hào)端S0，S1，S2，S3和一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)端CLK，這個(gè)時(shí)鐘信號(hào)是個(gè)高頻信號(hào)，用以掃描S0，S1，S2，S3是否有信號(hào)輸入。輸出端有對(duì)應(yīng)于S0，S1，S2，S3編號(hào)的4個(gè)指示燈LED和4線2進(jìn)制輸出端STATES（用于鎖存當(dāng)前的狀態(tài)），還有一個(gè)STOP端用于指示S0，S1，S2，S3按鈕狀態(tài)。在此模塊中高頻時(shí)鐘信號(hào)一直作用，此時(shí)，若主持人按下CLEAR即為開始搶答信號(hào)，所有輸出端都自動(dòng)清零。在有效時(shí)間圍只要有人搶答，STOP就有高電平輸出至?xí)r間控制系統(tǒng)的STOP端以控制時(shí)間的停止，并且對(duì)應(yīng)的LED指示燈點(diǎn)亮，STATES鎖存輸出以顯示優(yōu)先搶答人的組號(hào)，并鎖定輸入端S以阻

26、止系統(tǒng)響應(yīng)其他搶答者的信號(hào)。4 電路程序設(shè)計(jì)與仿真4.1 搶答鎖存模塊設(shè)計(jì)該模塊主要實(shí)現(xiàn)搶答過程中的搶答功能。在系統(tǒng)復(fù)位并使搶答有效開始后，當(dāng)S0，S1，S2，S3任意一路第一搶答者按下?lián)尨鸢粹o，對(duì)應(yīng)的輸入引腳接高電位1，電路記憶下第一搶答者身份，信號(hào)輸入并進(jìn)行鎖存，其他任何一組按鍵都不會(huì)使電路響應(yīng)，完成搶答過程。4.1.1 VHDL源程序LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY LOCK IS PORT( CLK,CLEAR:IN STD_LOGIC; WARN:IN STD_LOGIC; S0,S1,S2,S3:IN STD_LOGIC

27、; STATES:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); STOP:OUT STD_LOGIC; LED:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);END LOCK;ARCHITECTURE ONE OF LOCK ISSIGNAL G:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);BEGIN PROCESS(CLEAR,CLK,S0,S1,S2,S3) BEGIN IF CLEAR='1' THEN G<="0000"LED<="0000"STOP<=&#

28、39;0' ELSIF CLK'EVENT AND CLK='1' THEN IF WARN='0' THEN IF( S3='1')AND NOT(G(0)='1' OR G(1)='1' OR G(2)='1') THEN G(3)<='1'LED(3)<='1' ELSIF( S2='1')AND NOT(G(0)='1' OR G(1)='1' OR G(3)='1')

29、 THEN G(2)<='1'LED(2)<='1' ELSIF( S1='1')AND NOT(G(0)='1' OR G(2)='1' OR G(3)='1') THEN G(1)<='1'LED(2)<='1' ELSIF( S0='1')AND NOT(G(1)='1' OR G(2)='1' OR G(3)='1') THEN G(0)<='1'LE

30、D(3)<='1' END IF; STOP<=G(0) OR G(1) OR G(2) OR G(3); END IF; END IF;CASE G IS WHEN "0001"=>STATES<="0001" WHEN "0010"=>STATES<="0010" WHEN "0100"=>STATES<="0011" WHEN "1000"=>STATES<="01

31、00" WHEN OTHERS=>STATES<="0000"END CASE;END PROCESS;END ARCHITECTURE ONE; 4.1.2 搶答鎖存電路的模塊在這個(gè)模塊中主要實(shí)現(xiàn)搶答過程中的搶答功能，并且能實(shí)現(xiàn)當(dāng)有一路搶答按鍵按下時(shí)，該路搶答信號(hào)將其余個(gè)綠搶答封鎖的功能。在這個(gè)模塊輸入端有WARN輸入(以時(shí)間控制系統(tǒng)的WARN輸出信號(hào)為信號(hào)源)、一個(gè)和時(shí)間控制系統(tǒng)公用的CLEAR端、4人搶答輸入信號(hào)端S0，S1，S2，S3和有一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)端CLK，這個(gè)時(shí)鐘信號(hào)是個(gè)高頻信號(hào)，用以掃描S0，S1，S2，S3是否有信號(hào)輸入。輸出端有對(duì)應(yīng)于

32、S0，S1，S2，S3編號(hào)的4個(gè)指示燈LED 和4線2進(jìn)制輸出端STATES （用于鎖存當(dāng)前的狀態(tài)），還有一個(gè)STOP 端用于指示S0，S1，S2，S3按鈕狀態(tài)。圖5 搶答鎖存電路的模塊4.2 仿真圖6 仿真圖由圖中可看出在復(fù)位信號(hào)從高電平降到低電平后，搶答器開始正常工作，此時(shí)搶答開始。在此之前搶答無效。而作為第一搶答者最先搶答，這時(shí)開始報(bào)警，數(shù)碼管輸出顯示1，說明A最先搶答?？偨Y(jié)一周的FPGA課程設(shè)計(jì)很快就過去了，其中真是有苦更有甜，苦的是我在第一次獨(dú)自設(shè)計(jì)一個(gè)應(yīng)用型設(shè)備時(shí)的不熟悉和不知所措，甜的是經(jīng)過一周的時(shí)間我通過回顧課本知識(shí)、詢問同學(xué)老師和上網(wǎng)學(xué)習(xí)收獲到了很多專業(yè)方面的知識(shí)更加鍛煉了我

33、的動(dòng)手能力和專業(yè)技能。記得大二下學(xué)期第一次上EDA程序設(shè)計(jì)課的時(shí)候，我對(duì)硬件設(shè)計(jì)語言是那么的難以上手，通過杜老師一學(xué)期細(xì)致的講解，配合實(shí)驗(yàn)課程讓我對(duì)EDA相關(guān)知識(shí)、VHDL編程、quartusII軟件、MAX_PLUS軟件有了更深的理解和更熟練的掌握。本次我的課程設(shè)計(jì)為四路競(jìng)賽搶答器，根據(jù)電路的特點(diǎn)，我采用層次化結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，將此項(xiàng)設(shè)計(jì)任務(wù)分成部分模塊，分別對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行編程，然后再將各模塊合起來編譯，這一步一步的加深了我們對(duì)于層次化設(shè)計(jì)的理解和對(duì)VHDL設(shè)計(jì)流程的熟悉。在設(shè)計(jì)的過程中，遇到問題我們盡量獨(dú)立思考，查找資料，到自己不能解決的時(shí)候就和同小組同學(xué)研究討論，或者向指導(dǎo)老師請(qǐng)教。這樣的經(jīng)歷不僅提高了我們獨(dú)立發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，又很好地培養(yǎng)了交流合作的精神。通過這次課程設(shè)計(jì)，進(jìn)一步加深了我對(duì)EDA技術(shù)的了解，讓我更加明確VHDL的設(shè)計(jì)流程，并產(chǎn)生了更加濃厚的興趣。特別是當(dāng)每一個(gè)模塊程序調(diào)試成功時(shí)，心的滿足感真的無法形容。這次經(jīng)歷更讓我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是十分重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，使理論服務(wù)于實(shí)際，才能真正為社會(huì)服務(wù)。在設(shè)計(jì)的過程中我們不可避免的遇到各種問題，因?yàn)檫@畢竟第一次做的，難免會(huì)不盡善盡美。同時(shí)在設(shè)計(jì)的過程中發(fā)現(xiàn)了自己不少不足之處，對(duì)以前所學(xué)過的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，