數(shù)字式競賽搶答器說明書

..《EDA技術(shù)》課程設(shè)計說明書數(shù)字式競賽搶答器學(xué)院：電氣與信息工程學(xué)院學(xué)生__程波指導(dǎo)王曉麗職稱/學(xué)位碩士專業(yè)：電氣工程及其自動化班級：電氣本1202班學(xué)號：1230140210完成時間：2015年6月28日..摘要當(dāng)今的社會競爭日益激烈,選拔人才,評選優(yōu)勝,知識競賽之類的活動愈加頻繁,那摩就必然離不開搶答器。搶答器是為智力競賽參賽者答題時進(jìn)行搶答而設(shè)計的一種優(yōu)先判決器電路,競賽者可以分為若干組,搶答時各組對主持人提出的問題要在最短的時間內(nèi)做出判斷,并按下?lián)尨鸢存I回答問題。當(dāng)?shù)谝粋€人按下按鍵后,則在顯示器上顯示該組的號碼,對應(yīng)的燈亮,同時電路將其他各組按鍵封鎖,使其不起作用。若搶答時間內(nèi)無人搶答,則報警燈亮?；卮鹜陠栴}后,由主持人將所有按鍵恢復(fù),重新開始下一輪搶答。此次課程設(shè)計的內(nèi)容是設(shè)計一個可容納四組參賽者同時搶答的數(shù)字搶答器。主要模塊有搶答鑒別模塊、計時模塊、犯規(guī)模塊、計分模塊以及顯示模塊,這些模塊的組合構(gòu)成了搶答器系統(tǒng)框圖。通過編寫相應(yīng)的VHDL程序?qū)崿F(xiàn)即功能仿真,頂層文件及整體仿真。關(guān)鍵詞：搶答器；VHDL..目錄1緒論 12搶答器的設(shè)計要求 23搶答器的功能模塊 33.1搶答器的搶答鑒別模塊設(shè)計 33.1.1搶答鑒別的功能 33.1.2搶答鑒別模塊的時序仿真圖 33.2搶答器的計時模塊設(shè)計 43.2.1計時模塊的功能 43.2.2計時模塊的時序仿真圖 43.3搶答器的計分模塊設(shè)計 53.3.1計分模塊的功能 53.3.2計分模塊的時序仿真圖 53.4搶答器的譯碼顯示模塊設(shè)計 63.4.1譯碼顯示模塊的功能 63.4.2譯碼顯示模塊的時序仿真圖 63.5搶答器的犯規(guī)模塊設(shè)計 73.5.1犯規(guī)模塊的功能 73.5.2犯規(guī)模塊的時序仿真圖 74搶答器的頂層原理圖設(shè)計 84.1頂層原理圖的源文件 84.2頂層設(shè)計的時序仿真圖 8結(jié)束語 10參考文獻(xiàn) 11致謝 12附錄 13附錄A搶答鑒別模塊VHDL源程序 13附錄B計時模塊VHDL源程序 15附錄C計分模塊VHDL源程序 18附錄D譯碼顯示模塊VHDL源程序 21附錄E犯規(guī)模塊VHDL源程序 22..1緒論EDA是電子設(shè)計自動化〔ElectronicDesignAutomation的縮寫,在20世紀(jì)90年代初從計算機(jī)輔助設(shè)計〔CAD、計算機(jī)輔助制造〔CAM、計算機(jī)輔助測試〔CAT和計算機(jī)輔助工程〔CAE的概念發(fā)展而來的。EDA技術(shù)就是以計算機(jī)為工具,設(shè)計者在EDA軟件平臺上,用硬件描述語言VHDL完成設(shè)計文件,然后由計算機(jī)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(biāo)芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作。隨著電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,電子線路的設(shè)計工作也日益顯得重要。經(jīng)過人工設(shè)計、制作實驗板、調(diào)試再修改的多次循環(huán)才定型的傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計方法必然被計算機(jī)輔助設(shè)計所取代,因為這種費(fèi)時費(fèi)力又費(fèi)資源的設(shè)計調(diào)試方法既增加了產(chǎn)品開發(fā)的成本,又受到實驗工作場地及儀器設(shè)備的限制。為了克服上述困難,加拿大InteractiveImageTechnologies公司推出的基于Windows95／98／NT操作系統(tǒng)的EDA軟件〔ElectronicsWorkbench"電子工作臺",EWB。他可以將不同類型的電路組合成混合電路進(jìn)行仿真。EWB是用在計算機(jī)上作為電子線路設(shè)計模擬和仿真的新的軟件包,是一個具有很高實用價值的計算機(jī)輔助設(shè)計工具。目前已在電子工程設(shè)計等領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用。與目前流行的電路仿真軟件相比較,EWB具有界面直觀、操作方便等優(yōu)點。他改變了有些電路仿真軟件輸入電路采用文本方式的不便之處,該軟件在創(chuàng)建電路、選用元器件的測試儀器等均可以直接從屏幕圖形中選取,而且測試儀器的圖形與實物外形基本相似,從而大大提高了電子設(shè)計工作的效率。2搶答器的設(shè)計要求在許多比賽活動中,為了準(zhǔn)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,還可以設(shè)置計分、犯規(guī)及獎懲計錄等多種功能。本設(shè)計的具體要求是：設(shè)計一個課容納四組參賽者同時搶答的數(shù)字搶答器,可判斷第一搶答者并報警指示搶答成功,其他組再搶答均無效。若提前搶答則對相應(yīng)的搶答組發(fā)出警報。同時,要求給出系統(tǒng)總體組成框圖,設(shè)計思路,完成以上模塊的VHDL文件并進(jìn)行仿真驗證。3搶答器的功能模塊3.1搶答器的搶答鑒別模塊設(shè)計3.1.1搶答鑒別模塊的功能該模塊主要實現(xiàn)搶答過程中的搶答功能,并能對超前搶答進(jìn)行警告。同時,搶答鑒別模塊還用來準(zhǔn)確直觀地判斷A、B、C、D四組搶答者誰最先按下按鈕,并為顯示端送出信號,通過譯碼顯示和報警等途徑使觀眾能夠清楚地知道是哪一組搶答成功,能記錄無論是正常搶答還是超前搶答者的臺號,并且能實現(xiàn)當(dāng)有一路搶答按鍵按下時,該路的搶答信號會將其余信號封鎖。它是整個系統(tǒng)的核心部分。同時組別顯示端為下一模塊輸入信號,以便主持人為該組搶答成功者進(jìn)行加分的操作。搶答鑒別模塊設(shè)計圖如圖1所示,其VHDL源程序見附錄A。圖1搶答鑒別模塊設(shè)計圖3.1.2搶答鑒別模塊的時序仿真圖如圖2,為搶答鑒別模塊的時序仿真圖。搶答時設(shè)置時鐘信號CLK,在搶答時需要一個允許開始搶答信號,設(shè)置為states,該信號輸入后,指示燈亮,信號為LED,提示選手開始搶答,為了鑒別搶答者,設(shè)置A、B、C、D為了使系統(tǒng)重新進(jìn)入搶答狀態(tài),還需要一個復(fù)位信號,設(shè)置為CLR。從仿真圖中可以看出,A的速度最快,但明顯有一點搶先,緊隨其后的是B,C,D,這三人均沒有搶先,而且可以看出,搶答開始后,燈LED[0]亮。圖2搶答鑒別模塊的時序仿真圖3.2搶答器的計時模塊設(shè)計3.2.1計時模塊的功能該模塊主要實現(xiàn)搶答過程中的計時功能,在有搶答開始后進(jìn)行所設(shè)時間的倒計時,并且在倒計時后無人搶答顯示超時并報警。設(shè)置搶答時鐘信號為clk,計時預(yù)置控制端ldn,系統(tǒng)復(fù)位清零信號為clr,搶答使能信號為en,計時預(yù)置數(shù)據(jù)調(diào)整按鈕個位為ta,十位為tb。計時輸出信號端qa[3..0]和qb[3..0]。計時模塊設(shè)計圖如圖3所示,其VHDL源程序見附錄B。圖3計時模塊設(shè)計圖3.2.2計時模塊的時序仿真圖如圖4,為搶答器的計時模塊的時序仿真圖。當(dāng)清零信號clr=1時,模塊輸出信號qa=0000,qb=0000。當(dāng)預(yù)置控制信號ldn=1可以通過ta來調(diào)整qa,ta來一次高電平,則qa的數(shù)值就加1；用tb來調(diào)整qb,通過這兩個調(diào)整信號可調(diào)整參賽者答題所需要的時間。在clr=0,ldn=0,en=1時,通過時鐘信號clk的上升沿來進(jìn)行倒計時。圖4計時模塊的時序仿真圖3.3搶答器的計分模塊設(shè)計3.3.1計分模塊的功能系統(tǒng)的輸入信號為：加分按鈕端ADD,選擇組別號輸入端CHOSE[3..0];系統(tǒng)的輸出信號為：A組分?jǐn)?shù)輸出端A2[3..0]、A1[3..0]、A0[3..0]B組分?jǐn)?shù)輸出端B2[3..0]、B1[3..0]、B0[3..0],C組分?jǐn)?shù)輸出端C2[3..0]、C1[3..0]、C0[3..0]。計分模塊設(shè)計圖如圖5所示,其VHDL源程序見附錄C。圖5計分模塊設(shè)計圖3.3.2計分模塊的時序仿真圖如圖6,為搶答器的計分模塊的時序仿真圖。計分模塊的運(yùn)行方式是按照十進(jìn)制進(jìn)行加法,即當(dāng)時鐘出現(xiàn)上升沿時就進(jìn)行加一的操作。計分模塊為哪組進(jìn)行計分取決于鑒別模塊的輸入信號CHOSE,當(dāng)CHOSE=0001時表示A組最先搶答,則在此模塊中為A組計分；當(dāng)CHOSE=0010時表示B組最先搶答,則在此模塊中為B組計分；當(dāng)CHOSE=0100時表示C組最先搶答,則在此模塊中為C組計分；當(dāng)CHOSE=1000時表示D組最先搶答,則在此模塊中為D組計分。圖6計分模塊的時序仿真圖3.4搶答器的譯碼顯示模塊設(shè)計3.4.1譯碼顯示模塊的功能該模塊實際上是一個譯碼器,譯碼器是組合邏輯電路的一個重要的器件,該模塊中主要實現(xiàn)搶答過程中將BCD碼轉(zhuǎn)化成7段數(shù)碼管的功能。in4[3..0]為輸入信號,out7[6..0]為輸出信號。譯碼顯示模塊設(shè)計圖如圖7所示,其VHDL源程序見附錄D。圖7譯碼顯示模塊設(shè)計圖3.4.2譯碼顯示模塊的時序仿真圖如圖8,為搶答器的譯碼顯示模塊的時序仿真圖。當(dāng)輸入0001,輸出0000110,即在共陰極數(shù)碼管上顯示1；即顯示A組搶答成功。當(dāng)輸入0010,輸出1011011,即在共陰極數(shù)碼管上顯示2；即顯示B組搶答成功。當(dāng)輸入0011,輸出1001111,即在共陰極數(shù)碼管上顯示3；即顯示C組搶答成功。當(dāng)輸入0100,輸出1100110,即在共陰極數(shù)碼管上顯示4；即顯示D組搶答成功。圖8譯碼顯示模塊的時序仿真圖3.5搶答器的犯規(guī)模塊設(shè)計3.5.1犯規(guī)模塊的功能該模塊主要實現(xiàn)搶答過程中的報警功能,當(dāng)主持人按下控制鍵,在有限的時間內(nèi),沒有人搶答或是主持人未按下控制按鈕就搶答時開始報警,計數(shù)開始狀態(tài)start,計數(shù)輸入信號a、b、c、d以及狀態(tài)輸出信號y。犯規(guī)模塊設(shè)計圖如圖9所示,其VHDL源程序見附錄E。圖9犯規(guī)模塊設(shè)計圖3.5.2犯規(guī)模塊的時序仿真圖如圖10,為搶答器的犯規(guī)模塊的時序仿真圖。如圖,當(dāng)B組有人在未允許搶答之前搶答,其輸出報警信號y為高電平。圖10犯規(guī)模塊的時序仿真圖4搶答器的頂層原理圖設(shè)計4.1頂層原理圖的源文件單獨(dú)模塊只有彼此聯(lián)系起來構(gòu)成一個完整的系統(tǒng),才能實現(xiàn)其功能,這個過程有兩種實現(xiàn)方法：元件例化和元器件圖示連線。為了能直觀的表示各模塊之間的連接關(guān)系。我采用元器件圖示連線,這種連線方法思路清晰可見,而且用的時候很簡單方便,即使出現(xiàn)錯誤也很好檢查。按照要求,我們可以將整個系統(tǒng)分為五個主要模塊：搶答鑒別模塊；搶答計時模塊；搶答計分模塊；譯碼顯示模塊和犯規(guī)模塊。對于需顯示的信息,需要增加或外接譯碼器,進(jìn)行顯示譯碼?？紤]到實驗開發(fā)平臺提供的輸出顯示資源的限制,我們將組別顯示和計時顯示的譯碼器內(nèi)設(shè),而將各組的計分顯示的譯碼器外接。整個系統(tǒng)的總的頂層設(shè)計圖如圖11所示。圖11搶答器總的頂層設(shè)計圖4.2頂層設(shè)計的時序仿真圖如圖12,為搶答器的頂層設(shè)計的時序仿真圖。從仿真圖中可以看出,當(dāng)允許答題后,四組〔A、B、C、D任意一組搶答時,在規(guī)定的時間搶答成功,即該組就加分。圖中A組,搶答成功加分一次,LED[0]被點亮,其SCOREA加1。譯碼顯示模塊〔YMSC顯示對應(yīng)組號〔0000110,即為1。B組搶答成功兩次,LED[1]被點亮,其SCOREA加2。譯碼顯示模塊〔YMSC顯示對應(yīng)組號〔1011011,即為2。D組搶答成功三次,LED[3]被點亮,其SCOREA加3。譯碼顯示模塊〔YMSC顯示對應(yīng)組號〔1111111,即為8。圖12頂層設(shè)計的時序仿真圖結(jié)束語本次的EDA課程設(shè)計雖然只有短暫的一周時間,但是通過實踐,使我對EDA技術(shù)有了更進(jìn)一步的了解。同時,大致懂得了一個課題制作的具體流程和實施方法。另外,課程設(shè)計對QuartusⅡ軟件的使用要求較高,從而使我能較為熟練的運(yùn)用此軟件。在設(shè)計時,采用模塊化的設(shè)計思路使得問題變的簡單明了,大大縮短了時間,降低了發(fā)生錯誤的機(jī)侓,也便于修改和更新。課程設(shè)計中,需要找很多資料,在當(dāng)今的信息化環(huán)境中,雖然資料很多,但需要仔細(xì)斟酌才能找到所要的。這次的課程設(shè)計很好的鍛煉了這種能力。此外,與同學(xué)和老師的交流必不可少,我從中也學(xué)到了不少東西。課程設(shè)計是一次很好的鍛煉機(jī)會,我從中學(xué)的很多知識對將來的學(xué)習(xí)和工作都有很大的幫助,十分感謝學(xué)校能提供這樣一個機(jī)會。參考文獻(xiàn)[1]潘松,黃繼業(yè).EDA技術(shù)與VHDL[M]〔第2版.北京：清華大學(xué)出版社,2007[2]曹昕燕,周鳳臣,聶春燕,EDA技術(shù)實驗與課程設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社,2006[3]潘松,黃繼業(yè).EDA技術(shù)實用教程-VHDL版[M]〔第四版.北京：科學(xué)出版社,2010[4]XX康芯電子GW48-PK3實驗系統(tǒng)說明書.XX康芯電子,2006[5]姜雪松,吳鈺淳.VHDL設(shè)計實例與仿真[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2007[6]李偉英,謝完成.基于EDA技術(shù)的搶答器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].科學(xué)技術(shù)與實現(xiàn),2008.8〔11致謝在這次設(shè)計中,我花了不少的時間,其中有苦也有樂?？嗟氖俏腋冻隽瞬簧俚暮顾?樂的是在付出的過程中我得到了許多,也學(xué)會了許多。因為一個人的能力畢竟有限,在設(shè)計方面難免會出現(xiàn)這樣或那樣的錯誤,但正是這些促進(jìn)了我的進(jìn)步。根據(jù)對整體結(jié)構(gòu)的分析,我采用層次結(jié)構(gòu)化的設(shè)計概念,將此項設(shè)計任務(wù)分成若干模塊,規(guī)定每一模塊的功能和各模塊之間的接口,然后再將各模塊合起來聯(lián)試,這就培養(yǎng)了我對層次化設(shè)計的概念。在此次課程設(shè)計中,我真正體會到了知識地重要性。在設(shè)計的過程中,遇到問題我會先獨(dú)立思考,到自己不能解決的時候我就會和同學(xué)討論,實在解決不了就向老師請教,應(yīng)該說從功能的實現(xiàn)到流程圖的繪制,從程序的編寫到程序的檢查,從程序的調(diào)試到文檔的書寫,其間每一個過程都凝集著大家對我的支持。最后,在設(shè)計的過程中我進(jìn)一步養(yǎng)成了軟件設(shè)計的方法,完成了一個項目的程序編寫,進(jìn)一步了解了設(shè)計的步驟,也進(jìn)一步加深了對課程的理解,增強(qiáng)了對本課程的興趣,為以后的工作積累了一定的經(jīng)驗,在這次課程設(shè)計中,非常感謝王曉麗老師為我疑難解惑,也感謝同學(xué)們對我的幫助。附錄附錄A搶答鑒別模塊VHDL源程序libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;useieee.std_logic_unsigned.all;entityQIANGDAisport<CLR,CLK:instd_logic;A,B,C,D:instd_logic;states:bufferstd_logic_vector<3downto0>;LED:bufferstd_logic_vector<3downto0>;warm:outstd_logic>;endentityQIANGDA;architectureartofQIANGDAissignalQ:std_logic_vector<3downto0>;beginp1:process<A,B,C,D,CLR,CLK>beginifCLR='1'thenwarm<='0';Q<="0000";elsifCLK'eventandCLK='1'thenif<A='1'orQ<0>='1'>andnot<Q<1>='1'orQ<2>='1'orQ<3>='1'>thenQ<0><='1';endif;if<B='1'orQ<1>='1'>andnot<Q<0>='1'orQ<2>='1'orQ<3>='1'>thenQ<1><='1';endif;if<C='1'orQ<2>='1'>andnot<Q<0>='1'orQ<1>='1'orQ<3>='1'>thenQ<2><='1';endif;if<D='1'orQ<3>='1'>andnot<Q<0>='1'orQ<1>='1'orQ<2>='1'>thenQ<3><='1';endif;warm<=Q<0>orQ<1>orQ<2>orQ<3>;endif;endprocessp1;p2:process<states<0>,states<1>,states<2>,states<3>,LED>beginif<Q="0000">thenstates<="0000";elsif<Q="0001">thenstates<="0001";elsif<Q="0010">thenstates<="0010";elsif<Q="0100">thenstates<="0100";elsif<Q="1000">thenstates<="1000";endif;LED<=Q;endprocessp2;endart;附錄B計時模塊VHDL源程序libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;useieee.std_logic_unsigned.all;entityJISHIisport<clr,ldn,en,clk:instd_logic;ta,tb:instd_logic;qa:outstd_logic_vector<3downto0>;qb:outstd_logic_vector<3downto0>>;endentityJISHI;architectureartofJISHIissignalda:std_logic_vector<3downto0>;signaldb:std_logic_vector<3downto0>;beginprocess<ta,clr>isbeginif<clr='1'>thenda<="1001";elsif<ta'eventandta='1'>thenif<ldn='1'>thenif<da="0000">thenda<="1001";elseda<=da-1;endif;endif;endif;endprocess;process<tb,clr>isbeginif<clr='1'>thendb<="0101";elsif<tb'eventandtb='1'>thenif<ldn='1'>thenifdb="0000"thendb<="1001";elsedb<=db-1;endif;endif;endif;endprocess;process<clk>isvariabletmpa:std_logic_vector<3downto0>;variabletmpb:std_logic_vector<3downto0>;beginif<clr='1'>thentmpa:="0000";tmpb:="0000";elsifclk'eventandclk='1'thenifen='1'thentmpa:=da;tmpb:=db;elsiftmpa="0000"theniftmpb="0000"thentmpa:="0000";elsetmpa:="1001";endif;iftmpb="0000"thentmpb:="0000";elsetmpb:=tmpb-1;endif;elsetmpa:=tmpa-1;endif;endif;qa<=tmpa;qb<=tmpb;endprocess;endarchitectureart;附錄C計分模塊VHDL源程序libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;useieee.std_logic_unsigned.all;entityJIFENisport<ADD:instd_logic;CHOSE:instd_logic_vector<3downto0>;A2,A1,A0:OUTstd_logic_vector<3downto0>;B2,B1,B0:OUTstd_logic_vector<3downto0>;C2,C1,C0:OUTstd_logic_vector<3downto0>;D2,D1,D0:OUTstd_logic_vector<3downto0>>;ENDJIFEN;ARCHITECTURErtlOFJIFENISBEGINPROCESS<ADD,CHOSE>VARIABLEPOINTS_A2,POINTS_A1:STD_LOGIC_VECTOR<3DOWNTO0>;VARIABLEPOINTS_B2,POINTS_B1:STD_LOGIC_VECTOR<3DOWNTO0>;VARIABLEPOINTS_C2,POINTS_C1:STD_LOGIC_VECTOR<3DOWNTO0>;VARIABLEPOINTS_D2,POINTS_D1:STD_LOGIC_VECTOR<3DOWNTO0>;BEGINIFADD'EVENTANDADD='1'THENIFCHOSE="0001"THENIFPOINTS_A1="1001"THENPOINTS_A1:="0000";IFPOINTS_A2="1001"THENPOINTS_A2:="0000";ELSEPOINTS_A2:=POINTS_A2+'1';ENDIF;ELSEPOINTS_A1:=POINTS_A1+'1';ENDIF;ELSIFCHOSE="0010"THENIFPOINTS_B1="1001"THENPOINTS_B1:="0000";IFPOINTS_B2="1001"THENPOINTS_B2:="0000";ELSEPOINTS_B2:=POINTS_B2+'1';ENDIF;ELSEPOINTS_B1:=POINTS_B1+'1';ENDIF;ELSIFCHOSE="0100"THENIFPOINTS_C1="1001"THENPOINTS_C1:="0000";IFPOINTS_C2="1001"THENPOINTS_C2:="0000";ELSEPOINTS_C2:=POINTS_C2+'1';ENDIF;ELSEPOINTS_C1:=POINTS_C1+'1';ENDIF;ELSIFCHOSE="1000"THENIFPOINTS_D1="1001"THENPOINTS_D1:="0000";IFPOINTS_D2="1001"THENPOINTS_D2:="0000";ELSEPOINTS_D2:=POINTS_D2+'1';ENDIF;ELSEPOINTS_D1:=POINTS_D1+'1';ENDIF;ENDIF;ENDIF;A2<=POINTS_A2;A1<=POINTS_A1;A0<="0000";B2<=POINTS_B2;B1<=POINTS_B1;B0<="0000";C2<=POINTS_C2;C1<=POINTS_C1;C0<="0000";D2<=POI