FPGA技術課程設計-數(shù)字式競賽搶答器終稿

1、西南科技大學FPGA技術課程設計報告設計名稱：數(shù)字式競賽搶答器 姓 名： 學 號: 專業(yè)班級 通信1301 教 師： 徐鋒 西南科技大學信息工程學院制設 計 任 務 書設計名稱： 數(shù)字式競賽搶答器 組長姓名： 組員姓名（其他5人）： 課題總設計要求：設計題目的要求： （1）設計一個可容納 3 組參賽的數(shù)字式搶答器，每組設一個按鈕，供搶答使用。 （2）搶答器具有第一信號鑒別和鎖存功能，使除第一搶答者外的按鈕不起作用。 （3）設置一個主持人“復位”按鈕。 （4）主持人復位后，開始搶答，第一信號鑒別鎖存電路得到信號后，有指示燈顯示搶 答組別，揚聲器發(fā)出 12 秒的音響。 （5）設置一個計分電路，每組

2、開始預置 100 分，由主持人記分，答對一次 1 0分，答錯 一次減 10 分。 組員（姓名） 張濤 的設計要求（由組長提供給組員）：主要任務：設計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為主持人復位信號（開始搶答信號），當reset有一個低電平到來時（下降沿），該模塊開始鎖存輸入端口的信號，當其中有一個發(fā)生變化時，將輸入封鎖。然后將鎖存到的信號按下列真值表輸出：鎖存信號輸出信號group1group2group3group1group2011011001011011當信號還沒有被鎖存時，group輸出為00

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

4、功能，當wrong每來一個下降沿觸發(fā)對應組別扣分功能。其中加分功能和扣分功能有其他組員提供函數(shù)。score1,score2,score3分別對應于組別1，組別2，組別3的計分結果。由于只需考慮十位和百位，所以只需要8位的二進制數(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 的設計要求:主要任務：組別分數(shù)動態(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：該模塊主要實現(xiàn)對分數(shù)，搶答到的組別的動態(tài)掃描，將它們動態(tài)顯示在數(shù)碼數(shù)碼管上。其中score1，score

5、2，score3分別表示當前得分，wei7:0和duan6:0分別表示位選和段選信號，clk為掃描時鐘。 組員（姓名） 林靜 的設計要求:主要任務：編寫2個函數(shù)，分別實現(xiàn)計數(shù)模塊加分功能，扣分功能。 并在一個模塊進行仿真測試函數(shù)功能，直到正確。add:其參數(shù)為當前分數(shù)，實現(xiàn)對參數(shù)的加分功能，每次加分為10分，并以八位二進制儲存百位和十位，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 設計步驟1、 設計準備：根據(jù)設計需求，分析整個系統(tǒng)功能及設計任務，可知，系統(tǒng)需要四個模塊來實現(xiàn)其功能。

6、分別為：設計搶答鑒別鎖存模塊、組別譯碼搶答模塊、計分模塊、組別分數(shù)動態(tài)掃描模塊。初步選定設計方案，然后根據(jù)功能分配任務。2、 設計輸入：（1） 設計編寫搶答鎖存模塊代碼。（2） 設計編寫組別譯碼模塊。（3） 設計編寫計分模塊（4） 設計動態(tài)掃描模塊（5） 將以上四個模塊組合，設計出這四個模塊的頂層模塊。（6） 加上消抖模塊3、 功能仿真：在每個模塊設計完成后，對該模塊設計仿真波形，進行仿真。4、 引腳約束：根據(jù)功能設計及FPGA外圍電路設計，對引腳進行約束。二設計整體流程圖加減分搶答信號搶答按鈕主持人控制開關分組LED燈FPGA數(shù)碼顯示分數(shù)蜂鳴器響起復位三設計方案（可包含主控制電路狀態(tài)轉換圖）

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分模塊組別分數(shù)動態(tài)掃描顯示模塊Light2:0Score7:0【&：0】2、 各個模塊的功能及設計方案;(1)搶答鎖存鑒別模塊功能：reset為主持人復位信號（開始搶答信號），當reset有一個低電平到來時（下降沿），該模塊開始鎖存輸入端口的信號，當其中有一個發(fā)生變化時，將輸入封鎖。然后將鎖存到的信號按真值表輸出。（2） 組別譯碼提醒模塊 功能：模塊用于控制蜂鳴器及三個LED燈，其中beep控制蜂鳴器，light控制組別信號燈。當出現(xiàn)group信號從00變化到其它后

8、，蜂鳴器發(fā)出12s聲響，表示已經搶答到，對應搶答到組別的LED燈亮。（3）計分模塊功能：該模塊用于對各個組進行計分，并將結果輸出。當right每來一個下降沿觸發(fā)對應組別加分功能，當wrong每來一個下降沿觸發(fā)對應組別扣分功能。score1,score2,score3分別對應于組別1，組別2，組別3的計分結果。由于只需考慮十位和百位，所以只需要8位的二進制數(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） 計分模塊的加分，扣分函數(shù)設計：Add：其參數(shù)為當前分數(shù)，實現(xiàn)對參數(shù)的加分功能，每次加分為10分，并以八位二進制儲存百位和十位，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: 實現(xiàn)對參數(shù)的加分功能，每次扣分為10分，其他相同。（5）動態(tài)掃描組別分數(shù)顯示模塊功能：該模塊主要實現(xiàn)對分數(shù)，搶答到的組別的動態(tài)掃描，將它們動態(tài)顯示在數(shù)碼數(shù)碼管上。其中score1，score2，score3分別表示當前得分，wei7:0和duan6:0分別表示位選和段選信號.（6）前4個模塊的組合設計思路：根據(jù)設計方案具體的模塊連接，如1中圖所示，設計頂層模塊。輸入：總共3個按鍵輸入信號，一個時鐘輸入信號輸出：一個控制組別燈的信號，一個數(shù)碼管斷選和一個位選信號。具體設計如下：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計：分析：開始時，group輸出

10、為00，當reset復位后，key2出現(xiàn)一低電平（第三組按下），group輸出11，當接著key1按下，group輸出不變，當再來了一個reset信號后，key又有效了，后面的也是如此。顯然實現(xiàn)了搶答鑒別鎖存功能。2、 組別譯碼提醒模塊：分析：當group由00變化到01，10,11，時顯然light對應真值表變化。而Warn開始以時鐘周期一半的頻率變化，由于需要在50個時鐘周期才能停止變化，所以為了更完整的驗證light信號的變化，設計group的變化時沒有根據(jù)實際時間來變化。3、 計分模塊：（1）分析：score表示分數(shù)百位和十位。開始時，初始分數(shù)為100分，當group為10時，righ

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

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

13、，第二位打開時（控制score1百位和十位），斷選信號輸出7h4f, 7h4f，對應于110分，顯然實現(xiàn)了加分功能和動態(tài)掃描功能。同樣可以驗證減分功能的真確性。五體會本次課程設計是一次對前段時間學習的考驗與檢測，通過這次對一個比較完整數(shù)字系統(tǒng)的設計，從最初的完全迷茫，到后來的題目選定，在到任務分配，與同學一起討論，查閱資料，解決遇到的問題，我真真切切地感受到了設計中的快樂與辛酸。有時候遇到了一個很簡單的錯誤，卻要找很久才能解決。有時候甚至苦惱，發(fā)怒。但是最欣喜的時刻莫過于當綠色的波形在眼前出現(xiàn)的那刻，那是一份努力的結果，每每都讓我感到了小小的興奮。設計過程，我發(fā)現(xiàn)了很多以前沒有注意到的問題，比

14、如，同一個變量不能在兩個always語句中進行賦值，盡管沒有語法錯誤，但是在綜合的時候會報錯。再比如，所有的輸入都應該是wire型變量，所以在例化時，中間變量都要設置成線網(wǎng)型的。再比如，在調用函數(shù)時，不能把輸入直接作為參數(shù)傳遞。多少天的屏幕守候，多少個夜晚的挑燈夜戰(zhàn)，當時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。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）動態(tài)掃描組別分數(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