基于FPGA的四路搶答器

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)北 華 航 天 工 業(yè) 學(xué) 院EDA技術(shù)綜合設(shè)計課程設(shè)計報告報告題目： 競賽搶答器 作者所在系部： 電子工程系 作者所在專業(yè)： 電子信息工程 作者所在班級： B10212 作 者 姓 名 ： 郭思華 指導(dǎo)教師姓名： 胡輝 完 成 時 間 ： 2012-12-16 內(nèi) 容 摘 要EDA技術(shù)是現(xiàn)代電子信息工程領(lǐng)域的一門新技術(shù)，他是先進(jìn)的計算機工作平臺上開發(fā)出來的一套電子系統(tǒng)設(shè)計的軟硬件工具，并設(shè)計先進(jìn)的電子系統(tǒng)設(shè)計方法。本文介紹了以FPGA為基礎(chǔ)的四路搶答器的設(shè)計，此次設(shè)計

2、是一個有4組搶答輸入，并具有搶答計時控制，到時報警以及時間顯示等功能的通用型搶答器。此次設(shè)計它以VHDL硬件描述為平臺，結(jié)合動手實踐完成。該搶答器分為五個模塊：搶答模塊、計時模塊、選擇模塊，位循環(huán)模塊和譯碼模塊。利用Quartus工具軟件完成率編譯仿真驗證。關(guān)鍵詞EDA、可編程邏輯器件、計數(shù)器、顯示器目 錄一 概 述1二 方案設(shè)計與論證1三單元電路程序設(shè)計及其功能驗證 2（一） 搶答鎖存模塊的設(shè)計 2（二） 計時模塊的設(shè)計4 （三） 數(shù)據(jù)選擇模塊的設(shè)計5（四） 譯碼模塊的設(shè)計 6（五） 位循環(huán)模塊的設(shè)計8四 完整電路設(shè)計與分析9（一）主電路圖 9（二）時序仿真圖 9（三）芯片引腳分布圖10五

3、性能測試與分析 10六 實驗設(shè)備 10七 心得體會 10八 參考文獻(xiàn) 11 課程設(shè)計任務(wù)書課題名稱競賽槍答器設(shè)計完成時間2012.12.16指導(dǎo)教師胡輝職稱副教授學(xué)生姓名郭思華班 級B10212總體設(shè)計要求和技術(shù)要點總體設(shè)計要求： 通過本課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握可編程器件、EDA開發(fā)系統(tǒng)軟件、硬件描述語言和電子線路設(shè)計與技能訓(xùn)練等各方面知識；提高工程實踐能力；學(xué)會應(yīng)用EDA技術(shù)解決一些簡單的電子設(shè)計問題。技術(shù)要點：搶答器同時供4名選手或4個代表隊比賽，分別用4個按鈕設(shè)計一個4路智力競賽搶答器，具體設(shè)計要求如下：1.設(shè)置一個系統(tǒng)清除和搶答控制開關(guān)S，該開關(guān)由主持人控制。2搶答器具有鎖存與顯示功能。即

4、選手按動按鈕，鎖存相應(yīng)的編號，并在LED數(shù)碼管上顯示，同時揚聲器發(fā)出報警聲響提示。選手搶答實行優(yōu)先鎖存，優(yōu)先搶答選手的編號一直保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。3. 搶答器具有定時搶答功能，且一次搶答的時間由主持人設(shè)定（如30秒）。當(dāng)主持人啟動“開始”鍵后，定時器進(jìn)行減計時，同時揚聲器發(fā)出短暫的聲響，聲響持續(xù)的時間0.5秒左右。4. 參賽選手在設(shè)定的時間內(nèi)進(jìn)行搶答，搶答有效，定時器停止工作，顯示器上顯示選手的編號和搶答的時間，并保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。 5. 如果定時時間已到，無人搶答，本次搶答無效，系統(tǒng)報警并禁止搶答，定時顯示器上顯示00。工作內(nèi)容及時間進(jìn)度安排工作內(nèi)容：1、各模塊編程及編譯、

5、波形仿真、整體電路的連接及仿真。2、下載到實驗箱，驗證結(jié)果。進(jìn)度安排：14周周一到周五上機編寫程序。 15周周六在實驗室調(diào)試程序 周日下載驗證，做硬件實驗。課程設(shè)計成果1與設(shè)計內(nèi)容對應(yīng)的軟件程序，時序仿真圖，對應(yīng)生成的邏輯器件。2課程設(shè)計報告書3成果使用說明書4設(shè)計工作量要求一、概述 搶答器主要由搶答模塊、計時模塊、選擇模塊，位循環(huán)模塊和譯碼模塊組成。在整個搶答器中主持人在搶答前設(shè)置好搶答時間,在復(fù)位開始按鍵按下后,搶答器開始倒計時,若在計時時間內(nèi)無人搶答,則搶答器報警提示,若在計時過程中有人搶答,則數(shù)碼管顯示第一個搶答的人的編號,同時停止計時。搶答器共有3個輸出顯示，選手代號、計數(shù)器的個位和

6、十位，他們輸出全都為BCD碼輸出，這樣便于和顯示譯碼器連接。二、方案設(shè)計與論證將該任務(wù)分成五個模塊進(jìn)行設(shè)計，分別為：搶答器搶答模塊、搶答器計時模塊、位循環(huán)模塊、譯碼模塊和選擇模塊。設(shè)計過程： 在本次設(shè)計中，我先對整體要求進(jìn)行了了解，然后根據(jù)要求將整個電路劃分為 5個模塊，并對這5個模塊的功能進(jìn)行了劃分，然后依據(jù)各模塊功能編寫程序，并 對編寫出的程序進(jìn)行了編譯以及時序仿真，若結(jié)果正確則繼續(xù)進(jìn)行下一個模塊的編 寫，若錯誤就進(jìn)行修改直到結(jié)果正確。 將5個模塊都編寫完成之后，讓這5個模塊生成對應(yīng)的器件，然后連接出完整 的電路進(jìn)行編譯及仿真，在沒有錯誤后在實驗箱上進(jìn)行功能驗證。方案論證：搶答鎖存模塊；在

7、這個模塊中主要實現(xiàn)搶答過程中的搶答功能。在搶答開始后，當(dāng)任意一路搶答器按下后，信號輸入并進(jìn)行鎖存，這時其它搶答按鍵再按下也不起作用。此模塊有A、B、C、D四路搶答輸入信號；復(fù)位信號R；輸出報警信號BJ；數(shù)據(jù)輸出信號Y。搶答器計時模塊：在這個模塊中主要實現(xiàn)搶答過程中的計時功能。在搶答開始主持人按下復(fù)位鍵后進(jìn)行60秒的倒計時，并且在60秒倒計時后無人搶答顯示超時并報警，若有選手搶答則計時停止,主持人也可以手動設(shè)置計時時間。此模塊包含時鐘信號CLK；系統(tǒng)復(fù)位信號R；修改時間使能信號EN；無人搶答警報信號BJ；有人搶答停止計時信號ST；時間設(shè)置輸入十位和個位信號cg，cs；計時十位和個位輸出信號SW，

8、GW。數(shù)據(jù)選擇模塊：在這個模塊中主要實現(xiàn)搶答過程中的數(shù)據(jù)循環(huán)顯示功能，通過SEL信號的循環(huán)輸入，從而控制數(shù)碼管的循環(huán)顯示，利用人眼的視覺停留使人感覺數(shù)碼管是同時常亮的。此模塊包含輸入顯示位控制信號SEL；數(shù)據(jù)輸入信號H，G，S；數(shù)據(jù)輸出信號Z 。譯碼模塊： 在這個模塊中主要實現(xiàn)搶答過程中將BCD碼轉(zhuǎn)換成7段的功能。在本 次課設(shè)中主要用于對時間的個位、十位的數(shù)值進(jìn)行相應(yīng)的譯碼，使其在數(shù)碼 管上能顯示出正常數(shù)字。此模塊包含輸入信號SJ，輸出信號Y。位循環(huán)模塊： 實現(xiàn)搶答過程中對數(shù)碼管掃描顯示位的控制。在本次課設(shè)中共利用了 三個數(shù)碼管，所以將SEL設(shè)置在000，001，010三個數(shù)之間循環(huán)，使得數(shù)

9、碼管僅顯示后三位。此模塊包含CLK控制信號，復(fù)位控制信號R，輸出信 號SEL。三、單元電路程序設(shè)計及其功能驗證（一）搶答鎖存模塊 1、VHDL源程序 LIBRARY ieee; USE ieee.std_logic_1164.ALL; USE ieee.std_logic_arith.ALL; USE ieee.std_logic_unsigned.ALL; ENTITY QDMK IS PORT(A,B,C,D:IN std_logic; R:IN std_logic; SIGNAL CLK:IN std_logic; BJ:OUT std_logic; Y:buffer std_logic

10、_vector(6 DOWNTO 0); END QDMK; ARCHITECTURE behave OF QDMK IS BEGIN PROCESS(A,B,C,D,R,CLK) BEGIN IF R=1THEN Y=; BJ=0; ELSIF CLKevent AND CLK=1THEN IF Y= THEN IF A=1 THEN Y=; ELSIF B=1 THEN Y=; ELSIF C=1 THEN Y=; ELSIF D=1 THEN Y=; END IF; ELSE NULL; END IF; BJ=A OR B OR C OR D; END IF; END PROCESS;

11、END behave;2、仿真圖由圖中可看出在復(fù)位信號R從高電平降到低電平后，搶答器開始正常工作，A最先搶答，這時開始報警，數(shù)碼管輸出顯示1，說明A最先搶答。（二）計時模塊1、VHDL源程序LIBRARY ieee;USE ieee.std_logic_1164.ALL;USE ieee.std_logic_arith.ALL;USE ieee.std_logic_unsigned.ALL;ENTITY JS IS PORT(R,ST,EN,CLK:IN std_logic; cg,cs:IN std_logic_vector(3 DOWNTO 0); GW,SW:BUFFER std_log

12、ic_vector(3 DOWNTO 0); BJ:OUT std_logic);END JS;ARCHITECTURE behave OF JS ISBEGINPROCESS(R,EN,ST,CLK) BEGIN IF ST=0THEN IF R=1THEN IF EN=1THEN GW=cg; SW=cs; BJ=0; ELSE GW=0000; SW=0110; BJ=0; END IF; ELSIF CLKEVENT AND CLK=1THEN IF GW=0000THEN GW=1001; IF SW=0000THEN SW=0110; ELSE SW=SW-1; END IF; E

13、LSE GW=GW-1; END IF; IF GW=0000AND SW=0000THEN GW=0000; SW=0110; BJ=1; END IF; END IF; ELSE BJ=0; END IF; END PROCESS;END behave;2、仿真圖從圖中可看出，在復(fù)位信號為1時，始能信號EN為1，這時計時時間改變?yōu)閏s,cg中輸入的06秒，在復(fù)位信號變?yōu)?后開始計時，在計時時間到達(dá)0時由于無人搶答（由停止信號ST控制），故產(chǎn)生報警信號開始報警。在停止信號為1后，停止計時，在停止信號為0時，計時再次開始。（三）數(shù)據(jù)選擇模塊1、VHDL源程序 LIBRARY ieee; USE

14、 ieee.std_logic_1164.ALL; USE ieee.std_logic_arith.ALL; USE ieee.std_logic_unsigned.ALL; ENTITY XZMK IS PORT(SEL:IN std_logic_vector(2 DOWNTO 0); H,S,G:IN std_logic_vector(6 DOWNTO 0); Z:OUT std_logic_vector(6 DOWNTO 0); END XZMK; ARCHITECTURE behave OF XZMK IS BEGIN WITH SEL SELECT ZYYYYYYYYYYY=; E

15、ND CASE; END PROCESS; END behave;2、仿真從圖中可看出，本模塊對輸入的BCD碼信號（SJ信號）進(jìn)行了編譯，輸出信號Y，使其能在數(shù)碼管上對應(yīng)顯示出相應(yīng)的數(shù)值。（五）位循環(huán)模塊1、VHDL源程序 LIBRARY ieee; USE ieee.std_logic_1164.ALL; USE ieee.std_logic_arith.ALL; USE ieee.std_logic_unsigned.ALL; ENTITY SEL IS PORT(CLK,R:IN std_logic; SEL:buffer std_logic_vector(2 DOWNTO 0); EN

16、D SEL; ARCHITECTURE behave OF SEL IS BEGIN PROCESS(CLK,R) BEGIN IF R=1 THEN SEL=000; ELSIF CLKEVENT AND CLK=1THEN IF SEL=010THEN SEL=000; ELSE SEL=SEL+1; END IF; END IF; END PROCESS; END behave;2、仿真從圖中看出，在復(fù)位開始信號為1時不工作，在為0后開始工作，SEL信號在0-2這三個數(shù)內(nèi)隨CLK信號的變化循環(huán)，實現(xiàn)數(shù)碼管的循環(huán)顯示。四、完整電路設(shè)計與分析（一）主電路圖 下圖為具有完整搶答器功能的結(jié)構(gòu)圖，

17、其中用到了搶答模塊一個，計時模塊一個，譯碼模塊兩個，選擇模塊一個，位循環(huán)模塊一個。共有17個輸入，11個輸出。（二）時序仿真圖下圖為整個模塊的時序仿真圖，由圖中可看出，在復(fù)位信號為0后，搶答器開始工作，在有搶答信號后搶答器報警，數(shù)碼管輪流顯示計時時間及最先搶答的搶答器對應(yīng)的號碼。 （三）芯片引腳分布圖下圖為將程序下載到芯片前設(shè)置的引腳分布。五、性能測試與分析將R鍵撥到0觀察數(shù)碼管是否開始從60倒計時，然后再將R鍵撥回1，之后將使能信號EN撥至1，將cs,cg設(shè)置為想要輸入的時間，然后將R撥至0，觀察數(shù)碼管是否顯示修改過之后的時間，并從設(shè)置好的時間開始計時。在計時功能驗證完成后，按下?lián)尨鹦盘枺?/p>

18、時搶答器發(fā)出警報聲，并在數(shù)碼管上顯示出最先搶答的組對應(yīng)的編號，說明搶答器功能正常。六、實驗設(shè)備裝有Quartus的計算機，教學(xué)實驗箱，導(dǎo)線若干。七、心得體會在EDA技術(shù)中最為矚目的是以現(xiàn)代電子技術(shù)為特征的邏輯設(shè)計仿真測試技術(shù)。該技術(shù)只需要通過計算機就能對所設(shè)計的電子系統(tǒng)從不同層次的性能特點上，進(jìn)行一系列準(zhǔn)確的測試和仿真，大大的方便了我們的設(shè)計，避免了受現(xiàn)實中有限的器件的限制。在本次課設(shè)中，我做的是四路搶答器。在最開始的一個禮拜，我先是從網(wǎng)絡(luò)上找到了類似題目的課程設(shè)計，參考并閱讀了他人的程序，然后再在電腦上按模塊編寫成序，編寫完成后進(jìn)行了仿真。在編寫程序的過程中，我發(fā)現(xiàn)自己在對VHDL語言的掌握上還有很多欠缺，程序也是經(jīng)過了許多遍的修改之后，才做到了在盡可能簡練的基礎(chǔ)上將功能完整實