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四人抢答器设计 一、设计任务及要求： （1）设计用于竞赛抢答的四人抢答器； ①有多路抢答，抢答台数为8； ②具有抢答开始后20秒倒计时，20秒倒计时后无人抢答显示超时，并报警； ③能显示超前抢答台号并显示犯规警报； (2) 系统复位后进入抢答状态，当有一路抢答按键按下，该路抢答信号将其余各路抢答信号封锁，同时铃声想起，直至该路按键松开，显示牌显示该路抢答台号； (3) 用VHDL语言设计符合上述功能要求的四人抢答器，并用层次化设计方法设计该电路； (4) 完成电路全部设计后，通过系统实验箱下载验证设计课题的正确性。 二、设计思路 设计制作一个竞赛抢答器,每组受控于一个抢答开关,分别为S1, S2, S3, S4,低电平表示抢答有效；设置主持人控制键K,用于控制整个系统清0 和抢答有效控制,按下复位键时, K=0,系统清零；抬起复位键时,K=1,抢答开始；系统具有第一抢答信号鉴别和锁存功能。在主持人将系统复位并使抢答有效开始后,第一抢答者按下抢答按钮,对应的输入引脚接低电位0,电路应记忆下第一抢答者的组别,并封锁其他各组的按钮,即其他任何一组按键都不会使电路响应；系统以两种方式指示第一抢答者:其一是通过译码程序显示其组别号;其二是在第一抢答者产生时,蜂鸣器警示；设置违规电路单元,当抢答者在主持人按下复位清零按钮之前就已经按下抢答按钮时,则给出违规信号为高电平。对应组别的红色信号灯亮；当20秒倒计时后无人抢答显示超时，并报警。系统设计框图如图1所示。 图1 整体设计框图 三、VHDL程序实现 此模块包括正常抢答第一信号鉴别和显示抢答台号，并发生声音提示。其中S1,S2,S3,S4为抢答按钮，当对应的按钮信号为0时表示有抢答信号；K为主持人按钮，按下复位键K时, K=0,系统清零；抬起复位键时,K=1,抢答开始；G为报警信号。其VHDL源程序如下： library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; use ieee. std_logic_arith.all; use ieee. std_logic_unsigned.all; -------------------------------------------------------------------- port( S1,S2,S3,S4 : in std_logic; --输入：表示4个人，为0表示有抢答 K : in std_logic; --主持人抢答开始键 G : out std_logic; --报警信号 ledag : out std_logic_vector (6 downto 0); Dout : out std_logic_vector(3 downto 0) ); --抢答结果显示 end qiangda; -------------------------------------------------------------------- architecture behave of qiangda is signal Enable_Flag : std_logic;--允许抢答控制变量，为1表示允许抢答 signal S : std_logic_vector(3 downto 0); signal D : std_logic_vector(3 downto 0); begin process(S1,S2,S3,S4,K) --允许抢答控制 begin S<=S1&S2&S3&S4; If (K='1') then Enable_Flag<='1'; elsif(S/="1111") then Enable_Flag<='0'; end if; end process; process(S1,S2,S3,S4,K) --抢答结果显示 begin if(K='0') then D<="0000"; Elsif (Enable_Flag='1') then if(S1='0') then D(0)<='1'; G<='0'; elsif(S2='0') then D(1)<='1'; G<='0'; elsif(S3='0') then D(2)<='1'; G<='0'; elsif(S4='0') then D(3)<='1'; G<='0'; end if; dout<=d; end if; end process; process(d) --显示抢答成功者号码 begin case d is when "0000"=>ledag<="0111111"; when "0001"=>ledag<="0000110"; when "0010"=>ledag<="1011011"; when "0100"=>ledag<="1001111"; when "1000"=>ledag<="1100110"; when others=>ledag<="0000000"; end case; end process; end behave; 以上VHDL程序的系统框图如图2所示。 图2 抢答部分框图 通过MAX+PLUSⅡ软件仿真结果如图3所示。从图中可看出S1和S2选手抢答情况，在K为高电平时，S1选手为低电平，抢答成功，报警信号G为低电平，给出报警信号，同时七段数码管译码为06H，显示1。 图3 抢答部分仿真图 2、抢答倒计时程序 此模块为抢答20s倒计时程序，在主持人按下按钮K后此模块即开始工作，在20s倒计时完后会有声音提示，G为声音报警信号。 LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; ENTITY COUNT IS PORT (CLK, Enable_Flag: IN STD_LOGIC; H,L: OUT STD_LOGIC_VECTOR (3 DOWNTO 0); G:OUT STD_LOGIC); --声音报警 END COUNT; ARCHITECTURE COUNT_ARC OF COUNT IS BEGIN PROCESS (CLK, Enable_Flag) VARIABLE HH, LL: STD_LOGIC_VECTOR (3 DOWNTO 0); BEGIN IF CLK'EVENT AND CLK='1'THEN IF Enable_Flag='1'THEN IF LL=0 AND HH=0 THEN G<='1'; ELSIF LL=0 THEN LL: ="1001"; HH: =HH-1; ELSE LL: =LL-1; END IF; ELSE G<='0'; HH: ="1001"; LL: ="1001"; END IF; END IF; H<=HH; L<=LL; END PROCESS; END COUNT_ARC; 其模块结构图如图4所示： 图4 倒计时结构图 3、超前犯规抢答程序及仿真 此模块为违规电路。当抢答者在主持人复位系统之前就已按下抢答按钮,即当RESET=0时,有抢答信号出现，则Y=11表示某组违规,当RESET = 1时,显示违规组别。其中K为主持人按钮，S1,S2,S3,S4为抢答按钮，R1,R2,R3,R4为对应组别犯规红色显示灯。其VHDL源程序如下: LIBRARY ieee; use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_unsigned.all; ENTITY wg IS PORT(K: IN std_logic; S1, S2, S3, S4: IN std_logic; R1, R2, R3, R4: OUT std_logic; --红色灯指示超前抢答台号 y: OUT std_logic_VECTOR (1 DOWNTO 0) ); END wg; ARCHITECTURE a OF wg IS SIGNAL TEMP1: STD_LOGIC; SIGNAL TEMP2: STD_LOGIC_VECTOR (1 DOWNTO 0); BEGIN TEMP1<=S1 OR S2 OR S3 OR S4 ; TEMP2<=K&TEMP1; process(TEMP2) --显示抢答成功者号码 begin case TEMP2 is when "01"=>Y<="11"; when "10"=>Y<="00"; when "11"=>Y<="00"; when others=>Y<="00"; end case; if(K<='0') then if(S1='0') then R1<='0'; elsif(S2='0') then R2<='0'; elsif(S3='0') then R3<='0'; elsif(S4='0') then R4<='0'; end if; end if; end process; END a; 通过VHDL程序可生成其对应的框图如图5所示： 图5犯规部分框图 同样在MAX+PLUSⅡ环境下可得到其对应的仿真分析图如图6所示。从仿真分析可看出在为高电平前，S1按钮有超前抢答低电平出现，故Y=11表示有超前抢答产生，同时R1为低电平，对应S1选手的红灯亮，指示其违规抢答。 图6 犯规模块仿真图 四、总结 由以上描述及仿真结果可知，本次抢答器的设计在理论上基本上满足了设计任务的要求。通过这次课程设计的实践，弥补了平时仅仅学习理论知识的不足，在实践中发现了许多问题，这些问题的解决，加深了对所学知识的理解，收获颇丰。在FPGA试验箱上下载运行了正常抢答部分程序，能够正常抢答和显示报警功能。此部分的引脚分配图如图7所示：由于是我的第一次系统设计电路，虽然参照了一些电路程序，毕竟掌握水平有限，在设计成的交通灯中可能存在着一些问题和不足，希望老师给予指正。 图7 引脚分配图
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