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1、摘 要本文介绍了以FPGA为基础的四路抢答器的设计，此次设计是一个有4组抢答输入，并具有抢答计时控制，按键消抖以及积分显示等功能的通用型抢答器。主持人有4个按键控制，可以进行开始抢答，对各抢答小组成绩进行相应加减操作以及所有积分重置。此次设计程序使用verilog语言编写，并且使用modelsim进行相关仿真，最后在FPGA开发板上烧录程序进行实际操作演示实现了相应功能，达到了此次设计的目的。本设计采用FPGA来做增强了时序控制的灵活性，同时由于FPGA的IO端口资源丰富，可以再本设计基础上稍加修改可以重复设计出具有多组输入的抢答器。关键字：按键消抖；显示；仿真；四路抢答；AbstractIn
2、 this paper, the design of four channel responder based on FPGA is proposed. The design contains four channel input, and also it has timing function, button-stop-shaking function, score display function. And the result of the design is a universal responder. The host has four buttons to control, in
3、order to start response, add or sub the scores for each group and clear all group scores. The design program uses verilog language to write software. And modelsim is used to simulate the function on computer. At last the actual design results are demonstrated on the FPGA development board, and the f
4、unctions are well veified. The result achieves the purpose of the design. The design uses FPGA to enhance the flexibility of timing control. At the same time because of IO port resoures in FPGA are much rich, if you want to design more channels responder, you just only repeat design on the basic of
5、the design which is slightly modified.Keywords: button-stop-shaking; display; simulate; four channel responder;目 录1引言42FPGA原理及其相关工具软件的介绍5FPGA开发过程与应用5FPGA发展历程及现状5FPGA工作原理6FPGA开发流程6Quartus II软件7Simulink软件8代码仿真8门级仿真和时序仿真93实验步骤及仿真调试结果9功能描述及设计架构9抢答器程序流程图和各模块软件代码分析10抢答器程序结构及主程序流程图10主控制及按键输入模块12计时模块14BCD显示
6、模块14顶层模块连线及开发板硬件配置15modelsim仿真194结论21谢 辞22参考文献231 引言随着电子技术的发展，现在的抢答器功能越来越强，可靠性和准确性也越来越高。能够实现抢答器功能的方式有多种，可以采用前期的模拟电路、数字电路或模拟与数字电路相结合的方式，但这种方式制作过程复杂，而且准确性与可靠性不高，成品面积大。对于目前抢答器的功能描述，如涵盖抢答器、抢答限时、选手答题计时及犯规组号抢答器具有抢答自锁，灯光指示、暂停复位、电子音乐报声、自动定时等功能，还有工作模式的切换和时间设定，对于这些，随着科学技术的发展，肯定还要得到进一步的改进。一般都要趋向于智能化。在各类竞赛中，特别是
7、做抢答题时，在抢答过程中，为了知道哪一组或哪一名选手先答题，必须要有一个系统来完成这个任务。如果在抢答过程中，只靠人的视觉是很难判断出哪组先答题。利用FPGA来设计抢答器，使以上问题得以解决，即使有两组的抢答时间相差几微秒，也可分辨出哪组优先答题。抢答器是一种应用非常广泛的设备，在各种竞赛、抢答场合中，它能迅速、客观地分辨出最先获得发言权的选手。早期的抢答器只由几个三极管、可控硅、发光管等组成， 能通过发光管的指示辨认出选手号码。现在大多数抢答器均使用高速处理芯片和数字集成电路，从开始的单片机到现在的ARM或者FPGA控制，并越来越走向成熟，同时增加了许多新功能，如选手号码显示、抢按前或抢按后
8、的计时、选手得分显示功能。像这类抢答器，制作过程简单，准确性与可靠性高，而且安装维护简单。对于抢答器的应用，如早期的数字电路，随着科技的逐步发展，进而到了单片机以及更高的FPGA或ARM的控制来实现其功能，而且功能齐全，电路简单，成本低，性能高，真正朝着有利的方向发展。2 FPGA原理及其相关工具软件的介绍2.1 FPGA开发过程与应用随着现场可编程逻辑器件越来越高的集成度，加上不断出现的I/O标准、嵌入功能、高级时钟管理的支持，使得现场可编程逻辑器越来越广泛。2.1.1 FPGA发展历程及现状从Xilinx公司推出了世界上第一片FPGA(现场可编程逻辑芯片)，FPGA已经历几十年的发展。从最
9、初的一千多可利用门，发展到90年代的几十万个可利用门，到十一世纪又陆续推出了几千万门的单片FPGA芯片。FPGA使用灵活，适用性强，特别适用于复杂逻辑的设计，有利用电子系统小型化，而且其开发周期短、开发投入少、芯片价格不断降低，促使FPGA越来越多地取代了ASIC的市场。2.1.2 FPGA工作原理FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。FPGA的基本特点主要有： 1
10、）采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。 2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。 3）FPGA内部有丰富的触发器和IO引脚。 4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。 5) FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。 可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。 FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。 加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内
11、编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活。2.1.3 FPGA开发流程FPGA开发流程可以分为如下几步：设计输入，设计输入主要包括原理图输入、状态图输入、波形图输入以及某种硬件描述语言，比如说是VHDL、Verilog的源程序。它是利用这些输入去描述一个电路的功能。功能仿真，功能仿真就是利用
12、相关仿真工具对相关电路进行功能级别仿真，也就是说对你的输入设计的逻辑功能进行相关的模拟测试。在功能上面来了解电路是否能够达到预期要求。这里的功能仿真纯粹是模拟性质的，不会设计的任何具体器件的硬件特性。综合，综合就是行为或者功能层次表达的电子系统转换成低层次门级电路的网表。布局布线，就是将综合后的网表文件针对某一个具体的目标器件进行逻辑映射。此时应该使用FPGA厂商提供的实现与布局布线工具，根据所选芯片的型号，进行芯片内部功能单元的实际连接与映射。时序验证，就是要使得时序仿真过程中，建立与保持时间要符合相关的制约，以便数据能被正确的传输。使仿真既包含门延时，又包含线延时信息。能较好地反映芯片的实
13、际工作情况。生成SOF等文件，此文件可以通过调试器把它下载到系统中间去。而FPGA设计流程的其他步骤基本上由相关工具去完成，因此只要自己设置好相关参数，不要人为干预太多。而验证的话就需要用户花费大量的时间去完成。2.2 Quartus II软件 此次所使用的软件是Quartus II9.0,编程语音是verilog HDL。Quartus II是Altera提供的FPGA/CPLD开发集成环境，Altera是世界最大可编程逻辑器件供应商之一。Quartus II在21世纪初推出，是Altera前一代FPGA/CPLD集成开发环境MAX+plus II的更新换代产品，其界面友好，使用便捷。在Qu
14、artus II上可以完成设计输入、HDL综合、布线布局（适配）、仿真和下载和硬件测试等流程，它提供了一种与结构无关的设计环境，使设计者能方便地进行设计输入、快速处理和器件编程。Altera的Quartus II 提供了完整的多平台设计环境，能满足各种特定设计的需要，也是单芯片可编程系统（SOPC）设计的综合性环境和SOPC开发的基本设计工具，并为AlteraDSP开发包进行系统模型设计提供了集成综合环境。Quartus II设计工具完全支持VHDL、Verylog的设计流程，其内部嵌有VHDL、Verilog逻辑综合器。Quartus II也可以利用第三方的综合工具，如Leonardo Sp
15、ectrum、Synplify Pro、FPGA Complier II，并能直接调用这些工具。同样，Quartus II具备仿真功能，同时也支持第三方的仿真工具，如ModelSim。此外，Quartus II与MATLAB和DSP Builder结合，可以进行基于FPGA的DSP系统开发，是DSP硬件系统实现的关键EDA工具。Quartus II包括模块化的编译器。编译器包括的功能模块有分析/综合器（Analysis & Synthesis）、适配器（Filter）、装配器（Assembler）、时序分析器（Timing Analyzer）、设计辅助模块（Design Assistant）、EDA网表文件生成器（EDA Netlist Writer）和编辑数据接口（Complier Database Interface）等。可以通过选择Start Complication来运行所有的编译器模块，也可以通过选择Start单独运行各个模块。还可以通过选择Complier Tool（Tools 菜单），在Complier Tool 窗口中运行该模块来启动编辑器模块。在Co
