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1、 万恩辉 智力竞赛抢答器 第1页 共27页 1 引言无论是在学校、工厂、军队还是益智性电视节目, 都会举办各种各样的智力竞赛, 都会用到抢答器。目前市场上已有各种各样的智力竞赛抢答器, 但绝大多数是早期设计的, 以模拟电路、数字电路或者模拟电路与数字电路相结合的产品。这部分抢答器已相当成熟, 但功能越多的电路相对来说就越复杂, 且成本偏高, 故障高, 显示方式简单( 有的甚至没有显示电路) , 无法判断提前抢按按钮的行为, 不便于电路升级换代。本设计就是基于VHDL设计的一个智力竞赛抢答器尽量使竞赛真正达到公正、公平、公开。1.1 设计的目的 本次设计的目的就是在掌握EDA实验开发系统的初步使
2、用基础上，了解EDA技术，了解并掌握VHDL硬件描述语言的设计方法和思想，通过学习的VHDL语言结合电子电路的设计知识理论联系实际，掌握所学的课程知识，学习VHDL基本单元电路的综合设计应用。通过对智力竞赛抢答器的设计，巩固和综合运用所学课程，理论联系实际，提高设计能力，提高分析、解决计算机技术实际问题的独立工作能力。本文采用经输入与非门和非门后的反馈信号的高电平作为解锁存，用555定时器的模型来倒计时，同时以脉冲信号来控制加法器和减法器来控制抢答过程中的计分，应用二极管和数码显示管为主要部件来设计扫描显示器。通过课程设计深入理解VHDL语言的精髓和掌握运用所学的知识，达到课程设计的目标。1.
3、2 设计的基本内容本文是设计的一个四路智力竞赛抢答器，利用VHDL设计抢答器的各个模块，并使用EDA 工具对各模块进行仿真验证。智力竞赛抢答器的设计分为四个模块：鉴别锁存模块；答题计时模块；抢答计分模块以及扫描显示模块。把各个模块整合后，通过电路的输入输出对应关系连接起来。设计成一个有如下功能的抢答器：（1）具有第一抢答信号的鉴别锁存功能。在主持人发出抢答指令后，若有参赛者按抢答器按钮，则该组指示灯亮，显示器显示出抢答者的组别。同时电路处于自锁状态，使其他组的抢答器按钮不起作用。（2）具有计分功能。在初始状态时，主持人可以设置答题时间的初始值。在主持人对抢答组别进行确认，并给出倒计时计数开始信
4、号以后，抢答者开始回答问题。此时，显示器从初始值开始计时，计至0时停止计数。（3）具有计分功能。在初始状态时，主持人可以给每组设置初始分值。第三者组抢答完毕后，由主持人打分，答对一次加10分阶段，错则减10分。 （4）扫描显示功能。在初始状态时，各组计分给出一个固定的值并将它扫描显示在屏幕上，当计分或者要显示的数据发生变化时，再次扫描并显示出来。2 EDA、VHDL简介2.1 EDA技术 EDA技术是在电子CAD技术基础上发展起来的计算机软件系统，是指以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的最新成果，进行电子产品的自动设计。利用EDA工具，电子设计师可以从概念
5、、算法、协议等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程在计算机上自动处理完成。现在对EDA的概念或范畴用得很宽。包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有EDA的应用。目前EDA 技术已在各大公司、企事业单位和科研教学部门广泛使用。例如在飞机制造过程中，从设计、性能测试及特性分析直到飞行模拟，都可能涉及到EDA技术。本文所指的EDA技术，主要针对电子电路设计、PCB设计和IC设计。EDA 设计可分为系统级、电路级和物理实现级。2.2 硬件描述语言VHDL2.2.1 VHDL的简介
6、VHDL的英文全名是Very-High-Speed Integrated Circuit HardwareDescription Language,诞生于1982年。1987年底，VHDL被IEEE和美国国防部确认为标准硬件描述语言 。自IEEE公布了VHDL的标准版本，IEEE-1076（简称87版)之后，各EDA公司相继推出了自己的VHDL设计环境，或宣布自己的设计工具可以和VHDL接口。此后VHDL在电子设计领域得到了广泛的接受，并逐步取代了原有的非标准的硬件描述语言。1993年，IEEE对VHDL进行了修订，从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展VHDL的内容，公布了新版本的VHDL，即
7、IEEE标准的1076-1993版本，（简称93版）。现在，VHDL和Verilog作为IEEE的工业标准硬件描述语言，又得到众多EDA公司的支持，在电子工程领域，已成为事实上的通用硬件描述语言。有专家认为，在新的世纪中，VHDL于Verilog语言将承担起大部分的数字系统设计任务。VHDL主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL的语言形式和描述风格与句法是十分类似于一般的计算机高级语言。VHDL的程序结构特点是将一项工程设计，或称设计实体（可以是一个元件，一个电路模块或一个系统）分成外部（或称可是部分,及端口)和内部（或称不可视部分），既涉及实
8、体的内部功能和算法完成部分。在对一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体。这种将设计实体分成内外部分的概念是VHDL系统设计的基本点。VHDL比其它硬件描述语言相比有以下优点： （1）与其他的硬件描述语言相比，VHDL具有更强的行为描述能力，从而决定了他成为系统设计领域最佳的硬件描述语言。强大的行为描述能力是避开具体的器件结构，从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的重要保证。（2）VHDL丰富的仿真语句和库函数，使得在任何大系统的设计早期就能查验设计系统的功能可行性，随时可对设计进行仿真模拟。（3）VHDL语句的行为描述能力和程序结构决定了他具有支持
9、大规模设计的分解和已有设计的再利用功能。符合市场需求的大规模系统高效，高速的完成必须有多人甚至多个代发组共同并行工作才能实现。（4）对于用VHDL完成的一个确定的设计，可以利用EDA工具进行逻辑综合和优化，并自动的把VHDL描述设计转变成门级网表。（5）VHDL对设计的描述具有相对独立性，设计者可以不懂硬件的结构，也不必管理最终设计实现的目标器件是什么，而进行独立的设计。2.2.2VHDL语言的特点应用VHDL进行系统设计，有以下几方面的特点。（一）功能强大VHDL具有功能强大的语言结构。它可以用明确的代码描述复杂的控制逻辑设计。并且具有多层次的设计描述功能，支持设计库和可重复使用的元件生成。
10、VHDL是一种设计、仿真和综合的标准硬件描述语言。（二）可移植性VHDL语言是一个标准语言，其设计描述可以为不同的EDA工具支持。它可以从一个仿真工具移植到另一个仿真工具，从一个综合工具移植到另一个综合工具，从一个工作平台移植到另一个工作平台。此外，通过更换库再重新综合很容易移植为ASIC设计。（三）独立性VHDL的硬件描述与具体的工艺技术和硬件结构无关。设计者可以不懂硬件的结构，也不必管最终设计实现的目标器件是什么，而进行独立的设计。程序设计的硬件目标器件有广阔的选择范围，可以是各系列的CPLD、FPGA及各种门阵列器件。（四）可操作性由于VHDL具有类属描述语句和子程序调用等功能，对于已完
11、成的设计，在不改变源程序的条件下，只需改变端口类属参量或函数，就能轻易地改变设计的规模和结构。（五）灵活性VHDL最初是作为一种仿真标准格式出现的，有着丰富的仿真语句和库函数。使其在任何大系统的设计中，随时可对设计进行仿真模拟。所以，即使在远离门级的高层次（即使设计尚未完成时），设计者就能够对整个工程设计的结构和功能的可行性进行查验，并做出决策。3 设计规划过程3.1智力竞赛抢答器的组成原理因为设计的是四路抢答器，所以系统的输入信号有：各组的抢答按钮A、B、C、D，系统清零信号CLR，系统时钟信号CLK，计分复位端RST，加分按钮端ADD，计时预置控制端LDN，计时使能端EN，计时预置数据调整
12、按钮TA、TB；系统的输出信号有：四个组抢答成功与否的指示灯控制信号输出口LEDA、LEDB、LEDC、LEDD，四个组抢答时的计时数码显示控制信号若干，抢答成功组别显示的控制信号若干，各组计分动态显示的控制信号若干。 根据以上的分析，我们可将整个系统分为四个主要模块：鉴别锁存模块,答题计时模块,计分电路模块,扫描显示模块。总系统框图如3.1所示。 第四组 第一组扫描显示扬声器组别显示主持人复位时间到抢答信号计 分 电 路答题计时电路 第一信号输出第一信号鉴别,锁存加分复位减分图3.1 系统框图3.2抢答器模块的设计抢答器中各个模块由VHDL实现后，利用EDA工具对各模块进行了时序仿真（Tim
13、ing Simulation），其目的是通过时序可以更清楚的了解程序的工作过程。3.2.1鉴别锁存模块的设计 鉴别锁存模块的关键是准确判断出第一抢答者并将其锁存，实现的方法可使用触发器或锁存器，在得到第一信号后将输入封锁，使其它组的抢答信号无效。形成第一抢答信号后，用编码、译码及数码显示电路显示第一抢答者的组别，控制扬声器发出音响，并启动答题计时电路。本模块采用74HC373芯片，一开始，当所有开关均未按下时，锁存器输出全为高电平，经输入与非门和非门后的反馈信号仍为高电平，该信号作为锁存器使能端控制信号，使锁存器处于等待接收触发输入状态；当任一开关按下时，输出信号中必有一路为低电平，则反馈信号
14、变为低电平，锁存器刚刚接收到的开关被锁存，这时其它开关信息的输入将被封锁。由此可见，触发锁存电路具有时序电路的特征，是实现抢答器功能的关键。鉴别锁存电路可以由VHDL程序来实现，以下是一断鉴别锁存的VHDL程序： BEGIN PROCESS(CLK) IS BEGIN IF CLR=0 THEN STATES=0000; A1=0;B1=0;C1=0;D1=0; ELSIF CLKEVENT AND CLK=1 THEN IF (A=0AND B=1AND C=1AND D=1) THEN A1=1; B1=0; C1=0; D1=0; STATES=W1; ELSIF (A=1AND B=0
15、AND C=1AND D=1) THEN A1=0; B1=1; C1=0; D1=0; STATES=W2; ELSIF (A=1AND B=1AND C=0AND D=1) THEN A1=0; B1=0; C1=1; D1=0; STATES=W3; ELSIF (A=1AND B=1AND C=1AND D=0) THEN A1=0; B1=0; C1=0; D1=1; STATES=W4; - ELSE A1=0; B1=0; C1=0; D1=0; STATES=0000; END IF; END IF; END PROCESS; END ARCHITECTURE ART; 鉴别锁存电路由VHDL程序实现后，其仿真图如图3.2.1所示。
