《智能抢答器VHDL设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能抢答器VHDL设计.doc（33页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、 电子科技大学光电信息学院课程设计论文 课程名称 现代电子技术综合实验 题目名称 基于VHDL语言的FPGA智能抢答器设计论文 学 号 姓 名 指导老师 陈学英 起止时间 11月11日-11月22日 2013年 11月 21日摘要 智力抢答器作为一种快速准确判断选手抢答先后的比赛工具，现如今经常出现各类智力抢答，竞猜类比赛中。本文利用FPGA开发平台为基础，以VHDL语言进行编程，在ISE软件上进行开发，实现电视中比赛选手抢答器的各项功能。其中，第二章简单介绍FPGA开发平台的特点、VHDL语言的特点，以及大体的开发流程。第三章主要介绍了开发软件ISE和仿真软件ModelSim的使用。第四章主
2、要介绍智力抢答器的具体设计过程、原理设计、模块化设计。第五章主要对各个模块进行仿真测试，以及对最后的整个系统进行仿真测试。最后第六章，在基于整个系统仿真无误的前提下进行硬件编程下载，在实验硬件平台上测试设计结果和智力抢答器的实用性。并对这次试验进行总结。目录一、实验目的二、实验任务与要求三、实验原理、设计思路与方案四、单元模块设计与仿真模块功能、模块符号及端口说明、模块程序、仿真程序、仿真波形五、系统模块设计 顶层模块设计、系统管脚适配表、编程文件、下载成功标志、硬件调试说明六、结论 一、 实验目的 在许多比赛活动中，为了准确、公正、直观地判断出第一抢答者，通常设置一台抢答器。通过抢答器的数显
3、，灯光和音响等手段指示出第一抢答者。同时还可以设置定时、记分犯规及奖惩等多种功能。本设计采用手动抢答的方式，有人抢答后，系统自动封锁其他人的抢答按钮，使其不能再抢答，从而实现抢答功能。二、 实验任务与要求1.基本要求（1）、编号16号的选手在规定的时间内按键抢答（2）、抢中编号锁定显示，其他无效（3）、主持按键控制清零和开始（4）、具有报警提示功能，分别提示抢答开始，有人抢答，定时时间到2.参数要求（1）、显示组数：6组（2）、报警延时：300ms（3）、抢答时间：20s三、 实验原理、设计思路与方案 抢答信号输入系统后，系统必须对最先抢到的选手进行编码，而后锁存这个编码，并将这个编码显示输出
4、，所以需要用到编码器、锁存器和译码显示电路。而选手抢答的有效时间为20s，而且系统在有人抢中，主持人按下开关以及20s计时到但无人抢答时这三种情况下要发出警报，且警报时间延迟300ms后自动停止，故需定时电路来确定这些时限，报警电路产生时延，并用时序控制电路来协调各个部分的工作，计时时间也要显示出来。 当主持人按键为启动开始状态时，警报器发出警报，抢答编码电路进入工作状态，选手可以进行抢答。同时抢答定时电路开始从20s递减，显示器显示递减，显示器显示递减的时间，当时间未减少到0s时，有选手抢答，报警电路发出警报，显示器显示选手编号，并锁存该选手的号码直到主持人清零为止，此时抢答器的时间不再递减
5、；当时间减到0s时，无选手抢答，报警电路发出警报，提示选手不能再抢答，显示器显示抢答时间0s不动，选手号码为无效号码或者F。当主持人按下清零信号，系统显示为初始状态。四、单元模块设计与仿真1.单元电路的划分 根据抢答器所需要实现的功能，将整体电路划分为：编码锁存电路(BMSC)、抢答定时电路(DSQ)、报警器电路(BJQ)、扫描显示电路(SCAN)、译码电路(YMQ)和按键消抖（XD）六个单元电路。2.1编码锁存电路（BMSC）：(1) 该电路主要实现的功能是：当主持人启动开始键，系统进入工作状态，同时48MHz时钟上升沿持续扫描6个选手的按键端口。当倒计时未到0，有选手抢答时，则对该选手的按
6、键进行编码，并锁存该选手编码并将其输出，同时其他选手的按键抢答无效。若无选手抢答，则持续扫描，直至下一轮抢答开始。本电路共有6个端口。4个输入端口：系统时钟、开始按键信号、定时时间到信号、选手抢答按键信号。2个输出端口：选手按键编码信号、有选手抢中信号。（2） 模块程序：library IEEE;use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;- Uncomment the following library declaration if instantiating
7、- any Xilinx primitives in this code.-library UNISIM;-use UNISIM.VComponents.all;entity BMSC is Port ( CLK : in STD_LOGIC; START : in STD_LOGIC; SJD : in STD_LOGIC; XS : in STD_LOGIC_VECTOR (5 downto 0); S : out STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0); QZ : out STD_LOGIC );end BMSC;architecture Behavioral of
8、BMSC isSIGNAL Q_Z:STD_LOGIC;SIGNAL EN:STD_LOGIC:=0;SIGNAL Q:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0):=0000;BEGINSTATE:PROCESS(START) BEGIN IF START EVENT AND START =0 THEN EN Q = 0001; Q_Z Q = 0010; Q_Z Q = 0011; Q_Z Q = 0100; Q_Z Q = 0101; Q_Z Q = 0110; Q_Z Q =0000; END CASE; END IF ; ELSE Q =0000; Q_Z =1; END
9、 IF ; END IF ; END PROCESS; S = Q; QZ 0);-OutputsSIGNAL S : std_logic_vector(3 downto 0);SIGNAL QZ : std_logic;BEGIN- Instantiate the Unit Under Test (UUT)uut: BMSC PORT MAP(CLK = CLK,START = START,SJD = SJD,XS = XS,S = S,QZ = QZ);tb : PROCESSBEGIN CLK=0; WAIT FOR 100 PS;CLK=1; WAIT FOR 100 PS;END P
10、ROCESS; STM: PROCESS BEGIN START=1; XS=111111; SJD=1; WAIT FOR 50 NS ;START=0;WAIT FOR 100 NS;START=1;WAIT FOR 200 NS;XS=111101;WAIT FOR 200 NS;XS=110111;WAIT FOR 300 NS;START=0;WAIT FOR 100 NS;START=1;XS=111111;WAIT FOR 500 NS ;START=0;WAIT FOR 200 NS;START=1;WAIT FOR 100 NS;SJD=0;WAIT FOR 300 NS;X
11、S=011111;WAIT FOR 200 NS;END PROCESS;END; BMSC仿真波形 2.2定时电路（DSQ）（1）该电路主要实现的功能是：规定20秒倒计时时间。本模块共有5个端口，3个输入端口：基准时间源，开始键信号，选手抢中信号；两个输出端口：时间到报警信号和实时计数输出端口。 为了实现按秒计时，首先要设计一个分频器来计算1Hz的标准时间信号。（2） 模块程序- Company: - Engineer: - - Create Date: 20:53:24 11/13/2013 - Design Name: - Module Name: DSP - Behavioral -
12、Project Name: - Target Devices: - Tool versions: - Description: - Dependencies: - Revision: - Revision 0.01 - File Created- Additional Comments: -library IEEE;use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;- Uncomment the following library declaration if ins
13、tantiating- any Xilinx primitives in this code.-library UNISIM;-use UNISIM.VComponents.all;entity DSP isPORT(CLK:IN STD_LOGIC; QZ:IN STD_LOGIC; START:IN STD_LOGIC; SJD:OUT STD_LOGIC; T10:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); T0:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);end DSP;architecture Behavioral of DSP isSI
14、GNAL CNT:INTEGER RANGE 1 TO 24000000:=1;SIGNAL CLK_1HZ:STD_LOGIC:=1;SIGNAL EN:STD_LOGIC:=0;SIGNAL M10,M0:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);BEGINFP:PROCESS(CLK) IS BEGIN IF CLK EVENT AND CLK=1 THEN IF CNT=24000000 THEN CNT =1;CLK_1HZ =NOT CLK_1HZ;ELSE CNT =CNT+1;END IF; END IF;END PROCESS;STATE:PROCESS(ST
15、ART) BEGIN IF START EVENT AND START=0 THEN EN = NOT EN;END IF;END PROCESS;JSQ:PROCESS(EN,QZ,CLK_1HZ) IS BEGIN IF EN=0 THEN M10 =0010;M0=0000;SJD=1;ELSIF CLK_1HZ EVENT AND CLK_1HZ=1 THEN IF QZ=1 THEN IF M10=0 AND M0=0 THEN M10=0000;M0=0000; SJD=0; ELSE IF M0=0 AND M10/=0 THEN M0=1001;M10 =M10-1; ELSE
16、 M0 = M0-1;END IF;END IF;END IF;END IF;END PROCESS;T0 = M0;T10 CLK,QZ = QZ,START = START,SJD = SJD,T10 = T10,T0 = T0);tb : PROCESSBEGIN CLK=0; WAIT FOR 10 NS;CLK=1; WAIT FOR 10 NS;END PROCESS; STIM : PROCESSBEGIN START=1;QZ=1; WAIT FOR 100 NS; START=0; WAIT FOR 100 NS; START=1; WAIT FOR 1100 US; STA
17、RT=0; WAIT FOR 100 NS; START=1; WAIT FOR 100 US; START=0; WAIT FOR 100 NS; START=1; WAIT FOR 200 US; QZ=0; WAIT FOR 100 US; START=0; WAIT FOR 100 NS; START=1; WAIT FOR 100 US; END PROCESS;END; DSQ仿真波形2.3报警电路（BJQ）（1）该电路主要实现的功能是：在开始键按下、有选手抢答、计时时间到这三种情况下，报警器发出警报，警报延时（学号+300）ms后结束。 本电路共有5个端口。4个输入端口：基准时间
18、源信号、开始键信号、选手抢中信号、时间到信号。1个输出端口：报警信号。三路报警触发信号最终要通过一个与门来进行整合。（2）模块程序- Company: - Engineer: - - Create Date: 20:55:37 11/13/2013 - Design Name: - Module Name: BJQ - Behavioral - Project Name: - Target Devices: - Tool versions: - Description: - Dependencies: - Revision: - Revision 0.01 - File Created- Ad
19、ditional Comments: -library IEEE;use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;- Uncomment the following library declaration if instantiating- any Xilinx primitives in this code.-library UNISIM;-use UNISIM.VComponents.all;entity BJQ isPORT(CLK:IN STD_LOGIC;
20、QZ,SJD,START:IN STD_LOGIC;BJ:OUT STD_LOGIC);end BJQ;architecture Behavioral of BJQ isSIGNAL BJ1,BJ2,BJ3:STD_LOGIC;SIGNAL EN:STD_LOGIC:=0;beginSTATE:PROCESS(START)BEGINIF START EVENT AND START=0 THENEN = NOT EN;END IF;END PROCESS;T1:PROCESS(CLK,EN)VARIABLE Q:INTEGER RANGE 1 TO 14400000:=1;BEGINIF EN=
21、0 THENBJ1 =1; Q:=1;ELSEIF CLK EVENT AND CLK=1 THENIF Q=14400000 THENBJ1 =1;ELSEQ:=Q+1;BJ1=0;END IF;END IF;END IF;END PROCESS;T2:PROCESS(CLK,QZ)VARIABLE Q:INTEGER RANGE 1 TO 14400000:=1;BEGINIF QZ=1 THENBJ2 =1; Q:=1;ELSEIF CLK EVENT AND CLK=1 THENIF Q=14400000 THENBJ2 =1;ELSEQ:=Q+1;BJ2 =0;END IF;END
22、IF;END IF;END PROCESS;T3:PROCESS(CLK,SJD)VARIABLE Q:INTEGER RANGE 1 TO 14400000:=1;BEGINIF SJD=1 THENBJ3=1;Q:=1;ELSEIF CLK EVENT AND CLK=1 THENIF Q=14400000 THENBJ3 =1;ELSEQ:=Q+1;BJ3 =0;END IF;END IF;END IF;END PROCESS;BJ CLK,QZ = QZ,SJD = SJD,START = START,BJ = BJ);tb : PROCESSBEGIN clk=0;wait for
23、10 Ns;clk=1;wait for 10 ns;END PROCESS; stm_proc : processBEGIN START=1; QZ=1; SJD=1; WAIT FOR 50 NS; START =0;WAIT FOR 100 NS; START =1;WAIT FOR 150 mS; QZ=0;WAIT FOR 200 mS; SJD=0;WAIT FOR 280 mS; START=0;WAIT FOR 100 NS; START=1;WAIT FOR 1 mS;END PROCESS;END;BJQ仿真波形2.4扫描显示电路(SCAN)（1）该电路主要实现的功能是：对倒计时时间和抢到的选手号码进行显示。本电路共有6个端口。4个输入端口：系统时钟、选手号码、时间十位数据、时间个位数据；2个输出端口：输出的三位扫描信号，显示数据信号。（2） 模块程序- Company: - Engineer: - - Create Date: 20:5
