EDA课程设计--VHDL四路智力抢答器

VHDL 四路智力抢答器EDA 课程设计

一、任务与目的

1.1熟练掌握EDA 工具软件Quartus 的使用

1.2 熟悉使用VHDL 硬件描述语言描述数字电路

1.3 学会使用VHDL 进行大规模集成电路设计

1.4 学习使用CPLD/FPGA 实验系统硬件验证电路设计的正确性

1.5 初步掌握EDA 技术并具备一定的可编程逻辑芯片的开发能力

二、设计题目与要求

2.1 设计题目

四路智力竞赛抢答器

2.2 设计要求

1. 按所布置的题目要求，每一位学生独立完成全过程

2. 分模块层次化的设计；

3. 各功能模块的底层文件必须用VHDL 语言设计，顶层文件可以用VHDL 语言设计，也

可以用原理图设计。

2.3 设计内容

设计一个可容纳四组参赛者同时抢答的数字抢答器。主持人可控制系统发的清零和抢答的开始，控制电路可实现最快抢答选手按键抢答的判别和锁定功能，并禁止后续其他选手抢答。抢答选手确定后给出选手编号的显示，抢答选手的编号显示保持到系统被清零为止，若提前抢答则对相应的抢答组发出警告。

*扩展内容：增加答题限时的功能，在确定了抢答成功有效后，有主持人按下答题限时功能键，开始9s 的倒计时。在计时结束后，超时提示LED 闪烁。在主持人按下clear 开关时限时复位。

三、功能分析

四路智力竞赛抢答器按功能设计分为三个模块

1. 抢答锁存模块，在主持人发出抢答指令后（start=''）,若有参赛者按下抢答按钮，则

显示器显示抢答组别，同时电路处于自锁状态，使其它组的抢答器不起作用。主持人

可以用清零按钮进行清零（Clr= '0'）.若抢答指令未发出（Start='0'），而有参赛者按下抢答按钮,则发出警告信号（alm=1）.

2. 显示功能模块,在参赛者抢答信号（组别）发出后,对参赛者信号进行译码,然后用

7 段数码管显示出来。

3. 计时模块,在确定了抢答成功有效后,有主持人按下答题限时功能键,开始9s 的倒

计时。在计时结束后,超时提示LED 亮。在主持人按下Clear 开关时限时复位。（扩展模块）

四、设计思路分析,设计方案合理性分析与选择。

设计方案有两种：1.直接写一个程序,包括所要求的功能,

2.按功能模块分别写程序,然后用原理图联系起来.

方法1 步骤简单,容易修改,对于多功能模块的设计,容易会造成思路混乱.

方法2对于多功能模块设计,思路清晰,但步骤较为复杂,且修改较为麻烦.

本次由于功能模块较多，我们采用方法二分模块设计。

此抢答器的输入信号有：各组抢答按钮AO,BO,CO,DO (低电平有效)，清零端clr(低电平有效)，抢答指

令端start(高电平有效).时钟信号CLK。限时功能键time.

输出信号有：抢答信号(A,B,C,D )数码管显示信号(ao,bo,co,do,eo,fo,go)，警告信号alm。时钟模块数码管显示信号at,bt,ct,dt,et,ft,gt.

五、源程序

LIBRARY IEEE; --抢答锁存模块+显示功能模块。

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

ENTITY QIANGDAQI IS

PORT(CLK,A0,B0,C0,D0:IN STD_LOGIC;

start,clear:IN STD_LOGIC;

alm,A,B,C,D:OUT STD_LOGIC;

aO,bO,cO,dO,eO,fO,gO:OUT STD_LOGIC);

END QIANGDAQI;

ARCHITECTURE behav OF QIANGDAQI IS

SIGNAL d_out7:STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0);

SIGNAL D1,D2,D3,D4:STD_LOGIC;

BEGIN

PRO1: PROCESS(CLK,A0,B0,C0,D0,start,clear,D1,D2,D3,D4)

BEGIN

IF clear='0' THEN D1<='0';D2<='0';D3<='0';D4<='0';A<='0';B<='0';C<='0';D<='0';alm<='0';ELSE

IF (start='1') THEN

IF CLK'EVENT AND CLK='1' THEN

IF (A0='0')AND NOT(D2='1' OR D3='1' OR D4='1') THEN D1<='1';

ELSIF( B0='0')AND NOT(D1='1' OR D3='1' OR D4='1') THEN D2<='1';

ELSIF( C0='0')AND NOT(D1='1' OR D2='1' OR D4='1') THEN D3<='1';

ELSIF( D0='0')AND NOT(D1='1' OR D2='1' OR D3='1') THEN D4<='1';

END IF;

END IF;

ELSIF CLK'EVENT AND CLK='1' THEN --警告

IF (A0='0')AND NOT(D2='1' OR D3='1' OR D4='1') THEN alm<='1';

ELSIF( B0='0')AND NOT(D1='1' OR D3='1' OR D4='1') THEN alm<='1';

ELSIF( C0='0')AND NOT(D1='1' OR D2='1' OR D4='1') THEN alm<='1';

ELSIF( D0='0')AND NOT(D1='1' OR D2='1' OR D3='1') THEN alm<='1';

END IF;

END IF;

A<=D1;B<=D2; C<=D3;D<=D4;

END IF;

END PROCESS;

PRO2:process(D1,D2,D3,D4)-- 显示电路

variable ASG:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); BEGIN

IF D1='1' THEN ASG:="0001";

ELSIF D2='1' THEN ASG:="0010"; ELSIF D3='1' THEN ASG:="0011";

ELSIF D4='1' THEN ASG:="0100"; ELSE ASG:="0000";

END IF;

CASE ASG IS

WHEN "0000" => d_out7 <="0111111";-- 显示0

WHEN "0001" => d_out7 <="0000110";-- 显示1

WHEN "0010" => d_out7 <="1011011";-- 显示2

WHEN "0011" => d_out7 <="1001111";-- 显示3

WHEN "0100" => d_out7 <="1100110";-- 显示4

WHEN OTHERS => d_out7 <="0000000"; END CASE;

aO<=d_out7(0);

bO<=d_out7(1);

cO<=d_out7(2);

dO<=d_out7(3);

eO<=d_out7(4); fO<=d_out7(5);

gO<=d_out7(6);

END PROCESS;

END behav;

LIBRARY IEEE; -- 计时功能模块+显示模块

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

ENTITY JISHI IS

PORT(CLK:IN STD_LOGIC; clr,time1:IN STD_LOGIC; alm2:OUT STD_LOGIC;

at,bt,ct,dt,et,ft,gt:OUT STD_LOGIC); END JISHI;

ARCHITECTURE behav OF JISHIIS

SIGNAL G:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); SIGNAL D:STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); SIGNALdout:STD_LOGIC_VECTOR(6 D OWNTO 0); SIGNAL CLK1: STD_LOGIC;

BEGIN

pro1:PROCESS(CLK,D,CLK1)-- 分频电路，CLK 用250hz

BEGIN

IF CLK'EVENT AND CLK='1' THEN

IF D<249 THEN D<=D+1;

ELSE D<=(OTHERS=>'0');CLK1<=NOT CLK1;

END IF;

END IF;

END PROCESS;

Pro2:PROCESS(CLK1,time1)-- 计时电路1

VARIABLE G1:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); BEGIN

IF clr='0' THEN G1:="1001";

ELSIF time1 ='0' THEN G1:="1001";

ELSIF CLK1'EVENT AND CLK1='1' THEN IF NOT(G1="0000") THEN IF G1>0 THEN G1:=G1-1; END IF; ELSE alm2<='1'; END IF;

END IF;

G<=G1;

END PROCESS;

pro3:PROCESS(G)-- 显示电路

BEGIN

CASE G IS

WHEN "0000" =>dout<="0111111";-- 显示0

WHEN "0001" =>dout<="0000110";-- 显示1

WHEN "0010" =>dout<="1011011";-- 显示2

WHEN "0011" =>dout<="1001111";-- 显示3

WHEN "0100" =>dout<="1100110";-- 显示4

WHEN "0101" =>dout<="1101101";-- 显示5

WHEN "0110" =>dout<="1111101";-- 显示6

WHEN "0111" =>dout<="0000111";-- 显示7

WHEN "1000" =>dout<="1111111";-- 显示8

WHEN "1001" =>dout<="1101111";-- 显示9

WHEN OTHERS =>NULL;

END CASE;

at<=dout(0);

bt<=dout(1);

ct<=dout(2);

dt<=dout(3);

et<=dout(4);

ft<=dout(5);

gt<=dout(6);

END PRoCESS; END behav;

六、仿真图

抢答模块仿真。

显示抢答人各倒计时

六、在CPLD\FPGA 实验系统上下载，进行硬件验证情况。

这次我们使用的是KHF-3 实验箱，使用的是ALTERA 公司的ACEX1K 系列芯片，型号是

EP1L30QC208-3 。共有208 个引脚。

硬件验证情况：能基本实现抢答器功能，计时器部分功能未能准确实现，可能是编写程序不严密做成，有待改进。

七、实验中遇到的问题

1. 编译不成功有错误。解决方法：了解清楚编写规则，改进程序。

2. 仿真结果与理论结果有出入。解决方法：检查程序，并改写程序。

3. 实验箱没有理想的脉冲源。解决方法：设计分频程序，对原有的脉冲进行分频以获得理想的脉冲。

八、总结设计收获和体会：通过一周的紧张工作，最后完成了我的设计任务—基于VHDL 的四路智力竞赛抢答器。通

过本次课程设计的学习，我深深体会到了设计课题的重要性和目的性所在。本次设计任务不仅培养了我们实践操作能力，也培养了我们灵活运用课本知识，理论联系实际，独立自主进行设计的能力。它不仅是学习知识的好机会，也是我们对所学知识的一次综合检验和复习，使我明白到自己的缺陷所在，从而查漏补缺。