数电实验报告——拔河机.doc

北京邮电大学

数电实验综合课题设计与实现

实验名称：拔河游戏机

班级：2008211132
序号 ：11
姓名：杨光熙
学号：08210874

目录
1. 设计课题的任务要求 3
2. 系统设计 3
3. 仿真波形及波形分析 12
4. 源程序 15
5. 功能说明 31
6. 实验元器件清单及资源利用情况 32
7. 实验故障及问题分析 32
8. 实验总结 33

****************设计课题的任务要求*****************
一、基本任务：
用7 个发光二极管排列成一行，模拟拔河过程。游戏开始时只有中间的发光二极管点亮，作为拔河的中心线。用按键来模拟拔河队员，按下键表示用力，根据甲乙双方按键的快慢与多少，决定亮点移动的方向。移到任一方终端二极管时，该方获胜，该方记分牌自动加分，然后开始下一局的比赛。比赛采用五局三胜制，甲乙双方各自记分。当记分牌清零后，重新开始下一场拔河比赛。
1、设置“比赛开始”按键，实现一对一拔河；
2、设置复位键，按下后比分清零，双方重新开始比赛；
3、一场比赛结束时演奏一首欢快的曲子；
二、提高要求：
1、甲乙双方可选一到多个队员进行比赛；
2、自拟其它功能。

***********************系统设计********************
【设计思路】
1、10秒倒计时的实现：
电路接1M晶振的时钟，从10秒开始计时。用变量us计算时钟个数，用present_state显示点阵的当前状态，每1M个时钟，修改一次变量num的值，用num控制8x8点阵显示的数字。从而实现10秒倒计时。并且设置开始键”reset”,按下后重新开始计时。
2、10秒倒计时的显示：
采用逐列扫描的方式，对行像素分别编码，利用人眼色觉暂留效应，以1MHZ的频率扫描列，点阵上就会出现稳定的数字。
3、拔河游戏的实现：
Ⅰ、当倒计时到0秒时，游戏才能正常显示；
Ⅱ、设置游戏开始键”start”，实现一对一拔河。按下按键后游戏开始，点亮第4 个发光二极管(拔河的中心点)，双方的比分清零;
Ⅲ、用两个按键”player1”、”player2”代表比赛的甲乙双方。甲方每按” player 1”键10次，亮点向左移动一点；乙方每按” player 2”键10次，亮点向右移动一点。当亮点到达最左边(第一个点)，甲方胜利；反之，亮点到达最右边(第七个点)，乙方胜利。
Ⅳ、当有一方胜利后，蜂鸣器发声。

4、各个模块功能：
Ⅰ、绳子显示模块：输入为两路脉冲信号，对两路脉冲分别记数，然后解码后控制LED灯亮灭的位置；
Ⅱ、计分模块：每当LED灯移动到LED0或者LED6时，产生一个下降沿信号，然后七段数码管的计数器增加，然后将当前的所胜得局数显示在七段数码管上；
Ⅲ、乐曲模块：在每局比赛结束后，即产生下降沿信号后，播放乐曲；
Ⅳ、开关及复位控制：比赛开始前需要将“start”设置为1，否则按键信号输入不起作用；当比赛结束后或者在比赛过程中，按下“start”则状态返回到最初的起始状态；
Ⅴ、控制电路：在LED灯移动到最左边或者最右边时，产生一个控制信号，使计数器停止计数，使乐曲播放，并将此信号作为七段数码管使能端的输入信号。

【总体框图】

ASM图:
开始

start是否为1

触发记时器（1秒）
no，循环检测
yes

检测参赛者是否有按键脉冲

no，循环检测
1秒时间到
判断是否到最左或者最右
对两路脉冲分别进行计数，存于count1、coun2
yes

蜂鸣

锁定count1,count2

译码，控制LED灯显示位置，并清零count1,count2
yes
在七段数码管上显示
胜利局数加一

判断是否有一方胜利

no
将灯状态锁定，显示也不变

yes
检测复位键是否按下
no,继续返回

yes，计分器清零

MDS图：

start=0

Wait

start=1
LED4(中间灯)

count2>count1 count1>count2

灯右移
count2>count1 count1<count2
灯左移
count1>count2

count1<count2
计分器发生变化，同时播放乐曲，BT3=0
LED6
LED0

Victory<3

Victory=3
检测复位键

BT4=1 计分器清零

【分块设计】

计时进程：

数据处理进程:

显示控制进程：

【点阵设计】
1、点阵列管脚信号编码：

其中col的编码从右到左依次是点阵列管脚1-8的输入信号，即给要显示的列管脚输入低电平，其他管脚为高电位。

2、点阵行管脚信号编码

比如数

字4的点阵行编码为：
case c is
when 1=>row<="00000000";
when 2=>row<="00000000";
when 3=>row<="00001100";
when 4=>row<="00010100";
when 5=>row<="00100100";
when 6=>row<="01111111";
when 7=>row<="00000100";
when 8=>row<="00000000";
end case;

其中row的编码从右到左依次是点阵行管脚1-8的输入信号，即在显示的某列时，输入该列相应的行编码，显示的行输入高电平，反之输入低电平。

3、发光二极管信号编码：

其中led的编码从右到左依次是发光二极管1-8的输入信号，即给要亮的灯输入高电平，其他灯为低电位。

*******************仿真波形及波形分析*******************

1、 倒计时电路的仿真：由于频率太高，不易仿真，以下的仿真假设每8us为倒计时的1s，即8个时钟改变一次显示的数字。

从10开始倒计时，点阵列管脚从左到右进行扫描，依次赋值为低电平。同时对该列的行管脚进行编码赋值，以较高的频率进行重复扫描，便可以显示相应的数字。由于恰好是从左往右扫描的，所以可以在以上的仿真波形比较明显的看出显示的数字（第一幅波形显示的是10~7，第二幅波形显示的是7~4，第三幅波形中显示的是4~0）。倒计时到0后，点阵就一直显示数字0。且拔河游戏机不工作，8盏灯都不亮，蜂鸣器不响。

2．拔河游戏机的仿真：电路板上共有8盏灯，游戏中现使用前7盏。

从以上的仿真波形中可以看到，当player2一直在赢的时候，代表它的三盏灯逐渐转移，知道达到终点，即点亮的灯(拔河的中心点)到达最左边的第一盏灯时(甲方胜利)，播放音乐，表示其胜出。

上图表示，当player2赢了一局之后，有”start”复位，如果player2还是一直赢，代表它的等继续相继转移，知道终点。这是一个循环过程。

上图表示，当player2赢了一局之后，有”start”复位，如果复位后，双方都没有按键，则中点一直保持在原状态，不发生偏移。

***********************源程序**********************
【顶层模块】
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
use IEEE.std_logic_unsigned.all;

entity bahe is
port(
player1,player2:in std_logic; --玩家1,2输入
clk_in:in std_logic; --clk_in(1MHZ)
reset:in std_logic; --重置键
row : out std_logic_vector(7 downto 0);
col : out std_logic_vector(7 downto 0);
led:out std_logic_vector(7 downto 0); --绳子
cats:out std_logic_vector(6 downto 0); --比分
q:out std_logic_vector(5 downto 0); --数码管控制
mus:out std_logic); --蜂鸣输出
end bahe;

architecture body_bahe of bahe is

component division --分频模块
port(
clk_in:in std_logic; --1MHZ输入
clk_100,clk_5,clk_1:out std_logic);--100HZ,5Hz,1HZ

end component;

component count --计数模块
port(
clk_1:in std_logic; --1HZ输入
sw:in std_logic; --状态开关
player1,player2:in std_logic; --选手输入
sum1,sum2:out std_logic_vector(4 downto 0)); --计数结果输出

end component;

component cmp --比较模块
port(
clk_100:in std_logic; --100hz
clk_1:in std_logic; --1hz
sw:out std_logic; --状态开关输出
reset:in std_logic; --重置
start:in std_logic; --开始
sum1,sum2:in std_logic_vector(4 downto 0);--计数结果输入
music_begin:out std_logic; --音乐
record1,record2:out std_logic_vector(1 downto 0);--比分输出
lights:out std_logic_vector(2 downto 0)); --拔河绳子显示
end component;

component music --音乐模块
port(
reset:in std_logic; --重置
clk:in std_logic; --1MHz
clk_5:in std_logic; --5hz
music_begin:in std_logic; --音乐开始
mus:out std_logic);
end component;

component decode --译码模块
port(
clk_in:in std_logic; --1mHZ
record1,record2:in std_logic_vector(1 downto 0); --比分输入
lights:in std_logic_vector(2 downto 0); --拔河绳子输入
led:out std_logic_vector(7 downto 0); --输出到LED
q:buffer std_logic_vector(5 downto 0); --数码管控制
cats:out std_logic_vector(6 downto 0) --数码管显示比分
);
end component;

component daojishi --倒计时模块
port(
clk_in,clk_1,reset:in std_logic;
row : out std_logic_vector(7 downto 0);
col : out std_logic_vector(7 downto 0);
start: out std_logic
);
end component;

--分频器输出
signal clk_100,clk_5,clk_1:std_logic; --时钟信号

--计数器输出
signal sum1,sum2:std_logic_vector(4 downto 0); --计数结果

--比较器输出
signal sw:std_logic; --状态开关
signal record1,record2:std_logic_vector(1 downto 0); --比分
signal lights:std_logic_vector(2 downto 0); --绳子
signal music_begin:std_logic;

--解码器输出
signal tmp_led:std_logic_vector(7 downto 0); --LED显示
signal tmp_q:std_logic_vector(5 downto 0); --数码管控制
signal tmp_cat:std_logic_vector(6 downto 0); --数码管显示比分

--倒计时器输出
signal tmp_start:std_logic;

begin
cats<=tmp_cat;
q<=tmp_q;
led<=tmp_led;

div: division port map(clk_in=>clk_in,clk_100=>clk_100,clk_5=>clk_5,clk_1=>clk_1);
cnt: count port map(
clk_1=>clk_1,sw=>sw,player1=>player1,player2=>player2,
sum1=>sum1,sum2=>sum2);
com: cmp port map(
clk_100=>clk_100,clk_1=>clk_1,sw=>sw,reset=>reset,
start=>tmp_start,sum1=>sum1,sum2=>sum2,music_begin=>music_begin,
record1=>record1,record2=>record2,lights=>lights);
dec: decode port map(
clk_in=>clk_in,record1=>record1,record2=>record2,
lights=>lights,led=>tmp_led,q=>tmp_q,cats=>tmp_cat);
mu: music port map(
reset=>reset,clk=>clk_in,clk_5=>clk_5,
music_begin=>music_begin,mus=>mus);
dao: daojishi port map(
clk_in=>clk_in,clk_1=>clk_1,reset=>reset,
start=>tmp_start,col=>col,row=>row);
end body_bahe;

【比较模块】
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
use IEEE.std_logic_unsigned.all;

entity cmp is
port(clk_100:in std_logic; --100HZ输入
clk_1:in std_logic; --1HZ输入
reset:in std_logic; --重置
start:in std_logic; --开始
sum1,sum2:in std_logic_vector(4 downto 0); --计数输入
record1,record2:out std_logic_vector(1 downto 0); --比分输出
music_begin:out std_logic; --音乐开始
sw:out std_logic; --状态输出
lights:out std_logic_vector(2 downto 0)); --绳子状态
end cmp;

architecture body_cmp of cmp is

signal tmp_record1:std_logic_vector(1 downto 0); --比分
signal tmp_record2:std_logic_vector(1 downto 0);
signal tmp:std_logic_vector(2 downto 0); --绳子状态
signal tmp_sta:std_logic; --状态
signal s1,s2:std_logic_vector(4 downto 0); --计数

begin
record1<=tmp_record1;
record2<=tmp_record2;
lights<=tmp;
sw<=tmp_sta;

process(clk_100) --判断比赛状态
begin
if(start='1') then
if(clk_100'event and clk_100='1') then
tmp_sta<='1';
end if;
end if;
if(clk_100'event and clk_100='1') then --任意比分到3,比赛结束，开始播放音乐
if(tmp_record1="11" or tmp_record2="11") then
tmp_sta<='0';
music_begin<='1';
end if;
if(tmp="001" or tmp="111") then --绳子到头,进入等待状态
tmp_sta<='0';
end if;
if(reset='1') then --复位，状态归零
tmp_sta<='0';
music_begin<='0';
end if;
end if;
end process;

s1<=sum1;
s2<=sum2;

process(clk_1,reset) --控制绳子移位
begin
if(reset='1') then
tmp<="100"; --绳子初始状态为100
tmp_record1<="00";
tmp_record2<="00";
else
if(clk_1'event and clk_1='1') then
if(tmp_sta='1') then
if(s1>s2) then tmp<=tmp-'1'; --绳子左移
elsif(s1=s2) then tmp<=tmp; --绳子保持原状
else tmp<=tmp+'1'; --绳子右移
end if;
else
if(tmp="001") then --绳子到左尽头，左计分器加1
tmp_record1<=tmp_record1+'1';
tmp<="100";
elsif(tmp="111") then --绳子到右尽头，右记分器加1，
tmp_record2<=tmp_record2+'1';
tmp<="100";
end if;
end if;
end if;
end if;
end process;
end body_cmp;

【计数模块】
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
use IEEE.std_logic_unsigned.all;

entity count is
port(clk_1:in std_logic; --1HZ输入
sw:in std_logic; --状态判断输入
player1,player2:in std_logic; --选手输入
sum1,sum2:out std_logic_vector(4 downto 0)); --计数输出
end count;

architecture body_count of count is

signal p1,p2:std_logic_vector(4 downto 0); --计数输出
begin
sum1<=p1;
sum2<=p2;
process(player1,player2,sw,clk_1)
begin
if(sw='1') then --处于比赛状态
if(clk_1='0') then
if(player1'event and player1='1') then
p1<=p1+'1';
end if;
if(player2'event and player2='1') then
p2<=p2+'1';
end if;
else
p1<="00000";
p2<="00000";
end if; --比赛状态结束
else p1<="00000";
p2<="00000";
end if;
end process;
end body_count;

【倒计时模块】
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
use IEEE.std_logic_unsigned.all;

entity daojishi is
port(clk_1,clk_in,reset: in std_logic;
row : out std_logic_vector(7 downto 0);
col : out std_logic_vector(7 downto 0);
start : out std_logic);
end daojishi;

architecture body_daojishi of daojishi is

type state is (s0,s1,s2,s3,s4,s5,s6,s7,s8,s9,s10);
signal present_state:state:=s10;
signal num:std_logic_vector(2 downto 0):="000";

begin

p3:process(clk_in)
begin
if clk_in'event and clk_in='1' then
if num="101" then num<="000";
else num<=num+1;
case present_state is
when s9=>
case num is
when "000"=> col<="11111111"; row<="11111111";
when "001"=> col<="11011111"; row<="01110100";
when "010"=> col<="11101111"; row<="01010100";
when "011"=> col<="11110111"; row<="01010100";
when "100"=> col<="11111011"; row<="01111100";
when others=> col<="00000000"; row<="00000000";
end case;

when s8=>
case num is
when "000"=> col<="11111111"; row<="11111111";
when "001"=> col<="11011111"; row<="01111100";
when "010"=> col<="11101111"; row<="01010100";
when "011"=> col<="11110111"; row<="01010100";
when "100"=> col<="11111011"; row<="01111100";
when others=> col<="00000000"; row<="00000000";
end case;

when s7=>
case num is
when "000"=> col<="11111111"; row<="11111111";
when "001"=> col<="11011111"; row<="01000000";
when "010"=> col<="11101111"; row<="01000000";
when "011"=> col<="11110111"; row<="01000000";
when "100"=> col<="11111011"; row<="01111100";
when others=> col<="00000000"; row<="00000000";
end case;

when s6=>
case num is
when "000"=> col<="11111111"; row<="11111111";
when "001"=> col<="11011111"; row<="01111100";
when "010"=> col<="11101111"; row<="01010100";
when "011"=> col<="11110111"; row<="01010100";
when "100"=> col<="11111011"; row<="01011100";
when others=> col<="00000000"; row<="00000000";
end case;

when s5=>
case num is
when "000"=> col<="11111111"; row<="11111111";
when "001"=> col<="11011111"; row<="01110100";
when "010"=> col<="11101111"; row<="01010100";
when "011"=> col<="11110111"; row<="01010100";
when "100"=> col<="11111011"; row<="01011100";
when others=> col<="00000000"; row<="00000000";
end case;

when s4=>
case num is
when "000"=> col<="11111111"; row<="11111111";
when "001"=> col<="11011111"; row<="01110000";
when "010"=> col<="11101111"; row<="00010000";
when "011"=> col<="11110111"; row<="00010000";
when "100"=> col<="11111011"; row<="01111100";
when others=> col<="00000000"; row<="00000000";
end case;

when s3=>
case num is
when "000"=> col<="11111111"; row<="11111111";
when "001"=> col<="11011111"; row<="01010100";
when "010"=> col<="11101111"; row<="01010100";