基于VHDL的智力竞赛抢答器的设计和实现.doc

摘 要 本课程设计重要内容是运用EDA技术设计一种可容纳四组选手智力竞赛抢答器，全面熟悉、掌握VHDL语言基本知识，掌握运用VHDL语言对惯用组合逻辑电路和时序逻辑电路编程。本课程设计开发仿真工具是MAX+plus II，采用自顶向下、逐级细化设计办法设计整套系统，顶层模块用图形描述，底层文献用VHDL语言描述。通过波形仿真，实现了智力竞赛抢答器基本功能，达到了设计规定。

核心字 智力竞赛抢答器；EDA技术；VHDL；MAX+plus II；自顶向下

1 引 言
20世纪90年代，引进数字系统设计办法发生突破性变革技术是VHDL（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language，超高速集成电路硬件描述语言）。它是一种IEEE-1076原则所规范硬件描述语言，重要用于算法级、寄存器级到门级各种抽象设计层次数字系统建模，已成为电子设计自动化（EDA）一种重要手段。
本课程设计重要目是：全面熟悉、掌握VHDL语言基本知识，掌握运用VHDL语言对惯用组合逻辑电路和时序逻辑电路编程，把编程和实际结合起来，熟悉编制和调试程序技巧，掌握分析成果若干有效办法，进一步提高上机动手能力，培养设计综合电路能力，养成编写文档资料习惯和规范编程思想。

2 智力竞赛抢答器重要功能
设计一种4人参加智力竞赛抢答计时器。该系统具备回答问题时间控制功能，规定回答问题时间不大于等于100秒(显示为0～99)，时间显示采用倒计时方式。当达到限定期间时，发出声响以示警告；当有某一参赛者一方面按下抢答开关时，相应显示灯亮并伴有声响，此时抢答器不再接受其她输入信号。智力竞赛抢答器功能分块如图2-1所示。
顶层文献QDQ
daojishi
模块
sanxuanyi模块
pianxuan模块
xianshi模块
jianbie模块
suocunqi
模块
zhuanhuan模块

图2-1智力竞赛抢答器功能模块划分图
该智力竞赛抢答器分为七个模块，分别为：鉴别模块、锁存器模块、转换模块、选取输出模块、倒计时模块、片选模块和显示模块。

3 重要功能实现

3.1 鉴别功能
鉴别模块jianbie如图3-1所示，输入信号CLK和CLR，若CLR=“0”，表达无人按键，输出信号Q为0；若CLR=“1”，表达有人按键，输出信号Q为1。

图3-1 jianbie模块
鉴别模块源代码如下：
LIBRARY IEEE；
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY jianbie IS
PORT(CLK,CLR:IN STD_LOGIC;
Q :OUT STD_LOGIC);
END jianbie;
ARCHITECTURE jianbie_mk OF jianbie IS

BEGIN
PROCESS(CLK,CLR)
BEGIN
IF CLR='0'THEN --运用IF_THEN_ELSE语句
Q<='0';
ELSIF CLK'EVENT AND CLK='0'THEN --检测时钟下降沿
Q<='1';
END IF;
END PROCESS;
END jianbie_mk;
鉴别模块程序调试波形如图3-2所示，给CLK一种时钟信号，在某一时刻开始赋给CLR一种高电平，则从下一种时钟下降沿开始Q输出高电平。

图3-2鉴别模块仿真波形图

3.2 锁存器功能
锁存器模块suocunqi如图3-3所示，锁存器对四位答题者成果进行锁存，并将其赋给输出信号Q1，Q2，Q3，Q4。

图3-3 suocunqi模块
锁存器模块源代码如下：

LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY suocunqi IS
PORT(D1,D2,D3,D4:IN STD_LOGIC；
CLK,CLR:IN STD_LOGIC；
Q1,Q2,Q3,Q4,ALM:OUT STD_LOGIC);
END suocunqi;
ARCHITECTURE suocunqi_mk OF suocunqi IS
BEGIN
PROCESS(CLK)
BEGIN
IF CLR='0'THEN
Q1<='0';
Q2<='0';
Q3<='0';
Q4<='0';
ALM<='0'；
ELSIF CLK'EVENT AND CLK='1'THEN --检测CLR为高电平，则有人抢答
Q1<=D1;
Q2<=D2;
Q3<=D3;
Q4<=D4;
ALM<='1';
END IF;
END PROCESS;
END suocunqi_mk;
锁存器模块程序调试波形如图3-4所示，给CLK一种时钟信号，在某一时刻开始赋给CLR一种高电平，则从下一种时钟上升沿开始：将D1赋给Q1、将D2赋给Q2、将D3赋给Q3、将D4赋给Q4，并输出ALM为1；在CLR为低电平时无

输出。

图3-4锁存器模块仿真波形图

3.3 转换功能
转换模块zhuanhuan如图3-5所示，把抢答成果转化为一种四位二进制数，表达抢答者编号。

图3-5 zhuanhuan模块
转换模块源代码如下：
LIBRARY IEEE；
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY zhuanhuan IS
PORT(D1,D2,D3,D4:IN STD_LOGIC;
Q:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0));
END zhuanhuan;
ARCHITECTURE zhuanhuan_mk OF zhuanhuan IS
BEGIN
PROCESS(D1,D2,D3,D4)
VARIABLE TMP:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);

BEGIN
TMP:=D1&D2&D3&D4;
CASE TMP IS
WHEN "1000"=>Q<="0001"； --类似于真值表CASE语句
WHEN "0100"=>Q<="0010";
WHEN "0010"=>Q<="0011";
WHEN "0001"=>Q<="0100";
WHEN OTHERS=>Q<="0000";
END CASE;
END PROCESS;
END zhuanhuan_mk;
转换模块程序调试波形如图3-6所示，通过此模块将D1D2D3D4输入成果转换成Q1Q2Q3Q4这种四位二进制数，当D1=‘1’，其她三位为‘0’时，输出Q为“0001”；当D2=‘1’，其她三位为‘0’时，输出Q为“0010”；当D3=‘1’，其她三位为‘0’时，输出Q为“0011”；当D4=‘1’，其她三位为‘0’时，输出Q为“0100”；其她状况下，输出Q为“0000”。

图3-6 转换模块仿真波形图

3.4 选取输出功能
选取输出模块sanxuanyi如图3-7所示，用两个四位二进制数表达倒计时，其中D1为高位，D2为低位，用一种四位二进制数D3表达抢答号，输出信号Q1和Q2，其中Q1和Q2作为显示模块中数码管输入值。通过SEL值控制Q1和

Q2输出抢答号或者倒计时，当SEL=‘0’时为输出倒计时状态，Q1代表高位，Q2代表低位；当SEL=‘1’时，为显示抢答号状态，Q1输出为‘0’，Q2输出代表抢答者编号。

图3-7 sanxuanyi模块
选取输出模块源代码如下：
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY sanxuanyi IS
PORT(SEL:IN STD_LOGIC;
D1,D2,D3:IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);
Q1,Q2 ：OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0));
END sanxuanyi;
ARCHITECTURE sanxuanyi_mk OF sanxuanyi IS
BEGIN
PROCESS(SEL,D1,D2,D3)
BEGIN
IF SEL='1' THEN
Q1<="0000";Q2<=D3;
ELSE Q1<=D1;Q2<=D2;
END IF;
END PROCESS；
END sanxuanyi_mk;
选取输出模块程序调试波形如图3-8所示，由SEL控制Q输出，当SEL为‘1’时，将D3赋给Q2,“0000”赋给Q1，输出成果代表抢答者编号；当SEL为‘0’时，将D2赋给Q2，D1赋给Q1，输出成果代表倒计时。

图3-8 选取输出模块仿真波形图

3.5 倒计时功能
倒计时模块daojishi如图3-9所示，用两个四位二进制数表达倒计时，定义变量HH，LL，由时钟CLK和使能信号EN控制，其中EN值由锁存器模块中ALM控制。当倒计时至HH==0，LL==0时，发出声音停止计时，输出H（XXX），L(XXX)。

图3-9 daojishi模块
倒计时模块源代码如下：
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
ENTITY daojishi IS
PORT(CLK,EN:IN STD_LOGIC；
H,L:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);
SOUND:OUT STD_LOGIC);

END daojishi;
ARCHITECTURE daojishi_mk OF daojishi IS
BEGIN

PROCESS(CLK,EN)
VARIABLE HH,LL:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);
BEGIN
IF CLK'EVENT AND CLK='1'THEN
IF EN='1'THEN --EN=1驱动倒计时模块开始倒计时
SOUND<='0';
HH:="1001";
LL:="1001";
ELSIF LL=0 THEN
IF HH=0 THEN
SOUND<='1'； --倒计时至0时，输出超时报警信号
ELSE
LL:="1001";
HH:=HH-1；
END IF;
ELSE LL:=LL-1;
END IF;
END IF;
H<=HH;
L<=LL;
END PROCESS;
END daojishi_mk;
倒计时模块程序调试波形如图3-10所示，当EN为“1”时,在时钟上升沿将“1001”赋给H和L，准备进入倒计时；从EN为“0”且时钟上升沿到来时，H和L值开始以逐渐递减，即从99倒计时到0，同步倒计时至0时，输出超时报警信号SOUND=1。

图3-10 倒计时模块仿真波形图

3.6 片选功能
片选模块pianxuan如图3-11所示，该模块用于控制选取输出模块输出倒计时或者抢答号，其中EN1值由锁存器模块中ALM控制。

图3-11 pianxuan模块
片选模块源代码如下：
LIBRARY IEEE；
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY pianxuan IS
PORT(CLKEN1:IN STD_LOGIC;
A :OUT STD_LOGIC);
END pianxuan;
ARCHITECTURE pianxuan_mk OF pianxuan IS
BEGIN
PROCESS(CLK,EN1)
BEGIN
IF EN1='0'THEN --运用IF_THEN_ELSE语句
A<='0';
ELSIF CLK'EVENT AND CLK='1'THEN --检测时钟上升沿
A<='1';
END IF;
END PROCESS;
END pianxuan_mk;
片选模块程序调试波形如图3-12所示，EN1=’0’时，将‘0’赋给A；当EN1=’1’时，在CLK时钟信号下一种时钟上升沿将‘1’赋给A。

图3-12 片选模块仿真波形图

3.7 显示功能
显示模块如图3-13所示，将所有进程中数值转换成七位二进制数。

图3-13 xianshi模块
显示模块源代码如下：
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；
ENTITY xianshi IS
PORT(D:IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);
Q:OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0));
END xianshi;
ARCHITECTURE xianshi_mk OF xianshi IS
BEGIN
PROCESS(D)
BEGIN
CASE D IS
WHEN"0000"=>Q<="0111111"；
WHEN"0001"=>Q<="0000110";
WHEN"0010"=>Q<="1011011";
WHEN"0011"=>Q<="1001111";
WHEN"0100"=>Q<="1100110";
WHEN"0101"=>Q<="1101101";
WHEN"0110"=>Q<="1111101";
WHEN"0111"=>Q<="0000111";
WHEN"1000"=>Q<="1111111";
WHEN"1001"=>Q<="1101111";
WHEN OTHERS=>Q<="0000000";
END CASE;
END PROCESS;
END xianshi_mk;
显示模块程序仿真波形如图3-14所示，将输入信号D转变成能在七段数码管上显示七位二进制数。

图3-14 显示模块仿真波形图

3.8 顶层模块
各模块连接后形成顶层文献电路图如图3-15所示。

图3-15 各模块连接后电路图

顶层文献仿真波形如图3-16所示，D2最先获得抢答权，输出声音信号SOUND=1，在数码管上显示抢答号，Q1输出“0111111”（0），Q2输出“1011011”（2），代表抢答号为02；之后自动进入倒计时状态，将“1101111”（9）赋给Q1和Q2，同步开始自动倒计时，倒计时至0时，输出超时报警信号SOUND=1，停止倒计时。

图3-16 顶层文献仿真波形图

4 总结
4.1 智力竞赛抢答器设计成果
通过MAX+plus II仿真，证明了本系统在实际运用中对的性，完全可以实现预期任务规定，在有一组信号抢答成功后发出声音提示，并能通过译码器显示抢答号；在两组或者两组以上信号同步抢答时视抢答无效。抢答成功后，系统启动倒计时功能，并且可以精确计时将时间呈两位数显示；倒计时开始后从99秒倒计时至0秒并通过译码器实时显示计时成果，当倒计时至0秒时，停止倒计时，发出超时报警信号。

4.2 学习总结
在整个设计过程中，重要需要考虑问题如下：将整套系统划提成各种子

模块，通过画流程图分析各模块之间联系，以达到设计规定；程序中电路时序设计；修改程序中语法错误；程序仿真时波形设计；依照波形仿真现象修改程序逻辑错误；对VHDL基本语法掌握；掌握使用MAX+plus II编辑程序、编译、设计波形、仿真办法。
通过本次课程设计，咱们加深了对EDA技术、VHDL语言基本语法知识及程序基本框架理解，将理论知识应用到实践中，提高了动手能力，同步养成了编写文档习惯。整套系统运用MAX+plus II编程、调试、仿真，使咱们对这个软件使用纯熟了诸多。