FPGA搶答器的設計與實現

張煜

摘要：本課題我所設計的是基于FPGA的搶答器。主要構成有FPGA開發板，計分顯示電路，主持人按鍵電路，手模擬按鍵電路，時間倒數顯示電路。當主持人公布完題目，按下主持人開關，指示燈亮，此時數碼管倒數十秒，此十秒為選手搶答時間；如若十秒內有人搶答成功，對應燈亮，則開始答題，若答題成功，主持人按下按鍵為該選手計一分，若答錯，則不計分，主持人按下復位鍵，進行下一輪此時藍燈亮；而如若十秒內無人搶答，那么時間到后，紅燈熄滅，綠燈亮。然后主持人按系統復位鍵，即可進行下一輪搶答。

關鍵詞：FPGA 搶答器 數碼管 計時顯示

中圖分類號：TP331.2 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）08-0190-01

1 引言

隨著電子技術的發展，現在的搶答器功能越來越強，可靠性和準確性也越來越高。搶答器可以用各種不同的方法來實現它的功能。本課題即為對搶答器進行一個原理上的工作實現。

2 FPGA搶答器的系統設計（系統框圖見圖1）

本文設計了一個通用型電子搶答器：有3個按鍵輸入，其中3個按鍵為三組搶答選手的輸入，另外一個為主持人的開始搶答、加分操作按鍵。由一個四位八段數碼管進行顯示，其中三個顯示積分，另外1個倒數計時。并有4個LED燈用來提示相應搶答選手搶答成功。四組搶答選手，各自可手動按按鈕申請搶答權；回答正確加1分，錯誤記0分，不搶答記0分，各組初始積分為0分。

搶答器具體功能如下：

（1）主持人有一個控制選手搶答的開關：只有當主持人按下這個鍵選手才能搶答；在按開始按鈕前搶答屬于違規。

（2）搶答器具有定時搶答功能，且一次搶答的時間設定為10秒。當主持人啟動”開始”鍵后，數碼管開始倒數計時，直到為零，若仍沒人搶答則該輪搶答輪空，按復位鍵進行下一輪。

（3）在選手搶答后可以進入加分環節，主持人利用開始按鍵給選手加分，當選手搶答成功后，可以開始回答問題，如果回答正確，主持人按下按鍵，為該選手加一分，然后按復位鍵，進行下一輪搶答。

3 硬件設計

3.1 選手按鍵設計

在此次設計中，我采用3個獨立按鍵來模擬搶答選手。其電路配置靈活、軟件結構簡單。獨立式按鍵的主要特點是每個按鍵使用一個GPIO口，所以每個按鍵工作都不會相互影響其他的GPIO口的電平狀態。

在按鍵沒有按下的時候。因上拉電阻接高電平，那么給GPIO口的電平始終是高電平。而當按鍵按下的時候，按鍵接通，上拉電阻VCC與GND相通，電勢拉低。此時GPIO口電平翻轉，變為低電平。FPGA就是由此判斷是否有選手按下。

而當某位選手按下后，FPGA會判斷出此時已經有選手搶答成功，屏蔽其他選手，使其按鍵無效。

3.2 數碼管顯示電路設計

本人設計是利用三極管驅動共陽極數碼管，來達到顯示時間和記分的目的。其中第二位，第三位，第四位顯示選手積分，第四位同時兼顧倒數計時功能。

4 結語

基于FPGA的搶答器，制作簡單，可以很好的改變升級，所需材料少，集成度較高，既穩定又可靠。經過仿真以及下載到FPGA開發板上測試，此次設計可以公正、準確、直觀的判斷第一搶答者，并對搶答進行計時，加減操作的計時，并通過LED顯示并提示時間，以及復位搶答等功能，同時3個BCD數碼管可以正確的顯示第一搶答者的組號以及積分信息。同時通過測試驗證了軟件的按鍵消抖處理適當，不會產生按鍵誤判斷的情況，以及狀態機的程序設計方式結構清晰，易于查找程序的錯誤和進行改進。

參考文獻

[1]郭勇.EDA技術基礎（第2 版）[M].機械工業出版社.2005：314-320.

[2]田耘，徐文波，胡彬.Xinlinx ISE Design Suite 10.x FPGA開發指南[M].人民郵電出版社，2008年5月.

[3]V. Betz， “Architecture and CAD for speed and area optimizatoin of FPGAs，” Ph.D.， Univ. Toronto，1998.

[4]A. Marquardt， V. Betz， and J. Rose， “Timing-driven placement for FPGAs，” in ACM/SIGDA Int. Conf. FPGAs （FPGA00），2000：203–213.