基于EDA的四人搶答器設(shè)計

劉運凱

【摘 要】基于EDA技術(shù)來實現(xiàn)四人搶答器的設(shè)計功能。用硬件描述語言VHDL來完成整體電路的設(shè)計，從中實現(xiàn)四人搶答器的搶答、報警、倒計時以及顯示的功能。之后通過QuartusⅡ軟件和GW48-SOPC/DSP EP1C6/1C12 Q240實驗開發(fā)系統(tǒng)對課題進行波形仿真和功能實現(xiàn)的驗證。

【關(guān)鍵詞】EDA；四人搶答器；硬件描述語言VHDL；仿真

一 、程序設(shè)計

（一）程序總體功能

當(dāng)有選手搶答時，首先鎖存，阻止其他選手搶答，然后編碼，再經(jīng)譯碼器將數(shù)字顯示在顯示器上，同時產(chǎn)生提示音。主持人宣布開始搶答時，倒計時電路啟動由20計到0，如有選手搶答，倒計時停止，如20秒后無人搶答，則顯示超時并報警。

（二）程序的實現(xiàn)

用VHDL表述的本課題完整電路模塊程序分為三個部分

1.設(shè)計庫和程序包調(diào)用部分

LIBRARY和USE語句分別引導(dǎo)出打開和使用程序包的語句。

2.VHDL實體描述部分（電路模塊端口說明和定義）

ENTITY和PORT語句構(gòu)建了整個電路對外通信端口的說明模塊。清零開關(guān)clr，主持人開關(guān)en，四人搶答按鈕a、b、c、d，兩個時鐘信號clk和clk0，組別顯示一個數(shù)碼顯示管dsp（3..0），倒計時顯示兩個數(shù)碼顯示管count（7..0）。

3.VHDL結(jié)構(gòu)體描述部分

這部分由結(jié)構(gòu)語句ARCHITECTURE引導(dǎo)，它包含了PROCESS進程語句，用于描述本課題的邏輯行為及其對應(yīng)的電路模塊功能。而在這個電路功能的描述分為兩個模塊：

（1）搶答鑒別鎖存及組別顯示的電路模塊程序

本模塊程序的基本工作原理是：清零開關(guān)clr，主持人開關(guān)en，四人搶答按鈕a、b、c、d，并由一個數(shù)碼顯示管dsp（3..0）顯示選手組別，為了實現(xiàn)當(dāng)有選手搶答后鎖存電路使其他選手無法搶答的功能，設(shè)置兩個鎖存信號tmp1、tmp2。按下清零開關(guān)（clr=1），tmp1、tmp2=0，若主持人開關(guān)未開啟（en=0），此時有人搶答，則tmp2=1，關(guān)閉搶答電路，在數(shù)碼管dsp輸出對應(yīng)的四位二進制（a，b，c，d對應(yīng)的四位二進制為，0001、0010、0011、0100。之后可將對應(yīng)的四位二進制轉(zhuǎn)譯成十進制在數(shù)碼顯示管輸出搶答組別。）同時speaker報警；若主持人按下開關(guān)后（en=1），此時有人搶答，則tmp1=1， 關(guān)閉搶答電路，并由數(shù)碼顯示管輸出搶答組別。

（2）數(shù)碼管倒計時、暫停及報警模塊程序

本模塊程序的基本工作原理是：兩個數(shù)碼管count（7..0）顯示20秒搶答倒計時，在程序中，由8位二進制矢量數(shù)count控制，高四位表示十位，低四位表示個位，由給定的時鐘信號clk高電平觸發(fā)。按下清零開關(guān)（clr=1），數(shù)碼管顯示20（count=“00100000”），主持人按下開關(guān)后（en=1），開始20秒倒計時，當(dāng)?shù)退奈粸椤?000”時，則賦值為9（“1001”），同時高四位表示的十位數(shù)自減1，當(dāng)?shù)退奈徊粸?時則自減1，由此實現(xiàn)了20秒倒計時。

為實現(xiàn)有人搶答則暫停計時以及20秒時間到停止計時并報警的功能，設(shè)置暫停鎖存信號tmp3，按下清零開關(guān)（clr=1），tmp3=0，主持人按下開關(guān)后（en=1），開始20秒倒計時，當(dāng)有人搶答，則tmp3=1，暫停倒計時，若一直無人搶答，當(dāng)20秒倒計時結(jié)束（count=“00000000”）時，則tmp3=1，停止倒計時并由speaker報警。speaker報警由脈沖信號clk0與（tmp3 or a or b or c or d）信號相與輸出，從而實現(xiàn)選擇性輸出報警信號。

（三）設(shè)計出的原理圖

二、實驗結(jié)果分析

（一）有人搶答的仿真波形

當(dāng)clr=1，系統(tǒng)進入初始狀態(tài)，即count="00100000"， dps="0000"；en=0時，若有人搶答（b=1），則speaker報警，且數(shù)碼管顯示組別（dps="0010"）；en=1時，count開始20秒倒計時，在15秒時（count="00010101"）有人搶答（a=1），倒計時暫停，數(shù)碼管顯示組別（dps="0001"），且speaker報警。

（二）無人搶答的仿真波形

當(dāng)en=1，20秒時間到而無人搶答（count="00000000"），則speaker報警，按下清零開關(guān)（clr=1），重新開始20秒倒計時。

以上實驗結(jié)果分析后，表明各種情況下系統(tǒng)正常，完成了總體功能。

三、 結(jié)論

相較于用傳統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計方法、設(shè)計過程和設(shè)計觀念來完成四人搶答器的過程，通過EDA技術(shù)是的我們可以用硬件描述語言VHDL完成四人搶答器的整個系統(tǒng)電路，然后由計算機自動地完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合、優(yōu)化、布局、布線和仿真。整個系統(tǒng)設(shè)計可以在一臺計算機上完成，極大地提升了電路設(shè)計的效率。但不管怎樣，都需要有一個清晰的設(shè)計思路來引導(dǎo)整個設(shè)計的過程。

參考文獻：

[1]潘松著.EDA技術(shù)與VHDL（第四版）. 北京：清華大學(xué)出版社.

[2]胡迎剛著.EDA技術(shù)與SOPC基礎(chǔ).成都：西南交通大學(xué)出版社.