基于EDA的四人抢答器设计

刘运凯

【摘 要】基于EDA技术来实现四人抢答器的设计功能。用硬件描述语言VHDL来完成整体电路的设计，从中实现四人抢答器的抢答、报警、倒计时以及显示的功能。之后通过QuartusⅡ软件和GW48-SOPC/DSP EP1C6/1C12 Q240实验开发系统对课题进行波形仿真和功能实现的验证。

【关键词】EDA；四人抢答器；硬件描述语言VHDL；仿真

一 、程序设计

（一）程序总体功能

当有选手抢答时，首先锁存，阻止其他选手抢答，然后编码，再经译码器将数字显示在显示器上，同时产生提示音。主持人宣布开始抢答时，倒计时电路启动由20计到0，如有选手抢答，倒计时停止，如20秒后无人抢答，则显示超时并报警。

（二）程序的实现

用VHDL表述的本课题完整电路模块程序分为三个部分

1.设计库和程序包调用部分

LIBRARY和USE语句分别引导出打开和使用程序包的语句。

2.VHDL实体描述部分（电路模块端口说明和定义）

ENTITY和PORT语句构建了整个电路对外通信端口的说明模块。清零开关clr，主持人开关en，四人抢答按钮a、b、c、d，两个时钟信号clk和clk0，组别显示一个数码显示管dsp（3..0），倒计时显示两个数码显示管count（7..0）。

3.VHDL结构体描述部分

这部分由结构语句ARCHITECTURE引导，它包含了PROCESS进程语句，用于描述本课题的逻辑行为及其对应的电路模块功能。而在这个电路功能的描述分为两个模块：

（1）抢答鉴别锁存及组别显示的电路模块程序

本模块程序的基本工作原理是：清零开关clr，主持人开关en，四人抢答按钮a、b、c、d，并由一个数码显示管dsp（3..0）显示选手组别，为了实现当有选手抢答后锁存电路使其他选手无法抢答的功能，设置两个锁存信号tmp1、tmp2。按下清零开关（clr=1），tmp1、tmp2=0，若主持人开关未开启（en=0），此时有人抢答，则tmp2=1，关闭抢答电路，在数码管dsp输出对应的四位二进制（a，b，c，d对应的四位二进制为，0001、0010、0011、0100。之后可将对应的四位二进制转译成十进制在数码显示管输出抢答组别。）同时speaker报警；若主持人按下开关后（en=1），此时有人抢答，则tmp1=1， 关闭抢答电路，并由数码显示管输出抢答组别。

（2）数码管倒计时、暂停及报警模块程序

本模块程序的基本工作原理是：两个数码管count（7..0）显示20秒抢答倒计时，在程序中，由8位二进制矢量数count控制，高四位表示十位，低四位表示个位，由给定的时钟信号clk高电平触发。按下清零开关（clr=1），数码管显示20（count=“00100000”），主持人按下开关后（en=1），开始20秒倒计时，当低四位为“0000”时，则赋值为9（“1001”），同时高四位表示的十位数自减1，当低四位不为0时则自减1，由此实现了20秒倒计时。

为实现有人抢答则暂停计时以及20秒时间到停止计时并报警的功能，设置暂停锁存信号tmp3，按下清零开关（clr=1），tmp3=0，主持人按下开关后（en=1），开始20秒倒计时，当有人抢答，则tmp3=1，暂停倒计时，若一直无人抢答，当20秒倒计时结束（count=“00000000”）时，则tmp3=1，停止倒计时并由speaker报警。speaker报警由脉冲信号clk0与（tmp3 or a or b or c or d）信号相与输出，从而实现选择性输出报警信号。

（三）设计出的原理图

二、实验结果分析

（一）有人抢答的仿真波形

当clr=1，系统进入初始状态，即count="00100000"， dps="0000"；en=0时，若有人抢答（b=1），则speaker报警，且数码管显示组别（dps="0010"）；en=1时，count开始20秒倒计时，在15秒时（count="00010101"）有人抢答（a=1），倒计时暂停，数码管显示组别（dps="0001"），且speaker报警。

（二）无人抢答的仿真波形

当en=1，20秒时间到而无人抢答（count="00000000"），则speaker报警，按下清零开关（clr=1），重新开始20秒倒计时。

以上实验结果分析后，表明各种情况下系统正常，完成了总体功能。

三、 结论

相较于用传统数字系统设计方法、设计过程和设计观念来完成四人抢答器的过程，通过EDA技术是的我们可以用硬件描述语言VHDL完成四人抢答器的整个系统电路，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真。整个系统设计可以在一台计算机上完成，极大地提升了电路设计的效率。但不管怎样，都需要有一个清晰的设计思路来引导整个设计的过程。

参考文献：

[1]潘松著.EDA技术与VHDL（第四版）. 北京：清华大学出版社.

[2]胡迎刚著.EDA技术与SOPC基础.成都：西南交通大学出版社.