豆曉東　倪春偉　周振

摘 要：針對(duì)實(shí)際應(yīng)用的需要，利用可編程邏輯器件設(shè)計(jì)了搶答器。該搶答器單元電路的軟件設(shè)計(jì)利用硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)完成。設(shè)計(jì)了控制主電路、數(shù)字顯示電路、編碼譯碼電路功能，并利用Quartus工具軟件完成了編譯仿真驗(yàn)證；硬件選擇FLEX10K系列的EPF10K10LC84-4芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)搶答器的系統(tǒng)功能。該搶答器具有很強(qiáng)的功能擴(kuò)充性，應(yīng)用效果良好。

關(guān)鍵詞：可編程邏輯器件；搶答器；硬件描述語(yǔ)言；仿真；系統(tǒng)可編程

中圖分類(lèi)號(hào)：TM571.61

1 FLEX10K

FLEX10K系列器件首次采用嵌入式陣列，其容量高達(dá)25萬(wàn)門(mén)。由于它的高密度和易于在設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜宏函數(shù)和存儲(chǔ)器，因此可以把一個(gè)子系集成在單一芯片上，而每個(gè)FLEX10K器件都包含一個(gè)嵌入式陣列，每個(gè)嵌入式陣列可以實(shí)現(xiàn)專(zhuān)用的功能，因此嵌入式陣列可以減少芯片的體積，使其運(yùn)行速度更快，使用更靈活。

2 VHLD硬件描述語(yǔ)言簡(jiǎn)介

VHDL最早是由美國(guó)國(guó)防部提出的。作為硬件描述語(yǔ)言的第一個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，VHDL描述電路行為的算法有很多優(yōu)點(diǎn)：

（1）設(shè)計(jì)層次較高，用于較復(fù)雜的計(jì)算時(shí)，能盡早發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題，縮短設(shè)計(jì)周期。（2）獨(dú)立實(shí)現(xiàn)、修改方便。（3）移植性強(qiáng)，其源代碼已成為一種輸入標(biāo)準(zhǔn)，可用于各種不同的EDA工具。（4）VHDL類(lèi)型眾多而且支持用戶(hù)自定義類(lèi)型，支持自頂而下的設(shè)計(jì)方法和多種電路的設(shè)計(jì)。

3 QuartusⅡ簡(jiǎn)介

Altera的QuartusⅡ設(shè)計(jì)軟件繼承了MAX+plusⅡ的所有優(yōu)點(diǎn)，是更加完善的PLD設(shè)計(jì)工具。它提供了完整的多平臺(tái)設(shè)計(jì)環(huán)境，能夠直接滿(mǎn)足特定設(shè)計(jì)需要，為可編程芯片系統(tǒng)（SOPC）提供全面的設(shè)計(jì)環(huán)境。

4 設(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)制作一個(gè)競(jìng)賽搶答器，每組受控于一個(gè)搶答按鍵，分別為s0、s1、s2、s3，設(shè)置主持人控制鍵rst，用于控制整個(gè)系統(tǒng)清零和搶答有效控制。按下復(fù)位鍵時(shí)，系統(tǒng)清零；抬起復(fù)位鍵時(shí)，搶答開(kāi)始；系統(tǒng)具有第一搶答信號(hào)鑒別和鎖存功能。在主持人將系統(tǒng)復(fù)位并使搶答有效開(kāi)始后，第一搶答者按下?lián)尨鸢粹o，電路應(yīng)記憶下第一搶答者的組別，并封鎖其他各組的按鈕，即其他任何一組按鍵都不會(huì)使電路響應(yīng)；系統(tǒng)以?xún)煞N方式指示第一搶答者：一是通過(guò)對(duì)應(yīng)的輸出引腳讓數(shù)碼管顯示組別號(hào)；二是在第一搶答者產(chǎn)生時(shí)，蜂鳴器響起。

5 原理分析

5.1 搶答器鑒別模塊

在這個(gè)模塊中主要實(shí)現(xiàn)搶答過(guò)程中的搶答功能，還能記錄搶答者的臺(tái)號(hào)，并且能實(shí)現(xiàn)當(dāng)有一路搶答按鍵按下時(shí)，其余各路被封鎖的功能。其中有四個(gè)搶答信號(hào)s0、s1、s2、s3；搶答使能信號(hào)s；搶答狀態(tài)顯示信號(hào)states；搶答與警報(bào)時(shí)鐘信號(hào)clk2；系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)rst；警報(bào)信號(hào)tmp。

5.2 報(bào)警模塊（已包含在搶答鑒別模塊里）

在這個(gè)模塊中主要實(shí)現(xiàn)搶答過(guò)程中的報(bào)警功能，當(dāng)主持人按下控制鍵，有人搶答時(shí)蜂鳴器開(kāi)始報(bào)警，有效電平輸入信號(hào)i；狀態(tài)輸出信號(hào)q；計(jì)數(shù)脈沖clk2。

5.3 譯碼模塊

在這個(gè)模塊中主要實(shí)現(xiàn)搶答過(guò)程中將選手的臺(tái)號(hào)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼并送給數(shù)碼管顯示。

各模塊程序如下：

搶答鑒別模塊：

library ieee；--搶答鑒別模塊

use ieee.std_logic_1164.all；

use ieee.std_logic_unsigned.all；

entity qdjb is

port（rst，clk2：in std_logic；

s0，s1，s2，s3：in std_logic；

states：buffer std_logic_vector（3 downto 0）；

tmp：out std_logic）；

end qdjb；

architecture one of qdjb is

signal st：std_logic_vector（3 downto 0）；

begin

p1：process（s0，rst，s1，s2，s3，clk2）

begin

if rst='0' then

tmp<='0'；st<="0000"；

elsif clk2'event and clk2='1' then

if （s0='1' or st（0）='1'）and not（ st（1）='1' or st（2）='1' or st（3）='1' ） then st（0）<='1'；

end if ；

if （s1='1' or st（1）='1'）and not（ st（0）='1' or st（2）='1' or st（3）='1' ） then st（1）<='1'；

end if ；

if （s2='1' or st（2）='1'）and not（ st（0）='1' or st（1）='1' or st（3）='1' ） then st（2）<='1'；

end if ；

if （s3='1' or st（3）='1'）and not（ st（0）='1' or st（1）='1' or st（2）='1' ） then st（3）<='1'；

end if ；

tmp<=s0 or s1 or s2 or s3；

end if ；

end process p1；

p2：process（states（0），states（1），states（2），states（3））

begin

if （st="0000"） then states<="0000"；

elsif （st<="0001"） then states<="0001"；

elsif （st<="0010"） then states<="0010"；

elsif （st<="0100"） then states<="0011"；

elsif （st<="1000"） then states<="0100"；

end if；

end process p2；

end one；

譯碼模塊：

LIBRARY IEEE；

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；

USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL；

ENTITY YMQ IS

PORT（AIN4： IN STD_LOGIC_VECTOR（3 DOWNTO 0）；

DOUT7： OUT STD_LOGIC_VECTOR（6 DOWNTO 0））；

END YMQ；

ARCHITECTURE ART OF YMQ IS

BEGIN

PROCESS（AIN4）

BEGIN

CASE AIN4 IS

WHEN "0001"=>DOUT7<="0110000"； --1

WHEN "0010"=>DOUT7<="1101101" --2

WHEN "0011"=>DOUT7<="1111001"； --3

WHEN "0100"=>DOUT7<="0110011"； --4

WHEN OTHERS=>DOUT7<="0000000"；

END CASE；

END PROCESS；

END ARCHITECTURE ART；

6 結(jié)束語(yǔ)

本文利用硬件描述高級(jí)語(yǔ)言VHDL設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)完成了對(duì)應(yīng)單元的電路設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)較為簡(jiǎn)潔合理。利用復(fù)雜可編程器件實(shí)現(xiàn)了搶答器的系統(tǒng)功能，使電路引腳定義自如，實(shí)際印板布線(xiàn)靈活，應(yīng)用可靠。通過(guò)以實(shí)例可以看出，用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)，是自上至下地進(jìn)行設(shè)計(jì)，十分方便靈活。由于VHDL具有并行同時(shí)語(yǔ)句，設(shè)計(jì)的電路延遲小。

參考文獻(xiàn)：

[1]譚會(huì)生，瞿遂春.EDA技術(shù)綜合應(yīng)用實(shí)例與分析[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004.

[2]李國(guó)洪，胡輝，沈明山.EDA技術(shù)與實(shí)驗(yàn)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[3]王道憲，賀名臣，劉偉.VHDL電路設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004.