FPGA抢答器设计报告精品资料.doc

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1、 Vb开办上海电力学院课程设计报告信息工程系抢答器设计报告一、 设计目的： 本课程的授课对象是电子科学与技术专业本科生，是电子类专业的一门重要的实践课程，是理论与实践相结合的重要环节。 本课程有助于培养学生的数字电路设计方法、掌握模块划分、工程设计思想与电路调试能力，为以后从事各种电路设计、制作与调试工作打下坚实的基础二、 实验器材和工具软件： PC机一台、QuartusII软件、DE2板。三、 设计内容：(1)抢答器可容纳四组12位选手，每组设置三个抢答按钮供选手使用。(2)电路具有第一抢答信号的鉴别和锁存功能。在主持人将系统复位并发出抢答指令后，蜂鸣器提示抢答开始，时显示器显示初始时间并开

2、始倒计时，若参赛选手按抢答按钮，则该组指示灯亮并用组别显示器显示选手的组别，同时蜂鸣器发出“嘀嘟”的双音频声。此时，电路具备自锁功能，使其它抢答按钮不起作用。(3)如果无人抢答，计时器倒计时到零，蜂鸣器有抢答失败提示，主持人可以按复位键，开始新一轮的抢答。(4)设置犯规功能。选手在主持人按开始键之前抢答，则认为犯规，犯规指示灯亮和显示出犯规组号，且蜂鸣器报警，主持人可以终止抢答执行相应惩罚。(5)抢答器设置抢答时间选择功能。为适应多种抢答需要，系统设有10秒、15秒、20秒和3O秒四种抢答时间选择功能 。四、 设计具体步骤： 首先把系统划分为组别判断电路模块groupslct，犯规判别与抢答信

3、号判别电路模块fgqd，分频电路模块fpq1，倒计时控制电路模块djs，显示时间译码电路模块num_7seg模块，组别显示模块showgroup模块这六个模块，各模块设计完成后，用电路原理图方法将各模块连接构成系统。各模块功能及代码：1、 组别判别模块（1） 功能：可容纳四组12位选手，每组设置三个抢答按钮供选手使用。若参赛选手按抢答按钮，则输出选手的组别。此时，电路具备自锁功能，使其它抢答按钮不起作用。（2）原理：在每次时钟（50MHz）上升沿时判断按键，将按下按键的组别赋给一内部信号“h”（没有按键按下时h=“0000”），由于人的反应速度远远小于50MHz，所以可选出最先按下按键的那组。

4、当复位键按下时（clr=1）输出g=“0000”并且将另一内部信号rst置1。当复位后（rst=1）有按键按下时将h的值给输出信号g，并且将标志信号rst清零。这样就实现最快按键组别的输出与组别锁存功能。（3）程序代码：library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_unsigned.all; entity groupslct is port( clock,clr:in std_logic; a,b,c,d:in std_logic_vector(2 downto 0); g:out std_logic_vector(

5、3 downto 0) ); end groupslct; architecture behave_groupslct of groupslct is signal h : std_logic_vector(3 downto 0);signal rst : std_logic;begin h=0000 when (a=000 and b=000 and c=000 and d=000) else 0001 when (a/=000 and b=000 and c=000 and d=000) else 0010 when (a=000 and b/=000 and c=000 and d=00

6、0) else 0100 when (a=000 and b=000 and c/=000 and d=000) else 1000 when (a=000 and b=000 and c=000 and d/=000) else 0000;process begin wait on clock until rising_edge(clock); if clr=1 then rst=1; g=0000; end if; if h/=0000 then if rst=1 then g=h; rst=0; end if; end if; end process; end behave_groups

7、lct;2、 犯规判别与抢答信号判别模块（1）功能：若参赛选手在主持人按开始键之后按抢答按钮，则使该组指示灯亮并输出选手的组别，同时蜂鸣器发出响声。选手在主持人按开始键之前抢答，则认为犯规，犯规指示灯亮并输出犯规组号，且蜂鸣器报警。（2） 原理：c3.0接组别判别模块的g3.0，即此时c为按键组别的信息。go接主持人的“开始”按键。由于无论是在正常情况还是犯规情况下按下按键，都必须显示按键的组别且蜂鸣器响，所以将c的值给hex以输出按键组别，且在有按键按下（c/=0000）时输出fm为1，否则为0。若在开始之前有按键按下时，即go=0且c/=0000，输出ledfg为1，否则为0。若在开始之后

8、有按键按下，将c的值给led，使该组指示灯亮，开始之前led输出“0000”。（3） 程序代码：library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; entity fgqd is port( c:in std_logic_vector(3 downto 0); go:in std_logic; hex:out std_logic_vector(3 downto 0); led:out std_logic_vector(3 downto 0); ledfg,fm:out std_logic); end fgqd; architecture behave_fgqd

9、of fgqd is begin hex=c; led=c when go=1 else 0000; ledfg=1 when go=0 and c/=0000 else 0; fm=1 when c/=0000 else 0;end behave_fgqd; 3、倒计时控制电路模块（1） 功能：设置10秒、15秒、20秒和3O秒四种抢答时间选择功能，输出时间，并判断计时是否到0。（2） 原理：clock接1Hz分频器，grpsl接组别判别模块的输出g。通过判断s的值设置内部减法计数器的初始值q端输出当前计数值。当计数到0且grpsl=“0000”时time0输出高电平以驱动蜂鸣器，发出时间到

10、的警报。（3） 程序代码library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_unsigned.all; entity djs is port( clock,en,aclr:in std_logic; s:in std_logic_vector(1 downto 0); grpsl:in std_logic_vector(3 downto 0); q:buffer std_logic_vector(4 downto 0); time0:out std_logic ); end djs; architecture behave

11、_djs of djs is begin process(clock,aclr,s) begin if (aclr=1) then if (s=00) then q=01010; elsif (s=01) then q=01111; elsif (s=10) then q=10100; else q=11110; end if; else if rising_edge(clock) then if en=1 then q=q-1; if (q=00000 and grpsl=0000) then time0=1; else time0=0; end if; end if; end if; en

12、d if; end process; end behave_djs; 4、分频器模块 （1）功能：实现50MHz1Hz的分频，为倒计时模块提供时钟。（2） 程序代码library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; entity fpq1 is port( clkin :in std_logic; clkout:out std_logic); end fpq1; architecture behave_fpq1 of fpq1 is constant N: Integer:=24999999;signal Counter:Integer RANGE 0 TO

13、N; signal Clk: Std_Logic;begin process(clkin) begin if rising_edge(clkin) then -每计到N个（0n-1）上升沿，输出信号翻转一次 if Counter=N then Counter=0; Clk=NOT Clk; else Counter= Counter+1; end if; end if; end process; clkout= Clk; end behave_fpq1; 5、时间显示译码器（1）功能：将时间信息在7段数码管上显示。（2）程序代码library ieee; use ieee.std_logic_

14、1164.all; entity num_7seg is port( c:in std_logic_vector(4 downto 0); hex:out std_logic_vector(13 downto 0); end num_7seg; architecture behave_num_7seg of num_7seg is begin with c(4 downto 0) select hex= 10000001000000 when 00000 , -0 10000001111001 when 00001 , -1 10000000100100 when 00010 , -2 100

15、00000110000 when 00011 , -3 10000000011001 when 00100 , -4 10000000010010 when 00101 , -5 10000000000010 when 00110 , -6 10000001111000 when 00111 , -7 10000000000000 when 01000 , -8 10000000010000 when 01001 , -9 11110011000000 when 01010 , -10 11110011111001 when 01011 , -11 11110010100100 when 01

16、100 , -12 11110010110000 when 01101 , -13 11110010011001 when 01110 , -14 11110010010010 when 01111 , -15 11110010000010 when 10000 , -16 11110011111000 when 10001 , -17 11110010000000 when 10010 , -18 11110010010000 when 10011 , -19 01001001000000 when 10100 , -20 01001001111001 when 10101 , -21 01

17、001000100100 when 10110 , -22 01001000110000 when 10111 , -23 01001000011001 when 11000 , -24 01001000010010 when 11001 , -25 01001000000010 when 11010 , -26 01001001111000 when 11011 , -27 01001000000000 when 11100 , -28 01001000010000 when 11101 , -29 01100001000000 when 11110 , -30 11111111111111

18、 when others; - end behave_num_7seg;6、组别显示译码器（显示组别）（1）功能：将组别信息显示在7段数码管上。（2）程序代码library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; entity showgroup is port( c:in std_logic_vector(3 downto 0); hex:out std_logic_vector(6 downto 0); end showgroup; architecture behave_showgroup of showgroup is begin with c(3 dow

19、nto 0) select hex= 1111001 when 0001 , -1 0100100 when 0010 , -2 0110000 when 0100 , -3 0011001 when 1000 , -4 1111111 when others; - end behave_showgroup;7、用原理图方法将各模块连接起来构成系统五、 设计收获以及存在的问题： 在这次课程设计中，我做的题目是抢答器的设计。我的设计思想是先将整个系统划分为组别判断电路模块groupslct，犯规判别与抢答信号判别电路模块fgqd，分频电路模块fpq1，倒计时控制电路模块djs，显示时间译码电路模

20、块num_7seg模块，组别显示模块showgroup模块这六个模块，各模块设计完成后，用电路原理图方法将各模块连接构成系统。其中组别判断电路模块groupslct的设计着实让我费了不少时间。此模块首先的一个功能就是选出最快按键的那组。我想，由于人的反应速度远远小于50MHz，各组之间按键时间间隔远大于1/50M s，所以在每次时钟（50MHz）上升沿时判断按键，便可将最快的一组选出来。然后就是将选出的组别锁存。将按下按键的组别赋给一内部信号“h”（没有按键按下时h=“0000”），当复位键按下时（clr=1）输出g=“0000”并且将另一内部信号rst置1。当复位后（rst=1）有按键按下时

21、将h的值给输出信号g，并且将标志信号rst清零。这样就实现最快按键组别锁存功能。六、心得体会 通过此次设计，我掌握了数字电路的设计方法，尤其是模块划分、工程设计思想与电路调试能力，都有了一定的提高。为以后从事各种电路设计、制作与调试工作打下坚实的基础。附录资料:不需要的可以自行删除bat文件的基本应用bat是dos下的批处理文件 .cmd是nt内核命令行环境的另一种批处理文件 从更广义的角度来看，unix的shell脚本以及其它操作系统甚至应用程序中由外壳进行解释执行的文本，都具有与批处理文件十分相似的作用，而且同样是由专用解释器以行为单位解释执行，这种文本形式更通用的称谓是脚本语言。所以从某

22、个程度分析，batch, unix shell, awk, basic, perl 等脚本语言都是一样的，只不过应用的范围和解释的平台各有不同而已。甚至有些应用程序仍然沿用批处理这一称呼，而其内容和扩展名与dos的批处理却又完全不同。 = 首先批处理文件是一个文本文件，这个文件的每一行都是一条DOS命令（大部分时候就好象我们在DOS提示符下执行的命令行一样），你可以使用DOS下的Edit或者Windows的记事本(notepad)等任何文本文件编辑工具创建和修改批处理文件。 = 注 = 批处理文件中完全可以使用非dos命令，甚至可以使用不具有可执行特性的普通数据性文件，这缘于windows系统

23、这个新型解释平台的涉入，使得批处理的应用越来越边缘化。所以我们讨论的批处理应该限定在dos环境或者命令行环境中，否则很多观念和设定都需要做比较大的变动。 = 其次，批处理文件是一种简单的程序，可以通过条件语句(if)和流程控制语句(goto)来控制命令运行的流程，在批处理中也可以使用循环语句(for)来循环执行一条命令。当然，批处理文件的编程能力与C语言等编程语句比起来是十分有限的，也是十分不规范的。批处理的程序语句就是一条条的DOS命令（包括内部命令和外部命令），而批处理的能力主要取决于你所使用的命令。 = 注 = 批处理文件(batch file)也可以称之为批处理程序(batch pro

24、gram)，这一点与编译型语言有所不同，就c语言来说，扩展名为c或者cpp的文件可以称之为c语言文件或者c语言源代码，但只有编译连接后的exe文件才可以称之为c语言程序。因为批处理文件本身既具有文本的可读性，又具有程序的可执行性，这些称谓的界限是比较模糊的。 = 第三，每个编写好的批处理文件都相当于一个DOS的外部命令，你可以把它所在的目录放到你的DOS搜索路径(path)中来使得它可以在任意位置运行。一个良好的习惯是在硬盘上建立一个bat或者batch目录（例如C:BATCH），然后将所有你编写的批处理文件放到该目录中，这样只要在path中设置上c:batch，你就可以在任意位置运行所有你编

25、写的批处理程序。 = 注 = 纯以dos系统而言，可执行程序大约可以细分为五类，依照执行优先级由高到低排列分别是：DOSKEY宏命令（预先驻留内存），COMMAND.COM中的内部命令（根据内存的环境随时进驻内存），以com为扩展名的可执行程序（由 直接载入内存），以exe位扩展名的可执行程序（由 重定位后载入内存），以bat位扩展名的批处理程序（由 解释分析，根据其内容按优先级顺序调用第2，3，4，5种可执行程序，分析一行，执行一行，文件本身不载入内存） = 第四，在DOS和Win9x/Me系统下，C:盘根目录下的AUTOEXEC.BAT批处理文件是自动运行批处理文件，每次系统启动时会自动运

26、行该文件，你可以将系统每次启动时都要运行的命令放入该文件中，例如设置搜索路径，调入鼠标驱动和磁盘缓存，设置系统环境变量等。下面是一个运行于Windows 98下的autoexec.bat的示例： ECHO OFF PATH C:WINDOWS;C:WINDOWSCOMMAND;C:UCDOS;C:DOSTools; C:SYSTOOLS;C:WINTOOLS;C:BATCH LH SMARTDRV.EXE /X LH DOSKEY.COM /insert LH CTMOUSE.EXE SET TEMP=D:TEMP SET TMP=D:TEMP = 注 = AUTOEXEC.BAT为DOS系统

27、的自动运行批处理文件，由COMMAND.COM启动时解释执行； 而在Win9x环境中，不仅增加支持了 DOSSTART.BAT, WINSTART.BAT 等许多其它自动运行的批处理文件，对AUTOEXEC.BAT 也增加了 .DOS .W40 .BAK .OLD .PWS 等许多变体以适应复杂的环境和多变的需求。 = willsort 编注 = 以下关于命令的分类，有很多值得推敲的地方。常用命令中的本不是命令，而dir、copy等也很常用的命令却没有列入, 而特殊命令中所有命令对我来说都是常用命令。建议将批处理所引用的命令分为内部命令、外部命令、第三方程序三类。而内部命令和外部命令中别有一类

28、是专用于或常用于批处理中的命令可称之为批处理命令。 以下摘录MS-DOS 6.22 帮助文档中关于批处理命令的文字，当然，其中有些概念和定义已经有些落后了。 批处理命令 批处理文件或批处理程序是一个包含若干MS-DOS命令的正文文件，扩展名为.BAT。当在命令提示符下敲入批处理程序的名称时，MS-DOS成组执行此批处理程序中的命令。 任何在命令提示符下可使用的命令都可用在批处理程序中。此外，下面MS-DOS命令是专门在批处理程序中使用的。 = 常用命令 echo、call、pause、rem(小技巧：用:代替rem)是批处理文件最常用的几个命令，我们就从他们开始学起。 = 注 = 首先, 不是

29、一个命令, 而是DOS 批处理的一个特殊标记符, 仅用于屏蔽命令行回显. 下面是DOS命令行或批处理中可能会见到的一些特殊标记符: CR(0D) 命令行结束符 Escape(1B) ANSI转义字符引导符 Space(20) 常用的参数界定符 Tab(09) ; = 不常用的参数界定符 + COPY命令文件连接符 * ? 文件通配符 字符串界定符 | 命令管道符 文件重定向符 命令行回显屏蔽符 / 参数开关引导符 : 批处理标签引导符 % 批处理变量引导符 其次, : 确实可以起到rem 的注释作用, 而且更简洁有效; 但有两点需要注意: 第一, 除了 : 之外, 任何以 :开头的字符行, 在

30、批处理中都被视作标号, 而直接忽略其后的所有内容, 只是为了与正常的标号相区别, 建议使用 goto 所无法识别的标号, 即在 :后紧跟一个非字母数字的一个特殊符号. 第二, 与rem 不同的是, :后的字符行在执行时不会回显, 无论是否用echo on打开命令行回显状态, 因为命令解释器不认为他是一个有效的命令行, 就此点来看, rem 在某些场合下将比 : 更为适用; 另外, rem 可以用于 config.sys 文件中. = echo 表示显示此命令后的字符 echo off 表示在此语句后所有运行的命令都不显示命令行本身 与echo off相象，但它是加在每个命令行的最前面，表示运行

31、时不显示这一行的命令行（只能影响当前行）。 call 调用另一个批处理文件（如果不用call而直接调用别的批处理文件，那么执行完那个批处理文件后将无法返回当前文件并执行当前文件的后续命令）。 pause 运行此句会暂停批处理的执行并在屏幕上显示Press any key to continue.的提示，等待用户按任意键后继续 rem 表示此命令后的字符为解释行（注释），不执行，只是给自己今后参考用的（相当于程序中的注释）。 = 注 = 此处的描述较为混乱, 不如直接引用个命令的命令行帮助更为条理 - ECHO 当程序运行时，显示或隐藏批处理程序中的正文。也可用于允许或禁止命令的回显。 在运行批

32、处理程序时，MS-DOS一般在屏幕上显示（回显）批处理程序中的命令。 使用ECHO命令可关闭此功能。 语法 ECHO ON|OFF 若要用echo命令显示一条命令，可用下述语法： echo message 参数 ON|OFF 指定是否允许命令的回显。若要显示当前的ECHO的设置，可使用不带参数的ECHO 命令。 message 指定让MS-DOS在屏幕上显示的正文。 - CALL 从一个批处理程序中调用另一个批处理程序，而不会引起第一个批处理的中止。 语法 CALL drive:pathfilename batch-parameters 参数 drive:pathfilename 指定要调用的

33、批处理程序的名字及其存放处。文件名必须用.BAT作扩展名。 batch-parameters 指定批处理程序所需的命令行信息。 - PAUSE 暂停批处理程序的执行并显示一条消息，提示用户按任意键继续执行。只能在批处 理程序中使用该命令。 语法 PAUSE REM 在批处理文件或CONFIG.SYS中加入注解。也可用REM命令来屏蔽命令（在CONFIG.SYS 中也可以用分号 ; 代替REM命令，但在批处理文件中则不能替代）。 语法 REM string 参数 string 指定要屏蔽的命令或要包含的注解。 = 例1：用edit编辑a.bat文件，输入下列内容后存盘为c:a.bat，执行该批处

34、理文件后可实现：将根目录中所有文件写入 a.txt中，启动UCDOS，进入WPS等功能。 批处理文件的内容为: 命令注释： echo off 不显示后续命令行及当前命令行 dir c:*.* a.txt 将c盘文件列表写入a.txt call c:ucdosucdos.bat 调用ucdos echo 你好 显示你好 pause 暂停,等待按键继续 rem 准备运行wps 注释：准备运行wps cd ucdos 进入ucdos目录 wps 运行wps 批处理文件的参数 批处理文件还可以像C语言的函数一样使用参数（相当于DOS命令的命令行参数），这需要用到一个参数表示符%。 %1-9表示参数，参

35、数是指在运行批处理文件时在文件名后加的以空格（或者Tab）分隔的字符串。变量可以从%0到%9，%0表示批处理命令本身，其它参数字符串用%1到%9顺序表示。 例2：C:根目录下有一批处理文件名为f.bat，内容为： echo off format %1 如果执行C:f a: 那么在执行f.bat时，%1就表示a:，这样format %1就相当于format a:，于是上面的命令运行时实际执行的是format a: 例3：C:根目录下一批处理文件名为t.bat，内容为: echo off type %1 type %2 那么运行C:t a.txt b.txt %1 : 表示a.txt %2 : 表

36、示b.txt 于是上面的命令将顺序地显示a.txt和b.txt文件的内容。 = 注 = 参数在批处理中也作为变量处理, 所以同样使用百分号作为引导符, 其后跟0-9中的一个数字构成参数引用符. 引用符和参数之间 (例如上文中的 %1 与 a: ) 的关系类似于变量指针与变量值的关系. 当我们要引用第十一个或更多个参数时, 就必须移动DOS 的参数起始指针. shift 命令正充当了这个移动指针的角色, 它将参数的起始指针移动到下一个参数, 类似C 语言中的指针操作. 图示如下: 初始状态, cmd 为命令名, 可以用 %0 引用 cmd arg1 arg2 arg3 arg4 arg5 arg

37、6 arg7 arg8 arg9 arg10 | | | | | | | | | | %0 %1 %2 %3 %4 %5 %6 %7 %8 %9 经过1次shift后, cmd 将无法被引用 cmd arg1 arg2 arg3 arg4 arg5 arg6 arg7 arg8 arg9 arg10 | | | | | | | | | | %0 %1 %2 %3 %4 %5 %6 %7 %8 %9 经过2次shift后, arg1也被废弃, %9指向为空, 没有引用意义 cmd arg1 arg2 arg3 arg4 arg5 arg6 arg7 arg8 arg9 arg10 | | | |

38、 | | | | | %0 %1 %2 %3 %4 %5 %6 %7 %8 遗憾的是, win9x 和DOS下均不支持 shift 的逆操作. 只有在 nt 内核命令行环境下, shift 才支持 /n 参数, 可以以第一参数为基准返复移动起始指针. = 特殊命令 if goto choice for是批处理文件中比较高级的命令，如果这几个你用得很熟练，你就是批处理文件的专家啦。 一、if 是条件语句，用来判断是否符合规定的条件，从而决定执行不同的命令。 有三种格式: 1、if not 参数 = 字符串 待执行的命令 参数如果等于(not表示不等，下同)指定的字符串，则条件成立，运行命令，否则

39、运行下一句。 例：if %1=a format a: = if 的命令行帮助中关于此点的描述为: IF NOT string1=string2 command 在此有以下几点需要注意: 1. 包含字符串的双引号不是语法所必须的, 而只是习惯上使用的一种防空字符 2. string1 未必是参数, 它也可以是环境变量, 循环变量以及其他字符串常量或变量 3. command 不是语法所必须的, string2 后跟一个空格就可以构成一个有效的命令行 = 2、if not exist 路径文件名 待执行的命令 如果有指定的文件，则条件成立，运行命令，否则运行下一句。 如: if exist c:c

40、onfig.sys type c:config.sys 表示如果存在c:config.sys文件，则显示它的内容。 * 注 * 也可以使用以下的用法: if exist command device 是指DOS系统中已加载的设备, 在win98下通常有: AUX, PRN, CON, NUL COM1, COM2, COM3, COM4 LPT1, LPT2, LPT3, LPT4 XMSXXXX0, EMMXXXX0 A: B: C: ., CLOCK$, CONFIG$, DblBuff$, IFS$HLP$ 具体的内容会因硬软件环境的不同而略有差异, 使用这些设备名称时, 需要保证以下三点: 1. 该设备确实存在(由软件虚拟的设备除外) 2. 该设备驱动程序已加载(aux, prn等标准设备由系统缺省定义) 3. 该设备已准备好(主要是指a: b: ., com1., lpt1.等) 可通过命令 mem/d | find device /i 来检阅你的系统中所加载的设备 另外, 在DOS系统中, 设备也被