VHDL8路抢答器课程设计

基于VHDL语言的8路抢答器设计摘要本课程设计分为主体电路和扩展电路两部分共同实现抢答器的锁存、显示与报警功能。在本次设计中，系统开发平台为MAXplusⅡ，硬件描述语言是VHDL。竞赛者可以分为8组，抢答时各组对主持人提出的问题要在最短的时间内做出判断，并按下抢答按键回答问题。当第一个人按下按键后，则在显示器上显示该组的号码，对应的灯亮，同时电路将其他各组按键封锁，使其不起作用。若抢答时间内无人抢答，则报警灯亮。回答完问题后，由主持人将所有按键恢复，重新开始下一轮抢答。并且依据设计方案和设计平台完成了程序编写和程序调试，通过运行程序及时序波形的仿真有效验证了设计的正确性，初步实现了设计目标。关键词锁存、显示；抢答器；MAXplusⅡ；VHDL。Abstract:Thiscoursedesignisdividedintotwomaincircuitandexpansioncircuitrealizedpartlyjointinverterlatchresponder,displayandalarmfunction.Inthisdesign,systemdevelopingplatformforMAXplusⅡ,hardwaredescriptionlanguageisVHDL.Competitorsmaybedividedintoeightgroups,viestoanswerfirstwheneachtothehostputsforwardtheproblemsintheshortestpossibletimetomakejudgments,andpressthebuttonsviestoanswerthequestion.Whenthefirstmanpressbuttons,thenonscreendisplaysupervisornumber,thecorrespondinglights,andothergroupscircuitwillbuttonsblockade,makeitdoesn'twork.Ifrespondertimenocontest,thealarmlight.Answersquestions,byahostwillrestoreallkeysandstartagainnextcontest.Andaccordingtothedesignschemeanddesignplatformcompletedprogrammingandprogramtest,throughtoruntheprogramintimesequencewaveformsimulationverifiedeffectivelythecorrectnessofdesign,andthenrealizedthedesigngoal.Keywords:latch,display,Scare-answeringmanometers;MAXplusⅡ;VHDL.目录1引言...............................................................11.1课程设计目的......................................................11.2课程设计具体要求及功能............................................12EDA和MAXplusⅡ简介............................................22.1EDA简介..........................................................22.2MAXplusⅡ........................................................23设计方案.............................................................43.1抢答器控制系统的设计思路..........................................43.2抢答器的系统结构及工作原理........................................43.3具体实现..........................................................64系统仿真.............................................错误!未定义书签。4.1顶层模块及管脚介绍................................错误!未定义书签。4.2仿真结果分析.....................................................20小结....................................................错误!未定义书签。参考文献...............................................错误!未定义书签。附录....................................................错误!未定义书签。**基于VHDL语言的8路抢答器设计第1页共29页1引言随着科学技术的不断发展，促使人们学科学、学技术、学知识的手段多种多样。抢答器作为一种工具，已广泛应用于各种竞赛场合。本课程设计以8路抢答器为理念，实现优先抢答、判决、锁存及数码管显示等功能。在本次计中，系统开发平台为MAXplusⅡ[2]。MAXplusⅡ是Altera公司提供的FPGA/CPLD开发集成环境，Altera是世界上最大可编程逻辑器件的供应商之一。MaxplusⅡ界面友好，使用便捷，被誉为业界最易用易学的EDA软件。在MaxplusⅡ上可以完成设计输入、元件适配、时序仿真和功能仿真、编程下载整个流程，它提供了一种与结构无关的设计环境，是设计者能方便地进行设计输入、快速处理和器件编程。在本次设计中，采用的硬件描述语言是VHDL[1]（Very-High-SpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage）。VHDL语言是一种用于电路设计的高级语言。VHDL主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL的语言形式、描述风格以及语法是十分类似于一般的计算机高级语言。1.1课程设计目的学习ALTERA公司的FPGA/CPLD的结构、特点和性能。学习集成开发软件MAXplusII/QuartusII的使用及设计过程。熟悉EDA工具设计数字电路设计方法，掌握VHDL硬件描述语言设计方法。根据给定题目设计数字电路，来加深对可编程逻辑器件的理解和掌握。1.2课程设计具体要求及功能在所选择器件内完成八路抢答器的设计，要求设计完成后芯片具有抢答器的全部功能、包括显示和操作接口。抢答器要求有八路抢答输入，抢答逻辑设计合理（具有抢答锁定），抢答编号显示，抢答成功指示，抢答完成后状态复位。在相应的器件平台上完成设计的输入、编译、综合或适配通过。8路抢答器控制系统是娱乐活动中经常使用的重要基础设备之一，根据抢答要求，系统所需实现的功能如下：(1)主持人按键清零，数码显示0，蜂鸣器不叫，进入抢答状态。(2)主持人发出开始命令，8人开始抢答。其中一人先按下抢答键，蜂鸣器发出鸣叫，数码显示该人号码，其他人再按键，系统不再响应，直至主持人按键清零，下一次抢答开始。**基于VHDL语言的8路抢答器设计第2页共29页2EDA及MAXplusⅡ简介2.1EDA简介EDA（ElectronicsDesignAutomation）技术是随着集成电路和计算机技术的飞速发展应运而生的一种高级、快速、有效的电子设计自动化工具。它是为解决自动控制系统设计而提出的。EDA在通信行业（电信）里的另一个解释是企业数据架构，EDA给出了一个企业级的数据架构的总体视图，并按照电信企业的特征，进行了框架和层级的划分。EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言HDL完成设计文件，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，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。EDA技术的出现，极大地提高了电路设计的效率和可操作性，减轻了设计者的劳动强度。利用EDA工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计进行八路抢答器的系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将抢答器从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程的计算机上自动处理完成。现在对EDA的概念或范畴用得很宽。包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有EDA的应用。目前EDA技术已在各大公司、企事业单位和科研教学部门广泛使用。2.2MAXplusⅡ简介MaxplusⅡ是Altera公司提供的FPGA/CPLD开发集成环境，Altera是世界上最大可编程逻辑器件的供应商之一。MaxplusⅡ界面友好，使用便捷，被誉为业界最易用易学的EDA软件。在MaxplusⅡ上可以完成设计输入、元件适配、时序仿真和功能仿真、编程下载整个流程，它提供了一种与结构无关的设计环境，是设计者能方便地进行设计输入、快速处理和器件编程。MaxplusⅡ的编译器还提供了强大的逻辑综合与优化功能，使用户比较容易地将设计集成到器件中。●设计输入MAXplusII软件的设计输入方式有多种，主要包括原理图输入方式、文本输入方式、波形设计输入方式、层次设计输入方式和底层设计输入方式。因此，设计人员可以根据自己的实际情况灵活选择使用。●设计编译MAXplusII编译一个设计时，Compiler在设计文件中读取信息并产生编程文件和仿真文件，MessageProcessor（信息处理程序）可自动定位错误。●设计校验设计校验过程包括设计仿真和定时分析，仿真起的作用是测试逻辑操作和设计功能的完备性；TimingAnalyzer（定时分析程序）可分析设计的定时和延时情况。**基于VHDL语言的8路抢答器设计第3页共29页●器件编程MAXplusIIProgrammer是使用Compiler生成的编程文件对Altera器件进行编程的。它可以用来对器件编程、校验和试验，是对设计功能进行的测试。Altera公司器件的编程方法有许多种，可根据具体情况选择使用。编译生成的配置文件经计算机并行通信口接到Altera专用编程电缆上，再接到器件的编程接口[6]，利用应用软件提供的编程软件，Programmer即可对器件进行配置。这种方法的优点是配置方便、迅速，便于修改。MAXplus2在Windows2000/XP上一旦安装完毕，经过设置即可使用硬件下载功能。在Windows2000上除了安装软件外，为了使用ByteBlaster(MV)下载功能，还必须安装硬件驱动(Drivers)以支持MAXplus2对PC机并行口的操作。**基于VHDL语言的8路抢答器设计第4页共29页3设计方案3.1八路抢答器控制系统的设计思路抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮[a1]～[a8]。设置一个系统清除和抢答控制开关Reset,该开关由主持人控制。抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮，锁存相应的编号，扬声器发出声响提示，数码显示选手号码。其他人再按键，系统进行了优先锁存，不再响应，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止，下一次抢答开始。扩展功能：该电路具有犯规报警功能。当主持人未按下开关开始抢答前，参赛选手若按下开关，则抢答系统发出蜂鸣声报警并显示犯规组别。3.2抢答器的系统结构及工作原理（1）系统结构：如图3.1所示为抢答器的结构框图，它由主体电路和扩展电路两部分组成。主体电路完成基本的抢答功能，