基于FPGA的抢答器毕业设计.

摘要本文介绍了一种采用EDA技术，在QuartusII工具软件环境下用VHDL语言编写的数码显示8路抢答器的电路组成、设计思路及功能。

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[1]~[8]表示。

设置一个系统清除和抢答控制开关，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，并在七段数码管上显示选手号码。

选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。

系统主芯片采用EP2C35F484C8，由基本时钟发生电路模块，复位电路模块，键盘防抖动模块，键盘扫描模块，数码管驱动模块，报警频率选择模块组成。

经编译和仿真所设计的程序，在可编程逻辑器件上下载验证，从而完成抢答器功能。

关键词：抢答器；硬件描述语言；可编程逻辑门阵列；AbstractThis article introduces an EDA technology tools in QuartusII environment using VHDL language digital display 8 answering device circuit design ideas and features.Responder same time for eight players or eight team competition, with eight buttons, respectively [1] ~ [8] said. Setting clear and answer in a system control switch, the switch control by the moderator. Responder has a latch and display, the player press the button, latch the corresponding number, speaker audible prompts, and seven-segment digital tube display in player numbers. Players answer in the implementation of the priority latch, first answer in player numbers has been maintained to host the system cleared.System main chip EP2C35F484C8, from the basic clock circuit module, reset the circuit module, keyboard judder module, the keyboard scan module, a digital control drive module, alarm frequency selection module. The compilation and simulation process is designed, in the programmable logic device to download verification, thus completing the Responder feature.Key words：Responder;Very Hardware Description Language; FPGA;目录摘要 (I)Abstract (II)1 绪论 (1)1.1 选题背景 (1)1.1.1 EDA技术的发展 (1)1.1.2课题研究的必要性 (2)1.2课题研究的内容 (2)2 系统方案设计 (3)2.1 FPGA简介 (3)2.1.1 FPGA基本结构 (4)2.1.2 FPGA系统设计流程 (5)2.1.3 FPGA开发编程原理 (7)2.1.4 FPGA配置模式 (7)2.2 FPGA的应用 (8)2.2.1 电路设计中FPGA的应用 (8)2.2.2 产品设计 (8)2.2.3 系统及应用 (9)2.3抢答器总体设计方案 (9)2.3.1抢答器的定义 (9)2.3.2 本文设计的抢答器的构成 (10)2.3.3 抢答器的工作原理 (10)3 系统硬件设计与实现 (12)3.1基本时钟发生模块 (12)3.2键盘防抖动模块 (13)3.2.1键盘的作用 (13)3.2.2键盘系统设计 (13)3.2.3键盘防抖动模块工作方式 (14)3.4键盘扫描模块 (15)3.5数码管驱动模块 (16)3.6报警频率选择模块 (17)4 抢答器的程序设计与实现 (18)4.1 基本时钟发生程序设计 (18)4.2 键盘防抖动程序设计 (18)4.3 键盘扫描程序设计 (19)4.4 数码管驱动程序设计 (19)4.5 报警频率选择程序设计 (20)结论 (22)致谢 (23)参考文献 (24)附录一 (25)附录二 (34)附录三 (45)1 绪论1.1 选题背景现代社会的标志之一就是信息产品的广泛使用，而且是产品的性能越来越强，复杂程度越来越高，更新步伐越来越快。

支撑信息电子产品高速发展的基础就是微电子制造工艺水平的提高和电子产品设计开发技术的发展。

前者以微细加工技术为代表，而后者的代表就是电子设计自动化（electronic design automatic,EDA）技术。

本设计采用的VHDL是一种全方位的硬件描述语言，具有极强的描述能力，能支持系统行为级、寄存器传输级和逻辑门级三个不同层次的设计；支持结构、数据流、行为三种描述形式的混合描述、覆盖面广、抽象能力强，因此在实际应用中越来越广泛。

ASIC是专用的系统集成电路，是一种带有逻辑处理的加速处理器。

而FPGA是特殊的ASIC芯片，与其他的ASIC芯片相比，它具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检测等优点。

在控制系统中，键盘是常用的人机交换接口，当所设置的功能键或数字键按下的时候，系统应该完成该键所设置的功能。

因此，键信息输入是与软件结构密切相关的过程。

根据键盘的结构不同，采用不同的编码方法。

但无论有无编码以及采用什么样的编码，最后都要转换成为相应的键值，以实现按键功能程序的转移。

1.1.1EDA技术的发展EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写，在20世纪60年代中期从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。

20世纪90年代，国际上电子和计算机技术较先进的国家，一直在积极探索新的电子电路设计方法，并在设计方法、工具等方面进行了彻底的变革，取得了巨大成功。

在电子技术设计领域，可编程逻辑器件（如CPLD、FPGA）的应用，已得到广泛的普及，这些器件为数字系统的设计带来了极大的灵活性。

这些器件可以通过软件编程而对其硬件结构和工作方式进行重构，从而使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。

这一切极大地改变了传统的数字系统设计方法、设计过程和设计观念，促进了EDA技术的迅速发展。

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、协议等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、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。

例如在飞机制造过程中，从设计、性能测试及特性分析直到飞行模拟，都可能涉及到EDA技术。

1.1.2课题研究的必要性在科技爆炸式发展的今天，高新技术层出不穷。

数字抢答器作为日常工作学习娱乐当中都能用到的设备，其反映速度尤为重要。

FPGA作为新技术具有如下优点：1,FPGA运行速度快。

2,FPGA管脚多,容易实现大规模系统。

3,FPGA内部程序并行运行,有处理更复杂功能的能力。

4,FPGA有大量软核,可以方便进行二次开发。

在进行智力竞赛时，每个参赛队员考虑后都希望抢答成功，如果没有合适的设备，主持人就会很难分辨出哪组队员抢答成功，为了使比赛顺利进行，设计了一款基于FPGA的抢答器。

所以学习FPGA利用FPGA进行高精度数字抢答器的设计十分必要。

1.2课题研究的内容本课题研究的抢答器要求同时供8名选手或8个代表队比赛，选手按动按钮，，扬声器发出声响提示，并在七段数码管上显示选手号码。

选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。

当主持人未按下开关开始抢答前，参赛选手按下开关无效。

本设计第一章内容为绪论，简单介绍论文背景以及设计的意义。

第二章为方案介绍，介绍了本设计实现的主要技术以及方案的确定。

第三章为硬件部分介绍，主要实现各个功能模块的分析以及工作流程分析。

第四章为软件部分设计，介绍VHDL语言编程的相关模块实体，并通过流程图的形式，给出工作过程。

2 系统方案设计2.1 FPGA简介FPGA是现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array）的简称，与之相应的CPLD是复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device）的简称，两者的功能基本相同，只是实现原理略有不同，所以有时可以忽略这两者的区别，统称为可编程逻辑器件或CPLD/PGFA。

CPLD/PGFA几乎能完成任何数字器件的功能，上至高性能CPU，下至简单的74电路。

它如同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入或硬件描述语言自由的设计一个数字系统。

通过软件仿真可以事先验证设计的正确性，在PCB完成以后，利用CPLD/FPGA的在线修改功能，随时修改设计而不必改动硬件电路。

使用CPLA/FPGA开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少PCB面积，提高系统的可靠性。

这些优点使得CPLA/FPGA技术在20世纪90年代以后得到飞速的发展，同时也大大推动了EDA软件和硬件描述语言HDL的进步。

目前以硬件描述语言（Verilog 或VHDL）所完成的电路设计，可以经过简单的综合与布局，快速的烧录至FPGA 上进行测试，是现代IC 设计验证的技术主流。