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基于FPGA的智力竞赛抢答器设计.doc

发布时间：2022-06-13 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.27M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    第一章 绪 论
    一、EDA技术
    （一）EDA的基本特征及作用
    （二）EDA技术的发展趋势
    二、关于课题
    第二章 FPGA技术
    一、FPGA的定义
    二、FPGA的发展及特点
    三、FPGA设计流程
    第三章 智力竞赛抢答器的VHDL语言设计
    一、VHDL硬件描述语言
    二、VHDL程序的结构体和进程
    三、VHDL属性
    四、系统设计的总体思路
    （一）系统设计的要求
    （二）总体方案设计
    第四章 各模块仿真与分析结果
    一、抢答器FENG（输入信号）模块
    二、抢答器SEL（片选信号）模块
    三、抢答器LOCKB（锁存器）模块
    四、抢答器CH41A（二进制数转换）模块
    五、抢答器CH31A（信号输出）模块
    六、抢答器COUNT（计时）模块
    七、抢答器DISP（译码器驱动）模块
    八、抢答器上升沿触发模块
    九、原理图仿真
    第五章 结 语
    致 谢
    参考文献
    扬州大学本科生毕业设计 基于 FPGA 的智力竞赛抢答器设计 摘要 FPGA 是英文 Field Programmable Gate Array（现场可编程门阵列）的缩写，它是在 PAL、GAL、PLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物，是专用集成电路（ASIC） 中集成度最高的一种。本设计主要是利用 FPGA 完成一个 4 人参加的智力竞赛抢答器。 抢答器广泛用于电视台、商业机构及学校，为竞赛增添了刺激性、娱乐性，在一定程度 上丰富了人们的业余生活。在竞赛中当主持人下达命令后，抢答器能够准确判断出第一 抢答信号并将其锁存，同时将输入信号封锁，使其它抢答无效；若在一定时间内选手没 有回答出问题，蜂鸣器则发出声响以示警告。文中叙述了智力竞赛抢答器的基本结构和 工作原理，利用 MAXPLUSⅡ对各模块进行了编程实现与仿真，此外还对抢答器的整个 系统进行了仿真和分析。 关键词：FPGA 抢答器 MAX PLUSⅡ
    扬州大学本科生毕业设计 The Intellectual Competition Quiz Machine Design Based On the FPGA Abstract FPGA is the abbreviation of Field Programmable Gate Array , it is the product which is developed on the basis of the programmable components, such as PAL, GAL, PLD and so on. It has the highest integration rate of the ASIC. An intellectual competition quiz machine through FPGA is designed in the report. Quiz machine is widely used in the television station, the business and the school, which also increases the stimulation, entertainment. To a certain extent, it has enriched people's extra-curricular life. In the competition, when the host issues the order, quiz machine can judge the first answer’s signal accurately and latches it. At the same time , the input signal is latched and the other answer is invalid . If the player can not answer the question in scheduled time, the buzzer is audible to warn. In the report , we the basic structure and the principle of the quiz machine .The modules of the quiz describe machine are programming carried out and simulated using MAXPLUSⅡ. The whole system is also simulated and analyzed in the report. Key words: FPGA quiz machine MAX PLUSⅡ
    扬州大学本科生毕业设计 目录 第一章 绪 论........................................................................................................................1 一、EDA 技术....................................................................................................................1 （一） EDA 的基本特征及作用...............................................................................1 （二）EDA 技术的发展趋势.....................................................................................2 二、关于课题.....................................................................................................................3 第二章 FPGA 技术.................................................................................................................5 一、FPGA 的定义..............................................................................................................5 二、FPGA 的发展及特点..................................................................................................5 三、FPGA 设计流程..........................................................................................................6 第三章 智力竞赛抢答器的 VHDL 语言设计.......................................................................8 一、VHDL 硬件描述语言.................................................................................................8 二、VHDL 程序的结构体和进程.....................................................................................9 三、VHDL 属性...............................................................................................................11 四、系统设计的总体思路...............................................................................................11 （一）系统设计的要求............................................................................................12 （二）总体方案设计................................................................................................12 第四章 各模块仿真与分析结果..........................................................................................14 一、抢答器 FENG（输入信号）模块............................................................................14 二、抢答器 SEL（片选信号）模块...............................................................................15 三、抢答器 LOCKB（锁存器）模块............................................................................ 16 四、抢答器 CH41A（二进制数转换）模块..................................................................18 五、抢答器 CH31A（信号输出）模块..........................................................................20 六、抢答器 COUNT（计时）模块................................................................................ 21 七、抢答器 DISP（译码器驱动）模块......................................................................... 23 八、抢答器上升沿触发模块...........................................................................................25 九、原理图仿真...............................................................................................................25 第五章 结 语......................................................................................................................27 谢..................................................................................................................................28 参考文献..................................................................................................................................29 致
    扬州大学本科生毕业设计 第一章 绪 论 一、EDA 技术 电子设计技术的核心就是 EDA 技术，EDA 是指以计算机为工作平台，融合应用电 子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成的电子 CAD 通用软件包，主要能 辅助进行三方面的设计工作，即 IC 设计、电子电路设计和 PCB 设计。EDA 技术已有 30 年的发展历程，大致可分为三个阶段：70 年代为计算机辅助设计（CAD）阶段，人 们开始用计算机辅助进行 IC 版图编辑、PCB 布局布线，取代了手工操作；80 年代为计 算机辅助工程（CAE）阶段，与 CAD 相比，CAE 除了有纯粹的图形绘制功能外，又增 加了电路功能设计和结构设计，并且通过电气连接网络表将两者结合在一起，实现了工 程设计，CAE 的主要功能是：原理图输入，逻辑仿真，电路分析，自动布局布线，PCB 分析；90 年代为电子系统设计自动化（EDA）阶段。 （一）EDA 的基本特征及作用 EDA 代表了当今电子设计技术的最新发展方向，它的基本特征是：设计人员按照“自 顶向下”的设计方法，对整个系统进行方案设计和功能划分，系统的关键电路用一片或 几片专用集成电路（ASIC）实现，然后采用硬件描述语言（HDL）完成系统行为级设 计，最后通过综合器和适配器生成最终的目标器件，这样的设计方法被称为高层次的电 子设计方法。 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。 EDA 在教学、科研、产品设计与制造等各方面都发挥着巨大的作用。在教学方面， 几乎所有理工科（特别是电子信息）类的高校都开设了 EDA 课程。主要是让学生了解 EDA 的基本概念和基本原理、掌握用 HDL 语言编写规范、掌握逻辑综合的理论和算法、 使用 EDA 工具进行电子电路课程的实验验证并从事简单系统的设计。掌握一般学习电 路仿真工具（如 multiSIM、PSPICE）和 PLD 开发工具（如 Altera/Xilinx 的器件结构及 开发系统），为今后工作打下基础。 科研方面主要利用电路仿真工具（multiSIM 或 PSPICE）进行电路设计与仿真；利 1
    扬州大学本科生毕业设计 用虚拟仪器进行产品测试；将 CPLD/FPGA 器件实际应用到仪器设备中；从事 PCB 设计 和 ASIC 设计等。 在产品设计与制造方面，包括计算机仿真，产品开发中的 EDA 工具应用、系统级 模拟及测试环境的仿真，生产流水线的 EDA 技术应用、产品测试等各个环节。如 PCB 的制作、电子设备的研制与生产、电路板的焊接、ASIC 的制作过程等。 从应用领域来看，EDA 技术已经渗透到各行各业，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 应用。另外，EDA 软 件的功能日益强大，原来功能比较单一的软件，现在增加了很多新用途。如 AutoCAD 软件可用于机械及建筑设计，也扩展到建筑装璜及各类效果图、汽车和飞机的模型、电 影特技等领域。 （二）EDA 技术的发展趋势 EDA 技术发展迅猛，完全可以用日新月异来描述。EDA 技术的应用广泛，现在已 涉及到各行各业。EDA 水平不断提高，设计工具趋于完美的地步。EDA 市场日趋成熟， 但我国的研发水平仍很有限，尚需迎头赶上。 从目前的 EDA 技术来看，其发展趋势是政府重视、使用普及、应用广泛、工具多 样、软件功能强大。 中国 EDA 市场已渐趋成熟，不过大部分设计工程师面向的是 PCB 制板和小型 ASIC 领域，仅有小部分（约 11%）的设计人员开发复杂的片上系统器件。为了与台湾和美国 的设计工程师形成更有力的竞争，中国的设计队伍有必要引进和学习一些最新的 EDA 技术。 在信息通信领域，要优先发展高速宽带信息网、深亚微米集成电路、新型元器件、 计算机及软件技术、第三代移动通信技术、信息管理、信息安全技术，积极开拓以数字 技术、网络技术为基础的新一代信息产品，发展新兴产业，培育新的经济增长点。要大 力推进制造业信息化，积极开展计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程（CAE）、计 算机辅助工艺（CAPP）、计算机辅助制造（CAM）、产品数据管理（PDM）、制造资源 计划（MRPII）及企业资源管理（ERP）等。有条件的企业可开展“网络制造”，便于合 作设计、合作制造，参与国内和国际竞争。开展“数控化”工程和“数字化”工程。自动化 仪表的技术发展趋势的测试技术、控制技术与计算机技术、通信技术进一步融合，形成 测量、控制、通信与计算机（M3C）结构。在 ASIC 和 PLD 设计方面，向超高速、高密 2
    扬州大学本科生毕业设计 度、低功耗、低电压方面发展。 外设技术与 EDA 工程相结合的市场前景看好，如组合超大屏幕的相关连接，多屏 幕技术也有所发展。 中国自 1995 年以来加速开发半导体产业，先后建立了几所设计中心，推动系列设 计活动以应对亚太地区其它 EDA 市场的竞争。 在 EDA 软件开发方面，目前主要集中在美国，但各国也正在努力开发相应的工具。 日本、韩国都有 ASIC 设计工具，但不对外开放。中国华大集成电路设计中心，也提供 IC 设计软件，但性能不是很强。相信在不久的将来会有更多更好的设计工具在各地开花 并结果。据最新统计显示，中国和印度正在成为电子设计自动化领域发展最快的两个市 场，年增长率分别达到了 50%和 30%。 总之，EDA 技术是电子设计领域的一场革命，目前正处于高速发展阶段，每年都 有新的 EDA 工具问世。广大电子工程人员掌握这一先进技术，这不仅是提高设计效率 的需要，更是我国电子工业在世界市场上生存、竞争与发展的需要。 二、关于课题 无论是学校、工厂、军队还是益智性电视节目，都会举办各种各样的智力竞赛，都 会用到抢答器。目前市场上已有各种各样的智力竞赛抢答器，但绝大多数是早期设计的， 以模拟电路、数字电路或者模拟电路与数字电路组合的产品。这部分抢答器已相当成熟， 但功能越多的电路相对来说就越复杂，且成本偏高，故障高，显示方式简单（有的甚至 没有显示电路），无法判断提前抢按按钮的行为，不便于电路升级换代。近年来随着科 技的飞速发展，EDA 的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月异。 本设计就是利用可编程逻辑器件作为核心部分进行逻辑控制及信号的产生，用抢答器本 身的优势使竞赛真正的达到公正、公平、公开。 本次设计使用的 FPGA 开发软件是 MAXPLUSⅡ，MAXPLUSⅡ是 Altera 公司提供的 集成开发环境，界面友好，使用便捷，被业界誉为最易用易学的 EDA 软件。另外，可 编程器件的广泛应用，为数字系统的设计带来了极大的灵活性。由于可编程器件可以通 过软件编程对硬件的结构和工作方式进行重构，使得硬件的设计可以如同软件设计那样 快捷方便。由于高速发展的 FPGA/CPLD 兼有串、并行工作方式和高速、高可靠性的特 点，在电子系统设计中得到了广泛应用。 通常使用硬件描述语言（Hardware Description Language，HDL）进行数字电子系统 3
    扬州大学本科生毕业设计 设计。目前应用广泛的硬件描述语言有：VHDL 语言， Verilog HDL 语言，AHDL 语言。 VHDL 语言由于具有强大的行为描述能力和丰富的仿真语句从而成为系统设计领域最 佳的硬件描述语言。 鉴于如上所述，本系统使用 VHDL 语言进行设计，采用自上向下的设计方法。目标 器件选用 FPGA 器件。 4
    扬州大学本科生毕业设计 第二章 FPGA 技术 一、FPGA 的定义 FPGA 是英文 Field Programmable Gate Array（现场可编程门阵列）的缩写，它是在 PAL、GAL、PLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物，是专用集成电路（ASIC） 中集成度最高的一种。FPGA 采用了逻辑单元阵列 LCA（Logic Cell Array）这样一个新 概念，内部包括可配置逻辑模块 CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块 IOB （Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。用户可对 FPGA 内部的逻 辑模块和 I/O 模块重新配置，以实现用户的逻辑。它还具有静态可重复编程和动态在系 统重构的特性，使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改。作为专用集成电路 （ASIC）领域中的一种半定制电路，FPGA 既解决了定制电路的不足，又克服了原有可 编程器件门电路数有限的缺点。可以毫不夸张的讲，FPGA 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，都可以用 FPGA 来实现。FPGA 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法，或用硬件描述语言来设计一个数 字系统。通过软件仿真，我们可以事先验证设计的正确性。在 PCB 完成以后，还可以 利用 FPGA 的在线修改能力，随时修改设计而不必改动硬件电路。使用 FPGA 来开发数 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。FPGA 是由存放 在片内 RAM 中的程序来设置其工作状态的，因此工作时需要对片内的 RAM 进行编程。 用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。加电时，FPGA 芯片将 EPROM 中数据读入片内 RAM 中，配置完成后，FPGA 进入工作状态。掉电后，FPGA 恢复成 白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA 能够反复使用。FPGA 的编程无须专用的 FPGA 编程器，只须用通用的 EPROM、PROM 编程器即可。当需要修改 FPGA 功能时，只需 换一片 EPROM 即可。这样，同一片 FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功 能。因此，FPGA 的使用非常灵活。可以说，FPGA 芯片是小批量系统提高系统集成度、 可靠性的最佳选择之一。目前 FPGA 的品种很多，有 XILINX 的 XC 系列、TI 公司的 TPC 系列、ALTERA 公司的 FIEX 系列等。 二、FPGA 的发展及特点 5
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