基于fpga的多路抢答器的设计new

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1、浙江理工大学学报，第27卷，第2期，2010年3月JournalofZhejiangSci-TechUniversityVol.27,No.2,Mar.2010文章编号:1673-3851(2010)02-0249-05基于FPGA的多路抢答器设计与实现杨俊秀，赵文来，鲍佳(浙江理工大学信息电子学院，杭州310018)摘要:在MAX十PLUSII软件平台的基础上，基于VHDL语言及图形输入，采用FPGA技术设计了一款6路抢答器，同时，给出了抢答器系统的各个功能模块及对应模块具体电路图。通过对系统进行编译、仿真，并下载到

2、FLEXlOK系列EPF1OKlOLC84-4器件进行测试。结果表明:本设计能实现自锁和互锁，正确显示最先抢答的选手号码，并对答题时间进行30s的限时报警以及复位重新抢答功能。关键词:多路抢答器;FPGA;VHDL;仿真中图分类号:TN702文献标识码:A0引言抢答器是各类竞赛中的必备设备，以客观的电子电路进行状态判断，避免竞赛的不公平。现行的抢答器实现方案主要有两种:一种是小规模数字逻辑芯片和触发器，另外一种用单片机。小规模数字逻辑电路设计思路简单，但电路实现起来比较复杂;单片机实现相对灵活，但随着抢答组数的增加存在

3、1/0口不足的问题。本设计采用FPGA现场可编程技术，避免了硬件电路的焊接与调试，同时由于FPGA的1/0端口丰富，可以在设计的基础上略加修改实现具有多组输入的抢答器，增强了系统的灵活性。1抢答器系统结构1.1设计要求本系统设计一个智力竞赛抢答器，具有6路抢答输入，各自可通过按钮于动申请抢答，要求能够识别最先抢答的信号，用LED显示该组号;对抢答所剩的时间进行计时、显示、超时报警，同时具有复位功能。在设计过程中先将系统模块化，然后逐步实现，系统设计原理图如图1。当6路抢答者之一抢先按下按钮时，抢答器能准确判断出抢答者，

4、并显示组号。抢答应具有互锁功能，即某组抢答成功时，能自动封锁其它组的抢答信号;还应具备自锁功能，即抢答成功后，反复按动该组按钮，不影响组号的显示。主持人开关控制整个系统复位、抢答开始及倒计时开始，抢答成功后倒计时停止;若30s内无人抢图1抢答系统原理图答则报警器响起。1.2基于集成电路的抢答器基于设计要求，可以采用传统的小规模数字逻辑芯片和触发器实现，即使用TTL电路和小规模的数字集成电路来完成逻辑电路图。使用这些标准的逻辑器件是最便宜的，且设计简单，但实现复杂，因要求考虑收稿日期2009-09-04作者简介:杨俊秀(

5、1976-).女，河南开封人，硕士，讲师，主要从事电磁场理论、高频电路方面的教学与科研工作。250浙江理工大学学报2010年第27卷布线和复杂的电路焊接调试等工作，如果出现错误，改动起来特别麻烦。用D触发器实现的4路抢答电路如图2所示，其中74148之后接译码及显示，图2中未画出。7474sllIIU1PRN1D1CLRNlQ•---,IIIIglIIIIg2IIIIg3IIIIg4lCLKlQN2PRN2Q2D2QN2CLRN2CLK74148DFLIP-FLOPS7474ONlPRNlNlD2NlCLRN1Q3Nl

6、CLK1QN4N2PRN2Q5N2D2QN6N2CLRN7N2CLKIEN•~冒冒【【冒(【hENCODER图2用D触发器实现的抢答器其中，Sl代表主持人开关，实现复位及抢答开始，gl、g2、g3、g4代表4路抢答选手有效输入信号。该电路即可以实现组与组之间的互锁，也能实现自锁，但实现起来连线较多，布线、焊接、调试困难，且可靠性差。随着FPGA的出现，作为可编程的集成度较高的ASIC，可将任意的逻辑程序化，简化硬件电路，缩短产品研发周期，提高系统可靠性。2基于FPGA的抢答器现场可编程门阵列(FPGA)是20世纪80年

7、代中期出现的高密度可编程逻辑器件，它内部集成度高，主要由与阵列、或阵列、输入缓冲电路、输出单元等组成。具有在片上编程功能，根据逻辑关系编写程序设计电路，完成某个电路或系统的功能，设计出的电路按硬件方式工作，延迟时间小，工作性能稳定，安装简单。FPGA设计一般采用自顶向下、由粗到细的原则，从系统功能要求入手，进行功能划分和结构设计。顶层指系统的整体要求，最下层指具体的逻辑电路实现。自顶向下将数字系统整体分解为各个子系统和模块，子系统如规模较大则可进一步分解为更小的子系统和模块，直到系统中各个模块关系合理，便于实现。2.1

8、RS触发器模块设计用双D触发器7474创建RS触发器及符号，如图3(a)、图3(b)所示，GS1、GS2表示置数端，GR1、GR2表示复位端，均低电平有效，lQ，2Q为原码输出，N1Q、N2Q为反码输出。7474GSIC二二〉屯在注~IPRNí1ip1DGSllQGR1C::::::>但ι---<::lICLRN日1QlCLR1Q