基于eda智能抢答器设计毕设论文.docx

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基于eda智能抢答器设计毕设论文

学号：

常州大学

毕业设计（论文）

（2012届）

题目

学生

学院专业班级

校内指导教师专业技术职务

校外指导老师专业技术职务

二○一二年六月

基于EDA智能抢答器设计

摘要

本课题设计一款基于EDA的智能抢答器，采用VHDL硬件描述语言编程。

本设计选择以EMP570T100C3芯片为核心芯片，由LED灯提示模块、编码模块、锁存模块和数码显示模块等组成。

设计平台为Altera公司的QuartusII8.0软件。

本文详细介绍了智能抢答器的设计过程，包括系统软件方案设计、系统硬件方案设计、芯片选择、编译仿真平台选择、计时模块的选择、选择控制等部分的设计与实现，对深入研究EDA技术和抢答器具有重大意义。

实验结果表明，该设计不仅实用性强，占用硬件资源少，体积小，而且反映速度快，便于操作，娱乐性强，适合于几十人的抢答，提高了市场竞争力高，具有良好的应用前景。

关键词：

EDA、VHDL、抢答器

BasedonthedesignofEDAintelligentviestoanswerfirst

Abstract:

ThistopicdesignbasedonaEDAintelligentviestoanswerfirstdevice，withVHDLhardwaredescriptionlanguageprogramming.ThisdesignchoicetoEMP570T100C3chipascorechip,theLEDlightsdirectionmodule,codemodules,locktosavemoduleanddigitaldisplaymodule.DesignplatformforAlteracompanyQuartusII8.0software.

Thispaperintroducesthedesignprocessoftheintelligentviestoanswerfirstdevice,includingthesystemsoftwareprojectdesign,systemhardwaredesign,chip,compiled,choosesimulationplatformchoice,thechoiceofthemodule,choosetimercontrolpartofthedesignandimplementation,tothemoreEDAtechnologyandviestoanswerfirstinstrumentshavegreatsignificance.

Theexperimentalresultsshowthatthedesignnotonlypractical,takeuplesshardwareresources,smallvolume,andreflectthespeed,itiseasytooperate,entertainingstrong,suitablefordozensofpeopleviestoanswerfirst,improvethemarketcompetitivenessishigh,ithasagoodapplicationprospect.

Keywords：

EDA、VHDL、Viestoanswerfirstdevice

摘要I

目录III

1引言1

1.1课题的开发背景和意义1

1.2抢答器的现状1

1.3课题任务2

2EDA开发技术概述3

2.1EDA技术的概念3

2.2EDA技术的发展史3

2.3VHDL语言的特点4

2.4QuartusII8.0简介4

2.5CPLD简介5

2.5.1CPLD可编程逻辑器件的发展历程5

2.5.2CPLD的特点6

2.5.3CPLD的使用6

3系统分析与总体方案设计8

3.1智能抢答器的整体设计8

3.2智能抢答器的硬件框图8

3.3实现方案分析与比较9

3.4硬件方案设计10

3.4.1设计平台与仿真工具选择10

3.4.2自顶向下的设计方法11

3.4.3芯片EPM570T100C3简介12

3.4.4芯片74HC04N介绍12

3.4.5芯片CD4060介绍12

3.5抢答器外围电路设计13

3.5.1电源部分13

3.5.2晶振部分13

3.6管脚设置14

4抢答器功能实现与仿真15

4.1顶层模块图15

4.2模块详细设计15

4.2.1编码模块15

4.2.2锁存模块17

4.2.3扬声器提示模块18

4.2.4数码显示模块19

4.3顶层模块设计20

5结论21

参考文献22

致谢23

附录24

1引言

1.1课题的开发背景和意义

当今的社会竞争日益激烈，选拨人才，评选优胜，知识竞赛之类的活动愈加频繁，而在竞赛中往往分成几组参加，这时针对主持人提出的问题，如果要是让抢答者用举手方式来抢答，这在某种程度上会因为主持人的主观误断造成比赛的不公平。

比赛中为了准确、公正、直观地判断出第一位抢答者，这就要有一种抢答设备作为裁判员，这就必然离不开抢答器。

随着科技的发展，现在的抢答器有着数字化，智能化的方向发展，EDA技术的应用给电子产品的开发带来了一次革命使电子产品的设计变得简单。

EDA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。

EDA工具是以计算机的硬件和软件为基本工作平台，集数据库、图形学、图论与拓扑逻辑、计算教学、优化理论等多学科最新成果研制的计算机辅助设计通用软件包。

EDA是电子设计技术的发展趋势，是现代电子设计技术的核心。

利用EDA工具可以代替设计者完成电子系统设计中的大部分工作。

目前由于各种控制系统越来越偏向于智能化，小型化，低功耗，快速稳定准备。

越来越多的的系统设计概念偏向于EDA（电子设计自动化），比如VHDL（硬件描述语言）和FPGA设计，它克服了使用单片机设计系统同时I/0端口不足的问题，也克服了使用模拟电路和数字电路设计系统时硬件电路比较复杂和成本比较高的问题。

智能抢答器作为一种电子产品，早已广泛应用与各种智力和竞赛场合，但目前所使用的抢答器有的电路比较复杂不便于制作，可靠性低，实现起来很困难，有的就用一些专用的集成块，而专业集成块的购买又比较困难。

目前EDA仍然是以计算机为工具，我们可以在EDA软件平台上，用硬件描述语言VHDL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、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，因此EDA技术的的出现，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，现在也应用的非常广泛。

1.2抢答器的现状

随着我国抢答器市场的迅猛发展，与之相关的核心生产技术应用与研究必

将成为业内企业关注的焦点。

技术工艺，是衡量一个企业是否具有先进性，是否

具备市场竞争力，是否能不断领先于竞争者的重要指标依据。

了解国内外抢答器生产核心技术的研发动向、工艺设备、技术应用及趋势对于企业提升产品技术规格，提高市场竞争力十分关键。

目前市场上抢答器种类繁多，功能各异，价格差异也很大。

那么选择一款真正适合的抢答器就非常重要。

抢答器一般分为电子抢答器和电脑抢答器。

电子抢答器的中心构造一般都是由数字电子集成电路组成，其搭配的配件不同又分为，非语言非记分抢答器和语言记分抢答器。

语音记分抢答器是由一个抢答器的主机、主机的显示屏以及选手的记分显示屏等构成，具有记分等功能。

非语言记分抢答器构造很简单，就是一个抢答器的主机和一个抢答按钮组成，在抢答过程中选手是没有记分的显示屏。

电子抢答器多适用于学校和企事业单位举行的简单的抢答活动。

电脑抢答器又分为有线电脑抢答器和无线电脑抢答器。

有线电脑抢答器也是由主机和电脑配合起来，电脑再和投影仪配合起来，利用专门研发的配套的抢答器软件，可以十分完美的表现抢答的气氛。

无线电脑抢答器的构成是由：

主机和抢答器专用的软件和无线按钮。

无线电脑抢答器利用电脑和投影仪，可以把抢答气氛活跃起来，一般多使用于电台等大型活动。

抢答器作为一种电子产品，早已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合，但目前所使用的抢答器有的电路较复杂不便于制作，可靠性低，实现起来很困难，有的则用一些专用的集成块，而专用集成块的购买又很困难。

而本课题设计的抢答器是利用EDA进行的电路设计，其过程简单，在EDA软件下完成，EDA不仅可以设计简单的电子抢答器，还可设计规模较大的电脑抢答器。

1.3课题任务

该设计能够实现抢答以及报警等功能。

本课题以EPM570T100C3芯片为核心芯片，配合LED数码管等外围器件。

该抢答器具有抢答器具有数据锁存功能，并将所锁存的数据用LED数码管显示出来。

在主持人将抢答器清零后，若有参赛者按抢答按钮，数码管立即显示出最先动作的选手的编号，抢答器对参赛选手动作的先后有很强的分辨能力，即较他们动作的先后只相差几毫秒，抢答器也能分辨出来。

数码管不显示后动作选手的编号，只显示先动作选手的编号，并保持到主持人清零为止。

在各抢答按钮为常态时，主持人可用清零按钮将数码管变为零状态，直至有人使用抢答按钮为止。

抢答时间设为10秒。

在10秒后若没有参赛者按抢答按钮，抢答按钮无效。

并保持到主持人清零为止。

2EDA开发技术概述

2.1EDA技术的概念

EDA（ElectronicDesignAutomation）即电子设计自动化，它是近几年来迅速发展起来的将计算机软件、硬件、微电子技术交叉应用的现代电子学科，是20世纪90年代初从CAD（计算机辅助设计）、CAM（计算机辅助制造）、CAT（计算机辅助测试）和CAE（计算机辅助工程）的概念发展而来的。

EDA技术就是以计算机为工作平台、以EDA软件工具为开发环境、以硬件描述语言为设计语言、以ASIC（ApplicationSpecificIntegratedCircuits）为实现载体的电子产品自动化设计过程。

在EDA软件平台上，根据原理图或硬件描述语言HDL完成设计文件，自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合及优化、布局布线、仿真、目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。

2.2EDA技术的发展史

EDA技术的发展大致分为三个阶段：

20世纪70年代，在集成电路制作方面，双极工艺、MOS工艺已得到广泛的应用。

可编程逻辑技术及其器件已经问世，计算机作为一种运算工具已在科研领域得到广泛应用。

而在后期，CAD的概念已见雏形。

这一阶段人们开始利用计算机取代手工劳动，辅助进行集成电路版图编辑、PCB（印刷电路板）布局布线等工作。

20世纪80年代，集成电路设计进入了CMOS（互补场效应管）时代。

复杂可编程逻辑器件已进入商业应用，相应的辅助设计软件也已投入使用。

而在80年代末，出现了FPGA，于是CAE和CAD技术的应用更为广泛，它们在PCB设计方面的原理图输入、自动布局布线及PCB分析，以及逻辑设计、逻辑仿真、逻辑函数化简等方面担任了重要的角色，特别是各种硬件描述语言的出现及其在应用和标准化方面的重大进步，为电子设计自动化必须解决的电路建模、标准文档及仿真测试奠定了坚实的基础。

进入20世纪90年代，随着硬件描述语言的标准化得到进一步的确认，计算机辅助工程、辅助分析和辅助设计在电子技术领域获得更加广泛的应用，与此同时电子技术在通信、计算机及家电产品生产中的市场需求和技术需求，极大地推动了全新的电子设计自动化技术的应用和发展。

特别是集成电路设计工艺步入了超深亚微米阶段，近千万门的大规模可编程逻辑器件的陆续面世，以及基于计算机技术的面向用户的低成本大规模ASIC设计技术的应用，促进了EDA技术的形成和发展。

更为重要的是，各EDA公司致力于推出兼容各种硬件实现方案和支持标准硬件描述语言的EDA工具软件的研究和应用，都有效地将EDA技术推向成熟[3]。

2.3VHDL语言的特点

（1）VHDL语言功能强大,设计方式多样

VHDL语言设计方法灵活多样,既支持自顶向下的设计方式,也支持自底向上的设计方法;既支持模块化设计方法,也支持层次化设计方法。

VHDL语言具有强大的语言结构,只需采用简单明确的VHDL语言程序就可以描述十分复杂的硬件电路。

同时,它还具有多层次的电路设计描述功能。

此外,VHDL语言能够同时支持同步电路、异步电路和随机电路的设计实现,这是其他硬件描述语言所不能比拟的。

（2）VHDL语言具有很强的移植能力

VHDL语言很强的移植能力主要体现在:

对于同一个硬件电路的VHDL语言描述,它可以从一个模拟器移植到另一个模拟器上、从一个综合器移植到另一个综合器上或者从一个工作平台移植到另一个工作平台上去执行。

（3）VHDL语言具有强大的硬件描述能力

VHDL语言具有多层次的电路设计描述功能,既可描述系统级电路,也可以描述门级电路，描述方式既可以采用行为描述、寄存器传输描述或者结构描述,也可以采用三者的混合描述方式。

同时,VHDL语言也支持惯性延迟和传输延迟,这样可以准确地建立硬件电路的模型。

VHDL语言的强大描述能力还体现在它具有丰富的数据类型。

VHDL语言既支持标准定义的数据类型,也支持用户定义的数据类型,这样便会给硬件描述带来较大的自由度。

（4）VHDL语言程序易于共享和复用

VHDL语言采用基于库（library）的设计方法。

在设计过程中,设计人员可以建立各种可再次利用的模块,一个大规模的硬件电路的设计不可能从门级电路开始一步步地进行设计,而是一些模块的累加。

这些模块可以预先设计或者使用以前设计中的存档模块,将这些模块存放在库中,就可以在以后的设计中进行复用。

（5）VHDL语言的设计描述与器件无关

采用VHDL语言描述硬件电路时,设计人员并不需要首先考虑选择进行设计的器件。

这样做的好处是可以使设计人员集中精力进行电路设计的优化,而不需要考虑其他的问题。

当硬件电路的设计描述完成以后,VHDL语言允许采用多种不同的器件结构来实现。

由于VHDL语言是一种描述、模拟、综合、优化和布线的标准硬件描述语言,因此它可以使设计成果在设计人员之间方便地进行交流和共享,从而减小硬件电路设计的工作量,缩短开发周期[3]。

2.4QuartusII8.0简介

MaxplusII作为Altera的上一代PLD设计软件，由于其出色的易用性而得到了广泛的应用。

目前Altera已经停止了对MaxplusII的更新支持。

QuartusII是Altera公司继MaxplusII之后开发的一种针对其公司生产的系列CPLD/PGFA器件的综合性开发软件，它的版本不断升级，从4.0版到10.0版，这里介绍的是QuartusII8.0版，该软件有如下几个显著的特点：

1、QuartusII对器件的支持

QuartusII支持Altera公司的MAX3000A系列、MAX7000系列、MAX9000系列、ACEX1K系列、APEX20K系列、APEXII系列、FLEX6000系列、FLEX10K系列，支持MAX7000/MAX3000等乘积项器件。

支持MAXIICPLD系列、Cyclone系列、CycloneII、StratixII系列、StratixGX系列等。

支持IP核，包含了LPM/MegaFunction宏功能模块库，用户可以充分利用成熟的模块，简化了设计的复杂性、加快了设计速度。

此外，QuartusII通过和DSPBuilder工具与Matlab/Simulink相结合，可以方便地实现各种DSP应用系统；支持Altera的片上可编程系统（SOPC）开发，集系统级设计、嵌入式软件开发、可编程逻辑设计于一体，是一种综合性的开发平台。

2、QuartusII的优点

该软件界面友好，使用便捷，功能强大，是一个完全集成化的可编程逻辑设计环境，是先进的EDA工具软件。

该软件具有开放性、与结构无关、多平台、完全集成化、丰富的设计库、模块化工具等特点，支持原理图、VHDL、VerilogHDL以及AHDL（AlteraHardwareDescriptionLanguage）等多种设计输入形式，内嵌自有的综合器以及仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程。

QuartusII可以在XP、Linux以及Unix上使用，除了可以使用Tcl脚本完成设计流程外，提供了完善的用户图形界面设计方式。

具有运行速度快，界面统一，功能集中，易学易用等特点。

3、QuartusII对第三方EDA工具的支持

对第三方EDA工具的良好支持也使用户可以在设计流程的各个阶段使用熟悉的第三放EDA工具。

Altera的QuartusII可编程逻辑软件属于第四代PLD开发平台。

该平台支持一个工作组环境下的设计要求，其中包括支持基于Internet的协作设计。

Quartus平台与Cadence、ExemplarLogic、MentorGraphics、Synopsys和Synplicity等EDA供应商的开发工具相兼容。

改进了软件的LogicLock模块设计功能，增添了FastFit编译选项，推进了网络编辑性能，并提升了调试能力[4]。

2.5CPLD简介

CPLD主要是由可编程逻辑宏单元（MC,MacroCell）围绕中心的可编程互连矩阵单元组成。

其中MC结构较复杂，并且有复杂的I/O单元互连结构，可由用户根据需要生成特定的电路结构，完成一定的功能。

由于CPLD内部采用固定长度的金属线进行各逻辑块的互连，所以设计逻辑电路具有时间可预测性，避免了分段式互连结构时序不完全预测的缺点。

2.5.1CPLD可编程逻辑器件的发展历程

20世纪70年代中期出现了可编程逻辑阵列器件，它由可编程的与阵列和可编程的或阵列组成。

由于其编程复杂，开发又一定的难度，因而没有得到广泛应用。

20世纪70年代末，推出了可编程阵列逻辑器件，它由可编程的与阵列和固定的或阵列组成，采用熔丝编程的方式，双极性工艺制造，器件的工作速度很高。

由于它的输出结构种类很多，设计很灵活，因而成为第一个得到普通应用的可编程逻辑器件。

20世纪80年代初，Lattice公司发明了通用阵列逻辑器件，采用输出逻辑宏单元的形式和EECMOS工艺结构，具有可擦除、可重复编程、数据可长期保存和可重新组合结构等特点。

GAL比PAL使用更加灵活，因而得到广泛应用。

到80年代中期，Xilinx公司提出现场可编程概念，同时生产出世界上第一片现场可编程逻辑门阵列器件。

它是一种新型的高密度PLD，采用CMOS-SRAM工艺制作，内部由许多独立的可编程逻辑模块组成，逻辑块之间可以灵活地相互连接，具有密度高、编程速度快、设计灵活和可再配置设计能力等许多优点。

同一时期，Altera公司推出EPLD器件。

到80年代末，Lattice公司提出了在系统可编程能力的复杂可编程逻辑器件。

CPLD是在EPLD的基础上发展起来的，采用EECMOS工艺，增加了内部互连线，改进了内部结构体系，比EPLD性能更好，设计更加灵活。

进入20世纪90年代后，高密度PLD在生产工艺、器件的编程和测试技术等方面都有了飞速的发展。

器件的可用逻辑门数超过百万门，并出现了内嵌式复杂功能模块的SoPC。

目前世界各著名的半导体器件公司，均可提供不同类型的CPLD和FPGA产品，新的PLD产品不断面世。

众多公司的竞争促进了可编程集成电路技术的提高，使其性能不断完善，产品日益丰富。

目前应用已深入网络、仪表仪器、汽车电子、数控机床、航天测控设备等方面。

2.5.2CPLD的特点

它具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、对设计者的硬件要求低、标准产品无需测试、保密性强、价格大众化等特点，可实现较大规模的电路设计，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产之中。

几乎所有应用中小规模通用数字集成电路的场合均可应用CPLD器件。

CPLD器件已成为电子产品不可缺少的组成部分，它的设计和应用成为电子工程师必备的一种技能。

2.5.3CPLD的使用

CPLD是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。

其基本设计方法是借助集成开发平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。

此处以抢答器为例简述芯片的设计流程，CPLD的工作大部分是在电脑上完成的。

打开集成开发软件（Altera公司QuartusII）→画原理图、写硬件描述语言（VHDL）→设置工程器件→编译→给出逻辑电路的激励信号，进行仿真，查看逻辑输出结果是否正确→进行管脚输入、输出锁定→生成代码→通过下载电缆将代码传送并存储在CPLD芯片中。

（图2.1为CPLD的结构与工作原理图）

图2.1CPLD的结构与工作原理图

3系统分析与总体方案设计

3.1智能抢答器的整体设计

智能抢答器主要由4部分组成：

1.锁存模块：

该智能抢答器共设8个组别，每组控制一个抢答开关，分别为q1~q8等。

在主持人发出抢答指令后，若有参赛者按抢答器按钮，则该组指示灯亮，同时显示器显示出抢答者的组别。

同时，电路处于自锁状态，以使其他组的抢答器按钮不起作用。

2.编码模块：

在初始状态时，主持人可以设置答题时间的初时值。

在主持人对抢答组别进行确认，并给出倒计时计数开始信号以后，抢答者便可开始回答问题。

此时，显示器从初始值开始倒计时，计至0时停止计数，同时扬声器发出超时报警信号。

若参赛者在规定的时间内回答完问题，主持人即可给出计时停止信号，以免扬声器鸣叫。

3.数码显示模块：

在初始状态时，主持人可以给每组设置初始分值。

每组抢答完后，显示最先抢答选手号码。

4．抢答成功扬声器提示模块：

对抢答成功者予以提示。

智能抢答器工作流程图如图3.1所示

图3.1抢答器工作流程图

抢答器的工作流程图如图3.1所示：

主持人按键、LED灯亮、选手开始抢答，某位选手按键抢答，LED灯灭，数码显示管显示选手号码，抢答结束后由主持人按下复位键，下一轮抢答开始。

其中抢答器的基本工作原理：

在抢答竞赛或呼叫时，有多个信号同时或不同时送入主电路中，抢答器内部的寄存器工作，并识别、记录第一个号码，其他选手抢答无效，在整个抢答器工作过程中，显示电路等还要根据现场的实际情况向外电路输出最优先的信号，数码显示管显示抢答成功选手号码。

3.2智能抢答器的硬件框图

抢答器是由锁存器、编码器、数码显示器、led灯显示器所组成的，其中逻辑设计结构如图3.2所示，八路抢答器的系统功能组成主要由锁存模块、编码模块、数码显示模块、扬声器发声提示模块等四个模块组成。

八路抢答器主要系统由EPM570T100C3芯片来控制，把程序写到EPM570T100C3芯片中实现抢答器上述四个功能。

硬件结构如图3.3所示，主要由EPM570T100C3核心芯片控制。

图3.2系统结构框图

图3.3硬件结构图

3.3实现方案分