毕业设计(论文)基于VHDL的八路数字显示抢答器的设计.doc
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1、基于VHDL语言的八路数字抢答器系统的设计XXX指导教师:XXX摘要 本设计使用VHDL语言设计一个八路数字抢答器系统。VHDL是一种全方位的硬件描述语言,几乎覆盖了以往各种硬件描述语言的功能,整个自顶向下或自底向上的电路设计过程都可以用VHDL来完成。本文阐述了EDA的概念和发展、VHDL语言的优点和语法结构并分析讲解了八路数字抢答器的各模块的功能要求、基本原理以及实现方法。本系统的设计就是采用VHDL硬件描述语言编程,基于MAX-PLUS II平台进行编译和仿真来实现的,其采用的模块化、逐步细化的设计方法有利于系统的分工合作,并且能够及早发现各子模块及系统中的错误,提高系统设计的效率。本设
2、计主要的功能是:1.对第一抢答信号的鉴别和锁存功能;2. 抢答成功声音报警;3.数码显示抢答成功组别;4. 答题限时功能。关键词 电子设计自动化(EDA);VHDL语言;抢答器The Design of the 8 Digital Vies to Answering SnatchesBased on VHDLHe Liwei(Grade 07,Class 6,Major electronics and information engineering ,Electronics and information engineering Dept.,Shaanxi University of Tech
3、nology,Hanzhong 723003,Shaanxi)Tutor: Zhang Zhiwei Abstract This design is the 8 digital vies to answering snatches based on VHDL.VHDL is a kind of hardware description language, which is all-rounds, nearly covers the function of each other kind of hardware description language .Both the entire top-
4、down and bottom-Up circuit design process could be accomplished by VHDL. This article elaborates the concept and development of EDA, explains the advantages and grammar structure of VHDL, meanwhile, analyses the function request, the basic principle as well as the method of accomplishment of each pa
5、rts. This systems design programmers in the VHDL compiled and emulated basing on MAX-PLUS II platform of Altera. Using the modulation, and the gradually detailing design method is of great benefit for the systems division of labor and cooperation, besides, the usage of this method can detect errors,
6、 as early as possible, in several of sub modules and system, enhancing the efficiency of the system design. The main features of this design are: 1. accurately identification of the signal of the first answer and latching this signal; 2. snatches the answering successful and voice alarm 3. Digital d
7、isplay faction 4.the time limited function.Key words: EDA; VHDL; the Answering snatches目 录1 引言11.1 EDA技术的设计优势11.2 论文结构12 系统方案的论证和选择23 系统的设计平台概述33.1 传统和现代的数字系统设计方法比较33.2 硬件描述语言(VHDL)概述33.3 硬件平台Max-plus概述44 数字抢答器系统的设计与实现54.1 抢答器系统设计要求54.2系统总体设计思想54.3子模块的设计思想和实现64.3.1 鉴别模块的设计与实现64.3.2 锁存反馈模块的设计与实现84.3.
8、3 编码模块的设计与实现94.3.4 声音报警模块的设计与实现104.3.5 答题倒计时模块的设计与实现114.3.6 组别译码显示模块的设计与实现145 抢答器的系统实现16结束语18致 谢19参考文献20附录A21附录B29附录C311 引言如今社会智力竞赛是“快乐学习”这一教育模式的典范,它采用在规定的一段时间内抢答和必答等方式,在给人们的生活带来乐趣的同时,也使参与者和观众在愉悦的氛围中学到一些科学知识和生活知识,因此很受大家的喜欢。数字抢答器在智力竞赛中起到很重要的角色,能够准确、公正、直观地判断出首轮抢答者,并且通过抢答器的数码显示和警示蜂鸣等方式指示出首轮抢答者。1.1 EDA技
9、术的设计优势传统的设计方法采用自底向上的设计方法,一般先按电子系统的具体功能要求进行功能划分,然后对每个子模块画出真值表,用卡诺图进行手工逻辑简化,写出布尔表达式,画出相应的逻辑线路图,再据此选择元器件,设计电路板,最后进行实测与调试,由于无法进行硬件系统功能仿真,如果某一过程存在错误,查找和修改十分不便,所以这是一种费时、费力的设计方法,而现代电子设计技术(EDA)是自顶向下且先进高效的。VHDL是一种全方位的硬件描述语言,几乎覆盖了以往各种硬件描述语言的功能,整个自顶向下或自底向上的电路设计过程都可以用VHDL来完成。本系统的设计就是采用VHDL硬件描述语言编程,基于MAX-PLUS II
10、平台进行编译和仿真来实现的,其采用的模块化、逐步细化的设计方法有利于系统的分工合作,并且能够及早发现各子模块及系统中的错误,提高系统设计的效率。在电子产品的设计理念、设计方式、系统硬件构成、设计的重用性、知识产权、设计周期等方面,EDA技术具有一定的优势。所以本次设计的抢答器抛弃了传统的设计方法,选择了采用主流的EDA技术进行设计。1.2 论文结构第一章 引言部分,介绍了该课题的发展前景、现状以及EDA技术的设计优势等;第二章 方案的论证与选择;第三章 概述整个系统设计的软件平台;第四章 详细介绍用VHDL语言对8路数字抢答器的各个模块设计和实现;第五章 系统总体的仿真。2 系统方案的论证和选
11、择本课题的实现可以通过不同的方法来进行,第一种使用单元集成电路实现,第二种使用硬件描述语言(VHDL语言)实现。第一种方法实现的大体的思路如下图所示:优先编码电路抢答按钮锁存器译码电路显示电路主持人控制开关定时电路报警电路图2-1 数字抢答器框图第二种方法实现的思路可以用下面的框图来说明:抢答鉴别复位控制组别锁存声音报警答题倒计时译码输出图2-2 基于VHDL语言实现数字抢答器框图以上两种实现方法中,第一种方法电路较复杂不便于制作,可靠性低,实现起来很困难;而第二种方法只需要软件仿真出来,在一块EDA实验箱上就能实现,制作简单,而且成本低。综合比较之下,我决定采用第二种方案实现本课题。根据第二
12、种方案的的框图所示,整个系统分为以下几个模块来分别实现:1抢答判别模块:它的功能是鉴别八组中是那组抢答成功并且把抢答成功的组别信号输出给锁存模块。2复位控制模块:给节目主持人设置一个控制开关,用来控制系统的清零和抢答的开始。3锁存模块:该电路的作用是当第一个抢答者抢答后,对第一个抢答者的组别进行锁存并显示在数码管上,后面的抢答者信号全都无响应,直到主持人按下复位键。4显示报警模块:就是把各个模块的输入的不同信号经过译码成BCD码然后直接在数码管上显示,还可以加上蜂鸣器的声音,更能给观众一个准确、简明的数字。5在以上功能实现后,还可以扩展实现一些其他功能,比如答题倒计时等功能。本课题采用VHDL
13、语言编写应用程序并调试通过,在MAX+PLUS II软件中仿真并分析仿真波形。3 系统的设计平台概述此次设计是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(VHDL)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。3.1 传统和现代的数字系统设计方法比较传统的数字系统设计方法:基于电路板的设计方法采用固定功能的器件(通用型器件),通过设计电路板来实现系统功能,在系统硬件设计的后期进行仿真和调试 。现代的数字系统设计方法:基于芯片采用PLD,利用EDA开发工具,通过芯片设计来实现系统功能,在系
14、统硬件设计的早期进行仿真。此系统的设计就是采用的现代的数字系统设计方法EDA的设计方法。其与传统的设计方法的具体优劣比较如下表:表3-1 传统设计方法与EDA设计方法的比较传统设计方法EDA设计方法自底向下自顶向下手动设计自动设计软硬件分离打破软硬件屏障原理图设计方式原理图、HDL等设计方式系统功能确定系统功能易改不易仿真易仿真难测试和修改易测试和修改模块难移植和共享模块可移植共享设计周期长设计周期短由以上对比图可知,数字抢答器的设计采用自顶向下的设计方法较优。而传统的电子设计的基本思路还是选择标准集成电路自底向上(Bottom-Up)地构造出一个新的系统,这样的设计方法就如同一砖一瓦地建造金
15、字塔,不仅效率低、成本高而且还容易出错。3.2 硬件描述语言(VHDL)概述硬件描述语言(HDL-Hardware Description Language)是一种用于设计硬件电子系统的计算机语言,早期的硬件描述语言,如ABEL-HDL、AHDL,是由不同的EDA厂商开发的,互相不兼容,而且不支持多层次设计,层次间翻译工作要由人工完成。为了克服以上缺陷,1985年美国国防部正式推出VHDL(Very High Speed IC Hardware Description Language)语言,1987年IEEE采纳VHDL为硬件描述语言标准(IEEE STD-1076)。VHDL用软件编程的方
16、式来描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连接形式,即可以利用软件工具将VHDL源码自动地转化为文本方式表达的基本逻辑元件连接图,即网表文件。与传统的门级描述方式相比,它更适合大规模系统的设计,而且VHDL语言可读性强,易于发现和修改错误。例如在智能抢答器的设计中,我们可以用简单的几个语句完成对整个系统的结构组成以及功能的描述及设计,同时,设计采用自顶向下的设计方法,这种模块化、逐步细化的方法有利于系统的分工合作。用VHDL对系统进行设计,可以在电子设计的各个阶段、各个层次对于编辑好的程序,在Altera公司提供的Max-plus II平台上进行编译、仿真,然后通过时序图可以看出了此编程是否符合预
17、想的设计功能,如果不符合,在硬件测试前就可以及早发现各子模块及系统中的错误,这样的设计特点无疑将提高系统设计的效率。除此之外,用VHDL进行电子系统设计的一个很大的优点是设计者可以专心致力于其功能的实现,而不需要对不影响功能的与工艺有关的因素花费过多的时间和精力。3.3 硬件平台Max-plus概述Max-plus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。Max-plus界面友好,使用便捷,被誉为业界最易用易学的EDA软件。在Max-plus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
18、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。Max-plus开发系统的特点:1、开放的界面Max-plus支持与Cadence,Exemplar logic,Mentor Graphics,Simplicity,View logic和其它公司所提供的EDA工具接口。2、与结构无关Max-plus系统的核心Complier支持Altera公司的FLEX10K、FLEX8000、FLEX6000、MAX9000、MAX7000、MAX5000和Classic可编程逻辑器件,提供了世界上唯一真正与结构无关的可编程逻辑设计环境。3、完全集成化Max-plus的设计输入、处理与较验功
19、能全部集成在统一的开发环境下,这样可以加快动态调试、缩短开发周期。4、丰富的设计库Max-plus提供丰富的库单元供设计者调用,其中包括74系列的全部器件和多种特殊的逻辑功能(Macro-Function)以及新型的参数化的兆功能(Mage-Function)。5、模块化工具设计人员可以从各种设计输入、处理和较验选项中进行选择从而使设计环境用户化。6、硬件描述语言(HDL)Max-plus软件支持各种HDL设计输入选项,包括VHDL、Verilog HDL和Altera自己的硬件描述语言AHDL。4 数字抢答器系统的设计与实现4.1 抢答器系统设计要求 一般来说,设计一台数字抢答器,必须能够准
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