基于FPGA的多人搶答器設(shè)計（附源碼工程）

功能說明：

1. 搶答器為四人搶答器。

2. 利用六位數(shù)碼管進行顯示搶答器相關(guān)信息。

3. 第一個數(shù)碼管顯示搶答器的狀態(tài)，第二個數(shù)碼管顯示搶到的編號，沒有搶答成功前顯示數(shù)字0；第三至六顯示搶答用的時間（以百分秒進行顯示）。

4. 板卡默認空閑狀態(tài)（第一個數(shù)碼管顯示字母A（空閑狀態(tài)），第二個數(shù)碼管顯示數(shù)字0），當(dāng)主持人按下?lián)尨鸢粹o后，進入搶答狀態(tài)（第一個數(shù)碼管顯示字母C（搶答狀態(tài)），第二個數(shù)碼管顯示0，第三至六數(shù)碼管開始記錄時間）

5. 在空閑狀態(tài)期間，選手按下按鍵沒有作用，當(dāng)進入搶答狀態(tài)后，選手誰先按下按鍵，第二個數(shù)碼管顯示對應(yīng)的編號（1、2、3、4）。

6. 當(dāng)選手搶答成功后，進入搶答成功狀態(tài)（第一個數(shù)碼管顯示F），但是第二個數(shù)碼管一直顯示上一次搶答成功的編號，第三至六顯示上一次搶答運行的時間。

7. 主持人按下復(fù)位按鈕后，再次進入空閑狀態(tài)，第二個數(shù)碼顯示0，時間清除。

8. 每次主持人按下?lián)尨鸢粹o或者其他四人搶答成功時，蜂鳴器“叮”一聲。

使用平臺：本次設(shè)計應(yīng)用Altera的平臺設(shè)計（芯片：EP4CE10F17C8N）。

仿真平臺：Modelsim。

作者QQ：746833924

說明：本篇設(shè)計中不涉及到IP和原語，代碼在其他平臺依然可以適用；當(dāng)其他板卡電路不同時，會導(dǎo)致不同的現(xiàn)象出現(xiàn)，如有需要修改代碼請聯(lián)系作者；如需作者使用的板卡，請聯(lián)系作者；

設(shè)計思想如下：

module responder (  input     wire                clk, // 50MHz input     wire                rst_n,  input     wire                key_reset, // 主持人復(fù)位按鈕 input     wire                key_start, // 主持人開始搶答按鈕  input     wire                key_1, //第一組的搶答按鈕 input     wire                key_2, //第二組的搶答按鈕 input     wire                key_3, //第三組的搶答按鈕 input     wire                key_4, //第四組的搶答按鈕  output    wire    [5:0]       sel, //數(shù)碼管的位選信號 output    wire    [7:0]       seg, //數(shù)碼管的段選信號  output    wire                beep //蜂鳴器驅(qū)動信號);  wire                          flag_reset; //  主持人復(fù)位脈沖 wire                          flag_start; // 主持人開始搶答脈沖 wire                          flag_1; //第一組搶答脈沖 wire                          flag_2; //第二組搶答脈沖 wire                          flag_3; //第三組搶答脈沖 wire                          flag_4; //第四組搶答脈沖  wire              [23:0]      show_data; // 顯示數(shù)據(jù)  wire                          flag_beep; // 蜂鳴器“叮”一聲的脈沖

key_ctrl模塊負責(zé)將外部的按鍵信號進行消抖，并且產(chǎn)生對應(yīng)邊沿變化時的脈沖；responder_ctrl模塊負責(zé)根據(jù)脈沖信號和設(shè)計邏輯產(chǎn)生對應(yīng)數(shù)字邏輯；seven_tube_drive（七段數(shù)碼管驅(qū)動）模塊負責(zé)將responder_ctrl模塊產(chǎn)生的數(shù)字邏輯顯示到數(shù)碼管上；beep_ctrl模塊負責(zé)根據(jù)一個脈沖驅(qū)動蜂鳴器“?！币宦暋?

key_ctrl模塊設(shè)計思想為：按鍵信號是由外部機械式按鍵產(chǎn)生，每次按下或者抬起時，會產(chǎn)生一定的抖動。如果直接對其進行邊沿檢測就會導(dǎo)致多次觸發(fā)。故而需要設(shè)計按鍵消抖，進而對消抖之后的波形進行邊沿檢測。消抖原理為：外部按鍵信號發(fā)生改變后，如果能夠持續(xù)20ms，沒有新的改變，就認為此次改變不是抖動，而是真正的按下，然后進行采樣即可。

// 記錄任意邊沿之后沒有遇到新的邊沿的時間長度是否達到20Ms

//---------------------------------------------------------------------------------------

always@(posedgeclk)begin

if(rst_n ==1'b0)

     cnt_20ms <=20'd0;

else

if(pulse_key_negedge ==1'b1||pulse_key_posedge ==1'b1)

       cnt_20ms <=20'd1;

else

if(cnt_20ms >20'd0&&cnt_20ms <T_20ms)

         cnt_20ms <=cnt_20ms +1'b1;

else

           cnt_20ms <=20'd0;

end

// ---------------------------------------------------------------------------------------

// 任意邊沿之后沒有遇到新的邊沿的時間長度達到20Ms，認為按鍵穩(wěn)定，此時采樣

//--------------------------------------------------------------------------------------

always@(posedgeclk)begin

if(rst_n ==1'b0)

     key_wave <=1'b1;

else

if(cnt_20ms ==T_20ms)

       key_wave <=key_rr;

else

       key_wave <=key_wave;

end

//--------------------------------------------------------------------------------------

// 對消抖之后的按鍵信號進行邊沿檢測

//---------------------------------------------------------------------------------------------

initialkey_wave_r =1'b1;

always@(posedgeclk)key_wave_r <=key_wave;

assignflag_neg =(key_wave_r ==1'b1&&key_wave ==1'b0)?1'b1:1'b0;

assignflag_pos =(key_wave_r ==1'b0&&key_wave ==1'b1)?1'b1:1'b0;

//--------------------------------------------------------------------------------------------

responder_ctrl模塊的設(shè)計思想：首先根據(jù)主持人復(fù)位、起始脈沖和四組搶答脈沖，確定運行的模式。

reg               [1:0]         state; // 00: 空閑狀態(tài)  01：搶答狀態(tài) 10：搶答成功狀態(tài) // 根據(jù)按鍵進行狀態(tài)切換  always @ (posedge clk) begin if (rst_n == 1'b0) state <= 2'd0; else if (flag_reset == 1'b1) state <= 2'd0; else if (state == 2'd0 && flag_start == 1'b1) state <= 2'd1; else if (state == 2'd1 && flag_1234 == 1'b1) state <= 2'd2; else state <= state; end 

根據(jù)運行的模式，以及顯示的規(guī)則。

// 根據(jù)狀態(tài)進行對應(yīng)的顯示 initial show_data[23:20] = 4'ha; always @ (posedge clk) begin if (rst_n == 1'b0)  show_data[23:20] <= 4'ha; else if (state == 2'd0) show_data[23:20] <= 4'ha; else if (state == 2'd1) show_data[23:20] <= 4'hc; else show_data[23:20] <= 4'hf; end

根據(jù)狀態(tài)和外部按鍵，記錄搶到的組號 ；

在空閑狀態(tài)，顯示組號為0；在搶答狀態(tài)，那個脈沖有效，顯示對應(yīng)的組號；在搶答成功狀態(tài)，保持搶答成功的組號即可。

 always @ (posedge clk) begin if (rst_n == 1'b0) show_data[19:16] <= 4'd0; else if (state == 2'd0) show_data[19:16] <= 4'd0; else if (state == 2'd1) begin if (flag_1 == 1'b1) show_data[19:16] <= 4'd1; if (flag_2 == 1'b1) show_data[19:16] <= 4'd2; if (flag_3 == 1'b1) show_data[19:16] <= 4'd3; if (flag_4 == 1'b1) show_data[19:16] <= 4'd4; end else  show_data[19:16] <= show_data[19:16]; end

在空閑狀態(tài)中，10ms計時器清零，10ms的記錄次數(shù)也清零；在搶答狀態(tài)中，循環(huán)計時10ms，并且記錄10ms的次數(shù)；在搶答成功狀態(tài)，保持記錄10ms的次數(shù)。

// 在搶答狀態(tài)中，循環(huán)記錄10ms  always @ (posedge clk) begin if (rst_n == 1'b0) cnt_10ms <= 19'd0; else if (state == 2'd1 && cnt_10ms < T_10ms - 1'b1) cnt_10ms <= cnt_10ms + 1'b1; else  cnt_10ms <= 19'd0; end // 在搶答狀態(tài)中，記錄經(jīng)過了多少個10ms  always @ (posedge clk) begin if (rst_n == 1'b0) counter <= 32'd0; else if (state == 2'd0) counter <= 32'd0; else if (cnt_10ms == T_10ms - 1'b1) if (counter < 32'd9999) counter <= counter + 1'b1; else counter <= counter; else counter <= counter; end

將記錄的10ms的次數(shù)，轉(zhuǎn)變?yōu)锽CD碼，輸出給數(shù)碼管的驅(qū)動模塊。

 // 將記錄10ms的個數(shù)轉(zhuǎn)換為BCD碼輸出  always @ (posedge clk) begin if (rst_n == 1'b0) show_data[15:0] <= 16'd0; else show_data[3:0] <= counter%10; show_data[7:4] <= counter/10 % 10; show_data[11:8] <= counter/100 % 10; show_data[15:12] <= counter/1000; end

每次主持人按下?lián)尨鸢粹o（在空閑狀態(tài)）或者其他四人搶答成功（在搶答狀態(tài)）時，產(chǎn)生一個蜂鳴器“?！币宦暤拿}沖。

assign flag_beep = ((state == 2'd0 && flag_start == 1'b1) || (state == 2'd1 && flag_1234 == 1'b1)) ? 1'b1 : 1'b0;

beep_ctrl模塊的設(shè)計原理為：蜂鳴器為無源蜂鳴器，需要給一定頻率的方波才可以出聲音。

// 設(shè)計原理：外部輸入脈沖，蜂鳴器出聲音200ms（正好是“?！币宦暎?

// 蜂鳴器出聲音準(zhǔn)備采用500hz的方波來驅(qū)動無源蜂鳴器。

首先設(shè)計一個脈沖有效后，記錄200ms的時間。

// 脈沖拉高后，記錄200ms  always @ (posedge clk) begin if (rst_n == 1'b0) cnt_200ms <= 24'd0; else if (flag_beep == 1'b1 && cnt_200ms == 0) cnt_200ms <= cnt_200ms + 1'b1; else if (cnt_200ms > 24'd0 && cnt_200ms < T_200ms - 1'b1) cnt_200ms <= cnt_200ms + 1'b1; else cnt_200ms <= 24'd0; end

在200ms期間，驅(qū)動蜂鳴器產(chǎn)生500hz的方波。

// 記錄1ms  always @ (posedge clk) begin if (rst_n == 1'b0) cnt_1ms <= 16'd0; else if (cnt_1ms < T_1ms - 1'b1) cnt_1ms <= cnt_1ms + 1'b1; else cnt_1ms <= 16'd0; end // 在200ms期間，每到1ms，beep進行取反  always @ (posedge clk) begin if (rst_n == 1'b0) beep <= 1'b0; else if (cnt_200ms > 24'd0 && cnt_1ms == T_1ms - 1'b1) beep <= ~beep; else beep <= beep; end

以上即為beep_ctrl模塊的設(shè)計思想；

七段數(shù)碼管為普通六位一體的共陽極數(shù)碼，采用動態(tài)驅(qū)動的方式，在此不再贅述。

下板后，我們也可以使用按鍵進行主持人復(fù)位、主持人搶答開始、四組搶答，觀測運行情況。
空閑狀態(tài)如下：

搶答狀態(tài)中，百分秒開始運行。

當(dāng)有搶答按鍵按下后，進入搶答成功狀態(tài)，鎖定組號和搶答運行的時間。

主持人再次按下復(fù)位按鍵，回到空閑狀態(tài)，就可以重復(fù)以上過程。

下板后，演示視頻（鏈接）如下：
https://www.bilibili.com/video/BV1vnYFeNEfK/?vd_source=b5405faeab8632f02533bcbfc5e52e55
     本設(shè)計所有內(nèi)容（設(shè)計代碼、設(shè)計工程）鏈接為：

鏈接：https://pan.baidu.com/s/1PAv-4N10u7K3EZQLdayxlA
提取碼：m3xw

END