基于FPGA的搶答器設(shè)計與實現(xiàn)

　搶答器在各類競賽中的必備設(shè)備，有單路輸入的，也有組輸入方式，本設(shè)計以FPGA 為基礎(chǔ)設(shè)計了有三組輸入（每組三人），具有搶答計時控制，能夠?qū)Ω鲹尨鹦〗M成績進(jìn)行相應(yīng)加減操作的通用型搶答器；現(xiàn)行的搶答器中主要有兩種：小規(guī)模數(shù)字邏輯芯片譯碼器和觸發(fā)器來做，另外一種用單片機(jī)來做；小規(guī)模數(shù)字邏輯電路比較復(fù)雜，用單片機(jī)來做隨著搶答組數(shù)的增加有時候存在I/O 口不足的情況；本設(shè)計采用FPGA 來做增強(qiáng)了時序控制的靈活性，同時由于FPGA 的I/O 端口資源豐富，可以在本設(shè)計基礎(chǔ)上稍加修改可以設(shè)計具有多組輸入的搶答器。

　　功能描述

　　本文設(shè)計了一個通用型電子搶答器：三個參賽隊，每個隊有三個成員，各自可手動按按鈕申請搶答權(quán)；回到正確加1 分，回答錯誤減1 分，違規(guī)搶答減1分，不搶答不加分不扣分；用4 位LED 的左邊2 位顯示搶答組號及搶答計時時間，右邊2 位顯示相應(yīng)組的成績。

　　搶答器具體功能如下：

　　1、可同時進(jìn)行三組每個小組三人的搶答， 用9 個按鈕Group1_1，Group1_2，Group1_3，Group2_1，Group2_2，Group2_3，Group3_1，Group3_2，Group3_3 表示；

　　2、設(shè)置一個搶答控制開關(guān)Start，該開關(guān)由主持人控制;只有當(dāng)主持人按下開始鍵才能搶答；在按開始按鈕前搶答屬于違規(guī)；

　　3、搶答器具有定時搶答功能，且一次搶答的時間設(shè)定為30 秒。當(dāng)主持人啟動“開始”鍵后，用4 位LED 數(shù)碼管左邊兩位顯示30s 的倒計時；同時紅色LED燈亮，表明可以搶答。

　　4、搶答器具有鎖存與顯示功能。即選手按動按鈕，鎖存相應(yīng)的組號，并在4 位LED 數(shù)碼管的左邊兩位顯示，同時用一個綠色LED 指示是否有選手搶答，如果是違規(guī)搶答還能用選手蜂鳴器報警提示。搶答實行優(yōu)先鎖存，優(yōu)先搶答選手的相應(yīng)組號和成績一直保持到下一輪搶答開始。

　　5、參賽選手在設(shè)定的時間內(nèi)進(jìn)行搶答，搶答有效，數(shù)碼管左邊兩位顯示 ”FX”，如果搶答違規(guī)則顯示 ”XF”（其中X 表示組號1～3），并保持到下一輪搶答。如果搶答延遲時間已到，無人搶答，本次搶答無效，系統(tǒng)回到主持人按開始前的等待狀態(tài)，數(shù)碼管上左邊兩位顯示“FF”。

　　6、當(dāng)搶答有效后，主持人可以根據(jù)搶答選手回答問題正確與否對選手相應(yīng)組數(shù)的成績進(jìn)行加減分操作，搶答違規(guī)也能減分操作，用4 位LED 數(shù)碼管右邊兩位顯示相應(yīng)組數(shù)的成績。（注各組初始成績?yōu)?0 分）

　　設(shè)計架構(gòu)

　　本文以FPGA 為基礎(chǔ)設(shè)計的電子搶答器，根據(jù)設(shè)計功能要求，改設(shè)計主要包括搶答輸入鍵盤，數(shù)碼管顯示，報警及FPGA 最小系統(tǒng)。搶答器結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

　　1、FPGA 最小系統(tǒng)電路：FPGA 正常工作時的基本電路，由時鐘和復(fù)位電路組成。

　　2、鍵盤輸入電路：用3×3 矩陣鍵盤組成3 個組共9 個人的搶答按鈕。同時包括Start， Add， Sub 三個由主持人控制的單獨按鈕。

　　3、顯示模塊：用移位寄存器74HC164 驅(qū)動4 位共陰數(shù)碼管顯示；數(shù)碼管要顯示的數(shù)據(jù)通過74HC164 串行數(shù)據(jù)端口輸入。

　　4、報警及相關(guān)信息顯示：蜂鳴器電路和LED 燈顯示相關(guān)狀態(tài)信息指示電路。

　　各模塊詳細(xì)描述

　　1、FPGA 與各個模塊的接口

　　本文以XC3S400 為基礎(chǔ)設(shè)計的電子搶答器，搶答器實際上是一個人機(jī)接口的一個智能設(shè)備，該設(shè)計中用到的FPGA 外部I/O 口及其與外部各個模塊連接的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識如圖2 所示。

　　圖2.FPGA 的IO 接口

　　2、按鍵模塊

　　由于按鍵是機(jī)械的動作，按鍵存在電平抖動，為了消除按鍵抖動引起的干擾，需要等按鍵值達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時才讀取按鍵的值，也就是說要當(dāng)按鍵按下一段時間后，才讀取按鍵值；本設(shè)計中搶答開始鍵（Start）、搶答后各組成績的加（Add）和減（Sub）按鍵是以單鍵的形式輸入，按鍵延遲時間為20ms，對于搶答組的按鍵是用3×3 陣列鍵盤實現(xiàn)，row=3’b001 以周期為5.08ms 進(jìn)行循環(huán)左移掃描，掃描完三行的周期為15.24ms，這個就是說只有當(dāng)兩個按鍵之間的時間間隔在15.24ms 之內(nèi)時才有可能存在一個按鈕在比另一個按鈕先按，而響應(yīng)后者；實際操作中，兩人按鍵之間的間隔大于這個時間間隔，因此，不會出現(xiàn)錯誤響應(yīng)。同時每個按鍵后的延遲等待125.76ms 后此按鍵值才有效；經(jīng)過實際測試，鍵盤具有消抖功能，能夠正確檢測按鍵值。按鍵電路圖如圖3 所示。

　　圖3.按鍵電路

　　圖注： Group1_1，Group1_2，Group1_3 分別表示第一參賽小組的三個成員的按鈕， 依次類推Group2_1，Group2_2，Group2_3 和 Group1_1，Group1_2，Group1_3 分別代表第二和第三參賽小組的三個成員；Start、Add、Sub 分別代表搶答開始按鍵、對小組成績的加操作和減操作按鈕！

　　3、顯示模塊

　　顯示模塊由4 位的LED 數(shù)碼管顯示搶答組數(shù)、是否違規(guī)搶答信息、按下?lián)尨疰I后的搶答時間、各組所得分?jǐn)?shù)等信息；其中數(shù)碼管左邊2 位顯示搶答組號及搶答計時時間，右邊2 位顯示相應(yīng)組的成績。數(shù)碼管的驅(qū)動電路（譯碼電路）用兩片74164 控制；電路圖如圖4 所示。

　　顯示數(shù)據(jù)信息通過74164 的串行譯碼傳送到數(shù)碼管對應(yīng)段，對應(yīng)位顯示；對于數(shù)碼管顯示的時序特別要注意：數(shù)碼管是采用動態(tài)掃描方式顯示，所有位掃描顯示一次的頻率一定要大于相應(yīng)位數(shù)據(jù)改變的頻率；同時當(dāng)數(shù)碼管對于數(shù)據(jù)改變的同時一定要把相應(yīng)數(shù)據(jù)送到數(shù)碼管進(jìn)行顯示，即數(shù)據(jù)改變和數(shù)據(jù)顯示要同步；此設(shè)計中4 位數(shù)碼管動態(tài)掃描頻率位190Hz，而數(shù)碼管要顯示的搶答組數(shù)、搶答組的成績等信息的變化頻率都是秒級，即幾秒鐘或者幾分鐘變化一次，滿足數(shù)碼管顯示要求。

　　圖4.顯示電路

　　注：數(shù)碼管為共陰數(shù)碼管，其中pin6，pin8，pin9，pin12 依次為位碼，其余為段碼；

　　4、時鐘復(fù)位

　　此模塊用于生成FPGA 系統(tǒng)時鐘和復(fù)位電路，采用有源晶振和低電平復(fù)位。系統(tǒng)時鐘采用50MHz，能夠滿足電路設(shè)計要求，電路如圖5 所示。

　　圖5.時鐘復(fù)位電路

　　5、報警模塊

　　報警主要用于響應(yīng)當(dāng)沒有按開始鍵之前違規(guī)搶答信號；即當(dāng)違規(guī)時蜂鳴器響；同時還增加了一個紅色用于顯示當(dāng)按下開始鍵的信號；即當(dāng)主持人按下開始按鍵時，紅色LED 燈亮；同時用一個綠色LED 燈指示有選手按搶答按鈕，選手按鍵搶答，綠色LED 閃爍一次。電路圖如圖6 所示。

　　圖6.報警和指示

　　軟件代碼描述

　　軟件設(shè)計主要采用verilog HDL 語言進(jìn)行設(shè)計，采用狀態(tài)機(jī)對搶答器的各個過程進(jìn)行控制，設(shè)計中采用了層次化和模塊化的思想，即頂層模塊只有一個控制搶答器的主狀態(tài)機(jī)和模塊例化，然后分別用子模塊實現(xiàn)數(shù)碼管顯示，成績多路選擇器，成績的處理模塊，按下?lián)尨痖_始鍵后的延遲等待模塊，按鍵模塊等。程序流程圖如圖7 所示。

                                                                  　圖7.程序流程圖

　　圖注： 顯示“FF+成績”中FF 表示無效狀態(tài)，成績表示上一次搶答的那個小組的成績；顯示“FX+成績”表示搶答小組答題完并進(jìn)行評分操作后的組號和成績；顯示“XF+成績”表示違規(guī)搶答的那個小組組號及減1分后的成績信息（X 表示1，2，3）。這里“＋”是為了區(qū)分組號和成績信息，數(shù)碼管并不顯示加號，下同。

　　用Verilog HDL 分別編寫各個模塊，然后在ISE 環(huán)境下運行程序，調(diào)試成功。最后生成的頂層模塊的方塊圖如圖8 所示。

　　圖8.頂層模塊圖

　　圖注：Line（2:0）和row（2:0）分別表示參賽小組按鍵的輸入陣列信號和輸出掃描陣列信號；start_key，add_key， sub_key，分別代表搶答開始命令，對各組成績的加、減操作命令；dp，error，push_key 分別表示開始鍵按下后的信號，違規(guī)搶答信號以及參賽組有人按鍵的響應(yīng)信號；hc_cp，hc_si 表示顯示譯碼芯片74HC164 的串行時鐘和數(shù)據(jù)信號。

　　問題與解決

　　1、狀態(tài)機(jī)問題

　　在整體調(diào)試的時候，當(dāng)主持人按開始按鈕后，程序就死在那里，不能接收搶答信息，由于搶答鍵盤已單獨調(diào)試成功，因此懷疑是控制搶答過程的狀態(tài)機(jī)除了問題，指示進(jìn)入開始狀態(tài)的紅色LED燈一直亮著，說明程序的確死在開始狀態(tài)。再次綜合的過程中發(fā)現(xiàn)警告提示：狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)量的賦值錯誤，把二進(jìn)制標(biāo)識“b”誤寫為“h”，這樣由于狀態(tài)機(jī)數(shù)據(jù)寬度小于時間數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)長度，自動取較小位數(shù)據(jù)；如state_start = 4‘b0010誤寫為state_start = 4’h0010，實際就是state_start = 4’b0000，這肯定與前面狀態(tài)沖突；同時調(diào)試過程中也遇到過復(fù)位時沒有把狀態(tài)機(jī)復(fù)位到初始狀態(tài)的情況。經(jīng)過此次設(shè)計，體會認(rèn)識到狀態(tài)機(jī)在實際控制中的重要性，以后設(shè)計中要學(xué)會看綜合布線過程中警告信息。

　　2、信號同步的問題

　　在搶答器按下開始鍵后有一個等待搶答30s 的延遲時間，當(dāng)30s 完成后如果三個小組都沒有人按搶答鍵，那么此次比賽搶答無效，系統(tǒng)自動回到主持人按開始前的系統(tǒng)等待狀態(tài)；當(dāng)計時完成30s 后生成一個高電平的脈沖信號（pulse），由于此脈沖信號高電平持續(xù)時間是整個系統(tǒng)的系統(tǒng)時鐘（clk），這個時鐘周期小于狀態(tài)機(jī)的時鐘周期（clk_4），直接用狀態(tài)機(jī)的時鐘是檢測不到此脈沖信號，需要把此脈沖信號同步到與狀態(tài)機(jī)時鐘同步。

　　采用的方法是：首先用一個鎖存器（pulse_reg）鎖存此脈沖信號（鎖存器時鐘也為系統(tǒng)時鐘），通過鎖存器的輸出值和原脈沖信號寄存器值就可以檢測到脈沖由低電平0 到高電平1 的跳變沿，同樣用一個與系統(tǒng)時鐘同步的鎖存器（flag）鎖存這個跳變沿，當(dāng)出現(xiàn)這個跳變沿時flag=1;而為了讓狀態(tài)機(jī)時鐘（clk_4）檢測到flag 信號，同時要在狀態(tài)機(jī)時鐘檢測到后要把flag 清零，為下一次檢測作準(zhǔn)備，這時可以當(dāng)狀態(tài)機(jī)時鐘（clk_4）檢測到flag=1’b1 后，同時生成一個flag的清零信號（flag_rst）flag_rst=1’b1;當(dāng)flag_rst 為1 時把flag 清零。

　　調(diào)試信號同步的部分程序如下：

　　reg flag_rst; //生成flag_rst 信號

　　always @ （posedge clk_4 or negedge rst_n）

　　begin

　　if（！rst_n）

　　begin

　　flag_rst <= 1‘b0;

　　end

　　else

　　begin

　　if（flag == 1’b0）

　　flag_rst <= 1‘b0;

　　else

　　begin

　　flag_rst <= 1’b1;

　　end

　　end

　　end

　　always @ （posedge clk）

　　begin

　　pulse_reg <= pulse;

　　end

　　reg flag; //flag 用來檢測pulse 上升沿

　　always @ （posedge clk）

　　begin

　　if（！rst_n）

　　flag <= 1’b0;

　　else

　　begin

　　if（（pulse_reg == 1‘b0）&&（pulse == 1’b1））

　　flag <= 1‘b1;

　　else if（flag_rst == 1’b1）

　　flag <= 1‘b0;

　　end

　　end

　　reg flag_reg; //生成與clk_4 同步的用于檢測脈沖上升沿信號的flag 信號

　　always @ （posedge clk_4）

　　begin

　　flag_reg <= flag;

　　end

　　用modesim6.0 仿真波形如下：

　　圖9.信號的同步的仿真波形

　　從仿真波形中可以看出當(dāng)pulse 高電平時的下一個時鐘flag = 1’b1;為了讓時鐘clk_4 能夠檢測到flag = 1’b1，就讓flag 一直保存到clk_4 上升沿出現(xiàn)，然后在clk_4 上升沿把flag 的復(fù)位信號flag_rst 置1；然后flag， flag_rst都清零。改變pulse 脈沖出現(xiàn)的時間或者clk_4 的頻率都能檢測到pulse 的高電平。經(jīng)過信號同步后，狀態(tài)機(jī)能夠檢測搶答計時完30s 后生成的一個脈沖信號然后回到初狀態(tài)。

　　時序設(shè)計是數(shù)字電路電路的主要工作，在設(shè)計中一定要明白信號如何傳遞，在何時賦值，何時信號值需要改變等，這樣才能更好的設(shè)計。在需要改變寄存器值的時刻沒有對寄存器進(jìn)行操作，會造成結(jié)果的錯誤。

　　設(shè)計結(jié)果

　　根據(jù)搶答器功能要求，規(guī)劃程序包括的子模塊，并編寫Verilog 代碼，在硬件電路上調(diào)試運行成功。

　　操作過程：開始時對，整個系統(tǒng)復(fù)位（默認(rèn)每組成績?yōu)?0 分），數(shù)碼管顯示“FF+10”。在主持人發(fā)出開始搶答的Start 之后，參賽隊員就可以按自己前面的搶答按鈕，同時用數(shù)碼管左邊兩位計時搶答時間30s，如果在30s 內(nèi)各組都無人搶答，則此次搶答無效，系統(tǒng)自動回到開始前的初狀態(tài)（數(shù)碼管顯示“FF+成績”），等待下一次操作；主持人可根據(jù)回答爭取與否，以及是否違規(guī)搶答，決定加減分（Add 為加分控制，Sub 為減分控制），加減操作后系統(tǒng)又回到開始前的等待狀態(tài)。設(shè)計中，哪個組搶答，就顯示哪個組的信息。如果搶答沒有違規(guī)（按開始后搶答）則顯示器左邊兩位顯示“FX”;反之，則顯示“XF”，X 代表組號1，2，3。按照操作方法，以第1 組搶答為例在VX_SP306 開發(fā)平臺上運行看看數(shù)碼管顯示及整個過程：

　　1、在系統(tǒng)復(fù)位后顯示“FF+10”;

　　2、等待主持人按開始狀態(tài)；

　　3、主持人按開始按鈕前第1 組搶答，顯示“1F+10”，減1 分操作后顯示“1F+09”;回到步驟2；

　　4、主持人按開始按鈕后，顯示“30+10”;30 每秒鐘減1 直到00；

　　5、在30s 內(nèi)第1 組搶答，顯示“F1+10”，主持人根據(jù)回答情況進(jìn)行加、減分操作，顯示“F1+分?jǐn)?shù)”；然后回到步驟2；

　　6、如果在30s 內(nèi)沒有人搶答，顯示“FF+10”，回到步驟2。