基于FPGA的智力抢答器设计

Posted 2020-10-25 大西瓜FPGA --logic3

配套FPGA开发板（含该设计的工程代码）：https://item.taobao.com/item.htm?spm=a1z10.1-c.w4004-4676525296.4.6e8950ed57YPhv&id=17848039135

基于FPGA的智力抢答器设计

功能说明

说明

4路抢答器，选手，主持人可以进行系统复位和抢答控制，计时器30秒倒计时，有人抢答，则数码管显示选手号码及剩余时间，同时对应选手led指示灯亮起来，选手分数，由主持人判断和操作。

 

 

(1)可供4组抢答,共设置了4个按键。

(2)设置一个抢答控制开关 Start,该开关由主持人控制 ,只有当主持人按下开始键才能抢答。

(3)抢答器具有定时抢答功能 ,且一次抢答的时间设定为30s。当主持人启动"开始"键后,数码管上会显示30s的倒计时,抢答的4组成员可在30s内可以进行抢答,30s后抢答无效。

(4)抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮,锁存相应的组号1~4,并在LED数码管上显示抢答成功的选手号码和对应选手的分数。同时,裁判可以对选手进行加分和减分操作,当选手达到10分时就获胜。

 

 

按键说明

键盘

红色按键为独立键盘,实现选手抢答按键。s1接到板子上的28, s2接到板子上的31, s3接到板子上的40, s4接到板子上的42。Gnd接到板子上的gnd，vcc接到板子上的3.3V，用杜邦线接！！！

如下图所示：

 

板子上的按键

实现裁判进行开始和分数控制。

Key2为开始按键，Key3为加分按键，Key4减分按键，Key5重置分数按键。

Key1为系统复位按键。

仿真说明

模块说明

该抢答器主要分为三大模块进行设计：

（1）按键消抖模块；

（2）抢答器控制模块；

（3）分数控制模块；

（4）数码管显示控制模块。

 

按键消抖模块

该模块实现的功能主要是实现按键消抖，由于设计对按键灵敏性有要求，所以需要对五个按键（key1、key2、key3、key4、start）进行消抖。实际设计中，该大模块分为了五个消抖模块，可见RTL视图。

抢答器控制模块

该模块实现的功能主要是对最先按下的按键号进行锁存，即锁存最先按下抢答按键的组号。当strat按键被按下之后，该模块开始进行工作，当锁存了抢答按键的组号后，该模块将停止扫描按键号工作直到抢答器被重置并再按下strat键。

分数控制模块

4位选手的初始分数都是0分，满分为10，先拿到10分的为胜者。

该模块由裁判控制，当选手抢答成功时，数码管有两位用于显示该选手的分数，如果答对则该选手得一分，按下add按键为该选手加分，如果答错则减一分，则按下reduce按键为该选手减一分，如果需要重新分数为0分，则按下set按键。

 

数码管显示控制模块

该模块实现的功能主要是实现数码管的显示功能，一个是30s的倒计时，另外一个是显示抢答成功的组号。当strat按键被按下之后，开始进行倒计时，如果有抢答者按下按键，数码管会马上显示抢答成功的组号。如果30s之后无人抢答，则显示为00，需要主持人重新按下开始按键，再开始新一轮的抢答。

动态显示原理：由于LED静态显示需要占用较多的I/O口，且功耗较大，因此在大多数场合通常不采用静态显示，而采用动态扫描的方法来控制LED数码管的显示。动态显示的特点是将8位数码管的段选线并联在一起，由位选线控制是哪一位数码管有效。点亮数码管采用动态扫描显示。

动态扫描显示原理：动态扫描显示即轮流向各位数码管送出字形码和相应的位选，只要扫描显示速度够快，利用发光管的余辉和人眼视觉暂留作用，使人的感觉好像各位数码管同时都在显示。动态显示的亮度比静态显示要差一些，所以在选择限流电阻时应略小于静态显示电路中的。动态扫描显示时刷新频率最好大于50HZ,即显示一轮的时间不超过20ms，本设计采用1000HZ的频率进行扫描显示，也就是数码管的刷新频率,每个数码管显示时间不能太长也不能太短，时间太长会影响刷新率，导致总体显示呈现闪烁的现象，时间太短发光二极管的电流导通时间也就短，会影响总体的显示亮度。一般控制在1ms左右最佳。

数码管显示原理

位选信号

本设计采用共阳数码管，即位选低电平有效，并且将位选信号设置为低电平；

段选信号

本设计采用共阳数码管，数码管的段选信号为8bit，数码管的段选对应实物图如下：

一个数码管有八段：A,B,C,D,E,F ,G,H,DP，即由八个发光二极管组成，； 因为发光二极管导通的方向是一定的（导通电压一般取为1.7V），这八个发光二极管的公共端有两种： +5V（即为共阳极数码管）、接地（即为共阴极数码管），其中共阳极每个段均有0导通，而共阴极则1导通发光，所以共阳极数码管和共阴极数码管显然是不同的，段选码表如下图所示：

 

 

 

 

以下是将设计代码进行综合后的RTL视图：

智力抢答器RTL视图

仿真分析

以下对四个功能模块和整体进行一个仿真，仿真平台为Modelsim。

1. 按键消抖模块

1. 抢答器模块

1. 分数控制模块

 

 

1. 显示模块

1. 整体