沈慧鈞

(太原理工大學(xué)信息工程學(xué)院，山西太原030024)

搶答器可準確、公正地判斷出搶答者，可通過數(shù)碼顯示確定第一搶答者，并已廣泛應(yīng)用在各種知識競賽、文娛活動中。搶答器一般采用中規(guī)模集成電路芯片或單片機進行設(shè)計［1，2］，中規(guī)模集成電路芯片設(shè)計方案選用觸發(fā)器、定時器、譯碼器等芯片進行設(shè)計，系統(tǒng)硬件電路復(fù)雜，工作不穩(wěn)定;單片機設(shè)計方案選用單片機作為系統(tǒng)控制器，硬件電路簡單，性能穩(wěn)定，但由于單片機管腳有限，不適于有多路輸入功能要求的搶答器設(shè)計。

隨著EDA技術(shù)的發(fā)展，可編程邏輯器件內(nèi)部資源更加豐富，并有著并行處理及在系統(tǒng)可編程的靈活性，在現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計中發(fā)揮著重要作用［3］。本文基于FPGA進行16路輸入、具有搶答、計時、報警、電子計分等功能的搶答器設(shè)計。

1 設(shè)計要求

本文設(shè)計的搶答器具有以下功能［4，5］:

(1)16路輸入，可供16組選手使用;

(2)具有自鎖功能，在有效搶答時間內(nèi)，第一路搶答信號有效后，其他組搶答信號無效;

(3)具有搶答倒計時功能，主持人復(fù)位系統(tǒng)后，計時顯示器開始倒計時，當(dāng)計時時間記到0時，發(fā)生報警信號，取消本次搶答;

(4)具有組別顯示功能，通過兩位數(shù)碼管顯示搶答選手的組號;

(5)具有3位計分功能，可顯示每組參賽選手的比賽成績，主持人根據(jù)搶答選手回答問題情況，增加或減少該組分數(shù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的搶答器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)上電后，當(dāng)開始搶答時，主持人首先按動復(fù)位按鈕，輸入復(fù)位信號至FPGA，復(fù)位結(jié)束后，等待參賽選手搶答，同時FPGA觸發(fā)搶答倒計時模塊開始到計時，初始時間設(shè)為10秒，在倒計時模塊遞減到0秒之前，如果有參賽選手點擊按鈕搶答，則FPGA鎖存該路搶答信號，不再接收其他按鍵輸入信號，并將該路搶答信號進行編碼，輸出至組別顯示模塊，用兩位LED數(shù)碼管顯示搶答組別號;在倒計時模塊顯示0秒之前，如果沒有參賽選手點擊按鈕搶答，則取消該次搶答。

每路搶答信號對應(yīng)一個3位的計分顯示器，參賽選手搶答結(jié)束后，如回答問題正確，則主持人通過點擊“加分”按鈕，可使該路選手對應(yīng)的計分器加分，加分分值可設(shè)定為10分;如選手回答問題錯誤，主持人可通過點擊“減分”按鈕，使該路選手對應(yīng)的計分器減分。當(dāng)本次搶答結(jié)束后，主持人點擊復(fù)位按鈕，開始下一次搶答。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

FPGA是搶答器的控制系統(tǒng)，按照EDA設(shè)計采用的模塊化設(shè)計原則，F(xiàn)PGA內(nèi)部功能模塊可劃分為:響應(yīng)鑒別模塊、倒計時顯示控制模塊、組別顯示控制模塊、計分顯示控制模塊，如圖2所示。

圖2 FPGA內(nèi)部功能模塊

2.1 響應(yīng)鑒別模塊

該模塊接收主持人發(fā)送的復(fù)位信號，并接收參賽選手輸入的搶答信號，當(dāng)復(fù)位結(jié)束后，該模塊準備接收搶答信號，當(dāng)接收到第一組搶答信號后，鎖存該組信號，不再接收其他各路輸入信號，即只接收最先輸入的搶答信號，體現(xiàn)了比賽的公平性。接收到第一路搶答信號后，對16組搶答輸入信號進行編碼，并將編碼結(jié)果輸出到組別顯示控制模塊，以顯示搶答選手的組號。接收到復(fù)位信號后，該模塊同時觸發(fā)倒計時顯示控制模塊，以顯示倒計時信號。該模塊對應(yīng)的波形仿真圖如圖3所示。

圖3 響應(yīng)鑒別模塊仿真波形圖

仿真波形圖中，rst為復(fù)位信號，clk為系統(tǒng)時鐘信號，an1…an16為16路搶答輸入信號，code為16路編碼輸出信號，djs_en為倒計時模塊使能信號，當(dāng)復(fù)位信號結(jié)束后，djs_en信號即為高電平，觸發(fā)倒計時模塊開始工作，第一路輸入的搶答信號有效，如圖an9信號最先有效，則編碼輸出信號為“01001”，并鎖存該編碼信息，此后不再響應(yīng)其他路搶答信號。

2.2 組別顯示控制模塊

該模塊接收響應(yīng)鑒別模塊輸出的搶答信號編碼數(shù)據(jù)，并將其譯碼，以兩位共陰極七段數(shù)碼管顯示搶答組別號，對應(yīng)仿真波形圖如圖4所示。

圖4 組別顯示模塊仿真波形圖

2.3 倒計時顯示控制模塊

該模塊顯示搶答倒計時信息，以確保搶答在預(yù)定時間內(nèi)完成，否則取消該次搶答。當(dāng)該模塊接收到響應(yīng)鑒別模塊輸出的倒計時使能信號djs_en有效后，在秒時鐘脈沖同步下，將顯示數(shù)值由9遞減至0。該模塊內(nèi)部包含分頻模塊和計數(shù)模塊，分頻模塊將100 kHz主時鐘分頻產(chǎn)生1 Hz計數(shù)時鐘，計數(shù)模塊在1 Hz時鐘同步下，實現(xiàn)減法計數(shù)。

2.4 計分顯示控制模塊

該模塊用于顯示各搶答選手的比賽成績，每路搶答選手對應(yīng)一個3位的LED數(shù)碼管，顯示該組成績。當(dāng)選手搶答結(jié)束后，如果回答問題正確，則主持人點擊“加分”按鈕，給該組選手加分，如果回答問題錯誤，可點擊“減分”按鈕，給該組選手減分，為防止出現(xiàn)分數(shù)減到負值，可在初始時給每個選手設(shè)置初始分數(shù)。

由于每組搶答信號對應(yīng)3個LED數(shù)碼管，如果選用LED靜態(tài)掃描方式，則每組需21根信號線，則16組選手就需336根信號線，大大增加了系統(tǒng)復(fù)雜度，所以本設(shè)計選用LED動態(tài)掃描方式，所有LED連接相同的信號線，即FPGA輸出的七段數(shù)碼管控制信號對應(yīng)連接至所有的LED數(shù)碼管，并輸出使能信號控制數(shù)碼管，任何時刻只有一個數(shù)碼管的使能信號有效，其他均無效，根據(jù)人眼視覺惰性，每個數(shù)碼管的掃描頻率如果在30 Hz以上，人眼是看不出閃爍的，所以本設(shè)計采用動態(tài)掃描方式，只需23根信號線即可控制16個LED數(shù)碼管，大大簡化了系統(tǒng)連線復(fù)雜度。

3 結(jié)束語

本文采用EDA設(shè)計方法，完成了16路搶答器的設(shè)計，具有組別顯示、搶答倒計時、計分顯示等功能，設(shè)計采用VHDL語言實現(xiàn)，使用Modelsim仿真工具進行波形仿真，并在FPGA上驗證。本文設(shè)計的搶答器在不改變硬件結(jié)構(gòu)條件下，可根據(jù)用戶實際需求增加系統(tǒng)功能，應(yīng)用靈活。

［1］楊俊秀，趙文來，鮑佳.基于FPGA的多路搶答器設(shè)計與實現(xiàn)［J］.浙江理工大學(xué)學(xué)報，2010，27(2):249－253.

［2］龔江濤.基于CPLD的4路搶答器設(shè)計［J］.蘇州市職業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010，21(4):91 －93.

［3］潘松，黃繼業(yè).EDA技術(shù)與VHDL［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2009.

［4］劉凱，王紅航.電子搶答器的EDA設(shè)計與實現(xiàn)［J］.電子元器件應(yīng)用，2010，12(8):54 －57.

［5］尹會明.基于VHDL語言的倒計時搶答器設(shè)計［J］.信息化研究，2009，35(11):37 －41.