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        基于MAX+PLUSII模塊化設計的智力競賽搶答器

        2014-04-29 00:44:03黃云連恒輝
        計算機時代 2014年1期

        黃云 連恒輝

        摘 要: 設計了一款造價低,體積小,操作簡單,適用性廣的搶答器。該搶答器是基于MAX+PLUSII軟件,在FPGA芯片上設計的,可實現(xiàn)多人智力競賽搶答。

        關鍵詞: 智力搶答器; 多人搶答; MAX+PULSII軟件; FPGA芯片

        中圖分類號:TP211+.5 文獻標志碼:A 文章編號:1006-8228(2014)01-29-03

        0 引言

        本文所介紹的智力競賽搶答器,具有廣泛的適用性。通過改變硬件電路接線,施加時鐘信號頻率,以及進行軟件調試,使之可以靈活改變搶答者人數、回答問題時間和蜂鳴提醒時間等。本文選取一個實例介紹其原理。

        1 開發(fā)條件

        1.1 知識基礎

        ⑴ 熟練使用MAX+PLUSII軟件。

        ⑵ 學習數字電路基礎課程。

        ⑶ 了解《GW48-CK EDA實驗開發(fā)系統(tǒng)簡介》,了解連接方式。

        1.2 所用原件

        ⑴ GW48系列EDA/SOC驗開發(fā)系統(tǒng)(提供有目標芯片F(xiàn)PGA-型號EP1K30TC144-3、數碼顯示器、二極管、三極管、鈕子開關、晶振等資源)。

        ⑵ 電路設計建議采用下列器件:74175、74147、74192、7448、ANDX、ORX、NOT等。

        2 實現(xiàn)的功能

        ⑴ 有4路搶答;

        ⑵ 數字顯示搶答組別;

        ⑶ 由主持人復位后方可搶答;

        ⑷ 聲音提示已有人搶答;

        ⑸ 搶答成功后,有60秒的回答問題時間,并顯示倒計時;

        ⑹ 最后五秒蜂鳴提示;

        ⑺ 搶答只需一次按鍵即可,無需一直按住。

        3 電路基本原理

        3.1 搶答控制

        電路采用74175(4D觸發(fā)器),其原理圖如圖1所示,四個D輸入分別為四個搶答者開關(P1,P2,P3,P4),CL為主持人復位開關,主持人按動開關CLRN接0, 芯片置0,此時各搶答者輸出均為低電平,搶答開始。此后,若上升沿有人先搶答,假定為P1,則CLK出現(xiàn)高電平,產生上升沿,則1Q輸出高電平,且不管接下來各搶答者搶答情況如何,由于1Q=1,CLK始終為1,無上升沿,因此各輸出端保持當前狀態(tài)。只有CL開通,芯片置0,才能改變狀態(tài),再次搶答。

        3.2 數字顯示搶答組別

        為了顯示搶答組別,采用74147(優(yōu)先編碼器)對輸出編碼,其原理圖如圖2所示。由于74147輸入/輸出為低電平有效,在其輸入/輸出均加入了非門,所以能使其正確的顯示組別。

        3.3 回答問題倒計時

        實驗中,倒計時設定為60s,采用的是74192(十進制計數器),因此需兩塊芯片聯(lián)合使用實現(xiàn)60進制計數。原理圖如圖3所示,左邊是十位,右邊個位。倒計時是在有人搶答成功開始計數的,將搶答者輸出做'或'運算后,分別接入兩計數器的置數端(十位置6,個位置0),一旦有搶答者搶答,LDN高電平,不置數,倒計時開始。采用減法計數,因此將1HZ的時鐘信號CP接上個位的DN,同時將個位的BON接十位的DN。在此需說明一個問題:BON是低電平有效,當計數一輪后有借位時,輸出為低電平,有讀者會有疑問:為何不把其先反相從而產生上升沿再接入十位的DN?這是因為,BON輸出值還跟CP有關。設當CP上升沿到來時,個位計數器數到0000,由于CP上升沿后為高電平,BON為高電平,此后CP變?yōu)榈碗娖?,BON變?yōu)榈碗娖?,CP下個上升沿一到,計數器變?yōu)?001,BON同時也變?yōu)楦唠娖?,此時給十位計數器DN一個上升沿,十位計數器計數,實現(xiàn)了十位、個位同時變化。相反,如果將BON先反相,則十位會先于個位變化。最后當60s計數完畢之后,為了停止計數,將十位計數器BON反相后分別接兩個計數器的CLR清0。

        3.4 搶答蜂鳴器提示

        結合計數器設計了蜂鳴器提示,其原理圖如圖4所示,圖4中計數器為十位計數器,沒人搶答時計數器置6。S2,S3均為1,當有人搶答成功時,四輸出'或'變?yōu)?,蜂鳴器響,同時計數器停止置數,在CP上升沿到來時十位計數器變?yōu)?,同時蜂鳴器停止響,蜂鳴器響的時間為搶答開始時到CP下個上升沿的時間。

        3.5 倒計時最后5秒提示

        倒數時最后5秒十位為0000,個位為0101,0100,0011,0010,0001時蜂鳴器均需要響,個位為1001,1000,0111,0110,0000,均不能響(0000不能響的原因是倒計時完后一直清0)。注意表達式:G2G3+G4,當個位為5,4,3,2,1,0時表達式恒為0,個位為9,8,7,6時表達式恒為1,因此將十位的S3,S2,S1和G2G3+G4經'或非'運算后可實現(xiàn)5,4,3,2,1,0蜂鳴器響,為了使0不響,可以使G1,G2,G3,G4'或非'后與S3,S2,S1,G2G3+G4一起'或非',可以實現(xiàn)倒數5秒輸出為1,為了讓蜂鳴器能響5下,將上面得到的輸出與CP'與'后可以讓蜂鳴器在最后5秒響5下,其原理圖如圖5所示。

        3.6 各分電路組合

        最后一步是將各功能電路組合在一起。系統(tǒng)總的電路原理圖如圖6所示。

        4 仿真與調試

        波形圖的仿真圖如圖7,圖8,圖9所示,仿真圖中P1,P2,P3,P4為搶答者波形,CL為主持人波形,CP為時鐘波形,F(xiàn)為搶答提示蜂鳴器波形,F(xiàn)2為搶答倒計時5秒提示蜂鳴器波形,S為倒計時十位數波形,G為倒計時個位數波形。仿真圖中主持人按了兩次復位鍵,第一次P1搶到,且F提示蜂鳴器響,此后60秒倒計時后能停止計數,且最后5秒F2提示蜂鳴器響了5下(在倒計時完后有非常短暫的毛刺,其影響可以忽略),主持人第二次復位后,仍可以正常搶答,此次被3搶到。仿真結果與設計的理想結果相符。

        5 結束語

        通過仿真與實驗,驗證了本智力搶答器設計的正確性與可行性;并且可以通過改變電路參數和結構,改變回答倒計時時間和最后蜂鳴時間,使本智力搶答器具有靈活性,能適用于不同的場合,使產品具有更廣的市場。與目前市場上流通的搶答器比較,該搶答器顯得更加靈活,造價更低,適用于一些組裝愛好者及中低消費人群使用。今后還需要對該智力搶答器添加更具時代元素的功能,以及實現(xiàn)更高的可靠性。

        參考文獻:

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