【正文】 通 信 工 程 專 業(yè) 課 程 設(shè) 計 Ⅱ 1 1 緒 論 EDA 技術(shù) 的發(fā)展 人類社會已進入到高度發(fā)達的信息化社會，信息社會的發(fā)展離不開電子產(chǎn)品的進步?，F(xiàn)代電子產(chǎn)品在性能提高、復(fù)雜度增大的同時，價格卻一直呈下降趨勢，而且產(chǎn)品更新?lián)Q代的步伐也越來越快，實現(xiàn)這種進步的主要原因就是生產(chǎn)制造技術(shù)和電子設(shè)計技術(shù)的發(fā)展。前者以微細加工技術(shù)為代表，目前已進展到深亞微米階段，可以在幾平方厘米的芯片上集成數(shù)千萬個晶體管；后者的核心就是 EDA 技術(shù)。 EDA 是指以計算機為工作平臺，融合了應(yīng)用電子技術(shù)、計算機技術(shù)、智能化技術(shù)最新成果而研制成的電子 CAD 通用軟件包，主要能 輔助進行三方面的設(shè)計工作： IC 設(shè)計 ,電子電路設(shè)計以及PCB 設(shè)計。沒有 EDA 技術(shù)的支持，想要完成上述超大規(guī)模集成電路的設(shè)計制造是不可想象的 ,但是面對當今飛速發(fā)展的電子產(chǎn)品市場，設(shè)計師需要更加實用、快捷的 EDA 工具，使用統(tǒng)一的集體化設(shè)計黃精，改變傳統(tǒng)的設(shè)計思路，將精力集中到設(shè)計構(gòu)想、方案比較和尋找優(yōu)化設(shè)計等方面，需要以最快的速度，開發(fā)出性能優(yōu)良、質(zhì)量一流的電子產(chǎn)品，對 EDA 技術(shù)提出了更高的要求。未來的 EDA 技術(shù)將在仿真、時序分析、集成電路自動測試、高速印刷版設(shè)計及開發(fā)操作平臺的擴展等方面取得新的突破，向著功能強大、簡單易學(xué)、使用方便的方向發(fā)展。 EDA 技術(shù)的設(shè)計優(yōu)勢 傳統(tǒng)的設(shè)計方法采用 自底向上 的設(shè)計方法，一般先按電子系統(tǒng)的具體功能要求進行功能劃分，然后對每個子模塊畫出真值表，用卡諾圖進行手工邏輯簡化，寫出布爾表達式，畫出相應(yīng)的邏輯線路圖，再據(jù)此選擇元器件，設(shè)計電路板，最后進行實測與調(diào)試，由于無法進行硬件系統(tǒng)功能仿真，如果某一過程存在錯誤，查找和修改十分不便，所以這是一種 費時 、 費力的設(shè)計方法 ,而現(xiàn)代電子設(shè)計技術(shù) (EDA)是自頂向下且先進高效的。在電子產(chǎn)品的設(shè)計理念、設(shè)計方式、系統(tǒng)硬件構(gòu)成、設(shè)計的重用性 、知識產(chǎn)權(quán)、設(shè)計周期等方面 ,EDA 技術(shù)具有一定的優(yōu)勢。 所以本次設(shè)計的搶答器拋棄了傳統(tǒng)的設(shè)計方法，選擇了采用主流的 EDA 技術(shù)進行設(shè)計。 通 信 工 程 專 業(yè) 課 程 設(shè) 計 Ⅱ 2 智能搶答器的市場現(xiàn)狀 智力競賽是“快樂學(xué)習(xí)”這一教育模式的典范，它采用在規(guī)定的一段時間內(nèi)搶答和必答等方式，在給人們的生活帶來樂趣的同時，也使參與者和觀眾在愉悅的氛圍中學(xué)到一些科學(xué)知識和生活知識，因此很受大家的喜歡。 但是，在這類比賽中，對于誰先誰后搶答，在何時搶答，如何計算答題時間等等問題，若是僅憑主持人的主觀判斷，就很容易出現(xiàn)誤判。所以，我們就需要一種具備自 動鎖存，置位，清零等功能智能搶答器來解決這些問題。 智能競賽搶答器是一種應(yīng)用十分廣泛的設(shè)備，在各種競賽、搶答場合中，它都能客觀、迅速地判斷出最先獲得發(fā)言權(quán)的選手。早期的搶答器只是由三個三極管、可控硅、發(fā)光管等器件組成的，能通過發(fā)光管的指示辨認出選手號碼?，F(xiàn)在大多數(shù)智能搶答器都是由單片機或數(shù)字集成電路構(gòu)成的，并且新增了許多功能，如選手號碼顯示，搶按前或搶按后的計時，選手得分顯示等功能。 通 信 工 程 專 業(yè) 課 程 設(shè) 計 Ⅱ 3 2 方案設(shè)計與論證 搶答 器系統(tǒng)設(shè)計要求 一般來說，設(shè)計一臺智能搶答器，必須能夠準確判斷出第一位搶答者，并且通過數(shù)顯、蜂鳴這些途徑能讓人們很容易得知誰是搶答成功者，并設(shè)置一定的回答限制時間，讓搶答者在規(guī)定時間內(nèi)答題，主持人根據(jù)答題結(jié)果評出最終贏家。所以我們在設(shè)計智能搶答器的模塊需要滿足鑒別、計時、數(shù)顯、報警等功能，具體設(shè)計要求如下： （ 1）搶答器可容納四組選手，并為每組選手設(shè)置一個按鈕供搶答者使用；為主持人設(shè)置一個控制按鈕，用來控制系統(tǒng)清零（組別顯示數(shù)碼管滅燈）和搶答開始 。 （ 2）電路具有對第一搶答信號的鎖存、鑒別和顯示等功能。 在主持人將系統(tǒng)復(fù)位并發(fā)出搶答指令后，蜂鳴器提示搶答開始，計時顯示器顯示初始時間并開始倒計時，若參賽選手按下?lián)尨鸢粹o，則該組別的信號立即被鎖存，并在組別顯示器上顯示該組別，同時揚聲器也給出音響提示，此時，電路具備自鎖功能，使其他搶答按鈕不起作用。 （ 3）如果無人搶答，計時器倒計時到零，蜂鳴器有搶答無效提示，主持人可以按復(fù)位鍵，開始新一輪的搶答。 （ 4）搶答器具有限時搶答的功能，且一次搶答的時間由主持人設(shè)定，本搶答時間設(shè)定為 99 秒。當主持人啟動開始鍵后，要求計時器采用倒計時，同時倒計時到 0秒時揚聲器會發(fā)出聲 響提示 。 （ 5）參賽選手在設(shè)定的時間內(nèi)搶答，則搶答有效，定時器停止工作，根據(jù)搶答結(jié)果由數(shù)碼管顯示選手的組別，并一直保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。 方案論證 與選 擇 方案一 我們的第一種方案是考慮用“ 單片機 ” 來實現(xiàn)其功能 。在芯片選型方面可以考慮選擇手頭就有的 STC89C52 單片機作為控制器。 STC89C52 單片機的優(yōu)點在于其價格便宜，購買方便；我們組員均有 C 語言基礎(chǔ)，可使用 C 語言編程，移植性較好。缺點在于其系統(tǒng)設(shè)計方法為傳統(tǒng)設(shè)計方法，相對落后；芯片引腳數(shù)量僅有 40 個，容量小，通用 IO 口少，不 適合本設(shè)計規(guī)模，處理速度慢；個別組員沒有該芯片的使用經(jīng)驗，預(yù)計通 信 工 程 專 業(yè) 課 程 設(shè) 計 Ⅱ 4 團隊之間交流思想不太方便。 方案二 本 項目 也 可以用 EDA 技術(shù) 來實現(xiàn)其功能 。在芯片選型方面可以考慮選擇 CPLD 芯片作為微控制器。 EDA 自頂向下的設(shè)計方法比較先進 ；實驗室有齊全的開發(fā)套件；組員們均系統(tǒng)學(xué)習(xí)過 EDA 基礎(chǔ)課程，都有 VHDL 編程 和實驗 經(jīng)驗，團隊之間交流 將會 比較方便；芯片容量大，處理速度 極 快，管腳數(shù)目多達 84 個， IO 口數(shù)目充足，適合本設(shè)計的規(guī)模。缺點在于 設(shè)備相對昂貴，使用不當容易燒毀微處理器。 方案的選擇 我們在比較了 兩種方案的優(yōu)缺點基礎(chǔ)上，結(jié)合自身實際情況， 認為方案二更適合于搶答器的設(shè)計，因此我們采用方案二。 系統(tǒng)總體設(shè)計思想 本設(shè)計為四路智能搶答器，所以這種搶答器要求有四路不同組別的搶答輸入信號，并能識別最先搶答的信號， 搶答器共有三個輸出顯示，選手代號、計數(shù)器的個位和十位，它們輸出全部為 BCD 碼輸出，這樣便于和顯示譯碼器連接。當主持人按下控制鍵、選手按下?lián)尨疰I或倒計時到時蜂鳴器短暫響起。 對回答問題所用的時間進行計時、顯示、超時報警、預(yù)置答題時間，同時該系統(tǒng)還應(yīng)有復(fù)位、倒計時啟動功能。 依據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求可知 ，系統(tǒng)的輸入信號有：四組的搶答按鈕 A、 B、 C、 D。系統(tǒng)清零信號 QDJB，系統(tǒng)時鐘信號 CLK，計分復(fù)位端 JFRST，計時預(yù)置數(shù)控制端 LDN，計時使能端 EN，計時預(yù)置數(shù)調(diào)整按鈕 TA、 TB。系統(tǒng)的輸入信號有：四個組搶答成功與否的指示控制信號輸出口 LEDA,LEDB， LEDC， LEDD，四組搶答時的計時控制顯示信號若干，搶答成功組別顯示的控制信號若干。本系統(tǒng)應(yīng)具有的功能有：第一搶答信號的鑒別和鎖存功能；搶答計時功能；組別顯示功能；蜂鳴器提示功能。根據(jù)以上的分析我們可以將本設(shè)計的整個系統(tǒng)分為四個模塊：搶答鑒別模塊 QDJB；搶答計時模塊 JSQ；數(shù)碼顯示模塊 YMQ；報警模塊 BELL。對于需要顯示的信息，需要增加或外接譯碼器，進行顯示譯碼。搶答開始時主持人按下?lián)尨饛?fù)位鍵（ QDRST），系統(tǒng)進入搶答狀態(tài)，計時模塊輸出初始信號給數(shù)碼顯示模塊并顯示出初始值。當某參賽組搶先將搶答鍵按下時，系統(tǒng)將其余三路搶答信號封鎖，同時揚聲器發(fā)出聲音提示，組別顯示通 信 工 程 專 業(yè) 課 程 設(shè) 計 Ⅱ 5 模塊送出信號給數(shù)碼顯示模塊，從而顯示出該搶答成功組臺號，并一直保持到下一輪主持人將系統(tǒng)清零為止。主持人對搶答結(jié)果進行確認，隨后，計時模塊送出倒計時計數(shù)允許信號，開始回答問題，計時顯示器則從 初始值開始以計時。計時至 0 時，停止計時，揚聲器發(fā)出超時報警信號，以中止未回答完問題。當主持人給出倒計時停止信號時，揚聲器停止鳴叫。整個系統(tǒng)的組成框圖如下圖： 圖 21 系統(tǒng)的總體框圖 搶答鑒別電路模塊 A B C D RST CLK 組別顯示 電路模塊 計時 電路模塊 聲響控制 電路模塊 數(shù)碼管顯示電路模塊 蜂鳴器 模塊 通 信 工 程 專 業(yè) 課 程 設(shè) 計 Ⅱ 6 3 單元模塊電路的設(shè)計和實現(xiàn) 根據(jù)對搶答器的功能要求，把要設(shè)計的系統(tǒng)劃分為四個功能模塊：搶答信號鑒別模塊、計時模塊、數(shù)碼顯示模塊和揚聲器控制電路，具體的說，顯示模塊又包含最先搶答的組別顯示電路、計時值顯示電路。 搶答 鑒別模塊的設(shè)計與實現(xiàn) 設(shè)計原理 本模塊主要是對參與搶答的四組誰先搶答做出判斷，將搶答成功者的組別號進行顯示，同時，與選手對應(yīng)的 LED 燈會亮起，蜂鳴器發(fā)出 23 秒鳴叫，表明搶答成功。用 A、 B、 C、 D分別代表參賽的四組， A B C D1 則代表與之對應(yīng)的各組的搶答按鈕顯示端， 系統(tǒng)清零信號 CLR， 組別顯示端 G[3..0]，則搶答鑒別模塊的元件圖如下圖所示： 圖 31 鑒別模塊元件框圖 搶答開始后，當有小組按下?lián)尨疰I， 搶答信號判定電路 QDJB 通過緩沖輸出信號的反饋將本參賽組搶先按下按鍵的信號鎖存，并且以異步清零的方式 將其他參賽組的鎖存器清零， 組別顯示和計時會保存到主持人對系統(tǒng)進行清零操作時為止。 A、 B、 C、D 四組搶答從理論上來說，應(yīng)該有 16種可能情況，但是由于時鐘信號的頻率很高而且是在時鐘信號上升沿的狀況下才做出的鑒別，所以在這里四組同時搶答成功的可能性非常小，因此可以只設(shè)計四種情況，即 A、 B、 C、 D分別為 000 00 0100、 1000，這樣使電路的設(shè)計得以簡化。 通 信 工 程 專 業(yè) 課 程 設(shè) 計 Ⅱ 7 功能仿真 利用 MAX+plusII 進行編譯，綜合，仿真，時序圖 如 圖 31 所示 ： 圖 31 搶答鑒別模塊仿真時序圖 如仿真圖所示，當 CLR=1時系統(tǒng)復(fù)位，使組別顯示信號 G=0000，各組的指示燈信號 A1=0， B1=0， C1=0， D1=0；當 CLR=0，即低電平有效，使其進入搶答鑒別狀態(tài)，到CLK 的上升沿到來時，以 D 組搶答成功為例，當輸入信號為 A=0， B=0， C=0， D=1， 輸出信號 G=1000， D1=1，即為鑒別出 D組搶答成功，同時屏蔽其他組的輸入信號，以免發(fā)生錯誤。同理其他組別搶答成功也是這樣的鑒別過程。 通過分析，仿真完全符合預(yù)期所要達到的結(jié)果。 計時模塊的設(shè)計與實現(xiàn) 設(shè)計原理 在計時模塊的設(shè)計中設(shè)置了固定和可調(diào)的 兩個時間，固定時間為 99 秒，可調(diào)時間通過預(yù)置鍵 SET 來調(diào)節(jié)，計數(shù)時兩個數(shù)碼管 QA， QB 顯示剩余時間，分別表示兩位倒計時的個位和十位。當搶答鑒別模塊成功判別出最先按下?lián)尨鸢粹o的參賽組后，在成功鑒別出哪組最先搶答后，主持人按下計時信號，則進入計時狀態(tài)。計時模塊開始工作從規(guī)定值開始以秒計時，計時至 0 秒時停止，此時蜂鳴器發(fā)出報警信號，提醒答題已終止。該系統(tǒng)輸入信號有： 系統(tǒng)清零信號 CLR，計時預(yù)置控制端 LDN，計