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1、西安交通大學 數字邏輯課程設計數字邏輯課程設計四路搶答計分器學號: 08161024姓名: 張云班級: 軟件81指導老師: 張琴完成日期: 2010.7.8同組者:王曉宇學號:08161019分工:王曉宇:信息處理單元 張云: 計分和倒計時數字邏輯課程設計一、 設計題目四路智能搶答計分器二、 設計目的1 初步掌握工程設計方法和組織實踐的基本技能,逐步熟悉開展 科學實踐的程序和方法; 2 掌握數字電路布線、調試的基本技巧; 3 掌握數字系統的分析和設計方法; 4 能夠熟悉的、合理的選用集成電路器件; 5 熟悉 Quartus II 軟件的使用,培養(yǎng)綜合運用理論知識解決實際問題的能力。三、 設計內
2、容用中、小規(guī)模集成電路設計并制作一部四路智能搶答器,先搶到的選手在30s的時間內答題,并由主持人根據答題情況給分,記錄并分別顯示每位選手的分數。分析:搶答器是典型的數字電路系統,是利用數字電子器件完成以下功能:1) 搶答即優(yōu)先權編碼;2) 倒計時即計數器的級聯;3) 給分即譯碼并正負計數;4) 顯示時間、分數即7段數碼管的顯示應用。因此,整個數字系統分為四個功能模塊:搶答模塊,倒計時模塊,加分模塊和顯示模塊。模塊功能如下表所示:模塊名稱主要功能主要器件搶答模塊給四位選手按照搶答快慢進行優(yōu)先權編碼,選出最先搶答的選手并鎖死其他選手操作。優(yōu)先權編碼器74148以及四個D觸發(fā)器構成延時倒計時模塊當有
3、選手搶到題目時,驅動30s倒計時器,選手在30s內回答問題。十進制正逆計數器74192加分模塊由主持人根據選手答題情況給出正誤結果,并對當前選手的總分進行加減。2-4譯碼器器74149,同步計數器74169顯示模塊顯示四位選手的得分以及30s倒計時和當前答題選手的編號以及分數。七段管譯碼器7449,多路選擇器74153表1 各模塊的主要功能及器件四、 設計要求1 總控制開關控制搶答器和計時器是否有效;2 得分開關控制當前選手分數,回答正確加1分,錯誤減1分;3 倒計時限制選手答題時間,時間被限制在30s內。如果超過30s蜂鳴器響起,視為回答錯誤,此時只有減分端有效;4 當選手分數為0分時,只有
4、加分端有效,即不存在負分;5 分別顯示答題選手編號,答題選手得分,四位選手各自得分以及倒計時;6 設計(仿真)電路,獨立進行試驗,并通過調試方案;7 將電路下載至實驗平臺上并測試通過;8 掌握一些測試電路的基本方法,課程設計中出現一般故障,能通過“分析、觀察、判斷、試驗、再判斷”的基本方法獨立解決;五、 總體框圖整個系統包括控制單元、時間控制單元、信息處理單元、存儲單元和顯示單元五個邏輯部分??刂茊卧校簱尨鸷陀嫊r使能開關;時間控制單元有:倒計時使能驅動;信息處理單元有:搶答開關、加減分開關;存儲單元有:得分加減控制端;顯示單元有:倒計時顯示、四位選手得分顯示、最先搶答的選手編號顯示、答題選手
5、的得分顯示。系統的總框圖如下所示:系統總框圖:圖1 系統總設計框圖正如圖1系統框圖所示,控制單元只執(zhí)行兩項任務:驅動計時器開始計時和驅動搶答器狀態(tài)有效;信息處理單元主要接受選手搶答,并為最先搶到的選手進行編碼(同時鎖死搶答器),在時間使能的條件下,根據正誤邏輯判斷和選手編號的譯碼,驅動相應的存儲單元部分進行加減分;存儲單元主要記錄每個選手的分數,并可根據加減分條件對某個選手加減分;時間控制單元主要為信息處理單元提供使能條件,保證答題的時間限制;顯示單元則執(zhí)行各個部分的顯示功能,例如選手編號,得分和倒計時。 整個邏輯部分的關聯關系如下圖:邏輯關聯部分:圖2 各邏輯部分關聯圖六、 系統執(zhí)行流程圖圖
6、3 倒計時功能電路圖七、 主要器件選擇1 十進制可逆計數器74LS192 * 2;2 優(yōu)先權編碼器74LS148 * 2;3 譯碼器74LS139 * 1;4 十六進制可逆計數器74LS169 * 4;5 多路選擇器74LS153 * 2;八、 主要邏輯單元的實現1 時鐘控制單元(designed by 張云) 時鐘控制單元的邏輯比較簡單,主要是計數器的級聯問題,此處采用74LS192。當LOAD端被觸發(fā)時,計數器載入預置數,其中十位為3,個位為0;當計數器個位減至0時,輸出/BON端有效(表示需要借位),從而觸發(fā)十位減1。 輸出時間使能端計數端接顯示端圖4 倒計時功能電路圖2 信息處理單元(
7、designed by 王曉宇)信息處理單元是整個系統的核心,它主要控制選手的搶答并為搶到的選手編碼,以及執(zhí)行加減分的操作。當總控端有效,有選手按搶答器時,優(yōu)先權編碼器74LS148會輸出其第一個被觸發(fā)的輸入端對應的選手編號,同時/GSN端有效。/GSN端有效的邏輯條件是至少有一個輸入有效,即至少有一個選手搶答,因此可利用此輸出鎖死其他選手的搶答器。選手數目為4,因此只需兩位二進制數即可完成編號,分別為00,01,10,11。然而,按照人們日常習慣,選手編號一般從1開始,因此此處選擇兩個編碼器,一個只為顯示選手編號使用,因此其輸入從編碼器的1N端開始;另一個為選手編碼,其輸入端從編碼器的0N端
8、開始。如下兩圖所示:鎖搶答器圖5 編碼器1,為顯示編碼并鎖死其他搶答器圖6 編碼器2,輸出為搶到選手的編碼部分信息處理單元的設計圖如下:圖7 信息處理單元的設計(不含加減分部分)3 存儲單元(designed by 張云)存儲單元由四個計數器74LS169構成,利用其UPDN端控制加減分操作,同時保證選手分數為0時使能邏輯無效,即不存在負分;而對于顯示答題選手的分數,則由4輸入2位的多路選擇器74LS153,根據輸入選手編碼進行數據選擇。 部分電路如下圖: 圖8 存儲單元的設計存儲單元的設計主要由我完成,它是一項繁瑣的工作,因為要充分考慮各種使能對加減分的影響之類的細節(jié),例如當時鐘使能無效,即
9、回答超時,此時應按照回答錯誤來處理,因此,當給分邏輯為加分時,計數器并不計數,只有減分時才執(zhí)行;或者當選手回答錯誤,而他的分數已經為零分時,按規(guī)定選手的得分不得為負分,因此,此時的減分操作無效。a. 對于零分不能再減的使能邏輯為:/ENTN= right+score1+score2+score3+score4 *(選手使能)即為零分0000且回答錯誤right = 0時使能端無效,不執(zhí)行減分。b. 對于計時器到時不能加分只能減分的使能邏輯:/ENPN=(right+wrong) *(wrong+clock) 即必須在給出正誤,且或者錯誤或者時鐘有效的情況下才能執(zhí)行使能。c. 給分時倒計時停表邏
10、輯:倒計時使能之一為:EN=rightwrong表明已經給出了正誤判斷,時鐘停止計時,本次答題結束。d. 加減分控制: UPDN=right*clock即只有倒計時范圍內,必須回答正確才能加分;超時或者回答錯誤只能減分。九、 軟件仿真仿真假設:總控制端有效,1號選手搶到題目,并回答正確;理想輸出:當前選手編號為1,回答后分數為1,其余選手分數為0,倒計時由30s開始。仿真波形圖如下,符合預期的波形結果!圖8 仿真波形圖十、 實例演示下圖的情景是四位選手得分為1 3 2 5,下一道題3號搶到,左邊兩個顯示屏顯示其號碼和分數,在其回答正確后分數加1,四位選手分數變?yōu)? 3 3 5,如圖:圖8 實例演示圖十一、 感想與致謝經過了幾天的修改和調試,實驗總算完成了。在初期設計電路圖時本以為事情一定會按照紙上畫的那樣執(zhí)行,然而最后我才發(fā)現,真正耗時的竟是調試。如果說本次試驗最大的收獲,我想必然是動手實踐的理念,畢竟紙上談兵的東西靠不住,而且數字邏輯的課程與硬件關系密切,必須要動手實踐。 最后感謝張琴老師這幾天對我們實驗的悉心指導。 張云 2010.7.815