基于FPGA的六路抢答器（LED模块 蜂鸣器模块 计数器模块 键盘）

本篇文章参考了CSDN用户 ifreewolf_csdn，在这里深表感谢！！！

一个抢答器设计：

像C语言一样直接写一个main函数，我开始设法运用数电的知识，尝试着来我这个模块能不能一步到位，一镜到底！
（1） 重新审视问题，制定明确的规则：
抢答器的台数最终定为6台，
当主持人按下reset键抢答开始，倒计时20秒，20秒倒计时之后抢答视为超时发出报警，系统还会显示出超前抢答的台号，系统复位之后，再次按下开始抢答键，抢答开始，当一旦有一路按键按下，该路的抢答信号会将其他各路的抢答信号封锁响铃，显示牌上会显示相应的抢答台号


（2） 明确复位信号的作用，寄存器全部清0

（3） 因为系统还要感知到有超前抢答的信号，我们就必须有一个寄存器变量是与start键一同开始赋值变化的，想到这里，引入一位寄存器变量come_on

（4） 输入抢答端有六个端口（rusher1~6），就像开关一样的效果，初态为0，一旦按下去就设为1，设为1之后不会自动再跳回0，仍需要手动输入（目前没有想到好的办法），同时因为系统还要感知到是否是超前抢答了，那就必须有另一个寄存器变量与按键信号rusher[]一同变化，我们设置为flag(1位寄存器变量)

这个模块我们实际上有6个独立相似模块（因为我们有6个抢答按键）
（5） 关于计数模块：这部分相对复杂，首先需要感知到抢答开始信号开始计数，同时又要感知到正规抢答信号停止计数，如果是超前抢答，计数模块还不能发生变化，同时因为我们设置的是20秒倒计时，设置了一个5位的寄存器变量count_down用于倒计时

因为我们flag的初值设的是0，只有感知到按键信号的时候才会变成1，come_on的初值也是0，只有感知到开始抢答信号的时候才会变为1，这个设计，既保证了只有按下开始抢答键之后才会开始倒计时（不受超前抢答信号的干扰），同时也保证了，正规抢答信号到来时停止计时的固有要求
（6） 同时因为我们设置的是20秒倒计时，基于此我设置的是两个4位的输出分别是time_outA,time_outB,如何寄存器变量count_down的信息转化成为模块的输出，想到用数据流语句：

一个要整数部分，一个要余数部分，巧妙地实现转变，堪称完美
（7） 我们还需要一个输出用于显示抢到题的小组，使用3位输出who，可以转接入数码管用于显示

也是基本上有6个同样的模块
（8） 关于超前抢答信号，我们需要报警，这个时序逻辑其实是比较复杂的，但是因为有之前我们的一些铺垫，简单了不少；
(a)首先寄存器变量come_on随开始信号而被赋值，我们就是用come_on来感知start信号

(b)之前我们也提到了time_length是随抢答信号，而伴生的以为寄存器变量，我们用这个寄存器变量来感知抢答信号，初值为0，当抢答信号来的时候变为1，

类似这样的模块同样有六个
©超前抢答信号怎么检验，其激励机制是怎样的，作用时间又是怎么确定的，这个问题十分复杂，时间有限，我只想到了让超前抢答警告蜂鸣器warn_buzzer与start的作用联系起来，因为start未作用的时候其初值为0，作用的时候初值为1，因而我们这一部分只用感知start的上升沿就好

同时，感知了start的上升沿就知道了两方对比的其中一方，而另一方就是抢答信号，

关于抢答信号，一旦某队最先抢到，相应的time_length就会变为1，换句话说我们只需要判断start的上升沿来的时候寄存器time_length是否为1即可！

（9） 如果是在正规抢答时间抢到了题目，如何来进行判断，这部分比上一部分更加复杂，使用time_length的上升沿来判断，然而还不足以，要体现是正规抢答时间，就必须要引用寄存器come_on，因为开始抢答信号到来的直接影响就是come-on变为1，当time_length的下降沿到来的时候，结合come_on为1，就可以确定，是正规抢答信号

（10） 问题又来了，提示蜂鸣器的提示音时间怎么确定，这部分是最难的，我用time_length的上升沿来使提示蜂鸣器开始响，那么我们能不能用time_length来使提示蜂鸣器关闭呢，想到这里果断想到利用time_length的下降沿来使remind_buzzer重新回到低电平，这点很容易实现
就要想time_length的来历，是因为某个位置的抢答信号，我们就必须要定位是哪一个人抢到了题，在那个地方引发了time_length的上升沿，引入寄存器变量which_one来定位，定位成功之后使用switch语句来让time_length跳转回到低电平


（11） 到此处为止，就可以确定抢到模块怎么写了（以下模块有六个）

注意：这一部分并不需要感知start信号，也就是说抢答是永远在进行着的，不管开始没有开始，仅凭这个模块根本看不出来是超前抢答还是正规抢答！

四、实验数据及分析

对于实验仿真部分，因为我只有一个模块，就只用建立这一个模块的仿真即可。
（1） 关于时钟，设计的是50ns一个翻转，也就是一个20MHZ的时钟

（2） 关于仿真的初值设置

（3） 情况（1）系统复位之后，在没有开始抢答的时候，若干人已开始抢答

可以看到：
（a） 在start信号没有来的时候，倒计时停留在19，还没有开始倒计时
（b） 在200ns的时候复位，400ns左右的时候，start信号还没有来的时候，rusher1已经超前抢答，当时钟的上升沿到来的时候，三位输出端ho显示了1，说明是1号第一个答的，之后陆续每隔100ns都有一个rusher抢答，但是这个时候3位输出端who不变，说明其他抢答者的抢答通道被封锁了
（c） 接下来start信号到来了，这个时候就要判断在start信号上升沿到来之前有没有人超前抢答，显然是有的，那么报警蜂鸣器就会响

（d） 而start的下降沿一到来，报警蜂鸣器就不再响了
（4） 系统复位之后，开始信号到来，所有抢答者正规抢答


(a) 可以看到，当start 信号到来之后倒计时计数器开始计数，time_outA刚开始始终为1，等过10个时钟信号之后，变为0，time_outB二分频计数从0到9
(b) 在3300ns的时候rusher1的抢答信号到来，提示蜂鸣器响起，倒计时器停止倒计时，保留剩余时间显示。
© 从这个图中，我们可以看到，与我们的设计是一样的，如果抢答者rusher1不让抢答键复位的话，提示蜂鸣器会一直响起（这个有好处有坏处）

(d) 同样不出我们所料，之后的抢答通道会被封锁，抢答信号被自动屏蔽掉。
（5） 如果是既有提前抢答的人，又有正规抢答的人


(a) 当复位信号到来之后，开始信号到来之前，rusher1超前抢答，开始信号到来之后，又有若干抢答者做作答。
(b) 我们可以看到，有人超前抢答，当开始信号到来的时候，系统会马上断定有人提前抢答，其他抢答通道会被封锁，倒计时计数根本不变，警告蜂鸣器会响起，提醒蜂鸣器不会响。
（6） 如果抢答者的抢答信号持续时间很长，在此持续时间段之内，start信号到来，看看会有什么影响：


我们可以看到，警告报警器会发出警告，警示牌上会显示违规抢答的小组，不会出现这个最可怕的BUG

五、结论
在本实验之中，
（1） 我初步充分掌握了ISE14.7的基本功能实现操作方法，熟悉了这个软件的基本操作；
（2） 通过本实验，我对数电的知识有了更加深入的认识，学会了使用FPGA加上数电知识的综合利用，对于边沿使能的认知进一步加深了。
（3） 在本实验之中，我首先选择在CSDN，GITHUB等众多论坛上学习FPGA，一些模块化的实例再参考别人的基础上集众家之长编写自己的模块
（4） 项目完成度很高，项目成功实现了大部分功能，而且从一定程度上来说，实现的很巧妙
（5） 项目的求索精神，刚开始的时候依旧遵循开题时的大致思想，但做到项目中期的时候，战略放弃了之前所做的，不知道是对还是不对，做自己认为正确的事
（6） 独立思考与求助的结合，这里面这个度的把握，要经过自己的充分思考，充分思考之后，实在解答不出来的话再求助他人，形成一个很好的问题解决流程
（7） 学习新知的过程，对待新的知识，不能从太底层入手，会陷入一个温水煮青蛙的被动，应该双管齐下，融会贯通，（对待以C语言开发出来的语言这样做），基于工程实际，上手更快
（8） 工程实际过程之中会遇到各种实际问题，每个人都有不同的选择，每个选择的前路都是未知的，一定要有探索精神，不知道如果最后转变之后的程序编不出来，我会不会仍然坚持严格自己编程序，不看别人的；
（9） 看别人的代码再来编自己的从某种程度上来讲很容易，而且很显然会不经意间受他人的影响，不知道自己的真正能力；
（10） 持就是胜利！

注意：
总结：
（1）可以看到在程序之中我用的是宏定义延时时间为100ns，时钟是每隔50ns翻一翻，我们用的时钟是20MHZ；
（2）rset是复位键，start是主持人开始键，
（3）rusher相关键是选手按键（更像是开关）；
（4）who是一个输出端，用于在显示屏上显示，由于有6名参赛者，我就设置了3位；
（5）time_outA和time_outB分别是四位输出端口；
（6）warn_buzzer是抢答警告蜂鸣器端口；根据start的上升沿有效
（7）remind_buzzer是抢答成功蜂鸣器端口；
（8）count_down是一个4位寄存器变量，我们用这个通过一定的操作转化成为time_outA和time_outB;
(9)3位寄存器变量which_one和who相似，都是用来记录抢答者；
（10）flag是抢中了的标志；flag说明你抢到了
（11）count_down和flag和which_one和time_length都是因为我们没有办法直接读取端口的值而设置的辅助寄存器变量

程序代码和仿真测试代码我将在下一篇文章公布！！！