基于cpld的智力竞赛抢答器的设计

基于CPLD的智力竞赛抢答器的设计,学 院 （系）： 电子与电气工程系 专 业： 电子信息工程,基于CPLD的智力竞赛抢答器,摘要：本设计中利用CPLD完成抢答器的全部功能，如：抢按时间与答题时间设置，抢按时问与答题时间倒计时，复位功能，计分功能，选手号码的识别与输出，计时时间与选手号码的数码显示等，代替了单片机控制技术。发射与接收选手号码、选手的得分控制等均采用无线遥控的方式完成。利用集成电路TSDl420完成号码的语音放送。解决了目前大多数抢答器存在的3个问题。该设计通过安装制作、仿真、实际使用证明，它可靠性强、电路结构简单、成本低廉，是一个实用的工程设计，具有创新性。关键字： 抢答器；CPLD；语音,第一章 绪论,1.1抢答器研究的相关背景 抢答器是一种应用非常广泛的设备，在各种竞赛，抢答场合中，他能迅速客观的分辨出最先获得发言权的选手。早起的抢答器只有几个三极管，可控硅，发光管等组成，能通过发光管得指示辨认出选手号码。现在大多数抢答器均使用单片机和数字集成电路，并增加了许多新功能，如选手号码显示，抢按前后的计时，选手的分显示功能。 现在大多数抢答器均使用单片机(如MCS一51型)和数字集成电路，并增加了许多新功能，如选手号码显示、抢按前或抢按后的计时、选手得分显示等功能。然而上述抢答器存在3个缺陷：第一，现场线路连接复杂。因为每个选手位于抢答现场的不同位置，每个选手与控制台之间要有长长的连接线。选手越多，连接线就越多、越乱，这些连接线不仅影响了现场的美观，而且降低了抢答器的可靠性，增加了安装的难度，甚至影响了现场人员的走动。第二，电路复杂。因为单片机只完成号码处理、计时、数据运算等功能，其它功能如选手号码的识别、译码、计分显示等仍只能通过数字集成电路完成。采用单片机扫描技术识别选手抢按号码时，电路的延迟时间较大。第三，选手抢按成功后其号码只有数码或指示灯显示，没有语音提示。,1.2选题的目的和意义 无论是学校、工厂、军队还是益智性电视节目，都会举办各种各样的智力竞赛，都会用到抢答器。目前市场上已有各种各样的智力竞赛抢答器，但绝大多数是早期设计的以模拟电路、数字电路或者模拟电路与数字电路相结合的产品。这部分抢答器已相当成熟，但功能越多的电路相对来说就越复杂，且成本偏高，故障高，显示方式简单（有的甚至没有显示电路），无法判断提前抢按按钮的行为，不便于电路升级换代。近年来随着科技的飞速发展，EDA技术的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月异。本设计就是利用CPLD作为核心部件进行逻辑控制及信号的产生，用可编程逻辑器件CPLD本身的优势使竞赛真正达到公正、公平、公开。 通过这次课程设计，掌握CPLD的工作原理，了解多功能抢答器组成原理，初步掌握多功能抢答器的调整及测试方法，提高动手能力和排除故障的能力。同时通过本课题设计与装配，调试，提高自己的动手能力，巩固已学的理论知识建立单片机理论和实践的结合，了解多功能抢答器个单元电路之间的关系及相互影响，从而能正确设计各个单元电路，初步掌握多功能抢答器的调整及测试方法，提高动手能力和排除故障的能力。,1.3论文的主要研究内容与意义 本课题研究的内容就是利用无线的方法发射和接收抢答选手的号码，用无线的方法控制选手的得分；利用CPLD取代单片机，实现抢答器的功能，如：抢按时间与答题时阈设置，抢按时间与答题时间倒计时，复位功能，计分功能，选手号码的识别与输出，计时时间与选手号码的数码显示等。利用语音电路报出选手的“号码”。通过研究并在设计验证后发现，采用CPLD技术设计的抢答器与目前常用的抢答器相比，首先，电路连接简单，因为大多数功能单元都通过程序设计集成在CPLD内部；第二，工作性能可靠，抗干扰能力优于目前抢答器。第三，在电路的延延时间方面，CPLD明显优于单片机。所以本研究是一个实用的工程设计，具有创新性。本论文章节的结构和内容如下：第一章：绪论。简要介绍了抢答器的发展现状；说明了本课题研究的内容。第二章：抢答器系统概述。说明了抢答器的工作过程和主要功能，并定下了本课题要达到的设计目标。第三章：抢答器的设计与仿真。详细描述了本课题各个组成电路单元的设计。给出仿真结果。结论：总结课题设计。指出设计中的一些问题，提出改善的意见，并展望抢答器的未来设计。,第二章 抢答器的系统概述,本章首先分析所设计的抢答器需要实现的功能以及其技术指标，明确系统所实现的硬件功能，通过分析设计抢答器总体方案，对整个系统进行总体设计，并根据设计技术指标的要求来选择恰当的器件。2.1 抢答器的基本功能2.2 抢答器的扩展功能2.3 抢答器设计方案选择2.4 方案比较及选题依据2.5 抢答器的工作流程2.6 本章小结,2.1系统的基本功能 利用CPLD及外围接口实现的抢答系统，将软硬件有机的结合起来，使系统能够正确的进行计时，同时是数码管能够正确的显示时间和选手号码。用开关做键盘输出，扬声器 发生提示。系统达到要求：在抢答中，只有开始后抢答才有效，如果在开始抢答前抢答无效，抢答限定时间和回答问题的时间可是在1-99秒设定，可以显示是那位选手有效抢答和无效抢答，正确按键后有声音提示，抢答时间和回答问题的时间倒计时显示，时间完成后系统自动复位，按键锁定，在有效状态下，按键无效非法。,2.2抢答器的扩展功能 1.抢答器具有定时抢答的功能，且一次的抢答时间有主持人设定。当节目主持人启动“开始”键后，要求定时器立即减计时，并用显示器显示，同时扬声器发出短暂的声响。 2. 参赛选手在设定时间内抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答时刻的时间，并保持到主持人将系统清零为止，如果定时器抢答时间已到，但没有选手抢答，本次抢答无效，系统将短暂报警并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答，时间显示器上显示00. 3. 当参赛选手在回答问题后主持人根据回答内容和回答是否有效并最终给出无效，加分，减分三种情况。,2.3抢答器设计方案的选择 方案一：纯数字电路抢答器它是由各个元器件如集成电路74LS148,74LS279,74LS48，74LS192，电容，电阻等74LS系列按照一定功能和结构组合在一起让其实现我们所需要得到功能，系统各部分采用中小规模集成数字电路，用机械开关按钮作为控制开关，完成抢答输入信号的触发，该方案的特点是中小规模集成电路应用技术成熟，性能可靠，能方便的完成选手抢答的基本功能，但是由于系统功能要求较高，所以电路连接成集成电路相对较多，而且过于复杂，并且制作过程工序比较繁琐，使用不太方便。 方案二：单片机抢答系统采用MCS51系列单片机AT89S51作为控制核心，爱系统可以完成运算控制，信号识别以及显示功能的实现。根据我目前所掌握的单片机我只是有限在加上硬件调试复杂和经济偏贵，所以制作过于困难复杂，并且在硬件调试过程中容易出现问题，使用也不方便。 方案三：基于CPLD抢答器它是在Quaral软件上书写程序代码，再将正确的程序代码下载到开发板上进行验证，最终将其实现我们所要的功能，由于用了CPLD，使其技术比较成熟，应用起来方便，简单并且单片机周围的辅助电路也比较少，便于控制和实现，整个系统具有极其灵活的可编程性，能方便的对系统进行功能的扩张和更改性。CPLD特点1.可靠性好2.易扩充3.控制功能强。,2.4 方案比较及选题依据 方案比较及其选用依据，显然方案三比方案一二简单多，不但从性能上由于前两种方案，而且在使用上及其功能的实现都比前两种方案简洁，并且由于单片机具有优越的高集成电路性，使工作速度更快，效率更高。另外EPM240T100C5开发板采用12MHZ的晶振，提高了信号的测量精度，并且可以使系统通过软件改进来扩张功能，而前两种方案采用了中小规模集成电路，有其复杂的电路性能和根据自己所学的知识有限导致各种意外的困难，从而会使信号的输入输出产生延时及不必要的误差。显然选择方案三比较适合。 在设计过程中对各电路模块进行细化。本信号发生器系统以微控制器(Micro Control Unit，MCU)为控制核心，复位监控电路主要大大提高MCU的复位性能，通过确定的电压值启动复位操作，同时排除瞬间干扰的影响，又有防止MCU在电源启动和关闭期间的误操作有效，保证数据安全。输入电路用于检测各按键与拨动开关的状态，并通过运算处理实现相应控制，显示电路用于显示波形频率与幅度。DAC0808是系统的核心部分，为使芯片正常工作，必须提供一个基准频率，可以是晶体振荡器也可以是高精度振荡电路。为了使信号输出有一定的幅度与功率，在波形产生电路后增加放大电路模块，放大电路可以增加输出信号的准确度，具有更好的控制特性与准确性。为了对输出进行选择，由单片机控制多路模拟开关输入四路信号中的一路。将输入信号经电路转换后送入单片机。,2.5 抢答器的工作流程 抢答器的基本工作原理：在抢答竞赛或呼叫时，有多个信号同时或不同时送入主电路中，抢答器内部的触发器、寄存器工作，并识别、记录第一个号码，同时内部的定时器开始工作，记录有关时间并产生超时信号。在整个抢答器工作过程中，显示电路、信息提示单元、语音电路等还要根据现场的实际情况向外电路输出相应信号。抢答器的工作流程分为参数设置、系统复位、正常流程、违例流程等几部