用PLD实现智力竞赛抢答器的设计与调试

1、用PLD 实现智力竞赛抢答器的设计与调试苏友平1,毕四军2(1.兰州大学信息科学与工程学院,甘肃兰州730000;2.兰州大学物理科学与技术学院,甘肃兰州730000随着数字集成电路技术的高速发展和计算机技术深入到各个领域,数字电子技术发展呈现出系统集成化、设计自动化、用户专业化、和测试智能化的优势。数字逻辑电路的计算机辅助设计与分析技术EDA (Electronic Design Automation -电子设计自动化已成为数字电子电路系统分析和设计的有力工具,并已发展成为电子学领域的重要分支。使用可编程逻辑器件(Programmable Logical Device ,简称PLD ,借助计

2、算机辅助软件来进行数字逻辑电路的设计和模拟调试的方法,对于中大规模综合性的应用题目,具有设计简单、结构优化、修改容易和实现方便等优点,可有效提高数字逻辑电路综合实验能力。智力竞赛抢答器的设计与调试是数字逻辑电路实验中的综合性题目,我们让学生分别用T TL 和GAL (Generic Array Logic 器件对比完成此题目,得到的结论是,用T TL 来实现则电路复杂、插线很多;而用集成度很高的GAL 器件来实现,可以大大简化电路结构,而且这种以PC 机与面包板相结合的开放性实验方式,使学生在轻松、有趣的环境下更加深入的理解、掌握所学的数字逻辑电路课程知识,培养EDA 软件的应用设计能力。1设

3、计环境1.1ABE L 语言及关键词AB EL 语言是Data I/O 公司开发的一种可编程逻辑器件的设计语言,它可支持绝大多数可编程逻辑器件。我们主要使用的是AB EL 硬件描述语言。1.2逻辑器件简介(1可编程逻辑器件(Programmable LogicalDevice 简称PLD ,它是用来实现多输入和多输出逻辑的器件。(2通用逻辑阵列(G eneric Array Logic ,简称G AL ,是一种把选择器集成在芯片中,通过这些选择器来切换芯片内部的电路结构,使其有更好的通用性的器件。G AL 是一种可用电擦除的、可重复的(可擦除重写100次以上编程的高速PLD 。数据可保存20年

4、以上。G AL 的输出结构由一个逻辑输出宏单元(OLMC ,通过对它的编程,使G AL 由多种输出方式:包括寄存器型输出方式、组合逻辑输出方式、并可控制三态输出门,所以其应用显得非常灵活。(3PLD 的开发过程利用PLD 进行逻辑设计,首先,根据逻辑要求,明确功能描述。对于组合逻辑,由功能描述,建立真值表,逻辑表达式;对于时序逻辑,由功能描述建立时序图,状态图,逻辑表达式。据此,选择适合的PLD 器件,把定义的信号名分配给逻辑器件的引脚(包括输入和输出,并按软件要求的格式写出输入源文件。然后进行汇编(也可以同时进行仿真,形成J EDEC 文件。最后,把J ED EC 文件写在给配制有该器件的由

5、电脑控制的编程器,再实现对器件的编程(即所谓"熔丝"。2设计要求及方案2.1设计要求抢答器要具有快速响应、及时显示、截止时间、自动还原等功能,设计时就要考虑:(1抢答器应具有数码锁存、显示功能,抢答组数分为七组,即序号1、2、3、4、5、6、7,优先抢答者按本组序号开关,组号立即锁存到L ED 显示器上,同时封锁所有组号。第22卷第1期2006年1月甘肃科技Gansu Science and TechnologyV ol.22N o.1J an.2006(2系统设置外部控制键,置于"清除"位置,L ED 显示器自动清零灭灯。(3抢答器定时为30s ,外部

6、控制键置于"启动"位置后,要求:30s 定时器开始工作;扬声器要短暂报警;发光二极管亮灯。(4抢答者在30s 内进行抢答,抢答有效,终止定时;30s 定时到,无抢答者本次抢答无效,系统短暂报警,发光二极管灭灯 。图12.2系统划分的设计任何一个数字系统,一般都是由输入部件,输出部件,数据处理部件(在计算机中,该部件又分为两部分,即运算器和存储器和控制部件组成,参见图1。控制部件对前三部分进行控制,该部件一般有若干个输入信号,被控制电路状态反馈信号,和若干个输出控制信号。输出控制信号是按一定时序产生的。这些部件称为子系统或单元。凡是没有控制部件的电路,都不能算作是一个完整独立

7、的数字系统。一定要对控制电路有一个足够的认识。2.3用状态转换图设计,对PLD 来说很方便现在假定有7个抢答键(用一片GAL22V10大概可以作到9个,这里选7个,这样就有8个状态,其中一个状态是没有任何按键的抢答状态,也叫它为无效状态,另外7个状态对应着7种按键抢答。设7个按键分别为I1,I2,I7,高电平有效,并且按优先级高低依次降低。8个状态用Q2Q1Q0表示,000为初态,也是无效态。001111分别对应着I1I7。于是,可画出它的状态转换图,如图2所示 。图2图中条件:C1=I1I2I3I4I5I6I7=1XXXXXX ,C2=01XXXXX ,C3=001XXXX ,C7=0000

8、001.(1输入变量和输出变量的确定:输入变量有:I1I7,CL K 时钟,SR 复位/启动(0/1,CP 30秒定时器的基本时钟,EN 30秒到信号。输出变量有:,Q2,Q1,Q0状态信号,同时是数显码的低三位,BI 数码管灭灯信号,C K 系统时钟形成信号,接至CL K ,CP130秒定时器的输入信号,它是CP 由经过"启动"门控制而来的,L L ED 指示灯亮信号。L1L ED 的灭灯信号。这样,有11个输入,8个输出。(2管脚分配输入:CL K ,I1I7,SR ,CP ,EN 111;输出:C K ,Q2,Q1,Q0,B I ,L ,CP1,L123,22,21,

9、20,19,18,17,16。3具体电路实现(1程序源代码:编写出AB EL 程序。下面是我们编写的参考源文件S16.ABL 。"S16.ABL -源文件名,module competition "程序名称叫competition ,flag -r3,-t1"1级测试S16device p22v10;"编程文件叫S16.J ED ,器件工业名"inp utCL K ,I1,I2,I3,I4,I5,I6,I7,SR ,CP ,EN PIN 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11;"outp utQ2,Q1,Q0PIN 22,21

10、,20;C K ,BI ,L ,CP1PIN 23,19,18,17;Q2,Q1,Q0istype pos ,REG ;"Q2,Q1,Q0是寄存器输出C K ,BI ,L ,CP1istype com ,pos ;"这些是组合输出44甘肃科技第22卷C ,X =.C.,.X.;"以下是定义 S =Q2,Q1,Q0;S0=0;S1=1;S2=2;S3=3;S4=4;S5=5;S6=6;S7=7;equatio ns "以下是逻辑方程,C K =(I1#I2#I3#I4#I5#I6#I7#EN &SR &!BI ;Q0.re =!SR ;&q

11、uot;Qi 的复位信号是/SR CP1=SR &CP &!B I ;BI =!(!Q2&!Q1&!Q0;L =SR &(!Q2&!Q1&!Q0&!EN ;STA TE_DIA GRAM S ;state S0:case (I1:S1;(!I1&I2:S2;(!I1&!I2&I3:S3;(!I1&!I2&!I3&I4:S4;(!I1&!I2&!I3&!I4&I5:S 5;(!I 1&!I 2&!I 3&!I 4&!I 5

12、&I 6:S 6;(!I 1&!I 2&!I 3&!I 4&!I 5&!I 6&I 7:S 7;(EN :S0;endcase state S1:goto S1;state S2:goto S2;state S3:goto S3;state S4:goto S4;stateS5:goto S5;state S6:goto S6;state S7:goto S7;test_vectors (CL K ,SR ,EN ,I1,I2,I3,I4,I5,I6,I7,S->S ,L "以下是仿真测试0,0,0,0,0,0,0,0,0

13、,0,X->0,0;"清零0,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0->0,1;C ,1,0,1,X ,X ,X ,X ,X ,X ,0->1,0;0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,X->0,0;C ,1,0,0,1,X ,X ,X ,X ,X ,0->2,0;end"此段程序结束(23.J ED 文件:程序汇编通过后,用AB EL软件对程序进行编译,编译通过后可产生熔丝图文件(3.J ED 。(3熔丝:用可编程逻辑器,将GAL22V10B 正确放入编程器中,调用产生的熔丝图文件(3.J ED ,将其写入GAL 芯片中。(4电路调试:按照

14、图3所示,接通电路, 进行图3调试。30秒到定时部分由计数器和555定时器短促报警结束本次抢答。注意用PLD 设计电路的特点,不要直接套用上面的电路。GAL 适用于复杂的组合电路,也适用于复杂的组合电路和时序电路的混合电路,但对纯触发器组成的电路和脉冲电路,GAL 就没有什么优越性了。所以,30秒定时电路和音响电路就不要用GAL 实现。4结论采用PLD 器件课程设计的最大特点是实验者省去了耗费大量时间的设计、选用很多元器件进行布线,省去了组装所需的大量时间,不存在竞争冒险问题,又消除了因电路接触不良而导致的故障。用GAL 芯片来实现系统的设计,可以使学生从枯燥烦琐的工作中解脱出来,更快速有效的完成实验,这不仅能提高学生对数字逻辑电路课程设计重要性的更深认识,也能提高学生的计算机应用能力,开拓思路。使学生对EDA 强大的实现价值与PLD 的强大功能有了进一步的认识,并深入解了开发GAL 芯片的全过程。所以既要