基于FPGA的多人抢答器设计（附源码工程）
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功能说明：
1. 抢答器为四人抢答器。
2. 利用六位数码管进行显示抢答器相关信息。
3. 第一个数码管显示抢答器的状态，第二个数码管显示抢到的编号，没有抢答成功前显示数字0；第三至六显示抢答用的时间（以百分秒进行显示）。
4. 板卡默认空闲状态（第一个数码管显示字母A（空闲状态），第二个数码管显示数字0），当主持人按下抢答按钮后，进入抢答状态（第一个数码管显示字母C（抢答状态），第二个数码管显示0，第三至六数码管开始记录时间）
5. 在空闲状态期间，选手按下按键没有作用，当进入抢答状态后，选手谁先按下按键，第二个数码管显示对应的编号（1、2、3、4）。
6. 当选手抢答成功后，进入抢答成功状态（第一个数码管显示F），但是第二个数码管一直显示上一次抢答成功的编号，第三至六显示上一次抢答运行的时间。
7. 主持人按下复位按钮后，再次进入空闲状态，第二个数码显示0，时间清除。
8. 每次主持人按下抢答按钮或者其他四人抢答成功时，蜂鸣器“叮”一声。
使用平台：本次设计应用Altera的平台设计（芯片：EP4CE10F17C8N）。
仿真平台：Modelsim。
作者QQ：746833924
说明：本篇设计中不涉及到IP和原语，代码在其他平台依然可以适用；当其他板卡电路不同时，会导致不同的现象出现，如有需要修改代码请联系作者；如需作者使用的板卡，请联系作者；
设计思想如下：
module responder ( input wire clk, // 50MHz input wire rst_n, input wire key_reset, // 主持人复位按钮 input wire key_start, // 主持人开始抢答按钮 input wire key_1, //第一组的抢答按钮 input wire key_2, //第二组的抢答按钮 input wire key_3, //第三组的抢答按钮 input wire key_4, //第四组的抢答按钮 output wire [5:0] sel, //数码管的位选信号 output wire [7:0] seg, //数码管的段选信号 output wire beep //蜂鸣器驱动信号); wire flag_reset; // 主持人复位脉冲 wire flag_start; // 主持人开始抢答脉冲 wire flag_1; //第一组抢答脉冲 wire flag_2; //第二组抢答脉冲 wire flag_3; //第三组抢答脉冲 wire flag_4; //第四组抢答脉冲 wire [23:0] show_data; // 显示数据 wire flag_beep; // 蜂鸣器“叮”一声的脉冲
key_ctrl模块负责将外部的按键信号进行消抖，并且产生对应边沿变化时的脉冲；responder_ctrl模块负责根据脉冲信号和设计逻辑产生对应数字逻辑；seven_tube_drive（七段数码管驱动）模块负责将responder_ctrl模块产生的数字逻辑显示到数码管上；beep_ctrl模块负责根据一个脉冲驱动蜂鸣器“叮”一声。
key_ctrl模块设计思想为：按键信号是由外部机械式按键产生，每次按下或者抬起时，会产生一定的抖动。如果直接对其进行边沿检测就会导致多次触发。故而需要设计按键消抖，进而对消抖之后的波形进行边沿检测。消抖原理为：外部按键信号发生改变后，如果能够持续20ms，没有新的改变，就认为此次改变不是抖动，而是真正的按下，然后进行采样即可。
// 记录任意边沿之后没有遇到新的边沿的时间长度是否达到20Ms
//---------------------------------------------------------------------------------------
always@(posedgeclk)begin
if(rst_n ==1'b0)
cnt_20ms <=20'd0;
else
if(pulse_key_negedge ==1'b1||pulse_key_posedge ==1'b1)
cnt_20ms <=20'd1;
else
if(cnt_20ms >20'd0&&cnt_20ms <T_20ms)
cnt_20ms <=cnt_20ms +1'b1;
else
cnt_20ms <=20'd0;
end
// ---------------------------------------------------------------------------------------
// 任意边沿之后没有遇到新的边沿的时间长度达到20Ms，认为按键稳定，此时采样
//--------------------------------------------------------------------------------------
always@(posedgeclk)begin
if(rst_n ==1'b0)
key_wave <=1'b1;
else
if(cnt_20ms ==T_20ms)
key_wave <=key_rr;
else
key_wave <=key_wave;
end
//--------------------------------------------------------------------------------------
// 对消抖之后的按键信号进行边沿检测
//---------------------------------------------------------------------------------------------
initialkey_wave_r =1'b1;
always@(posedgeclk)key_wave_r <=key_wave;
assignflag_neg =(key_wave_r ==1'b1&&key_wave ==1'b0)?1'b1:1'b0;
assignflag_pos =(key_wave_r ==1'b0&&key_wave ==1'b1)?1'b1:1'b0;
//--------------------------------------------------------------------------------------------
responder_ctrl模块的设计思想：首先根据主持人复位、起始脉冲和四组抢答脉冲，确定运行的模式。
reg [1:0] state; // 00: 空闲状态 01：抢答状态 10：抢答成功状态 // 根据按键进行状态切换 always @ (posedge clk) begin if (rst_n == 1'b0) state <= 2'd0; else if (flag_reset == 1'b1) state <= 2'd0; else if (state == 2'd0 && flag_start == 1'b1) state <= 2'd1; else if (state == 2'd1 && flag_1234 == 1'b1) state <= 2'd2; else state <= state; end
根据运行的模式，以及显示的规则。
// 根据状态进行对应的显示 initial show_data[23:20] = 4'ha; always @ (posedge clk) begin if (rst_n == 1'b0) show_data[23:20] <= 4'ha; else if (state == 2'd0) show_data[23:20] <= 4'ha; else if (state == 2'd1) show_data[23:20] <= 4'hc; else show_data[23:20] <= 4'hf; end
根据状态和外部按键，记录抢到的组号 ；
在空闲状态，显示组号为0；在抢答状态，那个脉冲有效，显示对应的组号；在抢答成功状态，保持抢答成功的组号即可。
always @ (posedge clk) begin if (rst_n == 1'b0) show_data[19:16] <= 4'd0; else if (state == 2'd0) show_data[19:16] <= 4'd0; else if (state == 2'd1) begin if (flag_1 == 1'b1) show_data[19:16] <= 4'd1; if (flag_2 == 1'b1) show_data[19:16] <= 4'd2; if (flag_3 == 1'b1) show_data[19:16] <= 4'd3; if (flag_4 == 1'b1) show_data[19:16] <= 4'd4; end else show_data[19:16] <= show_data[19:16]; end
在空闲状态中，10ms计时器清零，10ms的记录次数也清零；在抢答状态中，循环计时10ms，并且记录10ms的次数；在抢答成功状态，保持记录10ms的次数。
在抢答状态中，循环记录10ms always @ (posedge clk) begin if (rst_n == 1'b0) cnt_10ms <= 19'd0; else if (state == 2'd1 && cnt_10ms < T_10ms - 1'b1) cnt_10ms <= cnt_10ms + 1'b1; else cnt_10ms <= 19'd0; end 在抢答状态中，记录经过了多少个10ms always @ (posedge clk) begin if (rst_n == 1'b0) counter <= 32'd0; else if (state == 2'd0) counter <= 32'd0; else if (cnt_10ms == T_10ms - 1'b1) if (counter < 32'd9999) counter <= counter + 1'b1; else counter <= counter; else counter <= counter; end
将记录的10ms的次数，转变为BCD码，输出给数码管的驱动模块。
// 将记录10ms的个数转换为BCD码输出 always @ (posedge clk) begin if (rst_n == 1'b0) show_data[15:0] <= 16'd0; else show_data[3:0] <= counter%10; show_data[7:4] <= counter/10 % 10; show_data[11:8] <= counter/100 % 10; show_data[15:12] <= counter/1000; end
每次主持人按下抢答按钮（在空闲状态）或者其他四人抢答成功（在抢答状态）时，产生一个蜂鸣器“叮”一声的脉冲。
assign flag_beep = ((state == 2'd0 && flag_start == 1'b1) || (state == 2'd1 && flag_1234 == 1'b1)) ? 1'b1 : 1'b0;
beep_ctrl模块的设计原理为：蜂鸣器为无源蜂鸣器，需要给一定频率的方波才可以出声音。
// 设计原理：外部输入脉冲，蜂鸣器出声音200ms（正好是“叮”一声）。
// 蜂鸣器出声音准备采用500hz的方波来驱动无源蜂鸣器。
首先设计一个脉冲有效后，记录200ms的时间。
// 脉冲拉高后，记录200ms always @ (posedge clk) begin if (rst_n == 1'b0) cnt_200ms <= 24'd0; else if (flag_beep == 1'b1 && cnt_200ms == 0) cnt_200ms <= cnt_200ms + 1'b1; else if (cnt_200ms > 24'd0 && cnt_200ms < T_200ms - 1'b1) cnt_200ms <= cnt_200ms + 1'b1; else cnt_200ms <= 24'd0; end
在200ms期间，驱动蜂鸣器产生500hz的方波。
记录1ms always @ (posedge clk) begin if (rst_n == 1'b0) cnt_1ms <= 16'd0; else if (cnt_1ms < T_1ms - 1'b1) cnt_1ms <= cnt_1ms + 1'b1; else cnt_1ms <= 16'd0; end 在200ms期间，每到1ms，beep进行取反 always @ (posedge clk) begin if (rst_n == 1'b0) beep <= 1'b0; else if (cnt_200ms > 24'd0 && cnt_1ms == T_1ms - 1'b1) beep <= ~beep; else beep <= beep; end
以上即为beep_ctrl模块的设计思想；
七段数码管为普通六位一体的共阳极数码，采用动态驱动的方式，在此不再赘述。
空闲状态如下：
抢答状态中，百分秒开始运行。
当有抢答按键按下后，进入抢答成功状态，锁定组号和抢答运行的时间。
主持人再次按下复位按键，回到空闲状态，就可以重复以上过程。
下板后，演示视频（链接）如下：
https://www.bilibili.com/video/BV1vnYFeNEfK/?vd_source=b5405faeab8632f02533bcbfc5e52e55
本设计所有内容（设计代码、设计工程）链接为：
链接：https://pan.baidu.com/s/1PAv-4N10u7K3EZQLdayxlA
提取码：m3xw
END
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