实验题目

象棋快棋赛电子裁判计时器的设计

实验难度

★★

成员

姓名

班号

学号

1

郭茁宁

1837101

1183710109

2

孙英玮

1837101

1183710110

实验类型

综合设计型

实验目的：

1. 根据象棋快棋赛的规则，红黑双方对弈时间累计均为三分钟，超时判负。

实验要求：

1. 甲乙双方的计时器为一个秒时钟，双方均用3位数码管显示，预订的初始时间为三分钟，采用倒计时方式，通过按钮启动，由本方控制对方，比如甲方走完一步棋后必须按一下甲方的按键，该按钮启动乙方倒计时。同理，乙方走完一步棋后必须按一次乙方的按键，该按键启动甲方倒计时。
2. 超时发出报警判负。
3. 累计时间设置可以改变。
4. 裁判控制，选手按键完己方时间加3秒（附加功能）

实验内容：

综合运用计数器、触发器、译码电路等方面的知识，完成从设计、选片、连线、调试、排除故障到实现一个数字系统的全过程，具体包括：

1、查阅相关资料，写出设计过程，说明系统的工作原理

2、完成数字系统电路原理图的设计

3、给出仿真实验结果

4、完成实验演示

实验环境：

Vivado集成开发环境

数字逻辑设计实验平台

EGO1开发板

系统整体设计：

1. 工作原理

1. 接通电源后，主持人通过控制开关设置计数器的初值，即倒计时累计初始值。
2. 比赛开始，如果甲先走，则乙方按下按钮，甲方的计时器开始倒计时。
3. 甲方走完一步之后，甲按下按钮，甲方计时器停止倒计时，乙方计时器开始倒计时，依此进行电子倒计时。
4. 相反如果乙方先走，则过程基本是相同的。
5. 当甲乙双方其中一个计时器倒计时到零后，对应的灯开始报警，则对应的灯报警的那一方就被判定为输。
6. 当需要再次使用时，主持人通过开关重新对计数器置数，然后再开始比赛。

1. 系统工作流程图

1. 系统框架图

两大主要实验装置：

（1）计数器

参考电路如图2.所示。该电路完成三个功能：一是计数功能；二是由主持人开关控制计数器置数，设置倒计时器的初始值；三是为译码电路提供输入。由于题目要求是倒计时，所以我们这里要选择减法计数器或者是可逆计数器，本文选用的是自己编译的减法计数器；由于是十进制的，所以需要三位数码管分别显示个位、十位、百位，显示的是计数器的输出通过译码电路出来的结果。工作过程：通过主持人开关对控制个位、十位、百位的计数器进行置数，控制个位的计数器置数端都接低电平，控制十位的置数端低三位接低电平，高位接高电平，控制百位的计数器最低位接高电平，高三位接低电平。这样经过译码显示电路之后显示出来的分别就是“0”、“8”、“1”。图中x0，x1，x2，x3接译码器的输入端，同时也接入报警电路。Clr为清零端，Competitor为选手输入端，mr为置数端，mr1为选择置数端。

图2. 计数器电路

（2）译码器

参考电路如图3.所示。该部分主要功能是提供译码及显示。选择器件是七段数码管和七段共阴数码管译码电路， 将计数器输出的bcd码转换成七段数码管中显示的相应的数字。abcdefg分别为数码管的7段，其与输入A_1、B_2、C_3、D_4对应。如表1.所示。

表1.

1. 端口逻辑功能说明

1. 仿真结果

总方针结果：

6、管脚绑定列表

系统设计与实现:

接通电源后，主持人通过控制开关设置计数器的初值，即倒计时累计初始值。然后比赛开始，如果甲先走，则乙方按下按钮，甲方的计时器开始倒计时，甲方走完一步之后，甲按下按钮，甲方计时器停止倒计时，乙方计时器开始倒计时，依此进行电子倒计时；相反如果乙方先走，则过程基本是相同的。当甲乙双方其中一个计时器倒计时到零后，对应的灯开始报警，则对应的灯报警的那一方就被判定为输。当需要再次使用时，主持人通过开关重新对计数器置数，然后再开始比赛。

通过主持人开关对控制个位、十位、百位的计数器进行置数，控制个位的计数器置数端都接低电平，控制十位的置数端低三位接低电平，高位接高电平，控制百位的计数器最低位接高电平，高三位接低电平。这样经过译码显示电路之后显示出来的分别就是“0”、“8”、“1”。图中x3、x2、x1、x0接译码部分的输入端。译码器的输出同时接报警电路。

译码器将计数器输出的8421bcd码转换成七段数码管中显示的相应的数字。

6个数码管构成了甲乙两人的电子裁判计时器，比赛开始，对计数器置数，使得两人计数初值为180秒，然后其中一个按下按键，己方的计时器停止计数，对方的计时器开始倒计时，当有人计时器记到0时，蜂鸣器报警。通过简单的数字逻辑电路，完成了我们需要的电子裁判计时器功能。

附加功能说明：

1. 增加裁判控制端，当裁判宣布开始比赛时即对应输入为高电位时，计时器才能开始计时，当裁判端输入为低电位时，计时器停止工作。
2. 任意设置比赛时间为0-999秒。
3. 为模拟真实比赛情况，每次选手按下按钮完成下棋时，自己的倒计时时间会增加三秒。

实验过程中遇到的问题及解决方法与思路：

问题1：减法计数器输出为乱码。

原因：未彻底学会减法计数器的工作原理。

解决方法：学习相应原理，重新设计。

问题2：数码管显示数字相同。

原因：未理解数码管的结构。

解决方法：了解数码管结构，设计对应的数据选择器使数码管显示不同的数字。

问题3：时钟端开始工作后，数码管全亮。

原因：时钟过快。

解决方法：设计分频器，放缓输入的时钟。

问题4：设置数字的时候无法选择相应的数位。

原因：在设计减法计数器是未考虑修改数字的情况。

解决方法：重新设计，增加选择信号。

问题5：设计完成后输入管脚过多，开发板上没有足够的输入端口。

原因：未对设计过的逻辑关系进行简化。

解决方法：简化设计的逻辑关系，合并功能相同的管脚。

成员小组分工说明：

孙英玮：编写程序，调试开发板

郭茁宁：设计电路，撰写报告

分析总结、收获和体会:

优点：

本逻辑电路设计符合题目要求，根据象棋快棋赛的规则，实现“红黑双方对弈时间累计均为三分钟，超时判负”的象棋快棋赛电子裁判计时器的设计，并有切合实际的额外附加设计（裁判功能），具有创新元素和实用价值。

创新之处：

用开关实现二进制计数器读入，自由设定时间，增加裁判介入控制功能，使电路可控性增强。

不足之处：

报警电路表现形式不够显著，功能不够丰富，电路精简型有待提高。

需要改进的地方：

电路逻辑化简和整体打包，计时器输入方便性。

收获与学习体会：

通过本次实验，学会了搭实用的数字逻辑电路的方法，掌握了Vivado等仿真软件的使用，了解了几种计数器芯片的功能和使用方法。本次实验虽说没有尽善尽美，但是基本完成了要求实现的功能，作为初学者，通过本次实验还是收获非常大的。

报告完成日期：2019.5.28