نظام الجرس التنافسي: 5 خطوات

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:37

يعمل نظام الجرس التنافسي المصمم في هذا المشروع بشكل مشابه لأنظمة الجرس المستخدمة في المسابقات الإقليمية والوطنية لأوعية العلوم. استلهم هذا المشروع من مشاركتي مع فريق العلوم في مدرستي الثانوية لمدة ثلاث سنوات. لطالما كانت لدينا الرغبة في إعادة إنشاء نظام جرس الإغلاق بمؤقت 5 ثوانٍ و 20 ثانية.

لإعطاء بعض المعلومات الأساسية عن نظام الجرس ، تمت برمجة صفارات وعاء العلم لإدخال 8 لاعبين كحد أقصى (مع 8 صفارات منفصلة). بمجرد الضغط على جرس واحد ، سيضيء جرس الشخص الأول للإشارة إلى اللاعب الذي يتلقى السؤال. سيتم "إغلاق" باقي اللاعبين مما يعني أن صفاراتهم لن تستجيب حتى يقوم الوسيط بإعادة تعيين نظام الجرس.

بعد أن يقرأ الوسيط الأسئلة ، سيضغط على زر لبدء عداد العد التنازلي الذي سيتم عرضه على الشاشة المكونة من سبعة أجزاء. بعد سؤال "إهمال" ، يمكن للمشرف الضغط على الزر الأيمن لبدء العد التنازلي من 5 ثوانٍ. في غضون ذلك ، بعد سؤال "المكافأة" ، يمكن للمشرف الضغط على الزر الأيسر لبدء العد التنازلي من 20 ثانية. بمجرد أن يصل المؤقت إلى الصفر ، سيشير صوت صفير إلى أن وقت اللاعب قد نفد.

لإعادة ضبط النظام وموقت العد التنازلي ، يمكن للوسيط الضغط على زر الوسط. لإعادة تعيين آلية القفل ومصابيح LED الخاصة بالمشغل ، يجب أن تكون مفاتيح المشغل 1 و 2 منخفضة.

الخطوة 1: المواد

سوف تحتاج إلى ما يلي:

• لوحة Basys3 (أو لوحة FPGA مكافئة)
• كابل Micro-B USB
• مكبر الصوت (استخدمت مكبر صوت سلبي)
• 2 أسلاك
• برنامج لتنفيذه على FPGA (استخدمت Vivado)
• ملف نظام الجرس التنافسي

الخطوة 2: مخطط الصندوق الأسود

يوضح مخطط الصندوق الأسود المدخلات والمخرجات التي سيتم استخدامها في نظام الجرس هذا.

المدخلات:

player1، player2 هذه المدخلات متصلة بمفتاحين على لوحة Basys3. للراحة ، سيتم استخدام مفاتيح التبديل الموجودة في أقصى اليسار وأقصى اليمين.

إعادة تعيين سيتم استخدام زر الوسط لتمثيل زر إعادة الضبط.

count_down_20_sec سيتم استخدام الزر الأيسر لتمثيل زر المؤقت لمدة 20 ثانية.

count_down_5_sec سيتم استخدام الزر الأيمن لتمثيل زر المؤقت لمدة 20 ثانية. لضمان بدء تشغيل المؤقت لمدة 20 ثانية و 5 ثوانٍ ، استمر في الضغط على الزر حتى تعرض الشاشة المكونة من سبعة أجزاء الموقت.

CLK ستولد لوحة FPGA ساعة تعمل بتردد 10 نانوثانية.

المخرجات:

مكبر الصوت يتم توصيل خرج مكبر الصوت بجرس خارجي أو مكبر صوت. سيكون عليك توصيل السماعة بمنافذ Basys3 board JA pmod. سيتم تحديد هذه الخطوة أدناه.

Speaker_LED هذا الإخراج متصل بمصباح LED في منتصف اللوحة ، وسيشير فقط عندما يكون خرج مكبر الصوت في FPGA مرتفعًا. يمكنك استخدام هذا لاختبار السماعة الخارجية الخاصة بك. لاحظ أن بعض منافذ pmod قد لا تعمل بشكل جيد ، لذا يمكنك تجربة منافذ مختلفة واستخدام مؤشر LED للتحقق مما إذا كان يجب تشغيل مكبر الصوت.

المقاطع هذا الإخراج متصل بالمقاطع الفردية الثمانية على شاشة العرض المكونة من سبعة أجزاء ، بما في ذلك الفاصلة العشرية.

DISP_EN هذا الإخراج متصل بأربعة أنودات على الشاشة ذات الأجزاء السبعة.

player_LED هذا الإخراج عبارة عن إشارة ثنائية الحزمة متصلة بمصابيح LED أعلى مفاتيح player1 و player2. سيُشار إلى أول لاعب يقلب المفتاح المقابل له بواسطة مؤشر LED. لاحظ أنه لا يمكن تشغيل كلا المصباحين في وقت واحد.

الخطوة 3: توصيل السماعة الخارجية

لتوصيل السماعة الخارجية بلوحة Basys3 ، خذ السلكين وقم بتوصيلهما كما هو موضح في الصورة أعلاه. يربط الخط الأبيض الطرف السالب لمكبر الصوت بالمنفذ الأرضي على اللوحة. يربط الخط الأحمر الطرف الموجب للسماعة بمنفذ JA10 pmod على اللوحة.

تم تصميم ملف القيود بحيث يعمل أي منفذ من JA1 إلى JA10. ومع ذلك ، فإن بعض المسامير الموجودة على اللوحة غير مستجيبة ، لذلك إذا لم يعمل JA10 ، يمكنك تجربة المنافذ الأخرى.

الخطوة 4: الرسم التخطيطي الهيكلي

توضح الصورة أعلاه المخطط الهيكلي لنظام الجرس التنافسي بما في ذلك جميع المكونات التي تشكل الوحدة الرئيسية. أوصافهم هي كما يلي:

player_lockout_LED1 مكون LED الخاص بقفل المشغل عبارة عن آلة ذات حالة محدودة تستخدم تشفيرًا واحدًا ساخنًا. يحتوي على أربعة مداخل: player1 و player2 و reset و CLK. يحتوي على مشغل إخراج حزمة 2 بت_LED. مدخلات ومخرجات المكون player_lockout_LED1 كلها متصلة مباشرة بالمدخلات والمخرجات ذات الأسماء المتشابهة للوحدة الرئيسية.

buzzer_tone1 يعتمد مكون الجرس على هذا الرمز المنشور في المنتدى

stackoverflow.com/questions/22767256/vhdl-… ومع ذلك ، تم تعديله لإخراج صوت مستمر بتردد 440 هرتز (ملاحظة). يتم توصيل مدخل التمكين بإشارة تمكين الطنان وهي إخراج مكون down_counter_FSM1.

clk_div1 مكون مقسم الساعة هو نسخة معدلة من مقسم الساعة الخاص بالبروفيسور بريان ميلي المتوفر على PolyLearn. إنه يبطئ الساعة بحيث تكون فترة الإخراج ثانية واحدة.

down_counter_FSM1 العداد السفلي هو FSM مصمم للعد التنازلي إلى الصفر. وقتان البدء المحتملان هما 20 أو 5 يتم اختيارهما بواسطة إدخال المستخدم. يتم إخراج "1" عندما يصل المؤقت إلى الصفر للإشارة إلى نفاد الوقت. هذا الإخراج بمثابة تمكين لمكون نغمة الجرس. يقوم العداد أيضًا بإخراج إشارة حزمة 8 بت ترسل 8 بت BCD التي يتم إرسالها إلى وحدة فك ترميز المقطع. مخرج آخر هو counter_on الذي يرتبط أيضًا بالإدخال الصالح في وحدة فك ترميز المقطع.

sseg_dec1 يتم توفير مكون وحدة فك التشفير المكون من سبعة أجزاء في PolyLearn وقد كتبه الأستاذ Bryan Mealy. يستخدم إدخال BCD المقدم من down_counter_FSM1 ، ويخرج المكافئ العشري على الشاشة المكونة من سبعة أجزاء. عندما يكون العداد في وضع التشغيل ، يكون الإدخال الصحيح مرتفعًا. يتيح ذلك لوحدة فك التشفير عرض الرقم العشري على شاشة العرض المكونة من سبعة أجزاء. عند إيقاف تشغيل العداد ، يكون الإدخال الصالح منخفضًا. ستعرض الشاشة المكونة من سبعة أجزاء بعد ذلك أربع شرطات فقط.

الخطوة 5: مخطط آلة الحالة المحدودة (FSM)

تتضمن قائمة الحساسية لجهاز الحالة المحدودة player1 و player2 وإعادة الضبط والساعة. ناتج FSM عبارة عن مشغل حزمة 2 بت_ LED متصل بمصباحين على لوحة Basys3. تُظهر آلة الحالة المحدودة الحالات الثلاث التالية:

ST0 هي حالة البداية. في هذه الحالة ، يتم إيقاف تشغيل مصباحي LED. ستبقى FSM في هذه الحالة إذا كان كل من player1 و player2 منخفضين. تؤدي إعادة التعيين غير المتزامنة أيضًا إلى تعيين الحالة على ST0. عند ضبط مفتاح player1 على "مرتفع" ، ستكون الحالة التالية ST1. إذا تم ضبط مفتاح player2 على "مرتفع" ، فإن الحالة التالية ستكون ST2.

ST1 هي الحالة التي يكون فيها player1 LED قيد التشغيل. ستبقى ولايات ميكرونيزيا الموحدة في هذه الحالة لأي إدخال. هذا يعني أنه حتى عندما يكون مفتاح player2 مضبوطًا على مرتفع مباشرة بعد أن يكون مفتاح player1 مرتفعًا ، فإنه سيظل في ST1. يمكن فقط لإعادة الضبط غير المتزامن ضبط الحالة التالية على ST0.

ST2 هي الحالة التي يكون فيها player2 LED قيد التشغيل. على غرار ST! ، ستبقى FSM في هذه الحالة لأي إدخال ، حتى عندما يتم ضبط مفتاح player1 على مرتفع مباشرة بعد أن يكون مفتاح player2 مرتفعًا. مرة أخرى ، يمكن فقط لإعادة الضبط غير المتزامن ضبط الحالة التالية على ST0.