北邮数电实验猜数字.docx
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北邮数电实验猜数字
题目:
简易猜数字游戏机的设计与实现
姓名
学院电子工程学院
专业电子信息科学与技术
班级
学号
班内序号
一、设计课题的任务要求
●基本要求：
1、游戏规则：
通常由两个人玩，一方出数字，另一方猜。
出数字的人要想好一个没有重复数字的4位数，不能让猜的人知道。
2、数字设置：
通过4*4键盘进行4位数字输入,在数码管（DISP0~DISP3）上显示当前所输入的数字。
通过设置确定键（BTN1键）进行锁定，此时数码管上的数值消失，同时用点阵开始倒计时，即：
初始状态点阵全亮，然后从右下角开始，由右到左、由下到上逐点逐排依次熄灭，间隔时间为1s，共计64s。
3、猜数字：
可以通过4*4键盘进行4位数字输入进行猜数字，且每输入一位数字在数码管（DISP0~DISP3）上显示当前所输入的数字，按确定键（BTN2键）进行确认，此时要根据输入的这组数字给出几A几B，其中：
A前面的数字表示位置正确的数的个数，用DISP5显示；B前的数字表示数字正确而位置不对的数的个数，用DISP4显示；如正确答案为2134，而猜的人猜5314，则是1A2B，其中有一个4的位置对了，记为1A，而1和3这三个数字对了，而位置没对，因此记为2B，合起来就是1A2B；接着猜的人再根据出题者的几A几B继续猜，直到猜中（即4A0B）为止。
4、若数字正确则显示猜数字成功，点阵显示“☺”笑脸；若输入数字错误系统仍然处于猜数字状态，点阵显示“X”，并用蜂鸣器或led闪烁报警。
5、若到点阵全灭时（64s结束）仍未猜出正确数字，游戏失败，点阵显示“囧”。
6、设置游戏机开关。
●提高要求：
1、若数字正确则显示猜数字成功，用蜂鸣器播放一段乐曲。
2、随机产生数字，并不在数码管上显示，进行猜数字游戏，用点阵进行128s计时，即点阵轮询熄灭两次，其他要求同基本功能3、4和5。
3、自拟其他功能。
二、系统设计
●设计思路：
1、模块设计：
根据任务要求，分开文件进行编写，方便编译与debug。
将设计分为以下几个模块：
guess（顶层文件）、dianzhen（点阵显示模块）、shumaguan（数码管显示模块）、keyboard（键盘扫描模块）、calculate（计算A/B个数模块）。
2、状态设计：
根据任务要求，由于确定键的按下时机不同，将设计细分为以下11个状态：
SS：
初始状态；
S0：
被猜数字输入一位；
S1：
被猜数字输入两位；
S2：
被猜数字输入三位；
S3：
被猜数字输入四位；
S4：
ans键按下，计时开始，但未输入所猜数字；
S5：
猜数字状态，输入一位；
S6：
猜数字状态，输入一位；
S7：
猜数字状态，输入一位；
S8：
猜数字状态，输入一位；
S9：
输入数字正确；
S10：
输入数字错误；
S11：
时间到，显示（囧）；
●总体框图：
●分块设计：
1、点阵显示模块（dianzhen）
将“☺”笑脸、“囧”字、“×”符号单独编写状态显示，如下：
笑脸：
“囧”字：
“×”符号：
其余64种情况，将计数变量tmp1除以64取余，形成0—63依次出现，使用case语句，一个数字代表一个点发亮，将小于当前倒计时数的点逐点扫描。
部分截取如下：
2、数码管显示模块（shumaguan）
区分段选与位选，将不同数字的段选编入代码，扫频显示。
如下：
3、键盘扫描模块（keyboard）
将四行赋予为两位二进制数，逐行扫描，按下为0，不按为1。
部分截取如下：
防抖写在顶层文件中，截取如下：
说明：
flag是有数字输入的标志，&为按位与，如果出现抖动，则会出现重复输入情况，不允许出现，设计中将其排除。
4、计算A/B个数模块（calculate）
如果输入与设定数字相同且位置相同，则A+1，如果输入与设定数字相同但位置不同，则B+1。
因为是0—9，十个数字，所以用四位二进制表示。
部分截取如下：
三、仿真波形及波形分析
四、源程序（见附件）
代码已附在最后
五、功能说明及资源利用情况
●功能说明
开始时按BTN3，reset，LED0亮表示等待输入被猜数字；
依次输入四位被猜数字，每输入一位，LED1—LED4依次亮起，表示输入成功；
按下BTN0，确认被猜数字，此时LED1—LED4熄灭；
依次输入四位试探数字，每输入一位，LED5—LED0依次亮起，表示输入成功；
按下BTN1，确认试探数字；
如果猜错，点阵显示“×”符号，蜂鸣器报警，左边两个数码管显示A、B的数量，一秒后自动复原；
直到完全猜对，点阵显示“☺”笑脸，LED全亮，表示游戏成功；
如果在64秒内没有猜对，64秒时点阵显示“囧”字，表示游戏失败。
●资源利用情况
如图：
六、故障及问题分析
●起始设计7种状态，没有将输入每一位数字单独设立出来，但是面临确认键不能统一问题。
所以将输入每一位数字单独设立，虽然此方法重复性高，但是很简便的解决了确认键问题。
●点阵亮度低问题。
笑脸、“囧”字和“×”符号亮度均正常，但是倒计时时亮度偏低。
根据以往发生过的情况，将行扫描调整为列扫描，但是问题没有解决。
后来经过思考，因为本设计倒计时中点阵扫描是逐点扫描，同样扫描频率下，倒计时比其他扫描频率低1/64，加之本身扫描频率设计为5kHz，过高，所以发生上述情况。
七、总结和结论
本次数电综合实验中，从第一节课的框图初次设计，到后来的设计调整尤其是状态图调整，经历了一定曲折，是发现问题并且解决问题的过程。
本次实验中，我巩固了VHDL的基本语法；将一个较大的设计拆分成为不同的模块，并将他们组合起来；通过查询资料和小组讨论将设计思路整理清楚，并通过代码实现。
其间出现过符号中英文转换等小问题，也出现过点阵显示亮度不高等问题，最终实现了要求功能。
现将部分现场照片展示如下：
附程序：
Guess
libraryieee;
useieee.std_logic_1164.all;
useieee.std_logic_unsigned.all;
entityguessis--biubiubiu!
port（
res,clk:
instd_logic;
gus:
instd_logic;
ans:
instd_logic;
beep:
outstd_logic;
led_out:
outstd_logic_vector（7downto0）;
kbrow:
outstd_logic_vector（3downto0）;
kbcol:
instd_logic_vector（3downto0）;
col:
outstd_logic_vector（7downto0）;
row:
outstd_logic_vector（7downto0）;
seg_out:
outstd_logic_vector（6downto0）;
cat:
outstd_logic_vector（5downto0）
）;
endguess;
architecturetopofguessis
componentkeyboardis
port（clk:
instd_logic;
kbrow:
outstd_logic_vector（3downto0）;
kbcol:
instd_logic_vector（3downto0）;
num_out:
outstd_logic_vector（9downto0）
）;
endcomponentkeyboard;
componentdianzhenis
port（
switch_d:
instd_logic;
start:
instd_logic;
smile:
instd_logic;
error:
instd_logic;
clk:
instd_logic;
col:
outstd_logic_vector（7downto0）;
row:
outstd_logic_vector（7downto0）;
beep:
outstd_logic;
endtime:
outstd_logic
）;
endcomponentdianzhen;
componentshumaguanis
port（
clk:
instd_logic;
switch_s:
instd_logic;
num_in:
instd_logic_vector（23downto0）;
seg_out:
outstd_logic_vector（6downto0）;
cat:
outstd_logic_vector（5downto0）
）;
endcomponentshumaguan;
componentcalculateis
port（
clk:
instd_logic;
num_gus,num_ans:
instd_logic_vector（15downto0）;
An,Bn:
outstd_logic_vector（3downto0）
）;
endcomponentcalculate;
Typestateis（ss,s0,s1,s2,s3,s4,s5,s6,s7,s8,s9,s10,s11）;
signals_state:
state;
signalnum_in1:
std_logic_vector（9downto0）;
signalnum_in2:
std_logic_vector（3downto0）;
signalnum_out1:
std_logic_vector（23downto0）;
signalnum_gus:
std_logic_vector（15downto0）;
signalnum_ans:
std_logic_vector（15downto0）;
signalswitch_d,switch_s,start,smile,error,endtime:
std_logic;
signalflag:
std_logic;
signalAn,Bn:
std_logic_vector（3downto0）;
signalcount_x:
integerrange1to25000000;
begin
u0:
keyboardportmap（clk=>clk,kbrow=>kbrow,kbcol=>kbcol,num_out=>num_in1）;
u1:
dianzhenportmap（switch_d=>switch_d,start=>start,smile=>smile,error=>error,clk=>clk,col=>col,row=>row,beep=>beep,endtime=>endtime）;
u2:
shumaguanportmap（clk=>clk,switch_s=>switch_s,num_in=>num_out1,seg_out=>seg_out,cat=>cat）;
u3:
calculateportmap（clk=>clk,num_gus=>num_gus,num_ans=>num_ans,An=>An,Bn=>Bn）;
process（clk,num_in2,res）
begin
flag<=not（num_in2（3）andnum_in2
（2）andnum_in2
（1）andnum_in2（0））;
ifres='1'then
s_state<=ss;
elsifclk'eventandclk='1'then
cases_stateis
whenss=>--初始状态
switch_d<='0';
switch_s<='1';
start<='0';
smile<='0';
error<='0';
num_out1<="111111111111111111111111";
led_out<="10000000";
num_ans<="1111111111111111";
num_gus<="1111111111111111";
if（flag='1'）then
num_ans<=num_in2&"111111111111";
num_out1<=num_ans&"11111111";
s_state<=s0;
else
s_state<=ss;
endif;
whens0=>--被猜数字输入一位状态
num_out1<=num_ans&"11111111";
switch_d<='0';
start<='0';
smile<='0';
error<='0';
led_out<="01000000";
if（flag='1'）then
if（num_in2=（num_ans（15）&num_ans（14）&num_ans（13）&num_ans（12）））then
s_state<=s0;
else
num_ans<=num_ansand（"1111"&num_in2&"11111111"）;
num_out1<=num_ans&"11111111";
s_state<=s1;
endif;
else
s_state<=s0;
endif;
whens1=>--被猜数字输入两位状态
num_out1<=num_ans&"11111111";
switch_d<='1';
start<='0';
smile<='0';
error<='0';
led_out<="01100000";
if（flag='1'）then
if（num_in2=（num_ans（11）&num_ans（10）&num_ans（9）&num_ans（8）））then
s_state<=s1;
else
num_ans<=num_ansand（"11111111"&num_in2&"1111"）;
num_out1<=num_ans&"11111111";
s_state<=s2;
endif;
else
s_state<=s1;
endif;
whens2=>--被猜数字输入三位状态
num_out1<=num_ans&"11111111";
switch_d<='1';
start<='0';
smile<='0';
error<='0';
led_out<="01110000";
if（flag='1'）then
if（num_in2=（num_ans（7）&num_ans（6）&num_ans（5）&num_ans（4）））then
s_state<=s2;
else
num_ans<=num_ansand（"111111111111"&num_in2）;
num_out1<=num_ans&"11111111";
s_state<=s3;
endif;
else
s_state<=s2;
endif;
whens3=>--被猜数字输入四位状态
num_out1<=num_ans&"11111111";
switch_d<='1';
start<='1';
smile<='0';
error<='0';
led_out<="01111000";
if（ans='1'）then
s_state<=s4;
else
s_state<=s3;
endif;
whens4=>--ans键按下，计时开始，但未输入所猜数字状态
num_out1<="111111111111111111111111";
start<='0';
switch_d<='1';
smile<='0';
error<='0';
led_out<="01111000";
if（endtime='1'）then
s_state<=s11;
elsif（flag='1'）then
num_gus<=num_in2&"111111111111";
num_out1<=num_gus&"11111111";
s_state<=s5;
else
s_state<=s4;
endif;
whens5=>--猜数字状态：
输入一位
num_out1<=num_gus&"11111111";
start<='0';
switch_d<='1';
smile<='0';
error<='0';
led_out<="01111100";
if（endtime='1'）then
s_state<=s11;
elsif（flag='1'）then
if（num_in2=（num_gus（15）&num_gus（14）&num_gus（13）&num_gus（12）））then
s_state<=s5;
else
num_gus<=num_gusand（"1111"&num_in2&"11111111"）;
num_out1<=num_gus&"11111111";
s_state<=s6;
endif;
else
s_state<=s5;
endif;
whens6=>--猜数字状态：
输入两位
num_out1<=num_gus&"11111111";
start<='0';
switch_d<='1';
smile<='0';
error<='0';
led_out<="01111110";
if（endtime='1'）then
s_state<=s11;
elsif（flag='1'）then
if（num_in2=（num_gus（11）&num_gus（10）&num_gus（9）&num_gus（8）））then
s_state<=s6;
else
num_gus<=num_gusand（"11111111"&num_in2&"1111"）;
num_out1<=num_gus&"11111111";
s_state<=s7;
endif;
else
s_state<=s6;
endif;
whens7=>--猜数字状态：
输入三位
num_out1<=num_gus&"11111111";
start<='0';
switch_d<='1';
smile<='0';
error<='0';
led_out<="01111111";
if（endtime='1'）then
s_state<=s11;
elsif（flag='1'）then
if（num_in2=（num_gus（7）&num_gus（6）&num_gus（5）&num_gus（4）））then
s_state<=s7;
else
num_gus<=num_gusand（"111111111111"&num_in2）;
num_out1<=num_gus&"11111111";
s_state<=s8;
endif;
else
s_state<=s7;
endif;
whens8=>--猜数字状态：
输入四位
num_out1<=num_gus&"11111111";
start<='0';
switch_d<='1';
smile<='0';
error<='0';
count_x<=1;
led_out<="11111111";
if（endtime='1'）then
s_state<=s11;
elsif（gus='1'）then
if（An="0100"andBn="0000"）then
num_out1<=num_gus&An&Bn;
s_state<=s9;
else
count_x<=1;
s_state<=s10;
endif;
else
s_state<=s8;
endif;
whens9=>--right
start<='0';
switch_d<='1';
smile<='1';
error<='0';
led_out<="00000001";
whens10=>--wrong
num_out1<=num_gus&An&Bn;
start<='0';
switch_d<='1';
smile<='0';
error<='1';
led_out<="00001010";
if（endtime='1'）then
s_state<=s11;
elsif（count_x=25000000）then
s_state<=s4;
else
count_x<=count_x+1;
s_state<=s10;
endif;
whens11=>--timeup!
jiong!
num_out1<="111111111111111111111111";
start<='0';
switch_d<='1';
smile<='0';
error<='0';
led_out<="00001011";
endcase;
endif;
endprocess;
INPUT:
PROCESS（clk）
BEGIN
ifclk'eventandclk='0'then
CASEnum_in1IS
WHEN"1000000000"=>num_in2<="0000";--0
WHEN"0100000000"=>num_in2<="0001";--1
WHEN"0010000000"=>num_in2<="0010";--2
WHEN"0001000000"=>num_in2<="0011";--3
WHEN"0000100000"=>num_in2<="0100";--4
WHEN"0000010000"=>num_in2<="0101";--5
WHEN"0000001000"=>num_in2<="0110";--6
WHEN"0000000100"=>num_in2<="0111";--7
WHEN"0000000010"=>num_in2<="1000";--8
WHEN"0000000001"=>num_in2<="1001";--9
WHENOTHERS=>num_in2<="1111";
ENDCASE;
endif;
endprocessinput;
endtop;
Dianzhen
lib
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