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課程報(bào)告 設(shè)計(jì)課題: 乒乓球游戲的FPGA實(shí)現(xiàn) 姓 名: 黃琳 吳勝輝 許曉明 專 業(yè): 電子信息工程 學(xué) 號(hào): 1115108018 1115106047 1115106052 日 期 2013 年11月25 日——2013 年 12 月1 日 指導(dǎo)教師: 傅 文 淵 華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院電子工程系 目錄 1 項(xiàng)目名稱、內(nèi)容與要求 ………………………………………02頁(yè) 1.1 項(xiàng)目名稱…………………………………………………02頁(yè) 1.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容…………………………………………………02頁(yè) 1.3 具體要求…………………………………………………02頁(yè) 2 系統(tǒng)整體架構(gòu) …………………………………………………02頁(yè) 2.1 設(shè)計(jì)原理…………………………………………………02頁(yè) 2.2 設(shè)計(jì)思路…………………………………………………03頁(yè) 3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)………………………………………………………03頁(yè) 3.1乒乓球游戲機(jī)實(shí)體的設(shè)計(jì)………………………………03頁(yè) 3.2狀態(tài)機(jī)編程實(shí)現(xiàn)……………………………………… 04頁(yè) 3.3構(gòu)造體的設(shè)計(jì)……………………………………………07頁(yè) 3.4發(fā)揮部分……………………………………………… 08頁(yè) 3.5最后的整體模塊和管腳鎖定……………………………10頁(yè) 3.6編譯和波形仿真…………………………………………10頁(yè) 3.7分工說(shuō)明…………………………………………………15頁(yè) 4 結(jié)束語(yǔ)…………………………………………………………15頁(yè) 參考書目…………………………………………………………16頁(yè) 一、 項(xiàng)目名稱、內(nèi)容與要求 1.1項(xiàng)目名稱 乒乓球游戲的FPGA實(shí)現(xiàn) 1.2設(shè)計(jì)內(nèi)容 設(shè)計(jì)一個(gè)由甲乙雙方參賽，二人乒乓球游戲機(jī)。 用8個(gè)LED排成一條直線，以中點(diǎn)為界，兩邊各代表參賽雙方的位置，其中一只點(diǎn)亮的LED指示球的當(dāng)前位置，點(diǎn)亮的LED依次從左到右，或從右到左。 當(dāng)“球”（點(diǎn)亮的那只LED）運(yùn)動(dòng)到某方的最后一位時(shí)，參賽者應(yīng)能果斷地按下位于自己一方的按鈕開(kāi)關(guān)，即表示啟動(dòng)球拍擊球，若擊中，則球向相反方向運(yùn)動(dòng)，則對(duì)方得一分，同時(shí)蜂鳴器自動(dòng)響起。 設(shè)置自動(dòng)記分電路，甲乙雙方各用一位數(shù)碼管進(jìn)行記分顯示，每計(jì)滿11分為1局。 1.3具體要求 （1）使用乒乓球游戲機(jī)的雙方在不同位置發(fā)球或擊球。 （2）乒乓球的位置和移動(dòng)方向由燈亮和依次亮的方向決定。使用者根據(jù)球的位置發(fā)出相應(yīng)的動(dòng)作。 （3）比賽用11分為一局來(lái)進(jìn)行，雙方設(shè)置各自的記分牌，任意一方先記滿11分就獲勝此局。當(dāng)記分牌清零后，開(kāi)始新的一局比賽。 （4）（發(fā)揮部分）完善以上設(shè)計(jì)，使之更加符合乒乓球運(yùn)動(dòng)的各項(xiàng)規(guī)則。 二、系統(tǒng)整體架構(gòu) 2.1設(shè)計(jì)原理 兩人乒乓球游戲機(jī)是用8個(gè)發(fā)光二極管代表乒乓球臺(tái)，中間兩個(gè)發(fā)光二極管兼做乒乓球網(wǎng)，用點(diǎn)亮的發(fā)光二極管按一定方向移動(dòng)來(lái)表示球的運(yùn)動(dòng)。在游戲機(jī)的兩側(cè)各設(shè)置發(fā)球和擊球開(kāi)關(guān)，甲乙雙方按乒乓球比賽規(guī)則來(lái)操作開(kāi)關(guān)。當(dāng)甲方按動(dòng)發(fā)球開(kāi)關(guān)時(shí)，靠近甲方的第一個(gè)發(fā)光二極管亮，然后發(fā)光二極管由甲方向乙方依次點(diǎn)亮，代表乒乓球的移動(dòng)。當(dāng)球過(guò)網(wǎng)后按照設(shè)計(jì)者規(guī)定的球位乙方就可以擊球。若乙方提前擊球或者未擊到球，則甲方得分。然后重新發(fā)球進(jìn)行比賽，知道一方記分達(dá)到11分為止，記分清零，重新開(kāi)始新一局比賽。 2.2設(shè)計(jì)思路 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，乒乓球比賽游戲機(jī)的電路原理框圖如下： 三、系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1乒乓球游戲機(jī)實(shí)體的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)該乒乓球游戲機(jī)的輸入/輸出端口。首先考慮輸入端口，一般都應(yīng)該設(shè)置一個(gè)異步置位端口reset，用于在系統(tǒng)不正常時(shí)回到初始狀態(tài)；一個(gè)發(fā)球輸入端serve，邏輯‘1’代表開(kāi)始發(fā)球的指令；兩個(gè)擊球輸入端hit1和hit2，邏輯‘1’分別表示甲擊球和乙擊球；一個(gè)開(kāi)始游戲按鈕startbutton，處于邏輯‘1’表示可以游戲；還得有一個(gè)時(shí)鐘輸入端口clk。 其次考慮輸出端口，芯片應(yīng)該有8個(gè)輸出端口來(lái)控制8個(gè)發(fā)光二極管，輸出邏輯‘1’即輸出一個(gè)高電平，可以使發(fā)光二極管點(diǎn)亮；另外，要直觀地表示雙方的得分，就得用到數(shù)碼管，每方用到1個(gè)，可以表示0~11的數(shù)字。另外，在發(fā)揮的部分，我們還設(shè)計(jì)了一個(gè)模塊來(lái)顯示雙方的局?jǐn)?shù)以及最后的贏家。 實(shí)體的設(shè)計(jì)如下： library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_arith.all; use ieee.std_logic_unsigned.all; --引用必要的庫(kù)函數(shù)和包集合 entity compete is port(reset:in std_logic; clk_1:in std_logic; startbutton:in std_logic; --開(kāi)始游戲輸入端口 serve:in std_logic_vector(1 downto 0); --發(fā)球輸入端口 hit1,hit2:in std_logic; --甲和乙的擊球輸入端口 light:out std_logic_vector(1 to 8); --控制8個(gè)發(fā)光二極管的輸出端口 speaker : out std_logic ; counta,countb:out std_logic_vector(3 downto 0)); --2個(gè)用于控制4個(gè)7段譯碼器的輸出端口 end compete; 3.2狀態(tài)機(jī)編程實(shí)現(xiàn) 狀態(tài)機(jī)設(shè)置了7個(gè)狀態(tài)，分別是等待發(fā)球狀態(tài)（waitserve）、第一盞燈亮狀態(tài)（light1on）、第八盞燈亮狀態(tài)（light8on）、球向乙移動(dòng)狀態(tài)（ballmoveto2）、球向甲移動(dòng)狀態(tài)（ballmoveto1）、允許甲擊球狀態(tài)（allow1hit）和允許乙擊球狀態(tài)（allow2hit）。 狀態(tài)waitserve，light1on，ballmoveto2，allow2hit，light8on，ballmoveto1和allow1hit代表的具體數(shù)值依次是0到6.在波形模擬圖中是用數(shù)值來(lái)表示狀態(tài)的。 乒乓球游戲機(jī)中有四個(gè)計(jì)數(shù)器count1，count2，count3，count4分別記憶甲的得分和乙的得分，甲方贏的局?jǐn)?shù)和乙方贏的局?jǐn)?shù)；一個(gè)i信號(hào)，用它的數(shù)值來(lái)控制狀態(tài)機(jī)外8個(gè)發(fā)光二極管的亮和暗，比如當(dāng)i=1時(shí)表示第一個(gè)發(fā)光二極管亮，用發(fā)光二級(jí)管的輪流發(fā)光表示球的移動(dòng)軌跡。 輸入狀態(tài)機(jī)的信號(hào)有游戲開(kāi)關(guān)startbutton信號(hào)，它是1位二進(jìn)制信號(hào)，數(shù)值為1表示可以進(jìn)入游戲；serve信號(hào)，是一個(gè)2位二進(jìn)制向量，“01”表示甲發(fā)球；兩個(gè)二進(jìn)制信號(hào)hit1和hit2分別表示甲乙是否擊球，若數(shù)值為1，表示擊球，不為1表示不擊球。 以下是狀態(tài)機(jī)進(jìn)程代碼。 p1: process(clk_1) --狀態(tài)機(jī)進(jìn)程 --clk_1作為敏感信號(hào)觸發(fā)進(jìn)程 begin --進(jìn)程開(kāi)始 if reset=1 then --異步置位 i<=0;count1<="0000";count2<="0000";count3<="0000";count4<="0000"; elsif clk_1event and clk_1=1 then --當(dāng)處于時(shí)鐘inclock上升沿時(shí) if ((count1>"1010")and(count2<(count1-1))) then i<=0;count1<="0000";count2<="0000";count3<=count3+1; elsif ((count2>"1010")and(count1<(count2-1))) then i<=0;count1<="0000";count2<="0000";count4<=count4+1; elsif startbutton=0 then i<=0;count1<="0000";count2<="0000";count3<="0000";count4<="0000"; else --以下case語(yǔ)句是程序中最關(guān)鍵的狀態(tài)機(jī)部分 case state is when waitserve=> --進(jìn)程處于等待發(fā)球狀態(tài) case serve is when "01"=> i<=1;state<=light1on;c<=0; when "10"=> i<=8;state<=light8on;c<=0; when "11"=>i<=0;c<=0; when others=> i<=0;c<=0; end case; when light1on=> --進(jìn)程處于第一盞燈亮狀態(tài) i<=2; if hit2=1 then i<=0; count1<=count1+1;c<=1;state<=waitserve; else c<=0;state<=ballmoveto2; end if; when light8on=> --進(jìn)程處于第八盞燈亮狀態(tài) i<=7; if hit1=1 then i<=0; count2<=count2+1;c<=1;state<=waitserve; else c<=0;state<=ballmoveto1; end if; when ballmoveto1=> --進(jìn)程處于球向乙移動(dòng)狀態(tài) if hit1=1 then i<=0; count2<=count2+1;c<=1;state<=waitserve; elsif i=2 then i<=1;c<=0; state<=allow1hit; else i<=i-1; end if; when ballmoveto2=> --進(jìn)程處于球向乙移動(dòng)狀態(tài) if hit2=1then i<=0; count1<=count1+1;c<=1;state<=waitserve; elsif i=7 then i<=8;c<=0; state<=allow2hit; else i<=i+1; end if; when allow1hit=> --進(jìn)程處于允許甲擊球狀態(tài) if hit1=1 then i<=2;c<=0; state<=ballmoveto2; else count2<=count2+1;i<=0;c<=1; state<=waitserve; end if; when allow2hit=> --進(jìn)程處于允許乙擊球狀態(tài) if hit2=1then i<=7;c<=0;state<=ballmoveto1; else count1<=count1+1;i<=0;c<=1; state<=waitserve; end if; end case; end if; end if; end process p1; counta<=count1;countb<=count2; --進(jìn)程處i信號(hào)控制發(fā)光二極管的亮暗 3.3構(gòu)造體的設(shè)計(jì) 這里的設(shè)定能使得燈正常的移動(dòng)： 代碼如下： p2:process(i) begin case i is when 8=> light<="10000000"; when(7)=> light<= "01000000"; when(6)=> light<= "00100000"; when(5)=> light<= "00010000"; when(4)=> light<= "00001000"; when(3)=> light<="00000100" ; when(2)=> light<="00000010"; when(1)=> light<="00000001" ; when others=> light<="00000000"; --其他情況所有發(fā)光二極管都暗 end case; end process p2; 該構(gòu)造體緊跟在實(shí)體設(shè)計(jì)之后，這樣就完成了數(shù)字乒乓游戲機(jī)的VHDL源程序編寫。從構(gòu)造體設(shè)計(jì)中可以看到，控制整個(gè)乒乓球游戲機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的就是狀態(tài)機(jī)進(jìn)程，它對(duì)各個(gè)外圍部分起控制作用。它是整個(gè)程序的核心，起到一個(gè)中心控制器的作用。而外圍的部分，比如分?jǐn)?shù)顯示，球的軌跡，都是通過(guò)狀態(tài)機(jī)傳出的信號(hào)來(lái)控制，這就是狀態(tài)機(jī)的功能和作用。程序中的球的軌跡，即發(fā)光二極管的亮暗是通過(guò)狀態(tài)機(jī)中傳出的i信號(hào)來(lái)控制的，而分?jǐn)?shù)顯示則是通過(guò)狀態(tài)機(jī)中傳出的count1和count2信號(hào)來(lái)控制的。而狀態(tài)機(jī)中i信號(hào)和count1，count2信號(hào)的變化同時(shí)就可以影響到外圍的顯示部分——發(fā)光二極管和數(shù)碼管，從而表現(xiàn)出當(dāng)時(shí)的乒乓球位置和雙方分?jǐn)?shù)情況。這個(gè)核心模塊的封裝圖： 3.4發(fā)揮部分 實(shí)驗(yàn)要求中，我們可以根據(jù)乒乓球比賽規(guī)則增進(jìn)設(shè)計(jì)的完善，發(fā)揮部分如下： 1. 我們?cè)黾恿穗p方比賽中的局?jǐn)?shù)現(xiàn)實(shí)； 2. 在發(fā)球時(shí)我們可以主動(dòng)的決定發(fā)球方向； 3. 我們?cè)O(shè)定了一個(gè)數(shù)碼管來(lái)直接輸出雙方在這次比賽中的勝負(fù)（即在該數(shù)碼管就可以直觀的看出誰(shuí)勝誰(shuí)負(fù)）； 4. 我們根據(jù)正規(guī)比賽中的規(guī)則，在判定局?jǐn)?shù)時(shí)特別是在比數(shù)為11:10時(shí)對(duì)于判定準(zhǔn)則進(jìn)行了修改，使得雙方的比數(shù)必須為12:10，才能獲得該局的勝利。該段代碼如下： if ((counta>"1001")and (countb>"1001")) then if counta=(countb+2) then count3<=count3+1; elsif countb=(counta+2) then count4<=count4+1; end if; end if; 當(dāng)然為了不影響11:9時(shí)的比賽判定之前的代碼也是修改為： if reset=1 then count3<="0000";count4<="0000"; elsif ((counta>"1010")and(countb<(counta-1))) then count3<=count3+1; elsif ((countb>"1010")and(counta<(countb-1))) then count4<=count4+1; end if; 最后，這是這個(gè)模塊的全體代碼： library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_arith.all; use ieee.std_logic_unsigned.all; --引用必要的庫(kù)函數(shù)和包集合 entity sum is port( reset:in std_logic; clk_1:in std_logic; counta:in std_logic_vector(3 downto 0); countb:in std_logic_vector(3 downto 0); countc,countd,winer:out std_logic_vector(3 downto 0)); --2個(gè)用于控制4個(gè)7段譯碼器的輸出端口 end sum; architecture two of sum is signal count3,count4:std_logic_vector(3 downto 0):="0000"; signal win:std_logic_vector(3 downto 0):="0000"; begin process(clk_1) begin if clk_1event and clk_1=1 then if reset=1 then count3<="0000";count4<="0000"; elsif ((counta>"1010")and(countb<(counta-1))) then count3<=count3+1; elsif ((countb>"1010")and(counta<(countb-1))) then count4<=count4+1; end if; if ((counta>"1001")and (countb>"1001")) then if counta=(countb+2) then count3<=count3+1; elsif countb=(counta+2) then count4<=count4+1; end if; end if; end if; countc<=count3;countd<=count4; end process; process(clk_1) begin if clk_1event and clk_1=1 then if count3="0011" then win<="1010"; elsif count4="0011" then win<="1011"; else win<="0000"; end if; end if; winer<=win; end process; end two; 其中，winer是勝負(fù)輸出口，直接輸出a，b可以更加直觀的看出是誰(shuí)的勝利； countc為甲方的局?jǐn)?shù)，countd為乙方的局?jǐn)?shù)。以下為最后生成的模塊： 3.5最后的整體模塊和管腳鎖定 原理圖： 管腳鎖定： 3.6編譯和波形仿真 （1）下圖所示代表乙發(fā)球，由light端口輸出的高電平會(huì)驅(qū)動(dòng)芯片以外的發(fā)光二極管使之點(diǎn)亮，這樣就可以通過(guò)發(fā)光二極管模擬乒乓球的運(yùn)動(dòng)軌跡?？梢钥吹?，在乙方發(fā)球后，甲方在球網(wǎng)提前擊球，則乙方加一分，即countb=1。以下為波形圖形： 以light為球軌跡的信號(hào)，以下為該情況下球的運(yùn)行軌跡： （2）下圖是在甲方發(fā)球以后，甲子正確時(shí)刻擊球的波形仿真圖。乙在允許甲擊球狀態(tài)的時(shí)候擊球了，在圖上hit2在此時(shí)刻出現(xiàn)高電平，看到state轉(zhuǎn)移了狀態(tài)2（ballmoveto2，球向乙移動(dòng)狀態(tài)）當(dāng)?shù)搅藸顟B(tài)3（allow2hit，允許乙擊球狀態(tài)）乙沒(méi)有擊球，所以乙得分了，countb由0變到1，數(shù)碼管也顯示出相應(yīng)的變化： 以下為球在該情況下的運(yùn)動(dòng)軌跡： （3）下圖所示代表乙發(fā)球，由light端口輸出的高電平會(huì)驅(qū)動(dòng)芯片以外的發(fā)光二極管使之點(diǎn)亮，這樣就可以通過(guò)發(fā)光二極管模擬乒乓球的運(yùn)動(dòng)軌跡。可以看到，在甲該擊球的時(shí)候沒(méi)有擊球，也就是hit1在state狀態(tài)6（allow1hit，允許甲擊球狀態(tài)）的時(shí)候沒(méi)有高電平‘1’輸入，則算乙得分，countb由0變到1，之后state回到狀態(tài)0（waitserve，等待發(fā)球狀態(tài)）。從最后一行state值的變化，可以清楚地分析狀態(tài)轉(zhuǎn)移： 以下為該情況下的球運(yùn)行軌跡： (4)以下為我們?cè)O(shè)計(jì)的創(chuàng)新部分波形仿真： 當(dāng)甲方與乙方的分?jǐn)?shù)比為12:10時(shí)，甲方獲得該局的勝利，即countc=1： 當(dāng)甲方與乙方的分?jǐn)?shù)比為10:10時(shí)，不符合比賽規(guī)則，則沒(méi)人比賽局?jǐn)?shù)上加一： 當(dāng)甲方與乙方的分?jǐn)?shù)為11:10，11:11時(shí)的波形仿真： 最后，我們做出了對(duì)于一個(gè)比賽的模擬，其中包括提前擊球甲方獲得一局比賽的勝利，一方獲得一局比賽的勝利，和我們?cè)O(shè)定的比賽分?jǐn)?shù)為10:10時(shí)的情況，以及最后由一方獲得三局比賽輸出最終的勝利者。該模擬圖形在下方： 3.7分工說(shuō)明 本次的實(shí)驗(yàn)是由我們?nèi)斯餐瓿桑诤献鞯倪^(guò)程中我們也分工明確。吳勝輝同學(xué)和黃琳同學(xué)主要負(fù)責(zé)對(duì)核心模塊進(jìn)行生成、編譯和仿真，許曉明同學(xué)主要負(fù)責(zé)對(duì)發(fā)揮部分的考慮。 結(jié)束語(yǔ) 在這個(gè)設(shè)計(jì)中，初步體現(xiàn)了狀態(tài)機(jī)的中心控制作用。通過(guò)狀態(tài)機(jī)進(jìn)程傳出的信號(hào)，驅(qū)動(dòng)了發(fā)光二極管以及七段譯碼器等外圍設(shè)備。狀態(tài)機(jī)進(jìn)程傳出的i信號(hào)，控制了發(fā)光二極管的狀態(tài)，狀態(tài)機(jī)進(jìn)程傳出的count1和count2信號(hào)，控制了七段譯碼器的顯示。如果要用實(shí)際電路來(lái)實(shí)現(xiàn)乒乓球游戲機(jī)，就還要將設(shè)計(jì)下載到芯片中去，并且加上外圍電路，這些外圍電路包括按鍵等，即便如此，上面的設(shè)計(jì)還是不夠的，還存在兩個(gè)問(wèn)題，一個(gè)是時(shí)鐘頻率問(wèn)題，一個(gè)是按鍵問(wèn)題，但由于時(shí)間及能力有限，就沒(méi)做太多的深入探討，但在以后的學(xué)習(xí)生活中我們?nèi)詴?huì)對(duì)此類問(wèn)題繼續(xù)加以研究分析。 參考文獻(xiàn)： [1] 趙建領(lǐng). 51系列單片機(jī)開(kāi)發(fā)寶典[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007. 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