基于FPGA“乒乓球比賽游戲機(jī)”的設(shè)計(jì)
曹莉凌 劉雨青 上海海洋大學(xué)
摘要： 介紹了一款以Altera公司FPGA芯片為控制核心，附加少量外圍電路組成的乒乓球比賽游戲機(jī),。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊劃分清晰：包括裁判端、選手端,、控制端、顯示端及模擬乒乓球臺(tái),；功能齊全：包括發(fā)球權(quán)控制,、犯規(guī)提示、局?jǐn)?shù)比分顯示等,，模擬實(shí)際乒乓球比賽相似程度高,。采用了VHDL語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)，在QuartusⅡ8．1集成環(huán)境下進(jìn)行了模擬仿真,，結(jié)果表明在設(shè)定的比賽規(guī)則下,，游戲機(jī)運(yùn)行正常，通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化可將其商品化,，推入市場(chǎng),。
Abstract：
Key words :
可編程邏輯器件FPGA以其開(kāi)發(fā)周期短、成本低,、功耗低,、可靠性高等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于通信,、航空,、醫(yī)療等領(lǐng)域，近年來(lái)在消費(fèi)電子領(lǐng)域中的應(yīng)用也日漸增加,。為進(jìn)一步挖掘FPGA在家庭娛樂(lè)如游戲機(jī)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用中的巨大商機(jī),，介紹了一款以Altera公司FPGA芯片為控制核心，附加少量外圍電路組成的乒乓球比賽游戲機(jī),。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊劃分清晰：包括裁判端、選手端,、控制端,、顯示端及模擬乒乓球臺(tái)；功能齊全：包括發(fā)球權(quán)控制,、犯規(guī)提示,、局?jǐn)?shù)比分顯示等，模擬實(shí)際乒乓球比賽相似程度高,。采用了VHDL語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn),，在QuartusⅡ8．1集成環(huán)境下進(jìn)行了模擬仿真,，結(jié)果表明在設(shè)定的比賽規(guī)則下，游戲機(jī)運(yùn)行正常,，通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化可將其商品化,，推入市場(chǎng)。
1 系統(tǒng)組成
乒乓球比賽游戲機(jī)的組成如圖1所示,。比賽規(guī)則約定：五局三勝,；11分一局；裁判發(fā)出比賽開(kāi)始信號(hào),，觸發(fā)FPGA內(nèi)部隨機(jī)數(shù)發(fā)生器模塊產(chǎn)生首次發(fā)球權(quán)方,；比賽進(jìn)行中，選手連續(xù)兩次獲得發(fā)球權(quán)后,，發(fā)球權(quán)交予對(duì)方,，如未獲發(fā)球權(quán)方發(fā)球，裁判端犯規(guī)音響電路鳴響,；13個(gè)LED排列成行模擬乒乓球臺(tái),；點(diǎn)亮的LED模擬乒乓球，受FPGA控制從左到右或從右到左移動(dòng),；比賽選手通過(guò)按鈕輸入模擬擊球信號(hào),，實(shí)現(xiàn)LED移位方向的控制；若發(fā)亮的LED運(yùn)動(dòng)在球臺(tái)中點(diǎn)至對(duì)方終點(diǎn)之間時(shí),，對(duì)方未能及時(shí)按下?lián)羟虬粹o使其向相反方向移動(dòng),，即失去一分。
2 功能模塊設(shè)計(jì)
圖1中,，基于FPGA設(shè)計(jì)的控制端為整個(gè)系統(tǒng)的核心,，其內(nèi)部主要由簡(jiǎn)易隨機(jī)數(shù)發(fā)生器、發(fā)球權(quán)控制器,、乒乓球位置控制器,、甲乙方計(jì)分控制器、犯規(guī)音響控制器等模塊組成,。整個(gè)控制端采用模塊化設(shè)計(jì),，先用VHDL語(yǔ)言編寫功能模塊，然后用頂層原理圖將各功能模塊連接起來(lái),。設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于協(xié)調(diào)各模塊工作,，嚴(yán)格遵守各信號(hào)間時(shí)序關(guān)系。本系統(tǒng)采用1 kHz系統(tǒng)時(shí)鐘,。
2．1 簡(jiǎn)易隨機(jī)數(shù)發(fā)生器
比賽首次發(fā)球權(quán)由隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)決定,，其隨機(jī)性要求不嚴(yán)，因此,，采用非常簡(jiǎn)單的模式產(chǎn)生,，即一旦FPGA上電,，系統(tǒng)時(shí)鐘百分頻產(chǎn)生一方波信號(hào)square，當(dāng)裁判閉合開(kāi)始比賽開(kāi)關(guān)產(chǎn)生start信號(hào)上升沿時(shí),，讀取此時(shí)square信號(hào)值作為隨機(jī)數(shù)發(fā)生器輸出randq,。模塊仿真如圖2所示，結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求,。此模塊設(shè)計(jì)時(shí)保證了square信號(hào)周期應(yīng)遠(yuǎn)大于start信號(hào)上升沿建立時(shí)間,，保證隨機(jī)數(shù)據(jù)的正確讀取。
2．2 發(fā)球權(quán)控制器
發(fā)球權(quán)控制器的控制過(guò)程為：如果按下復(fù)位按鈕,，發(fā)球權(quán)數(shù)碼管顯示8,，否則，開(kāi)始比賽開(kāi)關(guān)閉合時(shí),，顯示隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的值(0或1,，0代表甲方、1代表乙方),。而在比賽中,，為遵守發(fā)球權(quán)交換規(guī)則，設(shè)計(jì)甲乙雙方計(jì)分器總和信號(hào)sum_sc是不為0的偶數(shù)時(shí)(即計(jì)分總和最低位sum_sc0下降沿到來(lái)時(shí)),，發(fā)球權(quán)數(shù)碼管顯示由0變?yōu)?或由1變?yōu)?,。
此模塊設(shè)計(jì)中，發(fā)球權(quán)數(shù)碼管的信號(hào)控制受多個(gè)時(shí)鐘的控制,，即開(kāi)始比賽開(kāi)關(guān)start和計(jì)分值sum_sc0信號(hào),，這在VHDL編程語(yǔ)言中無(wú)法用一個(gè)進(jìn)程實(shí)現(xiàn)，必須將兩個(gè)信號(hào)組合成一個(gè)時(shí)鐘信號(hào),，并統(tǒng)一兩個(gè)時(shí)鐘的觸發(fā)沿,。因此最佳時(shí)鐘觸發(fā)方式如圖3所示的fqq_en信號(hào)。為滿足這種時(shí)序要求,，借助計(jì)分總和次低位sum_sc1信號(hào)設(shè)計(jì)entity sum_sc_mod2,，由于start和sum_sc1的頻率都遠(yuǎn)低于系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)clk頻率，則可借助clk高頻信號(hào)捕捉其邊沿產(chǎn)生新的時(shí)鐘信號(hào)fqq_en,，并產(chǎn)生其計(jì)數(shù)值,，仿真波形如圖4(a)所示。為保證發(fā)球權(quán)數(shù)碼管顯示正確,，設(shè)計(jì)entitv led_fqq_ctl在fqq_en下降沿時(shí),，根據(jù)其計(jì)數(shù)值產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)碼管輸出信號(hào)led_fqq，仿真波形如圖4(b)所示,。
發(fā)球權(quán)控制器的VHDL核心程序如下：
2．3 乒乓球位置控制、甲乙計(jì)分,、犯規(guī)音響控制
乒乓球位置控制電路為FPGA控制端的核心,，依據(jù)比賽規(guī)則,，采用了Mealy型狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，大大降低了設(shè)計(jì)難度,。狀態(tài)機(jī)共定義了7個(gè)狀態(tài),，各狀態(tài)定義如表1所示，狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖5所示,，轉(zhuǎn)換條件如表2所示,，具體程序如下。
3 頂層模塊仿真測(cè)試
由于篇幅限制,，本系統(tǒng)中的分頻器,、譯碼器等常用模塊的設(shè)計(jì)就不再此贅述，最終頂層原理圖設(shè)計(jì)如圖6所示,，仿真波形如圖7所示,，分析波形可知，圖中開(kāi)始比賽信號(hào)產(chǎn)生后,，首次發(fā)球權(quán)方為乙方,，甲方發(fā)球造成犯規(guī)音響電路鳴響，即speaker信號(hào)為高電平,，然后乙方發(fā)球,，乒乓球依次移位，甲方接球成功后乙方未接球成功,，甲方得分,，cnta信號(hào)為“0110000”，注意,，此處輸出為驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管輸出信號(hào),，代表數(shù)字“1”。通過(guò)仿真可知,，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足游戲機(jī)比賽規(guī)則要求,。
4 結(jié)語(yǔ)
采用VHDL語(yǔ)言編程，基于FPGA成功設(shè)計(jì)了一款乒乓球比賽游戲機(jī),，通過(guò)仿真驗(yàn)證可知,，結(jié)果滿足設(shè)計(jì)需求，系統(tǒng)具有發(fā)球權(quán)控制,、自動(dòng)計(jì)分,、犯規(guī)提示等多種功能，能有效模擬實(shí)際乒乓球比賽,。該系統(tǒng)進(jìn)一步改進(jìn)思路為：改用人體感應(yīng)傳感器來(lái)采集擊球信號(hào),，采用FPGA產(chǎn)生視頻信號(hào)傳送到電視機(jī)或監(jiān)視器，更直觀地展示乒乓球運(yùn)動(dòng)軌跡,，從而真正實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng),，優(yōu)化虛擬效果,。
來(lái)源：現(xiàn)代電子技術(shù)
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