基于FPGA“乒乓球比賽游戲機”的設計
曹莉凌 劉雨青 上海海洋大學
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,。整個系統(tǒng)設計模塊劃分清晰：包括裁判端、選手端,、控制端,、顯示端及模擬乒乓球臺,；功能齊全：包括發(fā)球權控制、犯規(guī)提示,、局數比分顯示等,，模擬實際乒乓球比賽相似程度高。采用了VHDL語言編程實現,，在QuartusⅡ8．1集成環(huán)境下進行了模擬仿真,，結果表明在設定的比賽規(guī)則下，游戲機運行正常,，通過進一步優(yōu)化可將其商品化,，推入市場。
Abstract：
Key words :
可編程邏輯器件FPGA以其開發(fā)周期短,、成本低,、功耗低、可靠性高等優(yōu)勢,，廣泛應用于通信,、航空、醫(yī)療等領域,，近年來在消費電子領域中的應用也日漸增加,。為進一步挖掘FPGA在家庭娛樂如游戲機開發(fā)與應用中的巨大商機，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,。整個系統(tǒng)設計模塊劃分清晰：包括裁判端、選手端,、控制端,、顯示端及模擬乒乓球臺；功能齊全：包括發(fā)球權控制,、犯規(guī)提示,、局數比分顯示等,，模擬實際乒乓球比賽相似程度高。采用了VHDL語言編程實現,，在QuartusⅡ8．1集成環(huán)境下進行了模擬仿真,，結果表明在設定的比賽規(guī)則下，游戲機運行正常,，通過進一步優(yōu)化可將其商品化,，推入市場。
1 系統(tǒng)組成
乒乓球比賽游戲機的組成如圖1所示,。比賽規(guī)則約定：五局三勝,；11分一局；裁判發(fā)出比賽開始信號,，觸發(fā)FPGA內部隨機數發(fā)生器模塊產生首次發(fā)球權方,；比賽進行中，選手連續(xù)兩次獲得發(fā)球權后,，發(fā)球權交予對方,，如未獲發(fā)球權方發(fā)球，裁判端犯規(guī)音響電路鳴響,；13個LED排列成行模擬乒乓球臺,；點亮的LED模擬乒乓球，受FPGA控制從左到右或從右到左移動,；比賽選手通過按鈕輸入模擬擊球信號,，實現LED移位方向的控制；若發(fā)亮的LED運動在球臺中點至對方終點之間時,，對方未能及時按下擊球按鈕使其向相反方向移動,，即失去一分。
2 功能模塊設計
圖1中,，基于FPGA設計的控制端為整個系統(tǒng)的核心,，其內部主要由簡易隨機數發(fā)生器、發(fā)球權控制器,、乒乓球位置控制器,、甲乙方計分控制器、犯規(guī)音響控制器等模塊組成,。整個控制端采用模塊化設計,，先用VHDL語言編寫功能模塊，然后用頂層原理圖將各功能模塊連接起來,。設計的難點在于協調各模塊工作,，嚴格遵守各信號間時序關系。本系統(tǒng)采用1 kHz系統(tǒng)時鐘,。
2．1 簡易隨機數發(fā)生器
比賽首次發(fā)球權由隨機數發(fā)生器產生的數據決定,，其隨機性要求不嚴,，因此，采用非常簡單的模式產生,，即一旦FPGA上電,，系統(tǒng)時鐘百分頻產生一方波信號square，當裁判閉合開始比賽開關產生start信號上升沿時,，讀取此時square信號值作為隨機數發(fā)生器輸出randq。模塊仿真如圖2所示,，結果滿足設計要求,。此模塊設計時保證了square信號周期應遠大于start信號上升沿建立時間，保證隨機數據的正確讀取,。
2．2 發(fā)球權控制器
發(fā)球權控制器的控制過程為：如果按下復位按鈕,，發(fā)球權數碼管顯示8，否則,，開始比賽開關閉合時,，顯示隨機數發(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)球權交換規(guī)則,，設計甲乙雙方計分器總和信號sum_sc是不為0的偶數時(即計分總和最低位sum_sc0下降沿到來時),，發(fā)球權數碼管顯示由0變?yōu)?或由1變?yōu)?。
此模塊設計中,，發(fā)球權數碼管的信號控制受多個時鐘的控制,，即開始比賽開關start和計分值sum_sc0信號，這在VHDL編程語言中無法用一個進程實現,，必須將兩個信號組合成一個時鐘信號,，并統(tǒng)一兩個時鐘的觸發(fā)沿。因此最佳時鐘觸發(fā)方式如圖3所示的fqq_en信號,。為滿足這種時序要求,，借助計分總和次低位sum_sc1信號設計entity sum_sc_mod2，由于start和sum_sc1的頻率都遠低于系統(tǒng)時鐘信號clk頻率,，則可借助clk高頻信號捕捉其邊沿產生新的時鐘信號fqq_en,，并產生其計數值，仿真波形如圖4(a)所示,。為保證發(fā)球權數碼管顯示正確,，設計entitv led_fqq_ctl在fqq_en下降沿時，根據其計數值產生相應的數碼管輸出信號led_fqq,，仿真波形如圖4(b)所示,。
發(fā)球權控制器的VHDL核心程序如下：
2．3 乒乓球位置控制,、甲乙計分、犯規(guī)音響控制
乒乓球位置控制電路為FPGA控制端的核心,，依據比賽規(guī)則,，采用了Mealy型狀態(tài)機來實現，大大降低了設計難度,。狀態(tài)機共定義了7個狀態(tài),，各狀態(tài)定義如表1所示，狀態(tài)轉換如圖5所示,，轉換條件如表2所示,，具體程序如下。
3 頂層模塊仿真測試
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計就不再此贅述，最終頂層原理圖設計如圖6所示,，仿真波形如圖7所示,，分析波形可知，圖中開始比賽信號產生后,，首次發(fā)球權方為乙方,，甲方發(fā)球造成犯規(guī)音響電路鳴響，即speaker信號為高電平,，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信號為“0110000”，注意,，此處輸出為驅動數碼管輸出信號,，代表數字“1”。通過仿真可知,，該系統(tǒng)設計滿足游戲機比賽規(guī)則要求,。
4 結語
采用VHDL語言編程，基于FPGA成功設計了一款乒乓球比賽游戲機,，通過仿真驗證可知,，結果滿足設計需求，系統(tǒng)具有發(fā)球權控制,、自動計分,、犯規(guī)提示等多種功能，能有效模擬實際乒乓球比賽。該系統(tǒng)進一步改進思路為：改用人體感應傳感器來采集擊球信號,，采用FPGA產生視頻信號傳送到電視機或監(jiān)視器,，更直觀地展示乒乓球運動軌跡，從而真正實現人機互動,，優(yōu)化虛擬效果,。
來源：現代電子技術
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