基于VHDL的乒乓球設(shè)計.doc

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課程報告 設(shè)計課題: 乒乓球游戲的FPGA實現(xiàn) 姓 名: 黃琳 吳勝輝 許曉明 專 業(yè): 電子信息工程 學 號: 1115108018 1115106047 1115106052 日 期 2013 年11月25 日——2013 年 12 月1 日 指導教師: 傅 文 淵 華僑大學信息科學與工程學院電子工程系 目錄 1 項目名稱、內(nèi)容與要求 ………………………………………02頁 1.1 項目名稱…………………………………………………02頁 1.2 設(shè)計內(nèi)容…………………………………………………02頁 1.3 具體要求…………………………………………………02頁 2 系統(tǒng)整體架構(gòu) …………………………………………………02頁 2.1 設(shè)計原理…………………………………………………02頁 2.2 設(shè)計思路…………………………………………………03頁 3 系統(tǒng)設(shè)計………………………………………………………03頁 3.1乒乓球游戲機實體的設(shè)計………………………………03頁 3.2狀態(tài)機編程實現(xiàn)……………………………………… 04頁 3.3構(gòu)造體的設(shè)計……………………………………………07頁 3.4發(fā)揮部分……………………………………………… 08頁 3.5最后的整體模塊和管腳鎖定……………………………10頁 3.6編譯和波形仿真…………………………………………10頁 3.7分工說明…………………………………………………15頁 4 結(jié)束語…………………………………………………………15頁 參考書目…………………………………………………………16頁 一、 項目名稱、內(nèi)容與要求 1.1項目名稱 乒乓球游戲的FPGA實現(xiàn) 1.2設(shè)計內(nèi)容 設(shè)計一個由甲乙雙方參賽，二人乒乓球游戲機。 用8個LED排成一條直線，以中點為界，兩邊各代表參賽雙方的位置，其中一只點亮的LED指示球的當前位置，點亮的LED依次從左到右，或從右到左。 當“球”（點亮的那只LED）運動到某方的最后一位時，參賽者應(yīng)能果斷地按下位于自己一方的按鈕開關(guān)，即表示啟動球拍擊球，若擊中，則球向相反方向運動，則對方得一分，同時蜂鳴器自動響起。 設(shè)置自動記分電路，甲乙雙方各用一位數(shù)碼管進行記分顯示，每計滿11分為1局。 1.3具體要求 （1）使用乒乓球游戲機的雙方在不同位置發(fā)球或擊球。 （2）乒乓球的位置和移動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)的動作。 （3）比賽用11分為一局來進行，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。當記分牌清零后，開始新的一局比賽。 （4）（發(fā)揮部分）完善以上設(shè)計，使之更加符合乒乓球運動的各項規(guī)則。 二、系統(tǒng)整體架構(gòu) 2.1設(shè)計原理 兩人乒乓球游戲機是用8個發(fā)光二極管代表乒乓球臺，中間兩個發(fā)光二極管兼做乒乓球網(wǎng)，用點亮的發(fā)光二極管按一定方向移動來表示球的運動。在游戲機的兩側(cè)各設(shè)置發(fā)球和擊球開關(guān)，甲乙雙方按乒乓球比賽規(guī)則來操作開關(guān)。當甲方按動發(fā)球開關(guān)時，靠近甲方的第一個發(fā)光二極管亮，然后發(fā)光二極管由甲方向乙方依次點亮，代表乒乓球的移動。當球過網(wǎng)后按照設(shè)計者規(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)球進行比賽，知道一方記分達到11分為止，記分清零，重新開始新一局比賽。 2.2設(shè)計思路 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的要求，乒乓球比賽游戲機的電路原理框圖如下： 三、系統(tǒng)設(shè)計 3.1乒乓球游戲機實體的設(shè)計 設(shè)計該乒乓球游戲機的輸入/輸出端口。首先考慮輸入端口，一般都應(yīng)該設(shè)置一個異步置位端口reset，用于在系統(tǒng)不正常時回到初始狀態(tài)；一個發(fā)球輸入端serve，邏輯‘1’代表開始發(fā)球的指令；兩個擊球輸入端hit1和hit2，邏輯‘1’分別表示甲擊球和乙擊球；一個開始游戲按鈕startbutton，處于邏輯‘1’表示可以游戲；還得有一個時鐘輸入端口clk。 其次考慮輸出端口，芯片應(yīng)該有8個輸出端口來控制8個發(fā)光二極管，輸出邏輯‘1’即輸出一個高電平，可以使發(fā)光二極管點亮；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，可以表示0~11的數(shù)字。另外，在發(fā)揮的部分，我們還設(shè)計了一個模塊來顯示雙方的局數(shù)以及最后的贏家。 實體的設(shè)計如下： 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個用于控制4個7段譯碼器的輸出端口 end compete; 3.2狀態(tài)機編程實現(xiàn) 狀態(tài)機設(shè)置了7個狀態(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）、球向乙移動狀態(tài)（ballmoveto2）、球向甲移動狀態(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)值來表示狀態(tài)的。 乒乓球游戲機中有四個計數(shù)器count1，count2，count3，count4分別記憶甲的得分和乙的得分，甲方贏的局數(shù)和乙方贏的局數(shù)；一個i信號，用它的數(shù)值來控制狀態(tài)機外8個發(fā)光二極管的亮和暗，比如當i=1時表示第一個發(fā)光二極管亮，用發(fā)光二級管的輪流發(fā)光表示球的移動軌跡。 輸入狀態(tài)機的信號有游戲開關(guān)startbutton信號，它是1位二進制信號，數(shù)值為1表示可以進入游戲；serve信號，是一個2位二進制向量，“01”表示甲發(fā)球；兩個二進制信號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)機進程代碼。 p1: process(clk_1) --狀態(tài)機進程 --clk_1作為敏感信號觸發(fā)進程 begin --進程開始 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 --當處于時鐘inclock上升沿時 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語句是程序中最關(guān)鍵的狀態(tài)機部分 case state is when waitserve=> --進程處于等待發(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=> --進程處于球向乙移動狀態(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=> --進程處于球向乙移動狀態(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; --進程處i信號控制發(fā)光二極管的亮暗 3.3構(gòu)造體的設(shè)計 這里的設(shè)定能使得燈正常的移動： 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)造體緊跟在實體設(shè)計之后，這樣就完成了數(shù)字乒乓游戲機的VHDL源程序編寫。從構(gòu)造體設(shè)計中可以看到，控制整個乒乓球游戲機運轉(zhuǎn)的就是狀態(tài)機進程，它對各個外圍部分起控制作用。它是整個程序的核心，起到一個中心控制器的作用。而外圍的部分，比如分數(shù)顯示，球的軌跡，都是通過狀態(tài)機傳出的信號來控制，這就是狀態(tài)機的功能和作用。程序中的球的軌跡，即發(fā)光二極管的亮暗是通過狀態(tài)機中傳出的i信號來控制的，而分數(shù)顯示則是通過狀態(tài)機中傳出的count1和count2信號來控制的。而狀態(tài)機中i信號和count1，count2信號的變化同時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)出當時的乒乓球位置和雙方分數(shù)情況。這個核心模塊的封裝圖： 3.4發(fā)揮部分 實驗要求中，我們可以根據(jù)乒乓球比賽規(guī)則增進設(shè)計的完善，發(fā)揮部分如下： 1. 我們增加了雙方比賽中的局數(shù)現(xiàn)實； 2. 在發(fā)球時我們可以主動的決定發(fā)球方向； 3. 我們設(shè)定了一個數(shù)碼管來直接輸出雙方在這次比賽中的勝負（即在該數(shù)碼管就可以直觀的看出誰勝誰負）； 4. 我們根據(jù)正規(guī)比賽中的規(guī)則，在判定局數(shù)時特別是在比數(shù)為11:10時對于判定準則進行了修改，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; 當然為了不影響11:9時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個用于控制4個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是勝負輸出口，直接輸出a，b可以更加直觀的看出是誰的勝利； countc為甲方的局數(shù)，countd為乙方的局數(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驅(qū)動芯片以外的發(fā)光二極管使之點亮，這樣就可以通過發(fā)光二極管模擬乒乓球的運動軌跡。可以看到，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，以下為該情況下球的運行軌跡： （2）下圖是在甲方發(fā)球以后，甲子正確時刻擊球的波形仿真圖。乙在允許甲擊球狀態(tài)的時候擊球了，在圖上hit2在此時刻出現(xiàn)高電平，看到state轉(zhuǎn)移了狀態(tài)2（ballmoveto2，球向乙移動狀態(tài)）當?shù)搅藸顟B(tài)3（allow2hit，允許乙擊球狀態(tài)）乙沒有擊球，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動軌跡： （3）下圖所示代表乙發(fā)球，由light端口輸出的高電平會驅(qū)動芯片以外的發(fā)光二極管使之點亮，這樣就可以通過發(fā)光二極管模擬乒乓球的運動軌跡?？梢钥吹?，在甲該擊球的時候沒有擊球，也就是hit1在state狀態(tài)6（allow1hit，允許甲擊球狀態(tài)）的時候沒有高電平‘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行軌跡： (4)以下為我們設(shè)計的創(chuàng)新部分波形仿真： 當甲方與乙方的分數(shù)比為12:10時，甲方獲得該局的勝利，即countc=1： 當甲方與乙方的分數(shù)比為10:10時，不符合比賽規(guī)則，則沒人比賽局數(shù)上加一： 當甲方與乙方的分數(shù)為11:10，11:11時的波形仿真： 最后，我們做出了對于一個比賽的模擬，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，和我們設(shè)定的比賽分數(shù)為10:10時的情況，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分工說明 本次的實驗是由我們?nèi)斯餐瓿?，但在合作的過程中我們也分工明確。吳勝輝同學和黃琳同學主要負責對核心模塊進行生成、編譯和仿真，許曉明同學主要負責對發(fā)揮部分的考慮。 結(jié)束語 在這個設(shè)計中，初步體現(xiàn)了狀態(tài)機的中心控制作用。通過狀態(tài)機進程傳出的信號，驅(qū)動了發(fā)光二極管以及七段譯碼器等外圍設(shè)備。狀態(tài)機進程傳出的i信號，控制了發(fā)光二極管的狀態(tài)，狀態(tài)機進程傳出的count1和count2信號，控制了七段譯碼器的顯示。如果要用實際電路來實現(xiàn)乒乓球游戲機，就還要將設(shè)計下載到芯片中去，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)計還是不夠的，還存在兩個問題，一個是時鐘頻率問題，一個是按鍵問題，但由于時間及能力有限，就沒做太多的深入探討，但在以后的學習生活中我們?nèi)詴Υ祟悊栴}繼續(xù)加以研究分析。 參考文獻： [1] 趙建領(lǐng). 51系列單片機開發(fā)寶典[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007. [2] 中國電子網(wǎng). http://www.21ic.com. [3] 電子電路圖網(wǎng). http://www.cndzz.com. [4] 百度：http://www.baidu.com