基于NiosII貪吃蛇的游戲設(shè)計(電子綜合設(shè)計)

1、基于niosii和led點陣的貪吃蛇游戲設(shè)計目錄一、摘要 2二、設(shè)計目的 2三、貪吃蛇設(shè)計預(yù)期目標 2四、方案整體設(shè)計 2五、硬件系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn) 3六、軟件系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn) 11七、心得體會 14八、參考文獻 15九、附錄 15一 、摘要基于niosii軟核處理器和led點陣顯示屏的貪吃蛇游戲內(nèi)容是：一條蛇在封閉的圍墻里，圍墻里隨機出現(xiàn)一個食物。玩家通過4個按鍵控制蛇上下左右移動，且蛇只能沿著頭運動的軌跡移動。蛇頭撞到食物，則食物被吃掉，蛇身體增長一節(jié)，同時記1分，又出現(xiàn)食物，等待蛇來吃，如果蛇頭在移動中出界或咬到自己的身體則游戲結(jié)束。關(guān)鍵字： 貪吃蛇nios ii led點陣sopc二、設(shè)

2、計目的1、掌握按鍵掃描電路的設(shè)計2、掌握用vhdl語言設(shè)計按鍵掃描電路的方法3、掌握16*16 led點陣的控制原理和用vhdl語言設(shè)計led點陣掃描電路的方法；4、掌握sopc builder的設(shè)計流程；5、掌握在nios ii中進行編程的方法；三、貪吃蛇設(shè)計預(yù)期目標1、 基本功能（1）、完成按鍵掃描電路的設(shè)計；（2）、完成 16*16 led 點陣的掃描電路設(shè)計；（3）、完成sopc builder 中的系統(tǒng)設(shè)計；（4）、完成單色貪吃蛇游戲的基本設(shè)計（蛇移動方向的改變，吃到果子后蛇身變長，咬到自己或者出界時的失敗處理等）；（5）、完成游戲圖形信息提示（游戲目前所處的等級等）。2、 提高功能

3、（1）、能進行漢字動態(tài)顯示（顯示內(nèi)容自動更新，形式自定，如百葉窗等）；（2）、蛇頭顏色與蛇身區(qū)別顯示，并與果實顏色區(qū)別顯示；（3）、游戲過程中加入聲音提示和表情提示；（4）、所得分數(shù)在數(shù)碼管上顯示；（5）、能進行游戲難度的切換（不同難度下，蛇吃到相應(yīng)數(shù)量的果子后升級）。四、方案整體設(shè)計 為了實現(xiàn)游戲的控制、顯示、設(shè)置等功能，系統(tǒng)需要具有控制模塊，動態(tài)掃描顯示模塊，按鍵識別模塊。本設(shè)計中采用nios ii軟核cpu作為游戲的主控制單元，按鍵識別模塊中的每個按鍵通過產(chǎn)生中斷的方式，在中斷處理函數(shù)中完成按鍵的標識，并在在軟件程序的主體部分完成按鍵的識別。動態(tài)掃描顯示模塊又分為led點陣屏動態(tài)掃描顯示

4、和led數(shù)碼管顯示掃描兩部分，兩部分均采用vhdl語言設(shè)計相應(yīng)的硬件掃描模塊來實現(xiàn)。五、硬件系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)整個硬件系統(tǒng)的設(shè)計包括nios ii片上系統(tǒng)的設(shè)計和外設(shè)驅(qū)動電路的設(shè)計。1、 硬件整體框架2、nios ii片上系統(tǒng)的設(shè)計片上系統(tǒng)的設(shè)計核心是nios ii嵌入式cpu軟核的定制。根據(jù)游戲的功能要求和實現(xiàn)的方案，片上系統(tǒng)應(yīng)當包括：nios ii嵌入式cpu軟核、一組pio輸入輸出口、定時器、sram、jtag uart、epcs_flash_controller。nios ii系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下：（1）、nios ii嵌入式cpu軟核nios ii嵌入式cpu軟核作為整個系統(tǒng)的主控制單元，完

5、成對按鍵信息的接收、識別、處理；此外還要輸出相關(guān)的控制信息，實現(xiàn)對外設(shè)的控制。（2）、pio輸入輸出口在定制的一組pio輸入輸出口中，pio輸入口用于接收按鍵信號，pio輸出口用于輸出對dpram寫數(shù)據(jù)操作的控制和數(shù)據(jù)信號以及l(fā)ed數(shù)碼管的數(shù)據(jù)信號；（3）、定時器在系統(tǒng)中定制定時器，主要是為了通過定時器的計數(shù)產(chǎn)生周期性的中斷，通過中斷處理函數(shù)實現(xiàn)貪吃蛇的移動顯示效果。由于定時器中具有幾個軟件可操作的寄存器，通過對這些寄存器的操作可以很方便地實現(xiàn)定時器的啟停、定時時間設(shè)置、中斷產(chǎn)生控制等操作。只要更改定時器產(chǎn)生中斷的周期就可以實現(xiàn)貪吃蛇運動速度的控制，從而進行游戲等級的控制。（4）、sram和e

6、pcs_flash_controllersram在系統(tǒng)中起到了相當于計算機中內(nèi)存的作用，主要用于存放正在運行的軟件程序。它的特點主要是速度快。 epcs_flash_controller 作為epcs_flash的控制器。整個系統(tǒng)的硬件設(shè)計都下載固化在epcs_flash上，當程序燒寫到了epcs_flash上的時候，就可以實現(xiàn)脫機運行了。3、 外設(shè)驅(qū)動電路的設(shè)計外設(shè)驅(qū)動電路的設(shè)計包括：雙口dpram的定制、dpram讀數(shù)據(jù)控制電路的設(shè)計、led點陣屏掃描電路的設(shè)計、七段數(shù)碼管動態(tài)掃描電路的設(shè)計、整個系統(tǒng)中所用到的時鐘信號產(chǎn)生電路以及按鍵去抖電路。（1）、雙口dpram定制雙口dpram在系統(tǒng)

7、中作為led點陣顯示屏的顯示數(shù)據(jù)緩存，其中存儲了256個led燈的顏色控制數(shù)據(jù)。存放在其中的數(shù)據(jù)只有四個值有效，分別為0、1、2、3。送這四個數(shù)去控制一個led燈，分別對應(yīng)led燈的顏色為：黃色、綠色、紅色、黑色。雙口dpram可以定制成一個輸入口和一個輸出口的形式。其中，輸入口用于接收nios ii嵌入式軟核cpu的數(shù)據(jù)，輸出口在dpram讀數(shù)據(jù)控制電路的控制下輸出數(shù)據(jù)用于驅(qū)動led點陣屏掃描顯示電路。 該模塊的仿真波形如下圖：（2）、dpram讀數(shù)據(jù)控制電路dpram讀數(shù)據(jù)控制電路在外部時鐘信號的作用下，產(chǎn)生0 到255共256個數(shù)作為dpram的地址，在dpram讀數(shù)據(jù)時鐘到來的時候使得

8、dpram輸出對應(yīng)地址的數(shù)據(jù)。此外，dpram讀數(shù)據(jù)控制電路還要產(chǎn)生像素同步信號和行同步信號，實現(xiàn)led點陣屏掃描電路的時序。產(chǎn)生的時序要求是：在外部時鐘的作用下產(chǎn)生dpramd的地址，接著像素同步時鐘出現(xiàn)一個上升沿，16個像素同步時鐘后，產(chǎn)生一個行同步信號，在該行同步信號作用下行掃描信號從第一行順序掃到最后一行，這樣就完成了一個周期的掃描。該模塊的仿真波形如下圖：（3）、七段數(shù)碼管七段數(shù)碼管動態(tài)掃描電路，接收外部送來的顯示數(shù)據(jù),通過動態(tài)掃描的方式在兩個數(shù)碼管上顯示出來。該模塊的仿真波形如下圖：（4）、按鍵去抖電路按鍵去抖電路用于消除按鍵動作中產(chǎn)生的高頻抖動，防止產(chǎn)生誤動作，提高按鍵的穩(wěn)定性，

9、和可靠性。該模塊的仿真波形如下圖：（5）、時鐘信號產(chǎn)生電路整個系統(tǒng)中使用到了幾個不同頻率的時鐘信號，通過時鐘信號產(chǎn)生電路進行不同頻率的分頻產(chǎn)生所需的時鐘信號。該模塊的仿真波形如下圖：（6）、led點陣屏掃描電路的設(shè)計led顯示系統(tǒng)有兩種基本的顯示控制方式，即靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示。對于靜態(tài)顯示方式，每一個像素都需要一套驅(qū)動電路，因而這種方式?jīng)]有掃描過程，顯示控制簡單，亮度很好。但是，采用靜態(tài)顯示方式將大大增加驅(qū)動電路的復(fù)雜程度，這不僅使系統(tǒng)成本很高，而且增加了生產(chǎn)、安裝、調(diào)試以及日常維護工作的難度，故障率也較高。對于動態(tài)掃描顯示，由于采用多路復(fù)用顯示方式，每路顯示的時間大為減少，這不僅使led顯示

10、亮度受到一定程度的影響，而且增加了顯示控制的復(fù)雜性和現(xiàn)實的穩(wěn)定性。本系統(tǒng)采用動態(tài)掃描控制顯示方式。a、顯示屏的列驅(qū)動列驅(qū)動采用帶輸出鎖存的8 bit 移位寄存器 74ls595。本系統(tǒng)采的led點陣是rg 雙色的，所以送入點陣的列驅(qū)動信號是 rg兩組。 以紅燈為例，兩片74ls595 級聯(lián)用作紅燈列驅(qū)動。每16 個時鐘控制器傳送的兩個字節(jié)的數(shù)據(jù)移位到兩片 595 中，16個列驅(qū)動信號都移位到兩片 595 中后，控制器給出一個stb 信號的上升沿，使一行數(shù)據(jù)鎖存輸出到led屏。led對應(yīng)的列驅(qū)動數(shù)據(jù)為1時，被其驅(qū)動的led不能被點亮；對應(yīng)的列驅(qū)動數(shù)據(jù)為0時，被其驅(qū)動的點被點亮。綠燈的點亮控制和紅

11、燈一樣，需要用到另外一套相同的595級聯(lián)電路。但具體點亮哪一個點，則由行驅(qū)動來指定。因此行驅(qū)動用來進行掃描控制，任一瞬時16行中只有1行被選通，換句話說一行中每一個點被點亮的時間只有不到1/16的時間，因為傳送數(shù)據(jù)和控制也需要時間。本系統(tǒng)采用的led點陣是rg雙色燈，具體哪個燈則由fpga傳遞的參數(shù)決定。需要注意的是，紅燈數(shù)據(jù)在送入led點陣前要加電阻限流。b、 顯示屏的行驅(qū)動為方便控制，行信號采用四位控制16行，行掃描信號的最高位用于選擇要譯碼的三八譯碼器。行掃描信號最高位為0時，三八譯碼器u7工作，譯碼后的信號作為前八行的行選擇信號；行掃描信號的最高位為1時，三八譯碼器u14工作，譯碼后的

12、信號作為后八行的行選擇信號。行選擇信號在送入led點陣前，要先送入專用的電源控制芯片apm4953,apm4953的輸出作為點陣的行驅(qū)動信號。更大的屏由多套這樣的電路拼接而成，每一部分的工作原理是一致的。這里僅以此電路來討論其工作的原理。c、具體掃描過程掃描過程：首先是fpga通過接口送來第一行要顯示的2個字節(jié)的紅色燈信號r和2個字節(jié)的綠燈信號g，兩個字節(jié)的紅燈數(shù)據(jù)分別鎖存于u1和u6中，兩個字節(jié)的綠燈數(shù)據(jù)分別鎖存于u10和u15中。隨后送出行掃描信號，行掃描信號經(jīng)三八譯碼器譯碼后為ih0-ih15，ih0-ih15經(jīng)過專用的電源控制芯片apm4953,成為led點陣的行驅(qū)動信號th0-th1

13、5。第一次送來的掃描信號應(yīng)使th0為1，其余為0。這意味著只有第1行被選通，第1行的16個點，32個led燈按4片595的輸出數(shù)據(jù)點亮或熄滅相應(yīng)的led燈，而其余15列由于不被選通將全部不發(fā)光。為防止數(shù)據(jù)串顯，經(jīng)過一段時間的延時后，要再送出一組綠燈均為1的數(shù)據(jù)，即熄滅所有的燈，至此第1行掃描顯示完畢。隨后依次進行第2行的掃描顯示。同樣，先送第2行的16個紅色led燈的顯示數(shù)據(jù)分別鎖存于595（1）和595（2）中，第2行的16個綠色led燈的顯示數(shù)據(jù)分別鎖存于595（3）和595（4）中，再送掃描信號sel，且只使th1為1，并延時顯示，最后熄滅所有的燈。這樣逐列進行掃描顯示，當最后一列掃描完

14、后，fpga可進行適當?shù)臄?shù)據(jù)加工處理，接著又進行下一掃描周期的工作。必須指出，掃描周期應(yīng)小于或等于20ms以克服圖像的閃爍現(xiàn)象，但也不能太高，要考慮595工作的頻率范圍。電路如下圖：六、軟件系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)1、系統(tǒng)的主程序設(shè)計（1）、算法描述運動：根據(jù)用戶輸入按鍵進行柔體傳動。吃到食物：置沒有食物的標志，蛇長大一個點陣。放新食物：判斷食物標志，如果沒有食物，就要放食物，判斷 放的食物是否和蛇身重疊，重疊了要重放。死亡處理：判斷是否撞中自己或撞墻。 游戲具體的流程是：蛇向一個固定方向進行柔體傳動，每個運動時鐘到達要做的工作有a、判斷食物標志，沒有食物了就放一個，放的時候判斷，不能和蛇身重疊。b、

15、得到用戶按鍵值，根據(jù)鍵值設(shè)置方向標識，并判斷是否撞死了，沒撞死和是否吃到自己，再判斷是否吃到東西了，沒有吃到，就等下一個運動時鐘；吃了，就增長一點。置一個沒有食物的標志。然后等待下一個時刻的來臨。（2）、流程圖 2、源程序 （見附錄）七、心得體會 本次電子綜合設(shè)計從9月6日開始，到9月30日結(jié)束，為 將近一個月。整個設(shè)計工作的安排是：前期，接受電子綜合設(shè)計任務(wù)，閱讀、收集相關(guān)資料，學(xué)習(xí)nios ii嵌入式設(shè)計方法。進行簡單的包含nios ii嵌入式cpu的sopc系統(tǒng)驗證性試驗，熟悉定時器的使用，pio口的操作，以及中斷的實現(xiàn)操作。學(xué)習(xí)led點陣顯示屏的動態(tài)掃描顯示原理，并據(jù)此確定所需的元件，

16、做好準備工作。中期，研究貪吃蛇游戲的實現(xiàn)方法，根據(jù)要求的功能，和現(xiàn)有的資源確定總體設(shè)計方案。研究軟件算法和硬件電路的具體實現(xiàn)，繪制led點陣屏動態(tài)掃描電路，完成布局、布線,緊接著進行硬件電路的焊接制作。后期，對硬件電路進行測試，軟件設(shè)計調(diào)試。這個階段中，對硬件的測試很重要，必須保證所設(shè)計的硬件平臺的每一個部分都能正確無誤地工作，這樣才能調(diào)試所設(shè)計到的軟件。這次電子綜合設(shè)計檢驗了我們對這三年所學(xué)知識掌握程度，同時也是一個學(xué)習(xí)新知識的過程。通過這次電子綜合設(shè)計，我們對幾種中規(guī)模集成電路芯片有了更多的了解，能根據(jù)我們的要求正確地使用這幾種芯片；在硬件電路的設(shè)計制作方面，我們的流程和方法更加的規(guī)范化，在制作硬件電路的過程中積累了一些經(jīng)驗，也從中總結(jié)了一些教訓(xùn)。比如說，在硬件電路的布局上，應(yīng)該考慮到布線的問題，應(yīng)該圍繞著led點陣顯示屏來展開，盡量使得布局后布線盡量地簡潔，布線的數(shù)量應(yīng)該盡量的少。布線時，盡量走90度的直角，減少電磁干擾現(xiàn)象。在sopc系統(tǒng)的構(gòu)建過程中，我們對其設(shè)計流程從陌生變得熟悉了。能夠在fpga上構(gòu)建簡單的sopc系統(tǒng)。也感受到了這種設(shè)計理念的魅力，感受到了這種技術(shù)的生機和力量。本次電子綜合設(shè)計中存在的問題是，硬件設(shè)計制作的時間太長，這使得軟件調(diào)試的時間很緊張，以至于有些提高功能在最后都沒有時間去實現(xiàn)，這也是設(shè)計作品質(zhì)量