基于VHDL的乒乓球設(shè)計(jì)

1、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

2、 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(shū)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

3、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)

4、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hit

5、1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011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_log

6、ic_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,co

7、untb: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allow1h

8、it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

9、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;count41010)and(count2(count1-1) then i=0;count1=0000;count2=0000;count31010)and(count1(count2-1) then i=0;count1=0000;count2=0000;count4=count4+1; elsif startbutton=0 then i=0;

10、count1=0000;count2=0000;count3=0000;count4 -進(jìn)程處于等待發(fā)球狀態(tài) case serve is when 01= i=1;state=light1on;c i=8;state=light8on;ci=0;c i=0;c -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 -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

11、 c=0;state -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 -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 -進(jìn)程處于允許甲擊球狀態(tài) if hit1=1 then i=2;c=0; state=ballmoveto2

12、; else count2=count2+1;i=0;c=1; state -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 light light light light light light light light light1001)and (countb1001) then if counta=

13、(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;count41010)and(countb(counta-1) then count31010)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

14、.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

15、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;count41010)and(countb(counta-1) then count31010)and(counta(countb-1) then count4

16、1001)and (countb1001) 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)beginif clk_1event and clk_1=1 then if count3=0011 then win=1010; elsif count4=0011 then win=1011; else win

17、=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

18、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?？梢钥吹?，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