基于某VHDL的乒乓球设计.docx
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基于某VHDL的乒乓球设计
课程报告
设计课题:
乒乓球游戏的FPGA实现
姓名:
黄琳吴胜辉许晓明
专业:
电子信息工程
学号:
111510801811151060471115106052
日期
2013年11月25日——2013年12月1日
指导教师:
傅文渊
华侨大学信息科学与工程学院电子工程系
1项目名称、内容与要求………………………………………02页
1.1项目名称…………………………………………………02页
1.2设计内容…………………………………………………02页
1.3具体要求…………………………………………………02页
2系统整体架构…………………………………………………02页
2.1设计原理…………………………………………………02页
2.2设计思路…………………………………………………03页
3系统设计………………………………………………………03页
………………………………03页
………………………………………04页
3.3构造体的设计……………………………………………07页
………………………………………………08页
3.5最后的整体模块和管脚锁定……………………………10页
3.6编译和波形仿真…………………………………………10页
…………………………………………………15页
4完毕语…………………………………………………………15页
参考书目…………………………………………………………16页
一、项目名称、内容与要求
乒乓球游戏的FPGA实现
设计一个由甲乙双方参赛，二人乒乓球游戏机。
用8个LED排成一条直线，以中点为界，两边各代表参赛双方的位置，其中一只点亮的LED指示球的当前位置，点亮的LED依次从左到右，或从右到左。
当“球〞〔点亮的那只LED〕运动到某方的最后一位时，参赛者应能果断地按下位于自己一方的按钮开关，即表示启动球拍击球，假如击中，如此球向相反方向运动，如此对方得一分，同时蜂鸣器自动响起。
设置自动记分电路，甲乙双方各用一位数码管进展记分显示，每计满11分为1局。
〔1〕使用乒乓球游戏机的双方在不同位置发球或击球。
〔2〕乒乓球的位置和移动方向由灯亮和依次亮的方向决定。
使用者根据球的位置发出相应的动作。
〔3〕比赛用11分为一局来进展，双方设置各自的记分牌，任意一方先记满11分就获胜此局。
当记分牌清零后，开始新的一局比赛。
〔4〕〔发挥局部〕完善以上设计，使之更加符合乒乓球运动的各项规如此。
二、系统整体架构
两人乒乓球游戏机是用8个发光二极管代表乒乓球台，中间两个发光二极管兼做乒乓球网，用点亮的发光二极管按一定方向移动来表示球的运动。
在游戏机的两侧各设置发球和击球开关，甲乙双方按乒乓球比赛规如此来操作开关。
当甲方按动发球开关时，靠近甲方的第一个发光二极管亮，然后发光二极管由甲方向乙方依次点亮，代表乒乓球的移动。
当球过网后按照设计者规定的球位乙方就可以击球。
假如乙方提前击球或者未击到球，如此甲方得分。
然后重新发球进展比赛，知道一方记分达到11分为止，记分清零，重新开始新一局比赛。
根据系统设计的要求，乒乓球比赛游戏机的电路原理框图如下：
三、系统设计
设计该乒乓球游戏机的输入/输出端口。
首先考虑输入端口，一般都应该设置一个异步置位端口reset，用于在系统不正常时回到初始状态；一个发球输入端serve，逻辑‘1’代表开始发球的指令；两个击球输入端hit1和hit2，逻辑‘1’分别表示甲击球和乙击球；一个开始游戏按钮startbutton，处于逻辑‘1’表示可以游戏；还得有一个时钟输入端口clk。
其次考虑输出端口，芯片应该有8个输出端口来控制8个发光二极管，输出逻辑‘1’即输出一个高电平，可以使发光二极管点亮；另外，要直观地表示双方的得分，就得用到数码管，每方用到1个，可以表示0~11的数字。
另外，在发挥的局部，我们还设计了一个模块来显示双方的局数以与最后的赢家。
实体的设计如下：
libraryieee;
useieee.std_logic_1164.all;
useieee.std_logic_arith.all;
useieee.std_logic_unsigned.all;
--引用必要的库函数和包集合
entitypeteis
port（reset:
instd_logic;
clk_1:
instd_logic;
startbutton:
instd_logic;--开始游戏输入端口
serve:
instd_logic_vector（1downto0）;--发球输入端口
hit1,hit2:
instd_logic;--甲和乙的击球输入端口
light:
outstd_logic_vector（1to8）;--控制8个发光二极管的输出端口
speaker:
outstd_logic;
counta,countb:
outstd_logic_vector（3downto0））;--2个用于控制4个7段译码器的输出端口
endpete;
状态机设置了7个状态，分别是等待发球状态〔waitserve〕、第一盏灯亮状态〔light1on〕、第八盏灯亮状态〔light8on〕、球向乙移动状态〔ballmoveto2〕、球向甲移动状态〔ballmoveto1〕、允许甲击球状态〔allow1hit〕和允许乙击球状态〔allow2hit〕。
状态waitserve，light1on，ballmoveto2，allow2hit，light8on，ballmoveto1和allow1hit代表的具体数值依次是0到6.在波形模拟图中是用数值来表示状态的。
乒乓球游戏机中有四个计数器count1，count2，count3，count4分别记忆甲的得分和乙的得分，甲方赢的局数和乙方赢的局数；一个i信号，用它的数值来控制状态机外8个发光二极管的亮和暗，比如当i=1时表示第一个发光二极管亮，用发光二级管的轮流发光表示球的移动轨迹。
输入状态机的信号有游戏开关startbutton信号，它是1位二进制信号，数值为1表示可以进入游戏；serve信号，是一个2位二进制向量，“01〞表示甲发球；两个二进制信号hit1和hit2分别表示甲乙是否击球，假如数值为1，表示击球，不为1表示不击球。
以下是状态机进程代码。
p1:
process（clk_1）--状态机进程--clk_1作为敏感信号触发进程
begin--进程开始
ifreset='1'then--异步置位
i<=0;count1<="0000";count2<="0000";count3<="0000";count4<="0000";
elsifclk_1'eventandclk_1='1'then--当处于时钟inclock上升沿时
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;
elsifstartbutton='0'then
i<=0;count1<="0000";count2<="0000";count3<="0000";count4<="0000";
else--以下case语句是程序中最关键的状态机局部
casestateis
whenwaitserve=>--进程处于等待发球状态
caseserveis
when"01"=>i<=1;state<=light1on;c<='0';
when"10"=>i<=8;state<=light8on;c<='0';
when"11"=>i<=0;c<='0';
whenothers=>i<=0;c<='0';
endcase;
whenlight1on=>--进程处于第一盏灯亮状态
i<=2;
ifhit2='1'then
i<=0;
count1<=count1+1;c<='1';state<=waitserve;
else
c<='0';state<=ballmoveto2;
endif;
whenlight8on=>--进程处于第八盏灯亮状态
i<=7;
ifhit1='1'then
i<=0;
count2<=count2+1;c<='1';state<=waitserve;
else
c<='0';state<=ballmoveto1;
endif;
whenballmoveto1=>--进程处于球向乙移动状态
ifhit1='1'then
i<=0;
count2<=count2+1;c<='1';state<=waitserve;
elsifi=2theni<=1;c<='0';
state<=allow1hit;
elsei<=i-1;
endif;
whenballmoveto2=>--进程处于球向乙移动状态
ifhit2='1'then
i<=0;
count1<=count1+1;c<='1';state<=waitserve;
elsifi=7theni<=8;c<='0';
state<=allow2hit;
elsei<=i+1;
endif;
whenallow1hit=>--进程处于允许甲击球状态
ifhit1='1'theni<=2;c<='0';
state<=ballmoveto2;
elsecount2<=count2+1;i<=0;c<='1';
state<=waitserve;
endif;
whenallow2hit=>--进程处于允许乙击球状态
ifhit2='1'theni<=7;c<='0';state<=ballmoveto1;
elsecount1<=count1+1;i<=0;c<='1';
state<=waitserve;
endif;
endcase;
endif;
endif;
endprocessp1;
counta<=count1;countb<=count2;--进程处i信号控制发光二极管的亮暗
3.3构造体的设计
这里的设定能使得灯正常的移动：
代码如下：
p2:
process（i）
begin
caseiis
when8=>
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";
whenothers=>
light<="00000000";--其他情况所有发光二极管都暗
endcase;
endprocessp2;
该构造体紧跟在实体设计之后，这样就完成了数字乒乓游戏机的VHDL源程序编写。
从构造体设计中可以看到，控制整个乒乓球游戏机运转的就是状态机进程，它对各个外围局部起控制作用。
它是整个程序的核心，起到一个中心控制器的作用。
而外围的局部，比如分数显示，球的轨迹，都是通过状态机传出的信号来控制，这就是状态机的功能和作用。
程序中的球的轨迹，即发光二极管的亮暗是通过状态机中传出的i信号来控制的，而分数显示如此是通过状态机中传出的count1和count2信号来控制的。
而状态机中i信号和count1，count2信号的变化同时就可以影响到外围的显示局部——发光二极管和数码管，从而表现出当时的乒乓球位置和双方分数情况。
这个核心模块的封装图：
实验要求中，我们可以根据乒乓球比赛规如此增进设计的完善，发挥局部如下：
1.我们增加了双方比赛中的局数现实；
2.在发球时我们可以主动的决定发球方向；
3.我们设定了一个数码管来直接输出双方在这次比赛中的胜负〔即在该数码管就可以直观的看出谁胜谁负〕；
4.我们根据正规比赛中的规如此，在判定局数时特别是在比数为11:
10时对于判定准如此进展了修改，使得双方的比数必须为12:
10，才能获得该局的胜利。
该段代码如下：
if（（counta>"1001"）and（countb>"1001"））then
ifcounta=（countb+2）thencount3<=count3+1;
elsifcountb=（counta+2）thencount4<=count4+1;
endif;
endif;
当然为了不影响11:
9时的比赛判定之前的代码也是修改为：
ifreset='1'thencount3<="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;
endif;
最后，这是这个模块的全体代码：
libraryieee;
useieee.std_logic_1164.all;
useieee.std_logic_arith.all;
useieee.std_logic_unsigned.all;
--引用必要的库函数和包集合
entitysumis
port（reset:
instd_logic;
clk_1:
instd_logic;
counta:
instd_logic_vector（3downto0）;
countb:
instd_logic_vector（3downto0）;
countc,countd,winer:
outstd_logic_vector（3downto0））;--2个用于控制4个7段译码器的输出端口
endsum;
architecturetwoofsumis
signalcount3,count4:
std_logic_vector（3downto0）:
="0000";
signalwin:
std_logic_vector（3downto0）:
="0000";
begin
process（clk_1）
begin
ifclk_1'eventandclk_1='1'then
ifreset='1'thencount3<="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;
endif;
if（（counta>"1001"）and（countb>"1001"））then
ifcounta=（countb+2）thencount3<=count3+1;
elsifcountb=（counta+2）thencount4<=count4+1;
endif;
endif;
endif;
countc<=count3;countd<=count4;
endprocess;
process（clk_1）
begin
ifclk_1'eventandclk_1='1'then
ifcount3="0011"thenwin<="1010";
elsifcount4="0011"thenwin<="1011";
elsewin<="0000";
endif;
endif;
winer<=win;
endprocess;
endtwo;
其中，winer是胜负输出口，直接输出a，b可以更加直观的看出是谁的胜利；
countc为甲方的局数，countd为乙方的局数。
以下为最后生成的模块：
3.5最后的整体模块和管脚锁定
原理图：
管脚锁定：
3.6编译和波形仿真
〔1〕如下图所示代表乙发球，由light端口输出的高电平会驱动芯片以外的发光二极管使之点亮，这样就可以通过发光二极管模拟乒乓球的运动轨迹。
可以看到，在乙方发球后，甲方在球网提前击球，如此乙方加一分，即countb=1。
以下为波形图形：
以light为球轨迹的信号，以下为该情况下球的运行轨迹：
〔2〕如下图是在甲方发球以后，甲子正确时刻击球的波形仿真图。
乙在允许甲击球状态的时候击球了，在图上hit2在此时刻出现高电平，看到state转移了状态2〔ballmoveto2，球向乙移动状态〕当到了状态3〔allow2hit，允许乙击球状态〕乙没有击球，所以乙得分了，countb由0变到1，数码管也显示出相应的变化：
以下为球在该情况下的运动轨迹：
〔3〕如下图所示代表乙发球，由light端口输出的高电平会驱动芯片以外的发光二极管使之点亮，这样就可以通过发光二极管模拟乒乓球的运动轨迹。
可以看到，在甲该击球的时候没有击球，也就是hit1在state状态6〔allow1hit，允许甲击球状态〕的时候没有高电平‘1’输入，如此算乙得分，countb由0变到1，之后state回到状态0〔waitserve，等待发球状态〕。
从最后一行state值的变化，可以清楚地分析状态转移：
以下为该情况下的球运行轨迹：
（4）以下为我们设计的创新局部波形仿真：
当甲方与乙方的分数比为12:
10时，甲方获得该局的胜利，即countc=1：
当甲方与乙方的分数比为10:
10时，不符合比赛规如此，如此没人比赛局数上加一：
当甲方与乙方的分数为11:
10，11:
11时的波形仿真：
最后，我们做出了对于一个比赛的模拟，其中包括提前击球甲方获得一局比赛的胜利，一方获得一局比赛的胜利，和我们设定的比赛分数为10:
10时的情况，以与最后由一方获得三局比赛输出最终的胜利者。
该模拟图形在下方：
本次的实验是由我们三人共同完成，但在合作的过程中我们也分工明确。
吴胜辉同学和黄琳同学主要负责对核心模块进展生成、编译和仿真，许晓明同学主要负责对发挥局部的考虑。
完毕语
在这个设计中，初步表现了状态机的中心控制作用。
通过状态机进程传出的信号，驱动了发光二极管以与七段译码器等外围设备。
状态机进程传出的i信号，控制了发光二极管的状态，状态机进程传出的count1和count2信号，控制了七段译码器的显示。
如果要用实际电路来实现乒乓球游戏机，就还要将设计下载到芯片中去，并且加上外围电路，这些外围电路包括按键等，即便如此，上面的设计还是不够的，还存在两个问题，一个是时钟频率问题，一个是按键问题，但由于时间与能力有限，就没做太多的深入探讨，但在以后的学习生活中我们仍会对此类问题继续加以研究分析。
参考文献：
[1]赵建领.51系列单片机开发宝典[M].:
电子工业,2007.
[2]中国电子网..21ic..
[3]电子电路图网..dzz..
[4]XX：
.baidu.
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