二维乒乓球数字电路与逻辑设计实验报告VHDL.docx

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二维乒乓球数字电路与逻辑设计实验报告VHDL

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）

.

数字电路与逻辑设计实验

实验报告

姓名：

XXX

班级：

xxxxxxxx

学号：

xxxxxxxx

一、设计课题的任务要求

两人乒乓球游戏机是以8*8点阵作为场地，中间的6*6共36个点作为球台，最外围的一圈点作为球拍移动的轨道，并通过数码管显示双方的局数和比分。

双方个通过3个按钮控制球拍的上下移动及发球（场上无球时）。

球接触到球拍后会自动改变方向和速度（在一定范围内）。

当球在甲方的半场移动出球台范围后，乙方得分，然后重新发球。

直到达到规定比分后，比赛结束。

（1）以8*8点阵作为场地，中间的6*6共36个点作为球台，最外围的一圈点作为球拍移动的轨道，通过两个按键控制球拍的移动；

（2）球的移动速度：

在x，y方向上均为0.2s点~0.6s点（可为0），会在击球时按一定规则自动改变；

（3）通过按钮移动球拍，球拍不能移出自己的半场（8*4）；

（4）球出界后，自动判定得分，球从球场中消失，等待下一次发球；

（5）用数码管显示局数和比分，参考正式比赛规则，采用7局4胜制：

当一方得分超过11分，并超过对方两分时，本局比赛结束，当一方率先赢得4局时，比赛结束，此时数码管保持最终比分。

（6）按下复位键，比分清零，双方重新开始比赛；

（7）双方按乒乓球比赛规则获得发球权，没有发球权的一方，发球开关无效。

二、系统设计

1、设计思路

用x，y两坐标表示8*8点的每个点。

分别用一组信号表示球和两球拍的坐标，以及球的移动速度。

以一定周期（0.1s），改变球的坐标，以达到移动球的目的，用一组信号（xm、ym）记录球经过几个周期（0.1s）在想x或y方向上移动一个点，通过改变这两个信号的大小，即可控制球移动的速度和方向。

球拍的移动由按钮控制，鉴于球拍只在最外圈移动，只需要上下两个按钮即可。

当球拍在y方向上移动到边缘时，会自动转为在x方向上移动。

球拍长度为3个点，只需记录中间点的位置即可。

当球与球拍接触时（球的坐标与球拍中心的坐标在x，y两个方向的差均不大于1），根据球与球拍中心的相对位置，改变xm、ym，从而将球击回。

当球位于边缘部分时，自动更新比分，并将球的坐标更改为特殊值（x=0），使球在台面上消失。

此时发球按钮生效，按下发球按钮后，会将球的坐标及球速按一定规则重置，球再次开始移动。

当比分符合一定规则时，将自动清零，并更新局数，有一方局数为4时，时分频器不再提供时钟信号。

所有功能停止，系统保持在最后状态，直到复位。

系统时钟为50MHz，通过两级分频器分别产生1kHz和10Hz的时钟信号供各模块使用。

数码管和8*8点钟使用1kHz的时钟信号，以扫描方式输出，其中球拍和球台与球在不同周期交替显示，以简化系统。

1kHz的时钟信号同时用于按键防抖动。

10Hz时钟信号用于球的坐标更新以及出界、击球等状态的判定。

2、总体框图

3、分块设计图

4、流程图

注：

图中梯形表示按键输入

5、状态转移图

三、波形仿真及波形分析

1、分频器

本设计中用到1000Hz和10Hz的时钟信号，采用两级分频器，由50MHz的主时钟信号产生。

分频器1：

输入50MHz时钟信号，产生1000Hz时钟信号（占空比为调节，为150000）

分频器2：

输入1000Hz时钟信号（分频器1产生），产生10Hz时钟信号（占空比为调节，为1100）

2、球拍移动

本模块集成了按键防抖动功能。

lf为向上移动，ri为向下移动，reset重置；1、2表示两名球员。

球拍（racket）的坐标（rx1,ry1为球拍1的横纵坐标，rx2,ry2为球拍2的横纵坐标）表示其位置。

球拍在8*8场地的最外圈移动，却不会超出各自半场。

Reset键按下时，坐标复位

3、球台显示

根据输入的球坐标（x,y）球拍坐标（racketx,rackety）显示球，球台和球拍。

row,colg和colr为控制矩阵显示的输出，输出为扫描方式。

特别要指出的是，所有坐标的有效范围均不超过为1-8（特别的x为0不显示球），而球拍只能在8*8矩阵的最外围显示。

波形中超出此范围的赋值不予考虑。

4、数码管输出

数码管采用扫描输出，cat1-6（共阴极）分别对应，球员1的局数（innings1），比分的十位、个位（score11，score10），球员2比分的十位、个位（score21，score20），局数（innings2）。

app为数码管输出，cat为共阴极，0电平选通。

5、球移动

由于情况过多，顾不采用枚举法，而通过仿真依次验证其功能。

发球后球在两板的中间点间反弹，速度逐渐上升（范围0-5，到达5后不再上升）racketx、y分别为板的横纵坐标，xmo、ymo为两方向上的移动速度，球的坐标以xmo、ymo为速度，按一定周期改变。

xo、yo为球的横纵坐标。

球从板的边缘反弹后，会改变y方向上的速度，达到最外圈（本例中为x=8）后判断为出界，x设为0以记录球在场外，等待下一次发球

交换发球权：

发球时，将球的坐标设置在板的中间点之前（x=racketx1+1或racketx2-1,y=rackety1或y2），按乒乓球比赛规则，发两次球后交换发球权（此时另一方的发球键无效）

开局时，只有player1有发球权。

此为第三次发球，为player2发球。

6、计分模块

当球在球台最外围（x，y中有至少一个等于1或8）时判断为出界，并自动更改比分，按乒乓球比赛规则，得分率先超过11分，切高于对方2分时，赢得一局。

如始终无法超出对方2分，则率先得到21分者赢得本局。

赢得四局后比赛结束。

系统停止在最后状态（保持比分），知道按下reset键后方重新运行。

score11、score21为十位，score10、score20为个位，innings1、2为局数

取值范围x为0到8，y为1到8。

超过这个范围的情况不予考虑。

赢得4局后系统停止，等待reset复位。

注：

1、上述5、球移动和6、计分模块因多次仿真，故无法提供直接可用的波形文件，如需仿真，请在：

报告\分块仿真下找到相应的工程自行按上图设置仿真条件并仿真，以上波形图均为作者如此仿真操作后生成。

2、因本设计较为复杂，采用总体仿真难以设计全面的仿真条件（要考虑球在台上的各种反弹情况），同时也无法直观地观察实验结果以及检查程序中出现的问题（输出为数码管以及8*8点阵的坐标，并且为扫描输出方式，不以观察），故在各模块仿真正确的情况下，不再进行整体仿真

四、源程序

--

--filename:

table_tennis

--author:

ShenKewei

--time:

--

libraryieee;

useieee.std_logic_1164.all;

entitytable_tennisis

port（

lf1,lf2,ri1,ri2,serve1,serve2:

instd_logic;

--1,2:

twoplayer;lf:

moveleft;ri:

moveright;std_logic;

row:

outstd_logic_vector（7downto0）;

colg,colr:

outstd_logic_vector（0to7）;--row,colg,colr:

8*8output

cat:

outstd_logic_vector（1to6）;--digitronchioce

aap:

outstd_logic_vector（0to7）;--digitron

clk:

instd_logic）;

endtable_tennis;

architectureaoftable_tennisis

signalcl_1000:

std_logic;--1000Hzclock

signalcl_10:

std_logic;--10Hzclock

signalx:

integerrange0to8;

signaly:

integerrange1to8;--x,y:

coordinate

signalxm:

integerrange0to5;

signalym:

integerrange0to5;--xm,ym:

thelengthballmoveatonceinthedirection

signalxmd,ymd:

integerrange0to1;--thedirectioninwhichtheballmoves

signalscore10,score11:

integerrange0to9;

signalscore20,score21:

integerrange0to9;--differentdigitalsofbothplayers'scores

signalinnings1,innings2:

integerrange0to4;--players'innings

signalrackety1,rackety2:

integerrange1to8;

signalracketx1:

integerrange1to4;

signalracketx2:

integerrange5to8;--rackets'coordinates

signalserve_flag1,serve_flag2:

integerrange0to2;--flagoftherighttoserve

signalintegerrange0to9;signalout1:

outstd_logic_vector（0to7））is--outputofdigitaltubes

begin

casenumis

when0=>out1<="";

when1=>out1<="";

when2=>out1<="";

when3=>out1<="";

when4=>out1<="";

when5=>out1<="";

when6=>out1<="";

when7=>out1<="";

when8=>out1<="";

when9=>out1<="";

endcase;

endproceduredig;

begin

p1:

process（clk）

------

--get1000Hzclock

------

variablecount1:

integerrange1to50000;

begin

ifclk'eventandclk='1'then

ifcount1=50000then

count1:

=1;

cl_1000<='1';

else

count1:

=count1+1;

cl_1000<='0';

endif;

endif;

endprocessp1;

P2:

process（cl_1000）

------

--get10Hzclock

------

variablecount2:

integerrange1to100;

begin

ifcl_1000'eventandcl_1000='1'then

ifcount2=100then

cl_10<='1';

count2:

=1;

else

cl_10<='0';

count2:

=count2+1;

endif;

endif;

endprocessp2;

p3:

process（cl_1000）

--8*8output

variablecount3:

integerrange1to8;

variablecountf:

std_logic;--flagofwhettoshow

begin

ifcl_1000'eventandcl_1000='1'then

ifcountf='1'then--showthetableandracket

countf:

='0';

ifcount3=8then

count3:

=1;

else

count3:

=count3+1;

endif;

casecount3is--scanning

when1=>row<="";

when2=>row<="";

when3=>row<="";

when4=>row<="";

when5=>row<="";

when6=>row<="";

when7=>row<="";

when8=>row<="";

endcase;

if（count3=1orcount3=8）then--upsidedownside

colg<="";

ifrackety1=count3then

caseracketx1is

when1=>colr（1to3）<="100";

when2=>colr（1to3）<="110";

when3=>colr（1to3）<="111";

when4=>colr（1to3）<="011";

endcase;

else

colr（1to3）<="000";

endif;

ifrackety2=count3then

caseracketx2is

when5=>colr（4to6）<="110";

when6=>colr（4to6）<="111";

when7=>colr（4to6）<="011";

when8=>colr（4to6）<="001";

endcase;

else

colr（4to6）<="000";

endif;

else

colr（1to6）<="000000";

colg（0to7）<="";

endif;

if（（rackety1=count3andracketx1<=2）or（（rackety1-count3=1orrackety1-count3=-1）andracketx1=1））then--racketofplayer1

colr（0）<='1';

else

colr（0）<='0';

endif;

if（（rackety2=count3andracketx2>=7）or（（rackety2-count3=1orrackety2-count3=-1）andracketx2=8））then--racketofplayer2

colr（7）<='1';

else

colr（7）<='0';

endif;

elsifcountf='0'then--showtheball

countf:

='1';

ify=count3then

colr<="";

else

casexis

when0=>colr<="";

when1=>colr<="";

when2=>colr<="";

when3=>colr<="";

when4=>colr<="";

when5=>colr<="";

when6=>colr<="";

when7=>colr<="";

when8=>colr<="";

endcase;

endif;

endif;

endif;

endprocessp3;

p4:

process（cl_10）

--movetheball

--ifballmoveoutofthetable,renewthescoreandinnings

variablecountx,county:

integerrange0tospeed;--counters

begin

ifcl_10'eventandcl_10='1'and（（innings1=4andinnings2=4）orreset='1'）then

ifx=0then

ifxm=0then

ifcountx+xm=6then--theballmovesatxm*0.1seconds

casexmdis

when0=>x<=x-1;

when1=>x<=x+1;

endcase;

countx:

=0;

else

countx:

=countx+1;

endif;

elsecountx:

=0;

endif;

ifym=0then

ifcounty+ym=6then--theballmovesatym*0.1seconds

caseymdis

when0=>y<=y-1;

when1=>y<=y+1;

endcase;

county:

=0;

else

county:

=county+1;

endif;

elsecounty:

=0;

endif;

endif;

ifx=0andserve1='1'then--servetheball

ifserve_flag1=0then

x<=racketx1+1;y<=rackety1;--puttheball

serve_flag2<=2;

endif;

endif;

endif;

ifx=0andserve2='1'then

ifserve_flag2=0then

x<=racketx2-1;y<=rackety2;

serve_flag1<=2;

endif;

endif;

endif;

--renewthexm,ym

--（--plarer1--ballmovesintotheracket

ifrackety1=ythen

xmd<=1;--ballmovesbackwardsinthedirectionofx

xm<=xm+1;--renewthespeed

endif;

ifym=speedandym=0then

ym<=ym+1;

endif;

elsifrackety1-y=1then

xmd<=1;

ym<=1;ymd<=0;

else

caseymdis

when1=>ym<=ym-1;

when0=>ifym=speedthenym<=ym+1;endif;

endcase;

endif;

elsifrackety1-y=-1then

xmd<=1;

ym<=1;ymd<=1;

else

caseymdis

when0=>ym<=ym-1;

when1=>ifym=speedthenym<=ym+1;endif;

endcase;

endif;

endif;

elsif（rackety1-y=1orrackety1-y=-1）and（rackety1=1orrackety1=8）andym=0then

ifracketx1-x=-1then

xmd<=1;

ymd<=1-ymd;

xm<=xm+1;

endif;

ifym=speedthen

ym<=ym+1;

endif;

elsifracketx1=xthen

xmd<=1;

ymd<=1-ymd;

xmd<=1;

ymd<=1-ymd;

xm<=xm+1;

endif;

endif;

elsifx=2andracketx1=1and（rackety1=1andy=2）andym=0then

xmd<=1;

ymd<=1;

xmd<=1;

ymd<=0;

--plarer2

ifrackety2=ythen

xmd<=0;

xm<=xm+1;

endif;

ifym=speedandym=0then

ym<=ym+1;

endif;

elsifrackety2-y=1then

xmd<=0;

ym<=1;ymd<=0;

else

caseymdis

when1=>ym<=ym-1;

when0=>ifym=speedthenym<=ym+1;endif;

endcase;

endif;

elsifrackety2-y=-1then

xmd<=0;

ym<=1;ymd<=1;

else

caseymdis

when0=>ym<=ym-1;

when1=>ifym=speedthenym<=ym+1;endif;

endcase;

endif;

endif;

elsif（rackety2-y=1orrackety2-y=-1）and（rackety2=1orrackety2=8）andym=0then

ifracketx2-x=1then

xmd<=0;

ymd<=1-ymd;

xm<=xm+1;

endif;

ifym=speedthen

ym<=ym+1;

endif;

elsifracketx2-x=2then

xmd<=0;

ymd<=1-ymd;

xm<=xm+1;

endif;

elsifracketx2=xthen

xmd<=0;

ymd<=1-ymd;

xmd<=0;

ymd<=1;

xmd<=0;

ymd<=0;

--outofthetable

x<=0;--themarkoftime-out

ifscore20=9then

score21<=score21+