最新基于VHDL课程设计乒乓球游戏.docx

1、最新基于VHDL课程设计乒乓球游戏A、以太网 B、快速以太网7. 从数据表RSGL和RSGZ两个表中,查询出“编号”字段值相同的记录的全部信息,则实现此功能的SQL命令为_ 。B. 视图和查询文件的扩展名都是.QPRB. S表中年龄大于60岁的记录被加上删除标记14. 查询设计器的排序依据选项卡的作用相当于SELECT命令中的_短语。6. Visual FoxPro是一种关系数据库管理系统，所谓关系是指_。A. .DBF B. .QPR C. .SCX D. .TXT26、子网掩码中“1”代表（ B）。C. 选择了一个空闲的工作区 D. 显示出错信息B. 视图和查询文件的扩展名都是.QPR 课

2、程设计名称 乒乓球游戏程序 姓名 专业班级 基于FPGA的乒乓球游戏程序的设计摘 要VHDL是高速集成电路硬件描述语言，目前已成为许多设计自动化工具普遍采用的标准化硬件描述语言VHDL语言功能性强、覆盖面广、灵活性高，具有很好的实用。本文设计一个基于VHDL的乒乓游戏机模拟乒乓球比赛。用VHDL编程模拟乒乓球比赛，电路模块由分频、状态机等部分组成，对各部分编写VHDL算法，进行编译及程序下载。通过验证，乒乓游戏机能模拟乒乓球比赛的基本过程和规则，并能自动裁判和记分，还能根据接球快慢改变球运行的速度。实现乒乓游戏机的功能。关键词：乒乓游戏机、VHDL、状态机第一部分 绪论1.1 课题设计背景1.

3、1.1 FPGA简介FPGA（FieldProgrammable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。1.1.2 硬件描述语言VHDLVHDL 的英文全名是VHSIC Hardware Description Language(VHSIC硬件描述语言)。VHSIC是Very High Speed Integrated Circuit的缩写，是20世纪80年代在美国国防部的资助下始创的，并最终

4、导致了VHDL语言的出现。1987 年底，VHDL被 IEEE 和美国国防部确认为标准硬件描述语言。VHDL主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL的语言形式和描述风格与句法是十分类似于一般的计算机高级语言。VHDL的程序结构特点是将一项工程设计，或称设计实体（可以是一个元件，一个电路模块或一个系统）分成外部（或称可视部分，及端口）和内部（或称不可视部分），既涉及实体的内部功能和算法完成部分。在对一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体。这种将设计实体分成内外部分的概念是VHDL系统设计的基本点。1.1

5、.3 Quartus简介Altera Quartus II 作为一种可编程逻辑的设计环境, 由于其强大的设计能力和直观易用的接口，越来越受到数字系统设计者的欢迎。Altera Quartus II （3.0和更高版本）设计软件是业界唯一提供FPGA和固定功能HardCopy器件统一设计流程的设计工具。Quartus II design 是最高级和复杂的，用于system-on-a-programmable-chip (SOPC)的设计环境。 QuartusII design 提供完善的 timing closure 和 LogicLock? 基于块的设计流程。QuartusII design是

6、唯逐一个包括以timing closure 和 基于块的设计流为基本特征的programmable logic device (PLD)的软件。 Quartus II 设计软件改进了性能、提升了功能性、解决了潜伏的设计延迟等，在产业领域率先提供FPGA与mask-programmed devices开发的同一工作流程。1.2 课题主要内容随着可编程逻辑电路和EDA技术的发展，在逻辑电路设计和嵌入式系统设计方面，以CPLD/FPGA为代表的可编程逻辑器件已经逐步代替了传统的标准逻辑器件；本次论文的乒乓球游戏所有的程序可以集成在一个FPGA开发芯片上面，不用在用其他功能的分立逻辑元件，达到集成度高

7、、响应快、功耗低的特点。本次论文主要是基于FPGA的乒乓球游戏的设计，模拟乒乓球比赛的基本过程和规则，自动裁判和记分，比局为7局，每局11分。而本次论文采用模块化设计，主要分为两大模块：时钟分频模块、状态机控制模块。第二部分 系统设计2.1整体设计图图 1 乒乓球游戏程序BDF图2.2设计思路1控制模块状态图图 2 乒乓球游戏程序控制模块状态图2总体思路SW0开关（EN）控制功能使能与比赛清零 。SW0关闭（EN=0），显示学号后六位，打开时允许运行，比分比局清零。利用状态机，设初始状态处于start状态，key3为复位键，按下key3可以回到start状态。通过各种请求信号实现状态的相互转换

8、，进而实现发球和乒乓球左右移动、击球的相互转换，并在球未击中、提前击中、发球失败时显示相应比分、比局情况。通过设计control的反馈控制频率方式，利用不同键击球的快慢控制球运行的速度。并在整个游戏结束时有一个end标记与比分比局切换显示。2.3具体功能对应等1乒乓球控制模块控制乒乓球的运行状态的转换，比分、比局的显示。反馈信号信号的设置和输出，为分频模块提供指令信号，控制球运行的速度。图 3 乒乓球运行控制模块BDF2时钟分频模块 为状态机产生3种不同的时钟信号。图 4 时钟分频模块BDF 第三部分 模块设计3.1控制模块3.1.1 引脚功能表 1 控制模块的引脚功能表定义类型外设引脚功能i

9、n std_logicENSW0关闭显示学号后6位并对比分清零，打开则开始游戏CLK分频模块送入3种不同频率的速度RSTKEY3按一次重新开始新的一球HIT17.13SW17SW13选手甲接发球开关HIT5.2SW5SW2选手乙接发球开关HIT12.6SW12SW6禁止触球区outstd logicHEX7HEX7选手甲获胜局数HEX6HEX6选手乙获胜局数HEX5HEX5显示无意义HEX4HEX4显示无意义HEX3HEX3选手甲获胜比分HEX2HEX2选手甲获胜比分HEX1HEX1选手乙获胜比分HEX0HEX0选手乙获胜比分CONTROL1.0输出反馈给分频模块LIGHT17.2LEDR17

10、LEDR2乒乓球位置显示3.1.2 核心代码及解释模块主要分状态转换，状态译码，LED灯的译码，和辅助变量temp，辅助判断信号control的计数进程。利用temp判断是否分出胜负即游戏是否结束，结束之后显示闪烁辅助标志End并且清零比分。利用control判断接球快慢，反馈到分频器，分频器根据接球快慢控制球的运行速度，共快中慢三种速度，分别为50Hz，10Hz，5.556Hz。为方便检查结果，SW1直接控制速度开关，共快慢两种速度，分别为50Hz，5.556Hz。1中间变量的初始化：SIGNAL ST,NST: STATE:=start;SIGNAL reg: STD_LOGIC_VECT

11、OR(17 DOWNTO 2); -灯的内部变量SIGNAL BIFEN1,BIFEN2: integer range 0 to 11;-选手甲乙的比分记录变量SIGNAL BIJUONE,BIJUTWO: integer range 0 to 4; -选手甲乙的比局记录变量SIGNAL TEMP: integer range 0 to 1; -比局数的内部计数变量SIGNAL BIJU1,BIJU2: STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0); -选手甲乙的比局译码输出变量SIGNAL BIFENOUT11,BIFENOUT12,BIFENOUT21,BIFENOUT22:

12、STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0); -选手甲乙的比分译码输出变量SIGNAL REG_1: STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0); -数码管的内部变量SIGNAL REG_5: STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0); SIGNAL REG_3: STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0); SIGNAL REG_8: STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0); SIGNAL REG_4: STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0); SIGNAL REG_2: STD_LOGIC_VEC

13、TOR(6 DOWNTO 0); 2主控组合进程：通过判断球的位置信号及开关键信号执行相应的状态转换。EN=1时游戏开始，进入状态start，temp开始计数，进入状态wait1检测发球选手并点亮相应的球所代表的LED，之后进入状态send，之后选择进入状态,movatoright或movetoleft，球开始向对方选手移动，当球到达可接球区域时，若对方及时击打并及时关闭开关，则进入状态movetoleft或movatoright球向回移动，如此反复。若发球方或接球方未及时关闭开关，则视为击打失败，返回状态start，对方加一分。每局为11分制，共设七局。每结束一局temp就会相应加1，当te

14、mp加到5，即分出胜负之后显示闪烁辅助标志End。以选手甲发球为例：（1）进入状态start，统计比分及比局。（2）进入状态send，判断选手甲（假设甲为左边一方）是否发球，若发球则进入状态wait1，否则停留在状态start。（3）进入状态wait1，判断选手甲发球端球代表的灯REG17是否亮起，若是则进入状态movetoright，反之返回状态start。（4）进入状态movetoright，灯右移，并判断是否有无关按键按下(SW17SW14)，若无则继续右移，反之返回状态start并且对方得一分。当球移至REG6REG2，进入选手乙可接球区域：1当球移至REG6时选手乙及时击打相应开关S

15、W6，则进入状态movetoleft，并调整球运行速度为快。若提前击打或未及时关闭开关，则击球失败并且对方得一分，进入状态start。REG5条件下类似。2当球移至REG4时选手乙及时击打开关SW4，则进入状态movetoleft，并调整球运行速度为中。若提前击打或未及时关闭开关，则击球失败并且对方得一分，进入状态start。REG4，REG3条件下类似。（5）进入状态movetoleft，灯左移，并判断是否有无关按键按下(SW2SW5)，若无则继续右移，反之返回状态start并且对方得一分。当球移至REG17REG13，进入选手甲可接球区域：1当球移至REG13时选手乙及时击打相应开关SW6

16、，则进入状态movetoright，并调整球运行速度为快。若提前击打或未及时关闭开关，则击球失败并且对方得一分，进入状态start。REG14条件下类似。2当球移至REG15时选手乙及时击打开关SW4，则进入状态movetoright，并调整球运行速度为中。若提前击打或未及时关闭开关，则击球失败并且对方得一分，进入状态start。REG16，REG17条件下类似。附movetoright代码：WHEN movetoright=REGNST IF HIT=0000000000000000 THEN -开关及时关上 NST=movetoright; ELSE BIFEN2= BIFEN2+1;NS

17、T NST IF HIT=0000000000000000 THEN NST=movetoright; ELSE BIFEN2= BIFEN2+1;NSTNSTNSTNSTNSTNSTNSTNST IF HIT=0000000000010000 THEN CONTROL=01;NST=movetoleft; ELSIF HIT(5)=1 THEN BIFEN1= BIFEN1+1; NST IF HIT(4)=1 THEN BIFEN1= BIFEN1+1; NST=start; ELSIF HIT=0000000000001000 THEN CONTROL=01; NST IF HIT(3)

18、=1 THEN BIFEN1= BIFEN1+1; NST=start; ELSIF HIT=0000000000000100 THEN CONTROL=10;NST IF HIT(2)=1 THEN BIFEN1= BIFEN1+1; NST=start; ELSIF HIT=0000000000000010 THEN CONTROL=10; NST IF HIT=0000000000000001 THEN CONTROL=10; NST=movetoleft; ELSE BIFEN1= BIFEN1+1; NSTNST=start; END CASE; 3主控时序进程：控制游戏使能及状态转

19、换，具有异步清零功能。附代码：PROCESS (EN,RST,CLK) BEGIN IF EN =1 THEN IF RST=0 THEN ST=start; ELSIF CLKEVENT and CLK=1 THEN ST=NST; END IF; END IF;END PROCESS;4译码进程：EN=0时显示学号；EN=1时将选手甲、乙的比分及比局变量译码转为七段数码管显示。并且当TEMP=0时，在数码管上显示游戏结束标志End。代码见附录。3.1.3 RTL图图 5 控制模块RTL图3.2 分频模块3.2.1 引脚功能表 2 分频模块引脚功能表FD定义类型外设引脚功能in std_lo

20、gicCLK内部50MHz时钟ENKEY3总使能开关SW1SW1频率直接选择信号CONTROL速度控制频率选择信号out std_logicCLKOUT提供频率给GAME3.2.2 核心代码及解释1核心代码PROCESS(CLK,EN) VARIABLE temp1: integer range 999999 downto 0 :=0; -50Hz VARIABLE temp2: integer range 4999999 downto 0 :=0; -10Hz VARIABLE temp3: integer range 8999999 downto 0 :=0; -5.556Hz BEGIN

21、 IF EN=1 THEN if CLKEVENT AND CLK=1 THEN IF temp1=999999 THEN temp1:=0; Q1 = NOT Q1; ELSE temp1:=temp1+1; END if; IF temp2=4999999 THEN temp2:=0; Q2 = NOT Q2; ELSE temp2:=temp2+1; END if; IF temp3=8999999 THEN temp3:=0; Q3 = NOT Q3; ELSE temp3:=temp3+1; END if; end if; ELSE temp1:=0;Q1 = 0; temp2:=0

22、;Q2 = 0; temp3:=0;Q3 IF SW1=1 THEN CLKOUT=Q1; ELSIF SW1=0 THEN CLKOUTCLKOUTCLKOUTCLKOUT=Q1;END CASE;END PROCESS;2解释该模块将内部时钟的50MHz信号，变为50Hz，10Hz，5.556Hz。内部变量分别为Q1、Q2、Q3，将根据GAME模块反馈的CONTROL选择输出到CLKOUT。初始条件下可直接通过SW1控制Q1、Q3输出到CLKOUT。3.2.3 RTL图图 6 分频模块RTL图第四部分 操作配图1、EN=0，显示学号图 7 显示学号153835、1538422、EN=1，初

23、始状态，甲和乙比局和比分均为0。图8 初始状态3、EN=1，甲发球，SW17亮。图 94、EN=1，右移状态。图 105、EN=1,乙接球失败，乙发球情况。图 116、甲乙比局2:1，比分2:5情况显示如下。图177、游戏结束辅助显示如下。图12第五部分 结论4.1遇到的问题和改进问题1：在比赛结束时，比分比局迅速清零，无法使比分比局按我们的意志在某时刻清零。解决办法：增设辅助信号，当比赛结束时，使数码管在结束标志与比局之间切换显示，最后由人为的控制使能开关清零。问题2：无法按照在不同键接球改变球运行的速度。解决办法：设一个反馈控制信号，将不同键接球信息反馈回分频模块里从而控制速度。4.2工作

24、分配比例邢可馨：分频模块，按键击球以及比赛记分译码代码的设计与开发（55%）陈声琴：速度控制处理、状态机代码的设计与开发（45%）第六部分 附录一、分频模块代码：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.all;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY FD IS PORT( EN: IN STD_LOGIC; CLK:IN STD_LOGIC; CLKOUT:OUT STD_LOGIC; SW1:IN STD_LOGIC; CONTROL:IN STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0) );END FD;AR

25、CHITECTURE behav OF FD ISsignal Q1: STD_LOGIC;signal Q2: STD_LOGIC;signal Q3: STD_LOGIC;BEGIN PROCESS(CLK,EN) VARIABLE temp1: integer range 999999 downto 0 :=0; -最快使比赛结束的速度 VARIABLE temp2: integer range 4999999 downto 0 :=0; -接球加速后的速度 VARIABLE temp3: integer range 8999999 downto 0 :=0; -正常发球速度 BEGIN

26、 IF EN=1 THEN if CLKEVENT AND CLK=1 THEN IF temp1=999999 THEN temp1:=0; Q1 = NOT Q1; ELSE temp1:=temp1+1; END if; IF temp2=4999999 THEN temp2:=0; Q2 = NOT Q2; ELSE temp2:=temp2+1; END if; IF temp3=8999999 THEN temp3:=0; Q3 = NOT Q3; ELSE temp3:=temp3+1; END if; end if; ELSE temp1:=0;Q1 = 0; temp2:=0;Q2 = 0; temp3:=0;Q3 IF SW1=1 THEN CLKOUT=