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1、eda实验论文乒乓球游戏机EDA电子实训专业：电子信息科学与技术 组 长： 赵林帆 组 员： 何晨旭、孙毅 指导教师： 任国凤 完成时间：2018年9月24日 摘要 11、EDA 21.1EDA简介 21.2设计语言VHDL 22、乒乓球游戏机的设计 32.1设计要求 32.2设计说明 42.2.1整体思路 42.2.2具体设计思路 43、编程 53.1分频器模块 53.2状态机编程设计 73.3七段数码管显示 133.4整体电路 174、系统编译和仿真 184.1仿真 184.1.1球运动仿真 184.1.2得分仿真 184.1.3总仿真图 184.2结果图 195、心得与体会 19摘要ED

2、A（电子设计自动化）技术是现代电子工程领域的一门新技术。它提供了基于计算机和信息技术的电路系统设计方法。EDA技术的发展和推广应用极大地推动了电子工业的发展。乒乓球是中华人民共和国国球，是一种极为流行的球类体育项目。随着科学技术的发展，人类进入信息化社会，信息社会的发展离不开电子产品的进步。现代电子产品发展得越来越快，于是人们将乒乓球与电子产品结合在一起，形成了乒乓球游戏机。通过拨码开关模拟球拍，发光二极管模拟乒乓球，进行游戏的操作。关键词：EDA 电子工业 信息社会 乒乓球游戏机1、EDA1.1EDA简介EDA是电子设计自动化（ElectrONic DesignAUTOMATION）的缩写，

3、在20世纪90年代初从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言HDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。EDA技术的出现，极大地提高了电路设计的效率和可操作性，减轻了设计者的劳动强度。1.2设计语言VHDL VHDL就是超高速集成电路硬件描述语言。覆盖面广，描述能力强，是一个多层次的硬件描述语言。在VHDL语言中，设计的原始描述可以非常简

4、练，经过层层加强后，最终可成为直接付诸生产的电路或版图参数描述。具有良好的可读性，即容易被计算机接受，也容易被读者理解。使用期长，不会因工艺变化而描述过时。因为VHDL的硬件描述与工艺无关，当工艺改变时，只需修改相应程序中的参数即可。支持大规模设计的分解和已有设计的再利用。VHDL为设计的分解和设计的再利用提供了有力的支持。2、乒乓球游戏机的设计2.1设计要求两人乒乓游戏机能够模拟乒乓球比赛的基本过程和规则，并能自动裁判和计分。乒乓游戏机是用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的方向移动来表示球的运动。在电路中设置四个输入端：一个是暂停开关，一个

5、清零开关，两个是击球开关（分别归甲乙两人所有）。 当甲方按下发球开关时，靠近甲方的第一盏灯亮，然后发光二极管由甲向乙依此点亮，代表乒乓球在移动。当球过网后，按设计者规定的球位乙方可以击球。若乙方提前击球或没有击着球，则判乙方失分，甲方得分。然后重新发球，比赛继续进行。比赛一直进行到乙方计分到11分，该局比赛结束。记分牌清零，可以开始新的一局比赛。 具体功能如下： （1）使用乒乓游戏机的甲乙双方各在不同的位置发球或击球。 （2）乒乓球的位置和移动方向由灯亮及依此点亮的方向决定，球移动的速度为0.1-0.5s移动一位。游戏者根据求的位置做出相应的动作，提前击球或出界均判失分。 （3）比赛用11分为

6、一局来进行，甲乙双方都应设置自己的记分牌，任何一方先记满11分，该方就算胜了此局。当记分牌清零后，又可以开始新的一局比赛。2.2设计说明2.2.1整体思路 通过状态机来实现球的移动和各个状态的转移，用数码管显示得分结果。通过计数器控制每5次交换发球权。通过分频器来控制状态的转移时钟，从而控制球的移动速度。当任一方的分数达11时，游戏结束。或通过开关控制可清零比分，暂停比赛。2.2.2具体设计思路状态机中共设置7个状态（等待发球，A发球，B发球，球从A向B移动，球从B向A移动，A击球,B击球），各个状态间的转移控制要根据要求来改变转移的状态。由于设计要求实现LED灯依次从左到右，或从右到左的移动

7、。同时球拍击球，若击中，则球向相反方向移动，若未击中，则对方得1分。若提前击球，则对方得1分。若要实现计分功能，就需要使用七段数码管。使用分频器来控制状态转移的时钟，从而控制状态转移的快慢，即控制了球的移动速度。发球权通过计数器来控制，每5次交换发球权。裁判用重置信号reset表示。清零所有计数器，且进入等待发球状态。以状态机为控制核心，附加其它功能模块来实现乒乓球游戏机。具体流程如下图所示：3、编程3.1分频器模块因试验箱上的低频时钟信号频率依旧较快，无法用于游戏机的设计，完成击球的观察。故而添加分频器，将试验箱上的低频信号进行分频，使得人眼可以清晰的观察到乒乓球的移动过程，从而实现击球。以

8、下为分频器代码：LIBRARY ieee;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY FENPINQI ISGENERIC (N:INTEGER:=16);-RATE=2nPORT(CLK:IN STD_LOGIC;CLKOUT:OUT STD_LOGIC);END FENPINQI;ARCHITECTURE A OF FENPINQI ISSIGNAL CNT:STD_LOGIC_VECTOR(N-1 DOWNTO 0);BEGINPROCESS

9、(CLK)BEGINIF CLKEVENT AND CLK=1 THENCNT=CNT+1;END IF;END PROCESS;CLKOUT=CNT(N-1);END A;生成的模块图为：经过不断的实验，本次采用的分频器为16分频器3.2状态机编程设计状态机中共设置7个状态，分别为等待发球，A发球，B发球，球从A向B移动，球从B向A移动，A击球,B击球。两个计数器分别记忆A的得分和B的得分。还有一个负责记忆发球次数。每5次交换发球。共4个输入：en使能信号，A击球,B击球，reset清零信号。以下为状态机进程代码：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.AL

10、L;USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY PINGPANGGAME ISPORT(RESET:IN STD_LOGIC;EN:IN STD_LOGIC;CLK:IN STD_LOGIC;-得分的触发进程HIT1,HIT2:IN STD_LOGIC; -A和B击球输入LIGHT:OUT STD_LOGIC_VECTOR(1 TO 8); -8个发光二极管的输出WINNER:BUFFER STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);SCORE11,SCORE12,SCORE21,SCOR

11、E22:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); -4个七段数码管输出END PINGPANGGAME;ARCHITECTURE GAME OF PINGPANGGAME IS TYPE PINGPONG IS (WAITSERVE,LIGHT_1_ON,BALL_MOVE_TO_B,ALLOW_B_HIT,LIGHT_8_ON,BALL_MOVE_TO_A,ALLOW_A_HIT);-7个状态（等待发球；进程第一盏灯亮，A已发球/击球；球向B移动；允许B击球；进程第八盏灯亮，B已发球/击球；球向A移动；允许A击球）SIGNAL STATE:PINGPONG;SIGN

12、AL I:INTEGER RANGE 0 TO 8; -8个二极管SIGNAL J:INTEGER RANGE 0 TO 10; -发球次数，当0-4时A发球，当为5-9时B发球，每当j=10时，归零。SIGNAL C:INTEGER RANGE 0 TO 1;SIGNAL COUNT:INTEGER RANGE 0 TO 4;-比分显示SIGNAL SERVE:STD_LOGIC_VECTOR(1 TO 2):=01;-发球判断，当为“10”时A发球，当为“01”时B 发球。SIGNAL COUNT1,COUNT2:STD_LOGIC_VECTOR(1 TO 4):=0000;COMPONE

13、NT MYDECODER ISPORT(BINARYIN:IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);BCDOUT1:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);BCDOUT2:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);END COMPONENT; -调用计分译码BEGINP1:PROCESS(CLK)-clk作为触发进程BEGIN -进程开始IF RESET=1THENI=0;COUNT1=0000;COUNT2=0000;J=0; -异步置位ELSIF CLKEVENT AND CLK=1THENIF EN=1THENIF

14、COUNT1=1100 OR COUNT2=1100 THEN -当到达11分时结束游戏，重新开始。 C=1; I=0;COUNT1=0000;COUNT2=0000;J=0; END IF; ELSE ICASE SERVE IS -处于等待发球状态WHEN 10=I=0;STATE=LIGHT_1_ON;JI=8;STATE=LIGHT_8_ON;J=J+1;-B发球，同时记录发球次数IF(J=10) THEN-当发球10次后，j=10，此时将j归零，重新记录。JII=1; -进程处于第一盏灯亮，A刚发球，在第一个灯亮的时候，此时B若击球，则A得分；否则进入球向B移动状态。IF HIT2=

15、1 THEN I=0;COUNT1=COUNT1+1;STATE=WAITSERVE;ELSE STATEI=8; -进程处于第八盏灯亮，B刚发球，在第八个灯亮的时候，此时A若击球，则B得分；否则进入球向A移动状态。IF HIT2=1 THEN I=0;COUNT2=COUNT2+1;STATE=WAITSERVE;ELSE STATEIF HIT1=1 THEN -进程处于球向A移动，如果此时A已经完成击球，则属于抢先击球，B得分；否则，允许A击球。I=0;COUNT2=COUNT2+1;STATE=WAITSERVE;ELSIF I=1 OR I=2 OR I=3 THENSTATE=AL

16、LOW_A_HIT;ELSE I IF HIT2=1 THEN -进程处于球向B移动，如果此时B已经完成击球，则属于抢先击球，A得分；否则，允许B击球。I=0;COUNT1=COUNT1+1;STATE=WAITSERVE;ELSIF I=6 OR I=7 OR I=8 THEN STATE=ALLOW_B_HIT;ELSE IIF HIT1=1THEN -处于允许A击球状态I=2 ;STATE=BALL_MOVE_TO_B; ELSECOUNT2=COUNT2+1;I=0;STATEIF HIT2=1 THEN-处于允许B击球状态I=7;STATE=BALL_MOVE_TO_A; ELSE

17、COUNT1=COUNT1+1;I=0;STATE=0 AND J=4) THEN SERVE=5 AND J=9) THEN SERVE=01;END IF;END PROCESS P2;P3:PROCESS(WINNER)BEGINIF COUNT1=1100 THENWINNER=1110;ELSIF COUNT2=1100THENWINNER=1111;ELSE WINNER=1101;END IF;END PROCESS P3;LIGHT= 10000000 WHEN(I=1)ELSE - 进程处i信号控制发光二极管的亮暗01000000 WHEN(I=2) ELSE00100000

18、 WHEN(I=3) ELSE00010000 WHEN(I=4) ELSE00001000 WHEN(I=5) ELSE00000100 WHEN(I=6) ELSE00000010 WHEN(I=7) ELSE00000001 WHEN(I=8) ELSE00000000; -其他情况所有发光二极管都暗U0:MYDECODER PORT MAP(COUNT1,SCORE11,SCORE12);-A的得分U1:MYDECODER PORT MAP(COUNT2,SCORE21,SCORE22);-B的得分END GAME生成的状态机模块3.3七段数码管显示七段数码管是在数字电路设计中经常用到

19、的显示电路。所谓七段数码管，其实是由7段发光二极管组成的用于显示数字的器件。其中的a, b,c,d,e,f,g分别为七个发光二极管，通过控制每个发光二极管的亮和暗，可以分别显示09十个数字。例如，b和c发光表示数字1.以下为七段数码管代码：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY XSBF IS PORT(WINNER,SCORE11,SCORE12,SCORE21,SCORE22:IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); CLK1:IN STD_LOG

20、IC; SEL:out std_logic_vector(2 downto 0); xsh:out std_logic_vector(6 downto 0); END XSBF;ARCHITECTURE BEHAVE OF XSBF IS SIGNAL CNT8:STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0); SIGNAL A:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);BEGINP0:process(clk1) begin if rising_edge(clk1) then IF CNT8=7 THEN cnt8=cnt8+1; ELSE CNT8=000; end

21、 if; END IF;SELAAAAAAAAAxshxshxshxshxshxshxshxshxshxshxshxshxshxsh=0000000; end case; END PROCESS p2; END BEHAVE; 生成的模块图为：3.4整体电路由分频器模块、乒乓球游戏模块、七段数码管模块3个模块组成乒乓球游戏机。4、系统编译和仿真4.1仿真由上述程序生成模块图后，连接电路并进行仿真。4.1.1球运动仿真A和B的发球（分别五次）light代表在不击球时球的移动。4.1.2得分仿真到达11分归零4.1.3总仿真图在存在时钟信号，EN=1，RESTE=0，A、B都不击球的情况下的总仿真图4.2结果图5、心得与体会经过近一个月的学习和实践过程中，遇到了很多问题。刚开始由于对VHDL语言不是很熟悉，所以编程的过程中出现了许多问题，也走了很多弯路。遇到的问题1、编译通过后，下载到试验箱上，发现程序并没有预期的效果。显示顺序颠倒。2、对自己过高要求。原设计显示“XX0000XX”,“XX”为比分。当A获胜时，会显示“XXAAAAXX”；当B获胜时，会显示“XXBBBBXX”。发现难以实现，就改为“XXAVSBXX”.3、试验箱上的时钟信号高频可用，而低频信号不适合使用。经老师提醒，添加分频器，使得时钟信号可用。