北邮数电实验报告 简易迷宫游戏.docx

1、北邮数电实验报告 简易迷宫游戏数字电路与逻辑设计实验简易迷宫游戏专 业： 电子信息工程姓 名： 班 级： 2012211102学 号： 班内序号： 设计课题的任务要求（一） 实验目的1. 熟练掌握 VHDL 语言和QuartusII 软件的使用；2. 理解状态机的工作原理和设计方法；3. 掌握利用 EDA 工具进行自顶向下的电子系统设计方法；（二） 相关知识本实验主要利用状态机来设计实现一个简易迷宫系统，本系统分为控制器与受控电路两部分。控制器主要控制整个系统按设定的工作方式实现点阵、计时器、数码管工作的通与断，并使用逻辑判断判决小人是否移动与否和移动的方向。同时本实验也运用到了包括分频器、计

2、数器、数码管、点阵等相关知识。主要利用六位数码管显示30s计时和小人移动步数，用点阵显示开机画面、迷宫地图、小人移动过程和游戏失败、胜利的相应画面。（三） 实验任务基本要求：1、 用88点阵进行游戏显示。2、 迷宫游戏如图1所示，采用双色点阵显示，其中红色LED为迷宫墙壁，绿色LED表示人物。通过BTN0BTN3四个按键控制迷宫中的人物进行上下左右移动，使人物从起始点出发，走到迷宫的出口，游戏结束3、 普通计时模式：通过按键BTN7启动游戏，必须在30秒内找到出口，否则游戏失败，用两个数码管进行倒计时显示。游戏胜利或者失败均要在88点阵上有相应的画面出现。4、 迷宫中的人物在行走过程中，如果碰

3、到墙壁，保持原地不动提高要求：1. 多种迷宫地图可以选择。2. 在计时的基础上增加计步的功能，每按一次控制按键步数加1，碰壁不计算步数，计步结果用数码管显示。3. 增加了计时显示的精确度，让倒计时精确到0.01s4.增加了开机画面，当按下START开始键后，点阵上开始显示“GO- 6-5-4-3-2-1”的开始画面。系统设计（四） 设计思路此程序利用自顶向下的设计思想。首先要考虑实现基本功能所需要哪些模块，倒计时的功能要用数码管来实现，地图的显示和迷宫游戏中动画的交互要用88点阵来实现，方向的选择和开始游戏需要独立按键来显示，这些都是最顶层的模块。然后，要实现这些模块，第一需要适当的时钟频率来

4、驱动，这就要完成一个分频器，根据点阵、数码管以及独立按键各自的特征完成相应频率的分配。实现倒计时功能的时候，需要一个计时器在每秒改变一次数码管的显示状态，于是还需要一个计时器模块。而数码管动态扫描需要相应的LED灯亮灭，这就需要先定义好了显示相应数字的时候对应八段LED的高低电平状态。点阵的显示控制原理和数码管类似，都是一个较高频率的动态扫描过程，只是代码量更大。其次，也是该程序最关键的地方就是绿色小人移动的控制。题干中说明小人撞墙后原地不动，不撞墙的时候进行移动。这就需要我们判断是否撞墙。经过和同学的商讨，我绝对将点阵坐标化，而小人所处的位置用（x,y）表示并实时的更新，然后将墙壁坐标封装好

5、，当下一步的坐标在墙壁坐标的集合中则判定为撞墙，否则根据方向进行移动。而终点坐标也都是提前用代码设定好的，这样通过坐标显示出点阵应该进行的下一画面。到此为止，该实验的基本功能都已经规划得较为清晰。对于提高要求，我通过一个拔码开关控制初始迷宫地图的选择，在程序中加入一个输入信号来选择相应地图；在程序中添加两个计数变量，分别表示步数的个位和十位，两者添加到判断撞墙与否的逻辑语句中，在数码管显示模块中增加两个数码管的显示便可实现。此外，为了丰富点阵界面，我还添加了开机画面，通过一个1s加1的变量扫描显示“GO- 6-5-4-3-2-1”；想到很多倒计时显示中个都精确到了0.01s甚至更精确，我又增加

6、两个数码管来显示倒计时的小数点后两位。（五） 总体框图1. 系统结构框图2. 逻辑划分方框图3. 控制模块流程图4. 状态转移图（六） 分块设计 点阵模块： 点阵模块主要分为点阵扫描显示模块、小人移动逻辑判断模块。扫描显示模块，主要是对迷宫地图、开机动画以及小人移动变化后的图案进行动态扫描，完成游戏交互。开机画面通过一个一秒更新一次的变量，然后通过case语句来完成扫描；地图图案的显示也是同样的方案，只不过要胜利或者失败的逻辑判断。小人移动的逻辑判断模块，主要通过坐标定位。首先将地图中墙壁的坐标位置封装好，然后将小人时刻的位置定义为（x,y）,再根据按键对x,y进行变化，最后通过判断新的坐标是

7、否在封装好的墙壁集合中来进行移动与否的判决。如果移动则更新（x,y）；如果不移动，则保持（x,y）不变。数码管显示模块： 数码管显示模块主要分为30s倒计时模块和小人移动步数计数模块 倒计时模块中将一个1KHZ的时钟信号进行四次的十分频，可以得到一个精确到0.01s的倒计时。每个变量都是十进制的数，再将它们传送到数码管动态扫描模块，便可以顺利地显示30s倒计时。 小人移动步数计数模块，定义两个计数变量count、count10分别表示计数的个位和十位，将其放在小人移动逻辑判断模块中，当逻辑判定为移动，则将count加一，当加到10的时候进位。再将两者传送到数码管动态扫描模块，就可以实时显示小人

8、移动的步数。按键防抖模块： 该程序再一开始开发的时候并没有加防抖模块，而是尽可能地找到一个最佳的按键扫描控制频率，使得既可以得到灵敏可靠的按键控制，又可以再长按一次后进行多步移动，这样可以方便用户的操作，一开始测试得到的按键扫描频率为5Hz。但是好像要求按键必须加防抖，并且为了提高按键输入可靠性，由于机械触点的弹性振动， 因而在按键闭合和断开的瞬间均会出现一连串的抖动，按键的抖动会造成按一次键产生的开关状态被 CPU 误读几次。 为了使 CPU 能正确地读取按键 状态，必须在按键闭合或断开时，消除产生的前沿或后沿抖动。一、 仿真波形及波形分析（七） 复位、开始（）注：以下关于点阵显示的仿真都是

9、最开始测试用的模块，并不包含点阵动态显示的所有状态，只是挑选其中一些典型状态展示，而且点阵扫描红色和绿色是分开的。.复位：当按下复位键的时候，停止对点阵的扫描，点阵上无任务图形显示。开始：当按下开始键的时候，点阵开始进行行扫描，开始倒计时显示“GO- 6-5-4-3-2-1”，上图为点阵用红色LED显示“GO”。（二）点阵显示胜利、失败胜利：当玩家在30s之内到达了迷宫的终点，游戏结束并点阵显示“V”的标志。上图为当信号victory置高电平的时候，点阵开始行扫描，并将红色、绿色LED均点亮显示“V”，上图可明显地看出。失败：当玩家在30s之内没有到达迷宫的终点，游戏结束并且点阵显示“X”的标

10、志。上图为信号fail置高电平的时候，点阵开始行扫描，并将红色、绿色LED均点亮显示“X”，由上图可以明显地看出。（三）数码管倒计时数码管倒计时：实际上应该是四位数码管从30.00s倒计时，为了方便展示将倒计时的计数变量改成二进制，上图中输出信号ledshow代表数码管段选的信号，而ledstate代表数码管位选的信号，变量ledsao表示分五次对四位数字加上一个小数点进行扫描。上图红色圈中表示显示小数点，“00000001”表示小数点，而ledstate在“111110 111101 111011 110111 111011 ”五个状态之间循环表示对四位数字和一个小数点的显示。而ledsho

11、w显示相应的数字。（四）按键防抖按键防抖：keyin输入一个持续时间约为0.1s的按键信号并用高频时钟模拟抖动，keyout输出一个时钟周期的高电平。二、 源程序（注释）LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;use ieee.std_logic_unsigned.all;ENTITY maze IS PORT( clk:IN STD_LOGIC; -总时钟 start,reset:IN STD_LOGIC; -开始和复位键 l,r,f,b,mapflag:IN STD_LOGIC;-BTN -b/r/f/b分别代表小人向左、右、前、后移动；mapfl

12、ag代表两种地图的选择 dotshow:OUT STD_LOGIC_VECTOR(23 DOWNTO 0); -点阵显示 ledstate:OUT STD_LOGIC_VECTOR(5 DOWNTO 0); -数码管状态 ledshow:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); -数码管显示 END maze;ARCHITECTURE main of maze IS signal cnt : integer range 0 to 25000; -分频器的计数 signal cnt1 : integer range 0 to 25000000; signal cnt2

13、: integer range 0 to 5000000; signal clk_tmp : std_logic; -分频器的临时信号 signal clk_tmp1 : std_logic; signal tclk: std_logic; signal clk_tmp2 : std_logic; signal key_tmp0,key_tmp1,key_tmp2,key_tmp3:std_logic; signal row: std_logic_vector(7 downto 0); -点阵行状态 signal cul: std_logic_vector(15 downto 0); -点阵列

14、状态 signal aclk: std_logic; -点阵倒计时开机画面的时钟信号 signal binclk: std_logic; -按键时钟信号 shared variable tend : integer range 0 to 1; signal tostart : std_logic; -开始标志信号 signal preset : std_logic; -逻辑判断模块重置 signal dotreset : std_logic; -点阵模块重置 signal ledreset : std_logic; -数码管重置 signal treset : std_logic; -计时器重

15、置 signal pwork : std_logic; -逻辑判断模块工作 signal dotwork : std_logic; -点阵工作 signal ledwork : std_logic; -数码管工作 signal twork : std_logic; -计时器工作 signal worked : std_logic; signal vic : std_logic; - 成功 signal fal : std_logic ; - 失败 type nst is array(0 to 9)of std_logic_vector(7 downto 0); signal ledshowed

16、:nst; shared variable rowsao:integer range 0 to 9; -点阵的行扫描 shared variable ledsao :integer range 0 to 6; -数码管的扫描 shared variable daojishi :integer range 0 to 7; -开机动画倒计时扫描 shared variable dotsao :integer range 0 to 3; shared variable mapsao :integer range 0 to 9; shared variable x :integer range -7

17、to 0; -小人的坐标 shared variable y :integer range -6 to 1; shared variable count :integer range 0 to 9; -count和count10分别代表步数的个位和十位 shared variable count10 :integer range 0 to 9; shared variable timems :integer range 0 to 9; shared variable time001s :integer range 0 to 9; -以下分别代表30倒计时的位数 shared variable

18、time01s :integer range 0 to 9; shared variable time1s :integer range 0 to 9; shared variable time10s :integer range 0 to 9; begin -数码管显示高低电平初始化 ledshowed(1)=01100000; ledshowed(2)=11011010; ledshowed(3)=11110010; ledshowed(4)=01100110; ledshowed(5)=10110110; ledshowed(6)=10111110; ledshowed(7)=11100

19、000; ledshowed(8)=11111110; ledshowed(9)=11110110; ledshowed(0)=11111100;tdiv:process(clk,clk_tmp) - 计时器分频-1Kbegin if (clkevent and clk=1) then if cnt=24999 then cnt=0; clk_tmp= not clk_tmp; else cnt=cnt+1; end if; end if; tclk=clk_tmp;end process; adiv:process(clk,clk_tmp1) -点阵分频-1HZbegin if (clkev

20、ent and clk=1) then if cnt1=24999999 then cnt1=0; clk_tmp1= not clk_tmp1; else cnt1=cnt1+1; end if; end if; aclk=clk_tmp1;end process; usediv:process(clk,clk_tmp2) -按键控制判断分频-5HZbegin if (clkevent and clk=1) then if cnt2=4999999 then cnt2=0; clk_tmp2= not clk_tmp2; else cnt2=cnt2+1; end if; end if; b

21、inclk=clk_tmp2;end process; process(clk_fd) -防抖模块begin if (clk_fdevent and clk_fd=1) then key_tmp0 = keyin; key_tmp1 = key_tmp0; end if; end process; -利用信号赋值延时将前后信号相与完成防抖 key_tmp2 = key_tmp0 and key_tmp1; process(clk_fd ) begin if (clk_fdevent and clk_fd=1) then key_tmp3 = key_tmp2; keyout= not( key

22、_tmp2 ) and key_tmp3; end if; end process; end; -时钟上升沿输出一个时钟周期宽度的脉冲 control:process(clk,reset,start) -控制器 begin if (clkevent and clk=1) then if (start=1) then tostart=1;end if; if (reset=1 or tend=1) then preset=1; dotreset=1; ledreset=1; treset=1; tostart=0; dotwork=0; else preset=0; dotreset=0; le

23、dreset=0; treset=0; if(tostart=1)then dotwork=1; -启动点阵模块 end if; end if; end if; end process; a:process(aclk,dotreset) -点阵工作模块beginif (dotreset=1) then dotsao:=0;else if ( aclkevent and aclk=1) then if(vic=1 or fal=1)then if(dotsao=2)then dotsao:=dotsao+1; end if; end if; end if;end if;end process;p

24、rocess(tclk,dotreset)beginif (dotreset=1) then mapsao:=0;else if (tclkevent and tclk=1) then if(mapsao=9)then mapsao:=0; else mapsao:=mapsao+1; end if; end if;end if;end process; process(aclk,dotwork,worked,dotreset) beginif (dotreset=1) then daojishi:=0;else if (aclkevent and aclk=1 and dotwork=1 a

25、nd worked=0) then if(daojishi=7)then daojishi:=0; else daojishi:=daojishi+1; end if; end if;end if;end process; process(tclk,dotreset)begin if (dotreset=1) then rowsao:=0; else if (tclkevent and tclk=1) then if(rowsao=9)then rowsao:=0; else rowsao:=rowsao+1; end if; end if; end if;end process; proce

26、ss(clk,dotreset,dotwork,mapflag) -开机动画begin if (dotreset=1) then dotshow=000000000000000000000000; tend:=0;worked=0;twork=0;pwork case rowsao is when 1=dotshowdotshowdotshowdotshowdotshowdotshowdotshowdotshowdotshowdotshow case rowsao is when 1=dotshowdotshowdotshowdotshowdotshowdotshowdotshowdotshowdotshowdotshow case rowsao is