基于FPGA“乒乓球比賽游戲機”的設計
曹莉凌 劉雨青 上海海洋大學
摘要： 介紹了一款以Altera公司FPGA芯片為控制核心，附加少量外圍電路組成的乒乓球比賽游戲機。整個系統設計模塊劃分清晰：包括裁判端、選手端、控制端、顯示端及模擬乒乓球臺；功能齊全：包括發球權控制、犯規提示、局數比分顯示等，模擬實際乒乓球比賽相似程度高。采用了VHDL語言編程實現，在QuartusⅡ8．1集成環境下進行了模擬仿真，結果表明在設定的比賽規則下，游戲機運行正常，通過進一步優化可將其商品化，推入市場。
Abstract：
Key words :
可編程邏輯器件FPGA以其開發周期短、成本低、功耗低、可靠性高等優勢，廣泛應用于通信、航空、醫療等領域，近年來在消費電子領域中的應用也日漸增加。為進一步挖掘FPGA在家庭娛樂如游戲機開發與應用中的巨大商機，介紹了一款以Altera公司FPGA芯片為控制核心，附加少量外圍電路組成的乒乓球比賽游戲機。整個系統設計模塊劃分清晰：包括裁判端、選手端、控制端、顯示端及模擬乒乓球臺；功能齊全：包括發球權控制、犯規提示、局數比分顯示等，模擬實際乒乓球比賽相似程度高。采用了VHDL語言編程實現，在QuartusⅡ8．1集成環境下進行了模擬仿真，結果表明在設定的比賽規則下，游戲機運行正常，通過進一步優化可將其商品化，推入市場。
1 系統組成
乒乓球比賽游戲機的組成如圖1所示。比賽規則約定：五局三勝；11分一局；裁判發出比賽開始信號，觸發FPGA內部隨機數發生器模塊產生首次發球權方；比賽進行中，選手連續兩次獲得發球權后，發球權交予對方，如未獲發球權方發球，裁判端犯規音響電路鳴響；13個LED排列成行模擬乒乓球臺；點亮的LED模擬乒乓球，受FPGA控制從左到右或從右到左移動；比賽選手通過按鈕輸入模擬擊球信號，實現LED移位方向的控制；若發亮的LED運動在球臺中點至對方終點之間時，對方未能及時按下擊球按鈕使其向相反方向移動，即失去一分。
2 功能模塊設計
圖1中，基于FPGA設計的控制端為整個系統的核心，其內部主要由簡易隨機數發生器、發球權控制器、乒乓球位置控制器、甲乙方計分控制器、犯規音響控制器等模塊組成。整個控制端采用模塊化設計，先用VHDL語言編寫功能模塊，然后用頂層原理圖將各功能模塊連接起來。設計的難點在于協調各模塊工作，嚴格遵守各信號間時序關系。本系統采用1 kHz系統時鐘。
2．1 簡易隨機數發生器
比賽首次發球權由隨機數發生器產生的數據決定，其隨機性要求不嚴，因此，采用非常簡單的模式產生，即一旦FPGA上電，系統時鐘百分頻產生一方波信號square，當裁判閉合開始比賽開關產生start信號上升沿時，讀取此時square信號值作為隨機數發生器輸出randq。模塊仿真如圖2所示，結果滿足設計要求。此模塊設計時保證了square信號周期應遠大于start信號上升沿建立時間，保證隨機數據的正確讀取。
2．2 發球權控制器
發球權控制器的控制過程為：如果按下復位按鈕，發球權數碼管顯示8，否則，開始比賽開關閉合時，顯示隨機數發生器的值(0或1，0代表甲方、1代表乙方)。而在比賽中，為遵守發球權交換規則，設計甲乙雙方計分器總和信號sum_sc是不為0的偶數時(即計分總和最低位sum_sc0下降沿到來時)，發球權數碼管顯示由0變為1或由1變為0。
此模塊設計中，發球權數碼管的信號控制受多個時鐘的控制，即開始比賽開關start和計分值sum_sc0信號，這在VHDL編程語言中無法用一個進程實現，必須將兩個信號組合成一個時鐘信號，并統一兩個時鐘的觸發沿。因此最佳時鐘觸發方式如圖3所示的fqq_en信號。為滿足這種時序要求，借助計分總和次低位sum_sc1信號設計entity sum_sc_mod2，由于start和sum_sc1的頻率都遠低于系統時鐘信號clk頻率，則可借助clk高頻信號捕捉其邊沿產生新的時鐘信號fqq_en，并產生其計數值，仿真波形如圖4(a)所示。為保證發球權數碼管顯示正確，設計entitv led_fqq_ctl在fqq_en下降沿時，根據其計數值產生相應的數碼管輸出信號led_fqq，仿真波形如圖4(b)所示。
發球權控制器的VHDL核心程序如下：
2．3 乒乓球位置控制、甲乙計分、犯規音響控制
乒乓球位置控制電路為FPGA控制端的核心，依據比賽規則，采用了Mealy型狀態機來實現，大大降低了設計難度。狀態機共定義了7個狀態，各狀態定義如表1所示，狀態轉換如圖5所示，轉換條件如表2所示，具體程序如下。
3 頂層模塊仿真測試
由于篇幅限制，本系統中的分頻器、譯碼器等常用模塊的設計就不再此贅述，最終頂層原理圖設計如圖6所示，仿真波形如圖7所示，分析波形可知，圖中開始比賽信號產生后，首次發球權方為乙方，甲方發球造成犯規音響電路鳴響，即speaker信號為高電平，然后乙方發球，乒乓球依次移位，甲方接球成功后乙方未接球成功，甲方得分，cnta信號為“0110000”，注意，此處輸出為驅動數碼管輸出信號，代表數字“1”。通過仿真可知，該系統設計滿足游戲機比賽規則要求。
4 結語
采用VHDL語言編程，基于FPGA成功設計了一款乒乓球比賽游戲機，通過仿真驗證可知，結果滿足設計需求，系統具有發球權控制、自動計分、犯規提示等多種功能，能有效模擬實際乒乓球比賽。該系統進一步改進思路為：改用人體感應傳感器來采集擊球信號，采用FPGA產生視頻信號傳送到電視機或監視器，更直觀地展示乒乓球運動軌跡，從而真正實現人機互動，優化虛擬效果。
來源：現代電子技術
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