基于SOPC的乒乓球游戲設(shè)計(jì)

摘要：在FPGA芯片內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)占空比可調(diào)的方波發(fā)生器，通過(guò)內(nèi)置SOPC對(duì)占空比進(jìn)行控制。輸出兩路方波波形通過(guò)低通濾波器，得到幅度可控的直流信號(hào)用于控制示波器上X軸和Y軸的位置。預(yù)設(shè)小球軌跡從而對(duì)小球的拋射軌跡進(jìn)行設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：SOPC；占空比；FPGA；單片機(jī)

0 引言
    FPGA(Field Programmable Gate Array)，現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列。它是繼PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的成果。它作為專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門(mén)電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。作為一種可編程器件，F(xiàn)PGA與傳統(tǒng)的數(shù)字電路和門(mén)電路相比，它采用邏輯單元陣列的模式，內(nèi)部包含有可配置邏輯模塊、輸出輸入模塊和內(nèi)部連線三個(gè)部分。通過(guò)硬件描述語(yǔ)言(如VHDL語(yǔ)言)完成的電路設(shè)計(jì)，可以通過(guò)綜合與布局，快速燒錄至FPGA芯片上進(jìn)行測(cè)試。
    SOPC(System On Programmable Chip)，可編程片上系統(tǒng)。它是用可編程邏輯技術(shù)把整個(gè)系統(tǒng)放到一塊硅片上，用于從事嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)研究和電子測(cè)量處理等領(lǐng)域。SOPC是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)，它既是片上系統(tǒng)(SOC)，即由單個(gè)芯片完成整個(gè)系統(tǒng)的主要邏輯功能，但它又不是簡(jiǎn)單的SOC，也是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計(jì)方式，可裁剪、可擴(kuò)充、可升級(jí)，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。

1 乒乓球游戲玩法介紹
    將雙通道示波器作為顯示屏。將兩路信號(hào)輸入示波器中，讓示波器工作在X／Y模式。
    單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板上的兩個(gè)按鈕作為控制鍵分別用于左擊球和右擊球，當(dāng)小球接近屏幕左邊時(shí)按下左擊球可將球擊回右側(cè)，右側(cè)擊球亦然。小球可以按照一定的拋物線軌跡自動(dòng)在屏幕上左右運(yùn)動(dòng)，連續(xù)按下兩次擊球鍵能夠擊出高拋球，使球飛行距離增高。當(dāng)球接觸到屏幕邊沿而未按下?lián)羟蜴I則被判定為輸球。

2 實(shí)驗(yàn)器件
    Cyclone III(EP3C10E144C8)FPGA實(shí)驗(yàn)板，單片機(jī)P89V51實(shí)驗(yàn)板(含按鍵顯示屏等)，電阻導(dǎo)線若干。
    Altera公司生產(chǎn)的Cyclone III FPGA芯片具有低功耗、低成本和高性能等特點(diǎn)。其體系結(jié)構(gòu)包括高達(dá)120K的垂直排列邏輯單元(LE)、以9-Kbit(M9K)模塊構(gòu)成的4Mbits嵌入式存儲(chǔ)器、200個(gè)18x18的嵌入式乘法器。利用TSMC的65nm低功耗(LP)工藝，CycloneⅢFPGA芯片提供豐富的邏輯、存儲(chǔ)器和DSP功能，功耗更低。在可編程邏輯發(fā)展歷史中，Cyclone III FPGA比其他低成本FPGA系列能夠支持實(shí)現(xiàn)更多的應(yīng)用。

3 實(shí)驗(yàn)原理及模塊詳解
    用方波發(fā)生器生成兩個(gè)占空比可變的方波，方波經(jīng)過(guò)低通濾波器生成兩個(gè)通道的直流信號(hào)用于控制小球在X軸和Y軸的位置。通過(guò)改變方波占空比從而改變直流信號(hào)的值。用SOPC與單片機(jī)通訊實(shí)現(xiàn)按鍵對(duì)小球運(yùn)動(dòng)的控制。
3．1 方波發(fā)生器生成原理
   

    VHDL語(yǔ)言編寫(xiě)的方波產(chǎn)生tennis模塊代碼的關(guān)鍵部分：
   
    代碼分析：
    每當(dāng)輸入時(shí)鐘clk_in變化時(shí)進(jìn)程被觸發(fā)。在進(jìn)程中，每一個(gè)時(shí)鐘上升沿計(jì)數(shù)器變量c0dutytmp加一，在一個(gè)周期內(nèi)，計(jì)數(shù)器小于預(yù)設(shè)值時(shí)輸出低電平，大于預(yù)設(shè)值時(shí)輸出高電平。在設(shè)計(jì)中，我選用的預(yù)設(shè)值為8位，所以在0到255之間給定任意一個(gè)數(shù)作為輸入就可以設(shè)置它的占空比。占空比。而通過(guò)SOPC builder生成的SOPC控制c0duty便可以間接控制其占空比。以上代碼完成了一條通道的控制，另一個(gè)數(shù)據(jù)通道方法類似。[!--empirenews.page--]
3．2 直流信號(hào)生成方法
    生成直流信號(hào)的方法很多。在此論述幾種常見(jiàn)方法。
    第一種是通過(guò)D／A芯片。市場(chǎng)上D／A芯片較多，如DAC0832，DAC0809等。這種方法原理簡(jiǎn)單，只需給定恒定的數(shù)字值便可以輕松控制輸出直流波形的電壓值。出于成本考慮，我們轉(zhuǎn)而另一種方法。
    第二種方法是低通濾波法。例如當(dāng)方波占空比為100％時(shí)可當(dāng)作是直流高電平信號(hào)。而占空比為0表示零電平。將一定占空比的直流信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器，經(jīng)過(guò)計(jì)算可知占空比對(duì)于輸出信號(hào)的電平高低成線性關(guān)系。所以我們可以利用這點(diǎn)來(lái)完成電平控制。
3．3 擊球控制
    運(yùn)用單片機(jī)與FPGA實(shí)驗(yàn)板之間的通訊完成擊球命令的傳遞。常見(jiàn)的通訊方法：串口通訊和并口通訊。
    并口通訊雖然使用簡(jiǎn)單，但是速度較慢，占用管腳較多，實(shí)現(xiàn)功能受到位數(shù)限制，可以完成的指令較少。于是利用串口通訊。在Quartus軟件下運(yùn)行SOPC Builder生成SOPC并為其添加UART功能。設(shè)置波特率為9600。利用SOPC的txd和rxd兩個(gè)端口與單片機(jī)的串口端相連接。于是便可以在程序中加入串口接收中斷并且在中斷服務(wù)函數(shù)中完成大量工作。以下編碼全部用C語(yǔ)言完成。

    SOPC內(nèi)部中斷服務(wù)函數(shù)：
   
   
    代碼分析：
    首先簡(jiǎn)單介紹Avalon總線。SOPC Builder自動(dòng)生成的Avalon交換架構(gòu)是針對(duì)系統(tǒng)處理器和外設(shè)的專用互聯(lián)需求進(jìn)行優(yōu)化。Avalon總線可以連接許多外部設(shè)備，如定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，外部三態(tài)橋接，外部SRAM接口，UART，LCD接口，用戶邏輯接口JTAG，UARTC，并行I／O等。代碼中，IOWR_ALTERA_AVALON_UART_STATUS()函數(shù)可以完成向串口發(fā)送數(shù)據(jù)的任務(wù)，IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA()函數(shù)則可以給內(nèi)部工程發(fā)送并行數(shù)據(jù)，控制占空比的值。[!--empirenews.page--]
    在中斷服務(wù)函數(shù)中，通過(guò)設(shè)置標(biāo)志位變量flag辨別是否為雙擊命令。在確定擊球方式后生成cmd的四種狀態(tài)。cmd為全局變量，在main()函數(shù)中實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的選擇。
3．4 小球運(yùn)動(dòng)程序
   
   
    程序分析：
    該段程序是主函數(shù)main()的關(guān)鍵部分，其中數(shù)組xlabel[50]是小球在X軸方向的運(yùn)動(dòng)軌跡，軌跡方程是xlabel=i×5。數(shù)組ylabel[50]和ylabel2[50]是小球在Y方向的兩個(gè)軌跡，軌跡方程分別為ylabel=-0．007i2+1．792i和ylabel2=-0．013i2+3．328i，其中i是小球運(yùn)動(dòng)的變量，在for循環(huán)函數(shù)中勻速增加或減小。當(dāng)出現(xiàn)break時(shí)小球運(yùn)動(dòng)方向改變。當(dāng)i=0或者i=49時(shí)，說(shuō)明小球觸壁卻沒(méi)能遭到有效擊球，判定一方得分，通過(guò)UART發(fā)送指令在單片機(jī)上顯示比分。delay()函數(shù)用來(lái)控制小球的運(yùn)動(dòng)速度。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    將程序燒寫(xiě)到FPGA芯片內(nèi)部，在Nios II開(kāi)發(fā)環(huán)境下運(yùn)行Run as NiosⅡHardware。把低通濾波器的兩個(gè)輸出通道分別接到雙蹤示波器的輸入端。觀察到示波器上顯示出小球沿著拋物線軌跡來(lái)回運(yùn)動(dòng)，并可以通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)擊球命令改變小球運(yùn)動(dòng)。

5 結(jié)束語(yǔ)
    本實(shí)驗(yàn)可以進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)。比如小球軌跡可以選用三個(gè)或三個(gè)以上更加豐富的軌道碼表，這樣小球的運(yùn)動(dòng)軌跡將更加多樣。還可以設(shè)立對(duì)游戲難度的設(shè)置，改變對(duì)小球的運(yùn)動(dòng)速度，這個(gè)想法可以在中斷服務(wù)函數(shù)通過(guò)對(duì)delay()函數(shù)進(jìn)行實(shí)參的變換而實(shí)現(xiàn)。