基于FPGA的乒乓球游戲的設(shè)計與實現(xiàn)

0引言

FPGA(FieldProgrammableGateArray)，現(xiàn)場可編程門陣列。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電路數(shù)有限的缺點。作為一種可編程器件，F(xiàn)PGA與傳統(tǒng)的數(shù)字電路和門電路相比，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)部連線三個部分。通過硬件描述語言(如VHDL語言)完成的電路設(shè)計，可以通過綜合與布局，快速燒錄至FPGA芯片上進(jìn)行測試。

SOPC(SystemOnProgrammableChip)，可編程片上系統(tǒng)。它是用可編程邏輯技術(shù)把整個系統(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)，即由單個芯片完成整個系統(tǒng)的主要邏輯功能，但它又不是簡單的SOC，也是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計方式，可裁剪、可擴(kuò)充、可升級，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。將兩路信號輸入示波器中，讓示波器工作在X／Y模式。

單片機(jī)實驗板上的兩個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在屏幕上左右運(yùn)動，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實驗器件

CycloneIII(EP3C10E144C8)FPGA實驗板，單片機(jī)P89V51實驗板(含按鍵顯示屏等)，電阻導(dǎo)線若干。

Altera公司生產(chǎn)的CycloneIIIFPGA芯片具有低功耗、低成本和高性能等特點。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嵌入式存儲器、200個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、存儲器和DSP功能，功耗更低。在可編程邏輯發(fā)展歷史中，CycloneIIIFPGA比其他低成本FPGA系列能夠支持實現(xiàn)更多的應(yīng)用。

3實驗原理及模塊詳解

用方波發(fā)生器生成兩個占空比可變的方波，方波經(jīng)過低通濾波器生成兩個通道的直流信號用于控制小球在X軸和Y軸的位置。通過改變方波占空比從而改變直流信號的值。用SOPC與單片機(jī)通訊實現(xiàn)按鍵對小球運(yùn)動的控制。

3．1方波發(fā)生器生成原理

VHDL語言編寫的方波產(chǎn)生tennis模塊代碼的關(guān)鍵部分：

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代碼分析：

每當(dāng)輸入時鐘clk_in變化時進(jìn)程被觸發(fā)。在進(jìn)程中，每一個時鐘上升沿計數(shù)器變量c0dutytmp加一，在一個周期內(nèi)，計數(shù)器小于預(yù)設(shè)值時輸出低電平，大于預(yù)設(shè)值時輸出高電平。在設(shè)計中，我選用的預(yù)設(shè)值為8位，所以在0到255之間給定任意一個數(shù)作為輸入就可以設(shè)置它的占空比。占空比。而通過SOPCbuilder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，另一個數(shù)據(jù)通道方法類似。

3．2直流信號生成方法

生成直流信號的方法很多。在此論述幾種常見方法。

第一種是通過D／A芯片。市場上D／A芯片較多，如DAC0832，DAC0809等。這種方法原理簡單，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％時可當(dāng)作是直流高電平信號。而占空比為0表示零電平。將一定占空比的直流信號經(jīng)過低通濾波器，經(jīng)過計算可知占空比對于輸出信號的電平高低成線性關(guān)系。所以我們可以利用這點來完成電平控制。

3．3擊球控制

運(yùn)用單片機(jī)與FPGA實驗板之間的通訊完成擊球命令的傳遞。常見的通訊方法：串口通訊和并口通訊。

并口通訊雖然使用簡單，但是速度較慢，占用管腳較多，實現(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SOPCBuilder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語言完成。

SOPC內(nèi)部中斷服務(wù)函數(shù)：

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代碼分析：

首先簡單介紹Avalon總線。SOPCBuilder自動生成的Avalon交換架構(gòu)是針對系統(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，如定時器／計數(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。

在中斷服務(wù)函數(shù)中，通過設(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)中實現(xiàn)狀態(tài)的選擇。

3．4小球運(yùn)動程序

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時小球運(yùn)動方向改變。當(dāng)i=0或者i=49時，說明小球觸壁卻沒能遭到有效擊球，判定一方得分，通過UART發(fā)送指令在單片機(jī)上顯示比分。delay()函數(shù)用來控制小球的運(yùn)動速度。

4實驗結(jié)果

將程序燒寫到FPGA芯片內(nèi)部，在NiosII開發(fā)環(huán)境下運(yùn)行RunasNiosⅡHardware。把低通濾波器的兩個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回運(yùn)動，并可以通過按鍵實現(xiàn)擊球命令改變小球運(yùn)動。

5結(jié)束語

本實驗可以進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)。比如小球軌跡可以選用三個或三個以上更加豐富的軌道碼表，這樣小球的運(yùn)動軌跡將更加多樣。還可以設(shè)立對游戲難度的設(shè)置，改變對小球的運(yùn)動速度，這個想法可以在中斷服務(wù)函數(shù)通過對delay()函數(shù)進(jìn)行實參的變換而實現(xiàn)。