DIY創(chuàng)意設(shè)計(jì)：手舞足蹈跳舞機(jī)的軟硬件實(shí)現(xiàn)，方案設(shè)計(jì)

項(xiàng)目背景及可行性分析

項(xiàng)目名稱：手舞足蹈跳舞機(jī)

項(xiàng)目的主要內(nèi)容：在游戲廳里轉(zhuǎn)一圈不難發(fā)現(xiàn)，總會有幾個(gè)少男少女在跳舞機(jī)前手舞足蹈，四周的觀眾圍得水泄不通。勁爆的音樂，富有青春氣息的舞姿使跳舞機(jī)游戲極其拉風(fēng)，也正因?yàn)槿绱?，跳舞機(jī)市場前景非?？春谩?/p>

我們的目標(biāo)就是設(shè)計(jì)一個(gè)基于FPGA的跳舞機(jī)。伴隨著音樂的節(jié)奏，跳舞機(jī)的LCD顯示器上會出現(xiàn)一個(gè)個(gè)方向不同的箭頭符號，引導(dǎo)玩家完成相應(yīng)的舞蹈動作，玩家可以在跳舞機(jī)上盡情地手舞足蹈，而跳舞機(jī)的壓力傳感器和光傳感器會忠實(shí)地捕捉玩家的動作，轉(zhuǎn)換器將處理過后的動作信息傳遞給CPU，CPU根據(jù)游戲規(guī)則，公正地給玩家評分，LCD則會公布玩家的得分情況。在游戲進(jìn)行的過程中，LED會隨著音樂節(jié)奏的快慢不停地調(diào)整發(fā)光節(jié)奏，竭力為玩家營造出絢麗的游戲氛圍；揚(yáng)聲器也會不停地為玩家吶喊助威，尤其是玩家表現(xiàn)出色時(shí)，揚(yáng)聲器會不遺余力地為玩家喝彩。

首先我們要設(shè)計(jì)一個(gè)soc，片上系統(tǒng)的某些功能模塊可以使用預(yù)定制模塊IP核，例如MicroBlaze（我們選擇它作為CPU）就可以使用Xilinx公司提供的IP核來實(shí)現(xiàn)；當(dāng)然，我們的系統(tǒng)中也存在獨(dú)立設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，例如PPU（圖像處理器）。該系統(tǒng)脫離了pc，這樣大大降低了系統(tǒng)的成本與功耗，減小了體積，而且軟硬件的更新比較方便。除了完成硬件設(shè)計(jì)之外，我們還有大量工作需要在soc上用軟件完成，例如移植操作系統(tǒng)、編寫游戲軟件框架和跳舞機(jī)游戲軟件等。

進(jìn)展情況：現(xiàn)在處于模塊設(shè)計(jì)階段

項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)的論述

要處理大量的圖像文件，其中，圖層間的α運(yùn)算、圖像的卷動等圖形圖像運(yùn)算會頻繁發(fā)生，如果這些運(yùn)算都交給CPU處理，就會占用大量的CPU資源，會破壞圖像顯示的連貫性。我們引入PPU，用于將上述繁重的計(jì)算任務(wù)從CPU分離出來，從而提高系統(tǒng)的性能。

聲像同步也是項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)之一：SoC集成的Mp3 Decoder將游戲音樂文件解碼為PCM流,PCM流傳輸?shù)絻蓧K同樣大小的緩沖區(qū)（暫且假設(shè)每塊緩沖區(qū)的大小為1K），如下圖所示，這兩塊緩沖區(qū)相當(dāng)于構(gòu)成一個(gè)循環(huán)隊(duì)列，一塊緩沖區(qū)的PCM流文件播放完以后，接著播放另一個(gè)緩沖區(qū)中的流文件。在切換緩沖區(qū)時(shí)，會產(chǎn)生中斷，在這個(gè)中斷周期，系統(tǒng)渲染新的圖像幀，從而實(shí)現(xiàn)聲像像同步。

游戲開發(fā)Framework：這是在該硬件驅(qū)動上實(shí)現(xiàn)的一組API，它是獨(dú)立于跳舞機(jī)游戲的，提供游戲開發(fā)的常用接口，規(guī)定了游戲開發(fā)的模型。

技術(shù)成熟性和可靠性論述：

目前市場上有很多基于PC的跳舞機(jī)的設(shè)計(jì)案例可以參考(當(dāng)中的PPU部件等關(guān)鍵功能模塊可以參考任天堂公司紅白機(jī)的設(shè)計(jì))，技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。

項(xiàng)目實(shí)施方案

方案基本功能框圖及描述

硬件功能框圖及描述

Compact Flash(CF) Card：

CF卡扮演只讀存儲器的角色，用于存儲游戲文件；游戲文件分為三個(gè)部分：第一部分是控制程序，這一部分供CPU（MicroBlaze）執(zhí)行；第二部分是位圖文件，這一部分由PPU處理；第三部分是音樂文件，其中MP3格式的文件交給圖中所示的MP3 Decoder處理。

之所以使用CF卡作為ROM，是因?yàn)镃F卡可以很方便地從系統(tǒng)中取出，并與PC兼容，這樣容易實(shí)現(xiàn)游戲軟件的更新。

PPU（Physics Processing Unit）：

用于圖像顯示加速。在程序運(yùn)行過程中，有大量位圖文件需要顯示，考慮到處理這些位圖文件會給CPU帶來沉重的負(fù)擔(dān)，我們引入PPU，用來實(shí)現(xiàn)圖像顯示加速功能。

LCD顯示的圖像由三個(gè)圖層構(gòu)成，它們分別是背景層、卡通層與前景層。

背景層用于顯示游戲背景圖像，背景圖像有時(shí)需要縱向移動。某些游戲?yàn)榱丝v向卷動顯示圖像，是通過反復(fù)改寫顯示映射單元的內(nèi)容來實(shí)現(xiàn)的，這種辦法處理速度太慢。為了更快地實(shí)現(xiàn)背景圖像的縱向移動，我們采用移動顯示窗口的辦法。移動顯示窗口的大小與LCD的大小相當(dāng)（1024×768）；背景圖像文件在CF卡中以矩陣的形式連續(xù)存儲，每行也包含1024個(gè)像素。因此如果需要畫面移動，只需將顯示窗口向相反的方向移動即可。這樣每次顯示畫面移動一行，顯示窗口僅需要重新繪制一行，可以大幅度提高背景圖像的顯示速度，降低cpu占用。

卡通層用于顯示游戲中的提示動作，提示動作提示玩家該在什么時(shí)間完成什么樣的游戲動作（例如踩下向前按鈕、伸出左手等）。CPU將提示動作的種類、顯示時(shí)間、顯示坐標(biāo)發(fā)送給PPU，PPU則在規(guī)定的時(shí)間，將規(guī)定種類的提示動作顯示在規(guī)定的坐標(biāo)處。

前景層顯示玩家游戲動作的情況以及最終的得分情況。根據(jù)玩家完成游戲動作的時(shí)間與游戲規(guī)定時(shí)間的比較結(jié)果，可將完成情況分為不同的級別，每種級別對應(yīng)不同的前景層位圖文件。

值得注意的是顯示過程中，層與層之間會出現(xiàn)α運(yùn)算。所有的α運(yùn)算均由PPU處理。

MP3 Decoder/頻譜分析功能部件

游戲中的聲音以mp3的格式儲存在CF卡中，cpu從Flash中讀取mp3文件，送給MP3 Decoder處理，將它轉(zhuǎn)化成PCM格式的數(shù)據(jù)，再將PCM流轉(zhuǎn)換成模擬信號，最終通過揚(yáng)聲器播放出來。

游戲中的聲音包括兩種，一種是游戲背景音樂，存儲格式是MP3格式，由MP3 Decoder處理，從游戲開始就連續(xù)播放，一直到游戲結(jié)束為止；另一種是游戲提示音，提示音持續(xù)時(shí)間較短，通常只有幾秒鐘，存儲格式為WAV格式，不需要解碼，不同提示音文件分別對應(yīng)著玩家完成游戲動作的情況或得分情況，CPU通過判斷玩家完成動作情況或得分情況控制播放對應(yīng)的提示音文件。

要想營造絢麗、歡快的游戲氛圍，變幻多端的燈光效果是必不可少的，為了模擬這種效果，我們設(shè)計(jì)了頻譜分析模塊。該模塊從MP3 Decoder接收PCM流文件，通過對PCM文件進(jìn)行頻譜分析，得知游戲節(jié)奏的快慢，并控制LED指示燈根據(jù)游戲的節(jié)奏按照不同的頻率進(jìn)行顯示。

壓力傳感器/光傳感器

壓力傳感器和光傳感器分別接收玩家腳部與手部的動作作為原始輸入,每個(gè)傳感器對應(yīng)一個(gè)寄存器，該寄存器用于記錄輸入狀態(tài)。游戲中讀取輸入的操作全部在中斷周期中完成，游戲中斷時(shí)，如果傳感器有輸入，那么對應(yīng)的寄存器值被置為1，之后CPU讀各寄存器的狀態(tài)值，依次判斷玩家的輸入是否符合游戲要求，并確定游戲下一步的顯示圖像、播放聲音等操作。在中斷的最后階段還要對各狀態(tài)寄存器進(jìn)行復(fù)位。

DDR SDRAM Controller

UART

用于調(diào)試。

軟件功能框圖及描述

除了完成硬件的設(shè)計(jì)之外，我們還要在soc之上完成設(shè)計(jì)游戲軟件等工作。下圖為跳舞機(jī)游戲流程圖。

B0：游戲尚未開始時(shí)，該模塊完成標(biāo)題畫面的繪制、控制標(biāo)題音樂的演奏；

B1：游戲尚未開始時(shí)，讀中斷周期的Start鍵值，如果Start鍵被按下，則進(jìn)入C模塊；

B2：游戲尚未開始時(shí)，讀中斷周期的壓力傳感器值，并通過判斷壓力傳感器的值，選擇游戲的音樂種類；

D0：游戲進(jìn)行過程中，讀中斷周期的Start鍵值，如果Start鍵被按下，則暫停游戲，當(dāng)Start鍵再次被按下時(shí)，恢復(fù)游戲；

D1：游戲進(jìn)行過程中，完成背景層、卡通層的繪制，并控制背景音樂的播放；

D2：游戲進(jìn)行過程中，在中斷周期讀各壓力傳感器的值，判斷游戲動作的完成情況，根據(jù)完成情況的不同，計(jì)算玩家的得分，控制播放相應(yīng)的游戲提示音、繪制對應(yīng)的前景層圖像；

E0，E1，E2，E3分別輔助D層模塊完成各自的功能，其具體功能如圖所示。

需要的開發(fā)平臺

實(shí)現(xiàn)本方案所需要的基本功能、功能、接口：

MicroBlaze軟核

DDR SDRAM

Compact Flash Controller

RS-232串行接口

XSGA Output

AC97 Audio CODEC

CPU Trace and Debug Port

USB 2 Programming Interface

所需要的目標(biāo)FPGA開發(fā)平臺，簡述為什么需要此平臺：

在游戲運(yùn)行過程中，圖像處理和聲音處理比較耗費(fèi)計(jì)算資源，由于我們分別設(shè)計(jì)了PPU和MP3 Decoder對這兩部分功能進(jìn)行處理，大大減輕了CPU的負(fù)擔(dān)，因此MicroBlaze就可以滿足該系統(tǒng)的需求。

為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案中描述的各項(xiàng)功能，我們需要CF Controller、RS-232串口等接口。

綜上分析各種需求，我們選擇使用Xilinx Virtex-II pro開發(fā)板。在設(shè)計(jì)過程中，需要使用Virtex-II pro開發(fā)板，一旦設(shè)計(jì)完成，如果需要投入生產(chǎn)， Spartan芯片系列就能滿足要求。

方案實(shí)施過程中需要開發(fā)的模塊

MP3 Decoder

頻譜分析功能模塊

PPU

傳感器轉(zhuǎn)換器

各軟件功能模塊

上述模塊功能說明在功能框圖說明中已經(jīng)闡述

系統(tǒng)最終要達(dá)到的性能指標(biāo)

最終的跳舞機(jī)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地判斷玩家的動作，并可以正確并流暢地顯示圖像、播放音樂。

需要的其它資源

設(shè)計(jì)輸入輸出功能子板

子板功能描述、接口說明、時(shí)間、方式

測試設(shè)備

列出在方案實(shí)施過程中所需要的測試設(shè)備(萬用表、示波器、頻譜儀、邏輯分析儀等)

仿真、開發(fā)工具

EDK用于SoC軟件的開發(fā)

Synplify用于硬件綜合

ModelSim用于系統(tǒng)仿真