基于SOPC的乒乓球游戲設計

摘要：在FPGA芯片內(nèi)部產(chǎn)生一個占空比可調(diào)的方波發(fā)生器，通過內(nèi)置SOPC對占空比進行控制。輸出兩路方波波形通過低通濾波器，得到幅度可控的直流信號用于控制示波器上X軸和Y軸的位置。預設小球軌跡從而對小球的拋射軌跡進行設計。
關鍵詞：SOPC；占空比；FPGA；單片機

0 引言
FPGA(Field Programmable Gate Array)，現(xiàn)場可編程門陣列。它是繼PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發(fā)展的成果。它作為專用集成電路(ASIC)領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)完成的電路設計，可以通過綜合與布局，快速燒錄至FPGA芯片上進行測試。
SOPC(System On Programmable Chip)，可編程片上系統(tǒng)。它是用可編程邏輯技術把整個系統(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)，具有靈活的設計方式，可裁剪、可擴充、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
Cyclone III(EP3C10E144C8)FPGA實驗板，單片機P89V51實驗板(含按鍵顯示屏等)，電阻導線若干。
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。其體系結(jié)構(gòu)包括高達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，Cyclone III FPGA比其他低成本FPGA系列能夠支持實現(xiàn)更多的應用。

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與單片機通訊實現(xiàn)按鍵對小球運動的控制。
3．1 方波發(fā)生器生成原理

VHDL語言編寫的方波產(chǎn)生tennis模塊代碼的關鍵部分：

代碼分析：
每當輸入時鐘clk_in變化時進程被觸發(fā)。在進程中，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)器小于預設值時輸出低電平，大于預設值時輸出高電平。在設計中，我選用的預設值為8位，所以在0到255之間給定任意一個數(shù)作為輸入就可以設置它的占空比。占空比。而通過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，另一個數(shù)據(jù)通道方法類似。