基于FPGA“乒乓球比賽游戲機(jī)”的設(shè)計(jì)

可編程邏輯器件FPGA以其開發(fā)周期短、成本低、功耗低、可靠性高等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于通信、航空、醫(yī)療等領(lǐng)域，近年來在消費(fèi)電子領(lǐng)域中的應(yīng)用也日漸增加。為進(jìn)一步挖掘FPGA在家庭娛樂如游戲機(jī)開發(fā)與應(yīng)用中的巨大商機(jī)，介紹了一款以Altera公司FP-GA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(jī)。整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(fā)球權(quán)控制、犯規(guī)提示、局?jǐn)?shù)比分顯示等，模擬實(shí)際乒乓球比賽相似程度高。采用了VHDL語言編程實(shí)現(xiàn)，在QuartusⅡ8．1集成環(huán)境下進(jìn)行了模擬仿真，結(jié)果表明在設(shè)定的比賽規(guī)則下，游戲機(jī)運(yùn)行正常，通過進(jìn)一步優(yōu)化可將其商品化，推入市場。

1 系統(tǒng)組成
乒乓球比賽游戲機(jī)的組成如圖1所示。比賽規(guī)則約定：五局三勝；11分一局；裁判發(fā)出比賽開始信號，觸發(fā)FPGA內(nèi)部隨機(jī)數(shù)發(fā)生器模塊產(chǎn)生首次發(fā)球權(quán)方；比賽進(jìn)行中，選手連續(xù)兩次獲得發(fā)球權(quán)后，發(fā)球權(quán)交予對方，如未獲發(fā)球權(quán)方發(fā)球，裁判端犯規(guī)音響電路鳴響；13個LED排列成行模擬乒乓球臺；點(diǎn)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(shí)現(xiàn)LED移位方向的控制；若發(fā)亮的LED運(yùn)動在球臺中點(diǎn)至對方終點(diǎn)之間時(shí)，對方未能及時(shí)按下?lián)羟虬粹o使其向相反方向移動，即失去一分。

2 功能模塊設(shè)計(jì)
圖1中，基于FPGA設(shè)計(jì)的控制端為整個系統(tǒng)的核心，其內(nèi)部主要由簡易隨機(jī)數(shù)發(fā)生器、發(fā)球權(quán)控制器、乒乓球位置控制器、甲乙方計(jì)分控制器、犯規(guī)音響控制器等模塊組成。整個控制端采用模塊化設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于協(xié)調(diào)各模塊工作，嚴(yán)格遵守各信號間時(shí)序關(guān)系。本系統(tǒng)采用1 kHz系統(tǒng)時(shí)鐘。
2．1 簡易隨機(jī)數(shù)發(fā)生器
比賽首次發(fā)球權(quán)由隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)決定，其隨機(jī)性要求不嚴(yán)，因此，采用非常簡單的模式產(chǎn)生，即一旦FPGA上電，系統(tǒng)時(shí)鐘百分頻產(chǎn)生一方波信號square，當(dāng)裁判閉合開始比賽開關(guān)產(chǎn)生start信號上升沿時(shí)，讀取此時(shí)square信號值作為隨機(jī)數(shù)發(fā)生器輸出randq。模塊仿真如圖2所示，結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。此模塊設(shè)計(jì)時(shí)保證了square信號周期應(yīng)遠(yuǎn)大于start信號上升沿建立時(shí)間，保證隨機(jī)數(shù)據(jù)的正確讀取。

2．2 發(fā)球權(quán)控制器
發(fā)球權(quán)控制器的控制過程為：如果按下復(fù)位按鈕，發(fā)球權(quán)數(shù)碼管顯示8，否則，開始比賽開關(guān)閉合時(shí)，顯示隨機(jī)數(shù)發(fā)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(fā)球權(quán)交換規(guī)則，設(shè)計(jì)甲乙雙方計(jì)分器總和信號sum_sc是不為0的偶數(shù)時(shí)(即計(jì)分總和最低位sum_sc0下降沿到來時(shí))，發(fā)球權(quán)數(shù)碼管顯示由0變?yōu)?或由1變?yōu)?。