第1个回答 2011-08-26
背景
目前以硬件描述语言（Verilog 或 VHDL）所完成的电路设计，可以经过简
单的综合与布局，快速的烧录至 FPGA 上进行测试，是现代 IC 设计验证的技术主流。这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路（比如AND、OR、XOR、NOT）或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。在大多数的FPGA里面，这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器（Flip－flop）或者其他更加完整的记忆块。 系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把FPGA内部的逻辑块连接起来，就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。一个出厂后的成品FPGA的逻辑块和连接可以按照设计者而改变，所以FPGA可以完成所需要的逻辑功能。 FPGA一般来说比ASIC（专用集成芯片）的速度要慢，无法完成复杂的设计，而且消耗更多的电能。但是他们也有很多的优点比如可以快速成品，可以被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价。厂商也可能会提供便宜的但是编辑能力差的FPGA。因为这些芯片有比较差的可编辑能力，所以这些设计的开发是在普通的FPGA上完成的，然后将设计转移到一个类似于ASIC的芯片上。另外一种方法是用CPLD（复杂可编程逻辑器件备）。
1 系统组成
乒乓球比赛游戏机的组成如图1所示。比赛规则约定：五局三胜；11分一局；裁判发出比赛开始信号，触发FPGA内部随机数发生器模块产生首次发球权方；比赛进行中，选手连续两次获得发球权后，发球权交予对方，如未获发球权方发球，裁判端犯规音响电路鸣响；13个LED排列成行模拟乒乓球台；点亮的LED模拟乒乓球，受FPGA控制从左到右或从右到左移动；比赛选手通过按钮输入模拟击球信号，实现LED移位方向的控制；若发亮的LED运动在球台中点至对方终点之间时，对方未能及时按下击球按钮使其向相反方向移动，即失去一分。
2 功能模块设计
图1中，基于FPGA设计的控制端为整个系统的核心，其内部主要由简易随机数发生器、发球权控制器、乒乓球位置控制器、甲乙方计分控制器、犯规音响控制器等模块组成。整个控制端采用模块化设计，先用VHDL语言编写功能模块，然后用顶层原理图将各功能模块连接起来。设计的难点在于协调各模块工作，严格遵守各信号间时序关系。本系统采用1 kHz系统时钟。
2．1 简易随机数发生器
比赛首次发球权由随机数发生器产生的数据决定，其随机性要求不严，因此，采用非常简单的模式产生，即一旦FPGA上电，系统时钟百分频产生一方波信号square，当裁判闭合开始比赛开关产生start信号上升沿时，读取此时square信号值作为随机数发生器输出randq。模块仿真如图2所示，结果满足设计要求。此模块设计时保证了square信号周期应远大于start信号上升沿建立时间，保证随机数据的正确读取。
2．2 发球权控制器
发球权控制器的控制过程为：如果按下复位按钮，发球权数码管显示8，否则，开始比赛开关闭合时，显示随机数发生器的值(0或1，0代表甲方、1代表乙方)。而在比赛中，为遵守发球权交换规则，设计甲乙双方计分器总和信号sum_sc是不为0的偶数时(即计分总和最低位sum_sc0下降沿到来时)，发球权数码管显示由0变为1或由1变为0。
此模块设计中，发球权数码管的信号控制受多个时钟的控制，即开始比赛开关start和计分值sum_sc0信号，这在VHDL编程语言中无法用一个进程实现，必须将两个信号组合成一个时钟信号，并统一两个时钟的触发沿。因此最佳时钟触发方式如图3所示的fqq_en信号。为满足这种时序要求，借助计分总和次低位sum_sc1信号设计entity sum_sc_mod2，由于start和sum_sc1的频率都远低于系统时钟信号clk频率，则可借助clk高频信号捕捉其边沿产生新的时钟信号fqq_en，并产生其计数值，仿真波形如图4(a)所示。为保证发球权数码管显示正确，设计entitv led_fqq_ctl在fqq_en下降沿时，根据其计数值产生相应的数码管输出信号led_fqq，仿真波形如图4(b)所示。
发球权控制器的VHDL核心程序如下：
2．3 乒乓球位置控制、甲乙计分、犯规音响控制
乒乓球位置控制电路为FPGA控制端的核心，依据比赛规则，采用了Mealy型状态机来实现，大大降低了设计难度。状态机共定义了7个状态，各状态定义如表1所示，状态转换如图5所示，转换条件如表2所示，具体程序如下。
3 顶层模块仿真测试
由于篇幅限制，本系统中的分频器、译码器等常用模块的设计就不再此赘述，最终顶层原理图设计如图6所示，仿真波形如图7所示，分析波形可知，图中开始比赛信号产生后，首次发球权方为乙方，甲方发球造成犯规音响电路鸣响，即speaker信号为高电平，然后乙方发球，乒乓球依次移位，甲方接球成功后乙方未接球成功，甲方得分，cnta信号为“0110000”，注意，此处输出为驱动数码管输出信号，代表数字“1”。通过仿真可知，该系统设计满足游戏机比赛规则要求。
4 结语
采用VHDL语言编程，基于FPGA成功设计了一款乒乓球比赛游戏机，通过仿真验证可知，结果满足设计需求，系统具有发球权控制、自动计分、犯规提示等多种功能，能有效模拟实际乒乓球比赛。该系统进一步改进思路为：改用人体感应传感器来采集击球信号，采用FPGA产生视频信号传送到电视机或监视器，更直观地展示乒乓球运动轨迹，从而真正实现人机互动，优化虚拟效果。