標題: EDA乒乓球 [打印本頁]
作者: 51黑ss 時間: 2016-3-30 23:20
標題: EDA乒乓球
無處不在的電子應用需求，對電子技術的發展提出了更高的要求。大規模集成電路的設計、制作技術是電子技術的基礎。集成電路電容量、低功耗、小體積的發展方向，使得傳統的數字系統設計方法已經遠遠不能滿足設計需要，電子設計自動化EDA技術代替傳統的數字系統設計方法和手段已成為必然。
二、實驗目的
1、初步認識EDA技術Verilog HDL，熟悉可編輯邏輯器件基礎；
2、掌握Verilog HDL語法及要素，能夠熟練運用行為語句，了解常用數據單元及設計風格；
3、學習典型的FPGA的結構與配置，引腳輸入輸出端口功能；
4、進行狀態機的設置，更進一步的深入熟悉一些基礎例程；
5、學會Quartus Ⅱ的應用及一些仿真與測試。
三、實驗題目
乒乓球游戲設計
比賽規則約定：七局四勝；11分一局；比賽進行，18個LED排列成行模擬乒乓球臺；點亮的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，實現LED移位方向的控制；若發亮的LED運動在球臺倒數第四個至對方終點之間時，對方未能及時按下擊球按鈕使其向相反方向移動，即失去一分。
四、實驗要求
任務要求：用按鍵與LED（或者點陣）表示輸入與輸出。
（1）初始時，16個LED最邊上的點亮，按下鍵表示發球，亮的燈依次向對方移動；移位計數器控制。
（2）當到達另一邊倒數第 4 個燈時表示乒乓球觸到桌面反彈；對方必須在反彈后且靠 近己方的最后一個燈亮起來前按下按鍵表示接球，否則輸球；
（3）接球后燈亮的規則、對方接球的規則同發球；
（4）雙方靠近自己的 4個燈亮的間隔 0.4s，其余燈亮的間隔 0.8s；計數器來實現時 鐘控制；
（5）輸球或者犯規，即失去一分；自動顯示于數碼管（共陰）；
（6）乒乓球比賽規則計分，顯示于數碼管；
這種比較簡單的方式實現
五、實驗設計
利用兩個按鍵表示兩位選手，LED燈表示乒乓球的軌跡，數碼管顯示擊球結果。分析乒乓球跳動速度，乒乓球在接發球狀態時時速度可以達到0.4s，乒乓球在運行中速度慢些，可以達到0.8s.
本程序由3個部分組成，第一部分為分頻程序，將de2自帶的50Mhz頻率分為1MHZ，1lKHZ,10hz.第二部分為數碼管分時掃描程序,掃描速度1khz.第三部分是擊球狀態機程序。
因手上無示波器，也無必要用示波器，故只用了軟件仿真。
六、源代碼及注釋
module pinpang(clk_1MHZ,clk_1khz,clk_10hz,clk_27,clk_50,hex0,hex1,hex2,hex3,hex4,hex5,hex6,hex7,clc,set_r,set_l,led_r);
input clc,set_r,set_l; //定義清除鍵，在程序中按下不放為暫停
input clk_27,clk_50; //定義輸入時鐘信號，此程序中只用了clk_50，即50M的頻率
output clk_1MHZ,clk_1khz,clk_10hz;//定義分頻后信號1MHZ,1KHZ,10HZ
reg clk_1MHZ,clk_1khz,clk_10hz;
reg[5:0] clk_sum;//1MHZfenpin //定義分頻1MHZ計數器
reg[9:0] clk_sum1k;//fenpinwei 1khz //定義分頻1khz分頻器
reg[6:0] clk_sum10hz;//ledxianshipinlv //定義分頻10hz分頻器
reg[6:0] hex_buff1; //定義數碼管緩存寄存器
reg[3:0] hex_buff; //定義數碼管取值寄存器
reg[3:0] hex_sum; //數碼管掃描片選信號
reg[3:0] r_sum,l_sum; //定義每局中左邊或者右邊得分數目默認a_為左，b_為右
reg[3:0] ju_sum; //led燈延時計數器，每100ms計數一次
reg[2:0] a_run,b_run; //定義左邊和右邊當前贏得的局數
reg[2:0] state; //定義狀態機所處位置
reg[3:0] game_on; //定義按鍵處于何種狀態
reg[31:0] time_sum; //定義LED從次態到現態時間
reg[4:0] qiu; //定義當前LED燈位置
output[6:0] hex0,hex1,hex2,hex3,hex4,hex5,hex6,hex7;//8段數碼管顯示數
reg[6:0] hex0,hex1,hex2,hex3,hex4,hex5,hex6,hex7;
output[17:0]led_r;
reg [17:0]led_r; //led燈狀態
parameter hexx0=7'b1000000, //0
hexx1=7'b1111001, //1
hexx2=7'b0100100, //2
hexx3=7'b0110000, //3
hexx4=7'b0011001, //4
hexx5=7'b0010010, //5
hexx6=7'b0000010, //6
hexx7=7'b1111000, //7
hexx8=7'b0000000, //8
hexx9=7'b0010000, //9
hexxn=7'b1111111; //null
always@(posedge clk_50)begin //fenpinwei1MHZ
clk_sum<=clk_sum+6'b000001; //分頻為1MHZ
if(!clc)
clk_sum<=0;
if(clk_sum==24)begin
clk_sum<=0;
clk_1MHZ<=~ clk_1MHZ;
end
end
always@(posedge clk_1MHZ)begin //FENPINWEI 1KHZ
clk_sum1k<=clk_sum1k+10'b0000000001; //分頻為1KHZ
if(!clc)
clk_sum1k<=0;
if(clk_sum1k==499)begin
clk_sum1k<=0;
clk_1khz<=~ clk_1khz;
end
end
always@(posedge clk_1khz)begin //FENPINWEI 10HZ//分頻為10hz
clk_sum10hz<=clk_sum10hz+7'b0000001;
if(!clc)
clk_sum10hz<=0;
if(clk_sum10hz==49)begin
clk_sum10hz<=0;
clk_10hz<=~ clk_10hz;
end
end
always@(posedge clk_1khz)begin //FENPINWEI 1kHZ//在1kHz內處理數碼管和按鍵
hex_sum<=hex_sum+4'b0001;
if(!clc)
hex_sum<=0;
if(hex_sum==8)
hex_sum<=0;
case(hex_sum)
6:hex_buff<=a_run; //第二位 顯示左邊邊當前贏得局數，實際為0
//由于de2開發板數碼管位置移位，故該程序中數碼管非實驗板相應位置，需要調整
7:hex_buff<=b_run; //第一位顯示右邊當前贏得局數
0:hex_buff<= a_run; //第三位顯示左邊贏得局數
1:hex_buff<= ju_sum%10;//第四位顯示當前局數
2:hex_buff<= r_sum%10; //第五位顯示右邊當前得分個位
3:hex_buff<= r_sum/10; //第六位顯示右邊當前得分十位
4:hex_buff<= l_sum%10; //第七位顯示當前左邊贏得得分個位
5:hex_buff<= l_sum/10; //第八位顯示當前左邊贏得得分十位
default:hex_buff=4'b1111;
endcase
if(!set_l)
begin
if(state==5||state==0)
//左按鍵按下，判斷LED燈是否落在左邊，若果是繼續下去，否則記為錯誤按左鍵
game_on<=4'b0110;
else
game_on<=4'b1110;
end
if(!set_r)
begin
if(state==2||state==3)
//右按鍵按下，判斷LED燈是否落在右邊，若果是繼續下去，否則記為錯誤按右鍵
game_on<=4'b0101;
else
game_on<=4'b1101;
end
end
always@(negedge clk_1khz) begin
//在clk-1khz的下降沿中處理函數，將數碼管中緩存值翻譯過來，賦給數碼管
case(hex_buff)
0:hex_buff1<=hexx0;
1:hex_buff1<=hexx1;
2:hex_buff1<=hexx2;
3:hex_buff1<=hexx3;
4:hex_buff1<=hexx4;
5:hex_buff1<=hexx5;
6:hex_buff1<=hexx6;
7:hex_buff1<=hexx7;
8:hex_buff1<=hexx8;
9:hex_buff1<=hexx9;
default:hex_buff1<=hexx0;
endcase
case(hex_sum)
0: hex0<=hex_buff1;
1: hex1<=hex_buff1;
2: hex2<= hex_buff1;
3: hex3<= hex_buff1;
4: hex4<=hex_buff1;
5: hex5<= hex_buff1;
6: hex6<= hex_buff1;
7: hex7<= hex_buff1;
default:
begin
hex0<=hexxn;
hex1<=hexxn;
hex2<=hexxn;
hex3<=hexxn;
hex4<=hexxn;
hex5<=hexxn;
hex6<=hexxn;
hex7<=hexxn;
end
endcase
end
always@(posedge clk_10hz)begin //每100ms進行狀態機設置
time_sum<=time_sum+1;
led_r=0; //避免LED全亮，先將LED全滅
if(time_sum==8) //每個LED燈間隔發光的時間不超過0.8s
time_sum<=0;
case(state)
5: //狀態5左邊發球
if(game_on==4'b0110)//如果檢測到左鍵正確按下，執行程序
begin
led_r[qiu]=1;
if(time_sum==3)begin //如果LED燈已走了0.4s，則點亮下個LED燈
time_sum<=0;
led_r[qiu]=0; //先將現態LED燈光滅，在點亮下個LED燈
qiu<=qiu-5'b00001;
led_r[qiu]=1;
if(qiu<=14)
//因為定義了18個LED燈作為實驗乒乓球臺，所以當左邊已發完球后，應立即進入左邊運球給右邊的狀態4
state<=4;
end
end
else
begin / /如果沒有檢測到左鍵正確按下，則LED【17】常亮
led_r[17]<=~led_r[17];
end
4: //左邊運球到右邊的狀態
begin
led_r[qiu]=1; //若果球已到右邊接球邊界，進入右邊接球狀態3
if(qiu<=3)
state<=3;
if(state==4)
begin
if(game_on==4'b1101)begin
l_sum<=l_sum+4'b0001;
state<=2; //若右鍵在運球中錯誤按下，算右邊犯規，左邊加一分
led_r[qiu]=0; //球歸右邊并自動發球
qiu<=0;
led_r[qiu]=1; //顯示當前LED燈位置
time_sum<=1;
end
if(time_sum==0)begin
//每隔0.8s判斷LED燈是否跳入下個狀態，若是則將當前LED燈光滅，將下個LED燈點亮
led_r[qiu]=0;
qiu<=qiu-5'b00001;
led_r[qiu]=1; //運球沒有失誤，進入右邊接球狀態3
if(qiu<=3)
state<=3;
end
end
end
3:
begin
if(game_on==4'b0101) //右邊等待接球狀態
begin
state<=2;
led_r[qiu]=0;
qiu<=qiu+5'b00010; //若已接球，立即進入狀態2或1
led_r[qiu]=1;
End
if(state==3)
begin
led_r[qiu]=1;
if(time_sum==3)begin //接球中LED燈閃動速度為0.4s
time_sum<=0;
led_r[qiu]=0; //關閉當前LED燈，打開下個LED燈
qiu<=qiu-5'b00001;
led_r[qiu]=1;
if(qiu==0)begin
state<=2;
l_sum<=l_sum+4'b0001; //若接球失敗，進入右邊準備發球狀態，左邊得一分
end
end
end
end
2: //右邊發球狀態
if(game_on==4'b0101)
begin //若有有效鍵按下，則立即發球否則進入等待狀態
led_r[qiu]=1;
if(qiu>=3) //若超出界限，立即進入狀態右邊運球左邊的狀態1
state<=1;
if(state==2)begin
if(time_sum==3)begin
time_sum<=0; //每隔0.4s球向左邊移動一位
led_r[qiu]=0;
qiu<=qiu+5'b00001;
led_r[qiu]=1;
if(qiu>=3) //若球已超出右邊發球邊界，進入右邊運球到左邊的狀態1
state<=1;
end
end
end
else
begin
led_r[0]<=~led_r[0]; //若當前沒有有效右鍵按下，一直處于等待階段。
end
1:
begin
led_r[qiu]=1;
if(qiu>=14)
state<=0;
if(state==1)begin
if(game_on==4'b1110)begin
r_sum<=r_sum+4'b0001;
state<=5;
//運球過程中，左邊錯誤按下，右邊得一分，球立即從左邊發出
led_r[qiu]=0;
qiu<=17;
led_r[qiu]=1;
time_sum<=1;
end
if(time_sum==0)begin
led_r[qiu]=0;
qiu<=qiu+5'b00001;
led_r[qiu]=1; //球到左邊接球邊界，進入左邊接球狀態0
if(qiu>=14)
state<=0;
end
end
end
0: //左邊接球狀態
begin
if(game_on==4'b0110)
begin //左鍵正確按下，進入左邊發球狀態
state<=5;
led_r[qiu]=0;
qiu<=qiu-5'b00010;
led_r[qiu]=1;
end
if(qiu==17)begin
//初始狀態球可能賦值為零，這里強制轉換到狀態5，實際沒有出現這種狀態
state<=5;
r_sum<=r_sum+4'b0001;
end
led_r[qiu]=1;
if(state==0)
begin
if(time_sum==3)begin//每隔0.4s球運動到下一位
time_sum<=0;
led_r[qiu]=0;
qiu<=qiu+5'b00001;
led_r[qiu]=1;
if(qiu==17)begin
//左邊球落到最后一個LED上，說明球已過線，左邊接球失敗，右邊加一分
state<=5;
r_sum<=r_sum+4'b0001;
end
end
end
end
endcase
if(r_sum==11||l_sum==11)begin
//11分為一局，一局結束后進行下一局，左邊右邊當前局數歸零，總局數加一
if(l_sum==11)a_run<=a_run+1;
if(r_sum==11)b_run<=b_run+1;
r_sum<=0;
l_sum<=0;
ju_sum<=ju_sum+4'b0001;
end
//若已進行7局，則比賽從新開始
if(ju_sum==7)begin
ju_sum<=0;
a_run<=0;
b_run<=0;
end
end
endmodule
七、實驗流程
1、定義引腳圖：
2分頻仿真：分頻為1MHZ,1KHZ（ms）
分頻仿真：1MHz，1khz放大圖（us）
3狀態機圖
程序設計為6個狀態，實際只有4個狀態，可能是由于狀態0狀態5優化，狀態2和狀態3優化為一個狀態。
4、將程序下載進入DE2的開發板，當前處于等待發球狀態，顯示結果為第一局結束，當前局數比左邊：右邊=0：1。
5、左邊按下發球鍵，乒乓球向前移動，右邊進入等待接球狀態；
6、在乒乓球進入右邊第四個燈亮之前右邊接球，此時左邊得一分，并由右邊發球繼續進行比賽，如果在最后一個燈亮之前未接球，對方加一分，并有己方發球繼續比賽；
7、長按左邊第一個鍵，此時進入時間暫停，小分暫不顯示；
8、按要求左右雙方在倒數第四個燈亮之后，最后一個燈亮前接球均為好球，這個接球狀態有1.2秒左右，就可進行乒乓球的游戲；
9、游戲進行，比分交替上升，當有人小分率先到達十一分時，進入下一局，如圖顯示為：第二局結束，局數比為1：1，準備進入下一局，同樣規則繼續，當有一方率先贏下四局便獲勝，游戲結束。
八、心得體會
通過一天多來的努力，我們終于把老師交給我們的任務完成了，明白了fpga編程的一些小技巧。開始第一天因為電腦系統原因，無法安裝驅動，后來換了電腦驅動就可以安裝了。到網上沒有找到引腳庫文件，所以只好自己一個一個定義引腳。
在編程過程中，發現直接賦值常數語句最好用x’b---比較好，否則程序默認常數為32位，出現警告。在整個模塊中，寄存器值只能在某個always語句中被賦值，否則會出現錯誤。定義的輸入輸出引腳，寄存器引腳也最好使用，否則也會出現警告，若這些變量不需要使用，可以注釋掉，以便不時之需。
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