乒乓球比赛游戏机的设计.doc

湖南涉外经济学院

课程设计报告

课程名称：EDA技术与应用

报告题目：乒乓球比赛游戏机的设计
学生姓名：
所在学院：
专业班级：
学生学号：
指导教师：

2014年12月30日
课程设计任务书
报告题目
乒乓球比赛游戏机的设计
完成时间
2014.
12.30
学生姓名

专业班级

指导教师

职称

总体设计要求和技术要点
（1） 设计一个由甲、乙双方参赛，有裁判的3人乒乓球游戏机。
（2） 用8个LED排成一条直线，以中点为界，两边各代表参赛双方的位置，其中一只点亮的LED指示球的当前位置，点亮的LED依此从左到右，或从右到左，其移动的速度应能调节。
（3） 当“球”(点亮的那只LED)运动到某方的最后一位时，参赛者应能果断地按下位于自己一方的按钮开关，即表示启动球拍击球。若击中，则球向相反方向移动；若未击中，则对方得1分。
（4） 一方得分时，电路自动响铃3秒，这期间发球无效，等铃声停止后方能继续比赛。
（5） 设置自动记分电路，甲、乙双方各用2位数码管进行记分显示，每计满21分为1局。
（6） 甲、乙双方各设一个发光二极管，表示拥有发球权，每隔5次自动交换发球权，拥有发球权的一方发球才有效。
（7） 按《湖南涉外经济学院课程设计管理办法》要求提交课程设计报告。

工作内容及时间进度安排
第17周：
周1---周3 ：立题、论证方案设计
周4---周5 ：预答辩
第18周：
周1---周3 ：仿真实验7
周4---周5 ：验收答辩
课程设计成果
1．与设计内容对应的软件程序
2．课程设计总结报告
摘要
乒乓球游戏电路是一个对输入信号、输入时机正确与否的16个LED表示乒乓球球台和乒乓球，用数码管模拟显示器，显示比赛局数比分和每局玩家得分的电路。电路并不复杂，整体分为两个模块：一，游戏主模块；二，计分显示模块。主模块完成用LED表示球和球台并对玩家是否击球、是否犯规做出判断，并且将两位玩家的游戏得分进行输出。计分显示模块完成对局数比分的运算，显示局数比分和每局游戏玩家的得分。实现中采用Verilog HDL描述、ModelSim进行功能仿真、Quartus II 进行逻辑综合和适配下载，选用CycloneIII系列EP3C80F484C8型号的芯片上实现。在此过程中，完整地建立了测试平台，完成了功能和时序仿真，从而保证了设计的功能与时序的正确性。

关键词：Verilog HDL；FPGA；乒乓球游戏

目录
一、概述 1
二、设计的目的 1
三、总体设计思想 1
3.1 基本原理 1
3.2 设计框图 2
四、设计步骤和调试过程 2
4.1 总体设计电路 2
4.2 乒乓球各模块的设计 3
4.2.1 控制模块的设计 3
4.2.2 送数据模块的设计 6
4.2.3 产生数码管片选信号模块的设计 7
4.2.4 7段译码器模块的设计 9
五、波形仿真与实验调试 10
5.1系统的波形仿真 10
5.2 实验调试结果 12
六、结论与心得 13
七、参考文献 14

一、概述
乒乓球运动是一项受大众非常喜爱的运动,它是一项集健身性，竞技性和娱乐性为一体的运动。乒乓球是一项非常受大众喜欢的运动，几十年来，乒乓球运动在中国迅速兴起，很重要的原因就是对客观条件要求不高，随时随处就能玩起来。乒乓球运动越来越多地被作为增强智力、提高工作效率以及保健、医疗和康复的极佳手段而引起各方面的重视。如今，人们生活太忙碌，很多的人只能通过网络来玩乒乓球游戏，而乒乓球游戏机正好解决了人们的困扰。它简单易行，只要简简单单几个手指的操作就能达到同样娱乐跟锻炼的效果。
二、设计的目的
这次的设计主要是学习使用EDA集成设计软件MxplussII，电路描述，综合，模拟过程。掌握使用EDA工具设计乒乓游戏机的的设计思路和设计方法。体会使用EDA综合过程中电路设计方法和设计思路的不同。
三、总体设计思想
3.1 基本原理
用8个LED排成一条直线，以中点为界，两边各代表参赛双方的位置，其中一只点亮的LED指示球的当前位置，点亮的LED依此从左到右，或从右到左，其移动的速度应能调节。当“球”(点亮的那只LED)运动到某方的最后一位时，参赛者应能果断地按下位于自己一方的按钮开关，即表示启动球拍击球。若击中，则球向相反方向移动；若未击中，则对方得1分。一方得分时，电路自动响铃3秒，这期间发球无效，等铃声停止后方能继续比赛。设置自动记分电路，甲、乙双方各用2位数码管进行记分显示，每计满21分为1局。甲、乙双方各设一个发光二极管，表示拥有发球权，每隔5次自动交换发球权，拥有发球权的一方发球才有效。

3.2 设计框图

图1 设计流程图

图2 乒乓球游戏机原理图
四、设计步骤和调试过程
4.1 总体设计电路
用8个发光二极管代表乒乓球台，在游戏机的两侧设置两个开关，一个是发球开关，一个是击球开关，甲方按动发球开关时，靠近甲方的第一盏灯亮，然后发光二极管由甲向乙依次点亮，代表乒乓球在移动。当球过网后，乙方就可击球。若乙方提前击球或没击中球，则判乙方失分，甲方自动加分，重新发球比赛继续进行到一方记分到21分，该局结束，记分牌清零，可以开始新的一局比赛。
使用VHDL进行电路系统设计，利用PLD来实现控制器的硬件电路。

图3 乒乓游戏机的电路框图
4.2 乒乓球各模块的设计
4.2.1 控制模块的设计
模块corna 分两个进程，第一个进程实现逻辑功能，第二个进程将整数的记分转换为十进制数，便于译码显示。Af，aj，bf，bj分别为a方发球键和接球键，b方发球键和接球键，shift表示球所在的位置。其vhdl程序描述如下：

Library ieee;
Use ieee.std_logic_1164.all;
Use ieee.std_logic_unsigned.all;
Entity cornal is
Port(clr,af,aj,bf,bj,clk:in std_logic;
Shift:out std_logic_vector(7 downto 0);
ah,al,bh,bl:out std_logic_vector(3 downto 0);
awin,bwin:out std_logic);
End cornal;
Architecture bahave of cornal is
Signal amark,bmark:integer;
Begin
Process(clr,clk)
Variable a,b:std_logic;
Variable she:std_logic_vector(7 downto 0);
Begin
If clr='0' then
a:='0'
b:='0';
she:="00000000" ;
amark<=0;
bmark<=0;
elsif clk'event and clk='1' then
if a='0' and b='0' and af='0' then --a方发球
a:='1';
she:="10000000";
elsif a='0' and b='0' and bf='0' then --b方发球
b:='1';
she:="00000001";
elsif a='1'and b='0' then --a方发球后
if she>8 then
if bj='0' then --b方过网击球
amark<=amark+1; --a方加一分
a:='0';
b:='0';
she:="00000000";
else
she:='0'&she(7 downto 1); --b方没有击球
end if; elsif she=0 then --球从b方出界
amark<=amark+1; --a方加一分
a:='0';
b:='0';
else

if bj='0'then --b方正常击球
a:='0';
b:='0';
else
she:=she(6 downto 0)&'0';
end if;
end if;
end if;
end if;
shift<=she;
end process;
process(clk,clr,amark,bmark)
variable aha,ala,bha,bla:std_logic_vector(3 downto 0);
variable tmp1,tmp2:integer; variable t1,t2:std_logic;
begin
if clr='0'then --清零
aha:="0000";
ala:="0000";
bha:="0000";
bla:="0000";
tmp1:=0;
tmp2:=0;
t1:='0';
t2:='0';
elsif clk'event and clk='1'then
if aha="0001"and ala="0001" then --a方得分达到11分，则保持
aha:="0001";
ala:="0001";
t1:='1';
elsif bha="0001"and bla="0001" then --b方得分达到11分，则保持
bha:="0001";
bla:="0001";
t2:='1';
elsif amark>tmp1 then
if ala="1001" then ala:="0000";
aha:=aha+1; tmp1:=tmp1+1;
else
ala:=ala+1;
tmp1:=tmp1+1;
end if;
elsif bmark>tmp2 then
if bla="1001" then
bla:="0000";
bha:=bha+1;
tmp2:=tmp2+1;
else
bla:=bla+1;
tmp2:=tmp2+1;
end if;
end if;
end if;
al<=ala;
bl<=bla;
ah<=aha;
bh<=bha;
awin<=t1;
bwin<=t2;
end process;
end bahave;
4.2.2 送数据模块的设计
送数据模块ch41a的vhdl程序描述如下：

Library IEEE;
Use IEEE.std_logic_1164.all;
Entity ch41a is
Port(sel:in std_logic_vector(2 downto 0);
D0,d1,d2,d3:in std_logic_vector(3 downto 0);
Q:out std_logic_vector(3 downto 0));
End ch41a;
Architecture behave of ch41a is
Begin
Process(sel)
Begin
Case sel is
When"100"=>q<=d0;
When"101"=>q<=d1;
When"000"=>q<=d2;
When others=>q<=d3;
End case;
End process;
End behave;

4.2.3 产生数码管片选信号模块的设计
产生数码管片选信号模块sel的vhdl程序描述如下：

Library ieee;
Use ieee.std_logic_1164.all;
Use ieee.std_logic_unsigned.all;
Entity sel is
Port(clk:in std_logic;
Sell:out std_logic_vector(2 downto 0));
End sel;
Architecture behave of sel is
Begin
Process(clk)
Variable tmp:std_logic_vector(2 downto 0);
Begin
if clk'event and clk='1' then
If tmp="000" then
Tmp:="001";
Elsif tmp="001"then
Tmp:="100";
Elsif Tmp="100"then
Tmp:="101";
Elsif tmp="101" then
Tmp:="000";
End if;
End if;
Sell<=tmp;
End process;
End behave;
4.2.4 7段译码器模块的设计
7段译码器模块disp的vhdl的程序描述如下：
Library ieee;
Use ieee.std_logic_1164.all;
Entity disp is
Port(d:in std_logic_vector(3 downto 0);
Q:out std_logic_vector(6 downto 0));
End disp;
Architecture behave of disp is
Begin
Process(d)
Begin
Case d is
When"0000"=>q<="0111111";
When"0001"=>q<="0000110";
When"0010"=>q<="1011011";
When"0011"=>q<="1001111";
When"0100"=>q<="1100110";
When"0101"=>q<="1101101";
When"0110"=>q<="1111101";
When"0111"=>q<="0100111";
When"1000"=>q<="1111111";
When others=>q<="1101111";
End case;
End process;
End behave;

五、波形仿真与实验调试
5.1系统的波形仿真
图4所示为A方发球，在恰当的时候B方接到球，当球回到A方时，A方又接到球，但B方再也没有接到球的仿真波形。

图4 乒乓球仿真波形一

图5所示为A方两次发球，B方没有接到球，A方得到2分的仿真波形图。

图5乒乓球仿真波形二

图6所示为A方发球，B方提前击球的情况，此时，A方得一分。图中还显示了A方发球，B方在规定的时刻没有接到球的情况，此时，A方又得一分。

图6乒乓球仿真波形三
图7所示为A方得分增加到11分的情况，此时awin输出高电平，输出分数保持不变。当清零信号按下时，得分清为零，awin输出恢复低电平，又可以开始新的一局比赛。

图7乒乓球仿真波形四

5.2 实验调试结果
通过调试我们可以观察到，8个LED排成一条直线，以中点为界，两边各代表参赛双方的位置，其中一只点亮的LED指示球的当前位置，点亮的LED依此从左到右，或从右到左，其移动的速度应能调节。当“球”(点亮的那只LED)运动到某方的最后一位时，参赛者应能果断地按下位于自己一方的按钮开关，即表示启动球拍击球。若击中，则球向相反方向移动；若未击中，则对方得1分。一方得分时，电路自动响铃3秒，这期间发球无效，等铃声停止后方能继续比赛。设置自动记分电路，甲、乙双方各用2位数码管进行记分显示，每计满21分为1局。甲、乙双方各设一个发光二极管，表示拥有发球权，每隔5次自动交换发球权，拥有发球权的一方发球有效。

表1 学生情况统计表

序号
姓名
性别
出生日期
学号
专业
联系电话
备注
1
夏梓轩
男
1993.08.05
12430724815428
电子信息科学与工程
13237424108

2
潘宇
男
1994.06.20
12430621817051
电子信息科学与工程
15084834031

六、结论与心得
这次EDA课程设计历时两个星期，在整整两个星期的日子里，可以说是苦多于甜，但是可以学的到很多很多的东西，同时不仅可以巩固以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次设计，进一步加深了对EDA的了解，让我对它有了更加浓厚的兴趣。特别是当每一个子模块编写调试成功时，心里特别的开心。但是在编写顶层文件的程序时，遇到了不少问题，特别是各元件之间的连接，以及信号的定义，总是有错误，在细心的检查下，终于找出了错误和警告，排除困难后，程序编译就通过了，心里终于舒了一口气。在波形仿真时，也能仿真正确了。最难的是引脚锁定与测试这一块，由于，我选的乒乓球游戏机的引脚很多，而且也比较复杂,其中老是将引脚弄错，终于锁定完了，编译也没有出错，当在硬件上测试的时候，发现结果并不像设定的那么好，比如在发球的时候，根本没有设置首先从哪边开始，然后在接发球的过程中很难接到，不过也有接到的时候，基本上达到了实验的要求。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。

七、参考文献
[1] 潘松著.EDA技术实用教程(第二版). 北京：科学出版社,2005.
[2] 甘历.VHDL应用与开发实践[M].科学出版社.2003
[3] 杨恒，卢飞成. FPGA/VHDL快速工程实践入门与提高[M].北京航空航天大学 出版社.2003
[4] 张亦华等主编，《数字逻辑设计实验技术与EDA工具》，北京邮电大学出版社，2003
[5] 朱正伟主编，《EDA技术及应用》，清华大学出版社，2005
[6]黄智伟等主编，《FPGA系统设计与实践》，电子工业出版社，2004

教师评语及设计成绩
教师评语：

课程设计成绩：

指导教师：（签名）
日期：年月日

19