基于FPGA的乒乓球游戏机控制器设计.doc

1、辽宁科技学院本科生 毕业设计 (论文 ) 第 I 页 基于 FPGA 的乒乓球游戏机设计 草鱼 草鱼 摘 草鱼 要 草鱼 草鱼 Verilog 是甚高速集成电路硬件描述语言 。 草鱼 目前 ， 鲤鱼 verilog 已成为许多设计自动化工具普遍采用的标准化硬件描述语言 。 草鱼 verilog 语言功能性强 ， 鲤鱼 覆盖面广 ， 鲤鱼灵活性高 ， 鲤鱼 具有很好的实用性 。 草鱼 本文设计一个基于 verilog 的乒乓游戏机 ， 鲤鱼 乒乓游戏机由状态机 、 pork记分器 、 pork译码显示器与按键去抖等部分所组成 。 草鱼 通过对各部分编写 verilog 程序 ， 鲤鱼 然后进行编

2、译 、 pork仿真 、 pork逻辑综合 、 pork逻辑适配 ， 鲤 鱼最后进行编程下载 ， 鲤鱼 并且通过 EDA 实验箱的验证 ， 鲤鱼 实现乒乓游戏机的基本功能 。 草鱼草鱼 草鱼 关键词 ： porkverilog； porkEDA； pork乒乓游戏机 草鱼 辽宁科技学院本科生 毕业设计 (论文 ) 第 II 页 草鱼 Abstract 草鱼 草鱼 VERILOG 草鱼 is 草鱼 high 草鱼 speed 草鱼 IC 草鱼 hardware 草鱼 describe 草鱼 language. 草鱼 VERILOG 草鱼 already 草鱼becomes 草鱼 the 草鱼 l

3、anguage 草鱼 of 草鱼 normalizing 草鱼 hardware 草鱼 describe 草鱼 that 草鱼 a 草鱼 lot 草鱼 of 草鱼 design 草鱼automation 草鱼 implement 草鱼 adopts 草鱼 commonly 草鱼 at 草鱼 present. 草鱼 The 草鱼 VERILOG 草鱼 language 草鱼function 草鱼 is 草鱼 strong. 草鱼 The 草鱼 face 草鱼 covering 草鱼 is 草鱼 broad, 草鱼 flexibility 草鱼 high 草鱼 and 草鱼 have 草鱼 the

4、 草鱼very 草鱼 good 草鱼 pragmatism. 草鱼 One 草鱼 main 草鱼 body 草鱼 of 草鱼 the 草鱼 book 草鱼 is 草鱼 designed 草鱼 waits 草鱼 for 草鱼 what 草鱼 part 草鱼 group 草鱼 is 草鱼 accomplished 草鱼 owing 草鱼 to 草鱼 that 草鱼 VERILOG 草鱼 table 草鱼 tennis 草鱼 game 草鱼 machine, 草鱼 table 草鱼 tennis 草鱼 game 草鱼 machine 草鱼 go 草鱼 to 草鱼 tremble 草鱼 from 草鱼

5、 state 草鱼 machine, 草鱼 marker, 草鱼 decoding 草鱼 display 草鱼 and 草鱼 button. 草鱼 By 草鱼 compiling 草鱼 and 草鱼 composing 草鱼 VERILOG 草鱼 procedure 草鱼 to 草鱼 every 草鱼 part, 草鱼 then 草鱼 compiling, 草鱼 simulate, 草鱼 logic 草鱼 synthesis, 草鱼 logic 草鱼 fitting. 草鱼 Carry 草鱼 out 草鱼programming 草鱼 time 草鱼 be 草鱼 loaded 草鱼 with 草

6、鱼 finally. 草鱼 Then 草鱼 verification 草鱼 and 草鱼 by 草鱼 GW48 草鱼 type 草鱼 EDA 草鱼 experiment 草鱼 box, 草鱼 realize 草鱼 table 草鱼 tennis 草鱼 game 草鱼 machines 草鱼 fundamental 草鱼 function.草鱼 草鱼 Key 草鱼 words: 草鱼 VERILOG： porkEDA;pork 草鱼 Table 草鱼 tennis 草鱼 game 草鱼 machine 草鱼 辽宁科技学院本科生 毕业设计 (论文 ) 第 III 页 目 草鱼录 草鱼 1 草鱼 绪

7、论 1 草鱼 1.1 课题的背景和意义 1 草鱼 1.2 国内外研究现状 1 草鱼 1.3 本论文的主要内容 2 草鱼 2 草鱼 Quartus 草鱼 II 与 Modelsim 草鱼 软件简介 3 草鱼 2.1Quartus 草鱼 II 草鱼 简介 3 草鱼 2.2Modelsim 简介 3 草鱼 3 草鱼 方案选择与系统总体设计 5 草鱼 3.1 整体方案的选择 5 草鱼 3.1.1 设计任务与要求 5 草鱼 3.1.2 设计的原理和方法 6 草鱼 3.1.3 芯片的选择 7 草鱼 3.2 系统总体设计 7 草鱼 3.2.1 乒乓游戏机的组成示意图 7 草鱼 3.2.2 本系统的逻辑分框图

8、 8 草鱼 4 草鱼 系统各部分电路的详细设计 9 草鱼 4.1 七段数码管显示译码电路 9 草鱼 4.2 按键去抖电路 10 草鱼 4.3 状态机设计 10 草鱼 4.3.1 状态机的 6种状态及状态转移 10 草鱼 4.3.2 状态机 /球台控制电路 11 草鱼 4.4 记分器设计 13 草鱼 5 草鱼 系统的整体综合与仿真 15 草鱼 5.1 顶层文件设计 15 草鱼 5.2 系统程序框图 ： p ork 16 草鱼 5.3 整个系统的综合与仿真 17 草鱼 辽宁科技学院本科生 毕业设计 (论文 ) 第 IV 页 5.3.1 草鱼 电路符号 17 草鱼 5.3.2 草鱼 系统仿真 17

9、草鱼 6 草鱼 系统的运行与仿真过程 19 草鱼 6.1 系统程序的编译 19 草鱼 6.2 草鱼 系统的仿真 21 草鱼 结论 23 草鱼 谢 草鱼 辞 24 草鱼 参考文献 25 草鱼 附录 26 草鱼 辽宁科技学院本科生 毕业设计 (论文 ) 第 1 页 1 草鱼 绪论 草鱼 1.1 课题的背景和意义 草鱼 随着人们的物质生活越来越好了 ， 鲤鱼 人们开始对娱乐生活有了新的要求 ， 鲤鱼 特别是进入新世纪以来各种电子产品的不断出现 ， 鲤鱼 更是促进了我国电子行业的发展 ， 鲤鱼 为此 ，鲤鱼 能够推出一款新的游戏产品是非常有前景的 ， 鲤鱼 本设计正是 考虑 了当前的社会现状 ， 鲤鱼

10、 想设计出一款“乒乓球”游戏机 ， 鲤鱼 以往可能有过这方面的设计出现过 ， 鲤鱼 但是那些大多数都是采用的单片机等来实现的 ， 鲤鱼 本设计将采用最新的 FPGA 技术对“乒乓球”游戏机进行实现 。 草鱼草鱼 日常娱乐生活中 ， 鲤鱼 智能化的娱乐产品非常流行 。 草鱼 FPGA 具有功能强 、 pork可靠性高 、 pork使用方便 、 pork体积小及重量轻等优点 。 草鱼 国外已广泛应用于自动化控制的各个领域 。草鱼 近年来 ， 鲤鱼 国内的 FPGA 技术与产品开发应用方面的发展也很快 ， 鲤鱼 各种电子产品已越来越多地采用 FPGA 控制系统且性价比高 。 草 鱼 本文从实用的角度

11、以 Altera 公司的EP2C35F484I8 芯片为核心设计了一种智能“乒乓球”游戏机 。 草鱼 实践证明 ， 鲤鱼 该游戏机运行状况稳定 、 pork可靠 ， 鲤鱼 满足了智能化要求 。 草鱼草鱼 草鱼 1.2 国内外研究现状 草鱼 草鱼 随着社会的进步和工业技术的发展 ， 鲤鱼 在电子线路设计领域中 ， 鲤鱼 设计自动化工具已经逐步为设计者所接受 ， 鲤鱼 成为主要的设计手段 。 草鱼 目前 ， 鲤鱼 VERILOG 已成为许多设计自动化工具普遍采用的标准化硬件描述语言 ， 鲤鱼 掌握 VERILOG 语言 ， 鲤鱼 用 VERILOG语言设计电子线路 ， 鲤鱼 是电子线 路设计者必须

12、掌握的基本技能 。 草鱼 VERILOG 支持数字电路的开发环境 ， 鲤鱼 VERILOG 也支持各种设计方法 ： pork自顶向下 、 pork自底向上或混合的方法 1。 草鱼 VERILOG 语言功能性强 ， 鲤鱼 覆盖面大 ， 鲤鱼 灵活性高 ， 鲤鱼 具有很好的实用性 2。草鱼 本文设计一个基于 VERILOG 的乒乓游戏机 ， 鲤鱼 乒乓游戏机是由 5 个发光二极管代表乒乓球台 ， 鲤鱼 中间的发光二极管兼作球网 ， 鲤鱼 用点亮的发光二极管按一定方向移动来表示球的运动 。 草鱼 在游戏机的两侧各设置两个开关 ， 鲤鱼 甲乙二人按乒乓球比赛规则来操作开关 。 草鱼 本设计由 译码显示

13、器 、 pork记分器 、 pork状态机 /球台控制器与按键去抖等部分组成 。 草鱼 本设计是用实验箱进行模拟乒乓机 ， 鲤鱼 用发光二极管代表乒乓球台 ， 鲤鱼 最中间的发光二极管作球网 ， 鲤鱼 用点亮的发光二极管按一定方向移动来表示球的运动 ，辽宁科技学院本科生 毕业设计 (论文 ) 第 2 页 鲤鱼 用按钮设置发球和接球开关 。 草鱼草鱼 1.3 本论文的主要内容 草鱼 本论文的主要内容是设计一个基于 FPGA 的“乒乓球”游戏机 ， 鲤鱼 在广泛收集相关资料的基础上 ， 鲤鱼 对“乒乓球”游戏机进行了深入的研究 ， 鲤鱼 利用现场可编程门阵列FPGA完成本次设计 。 草鱼 整个系统

14、以 ALtera公司的 EP2C35芯片为核心 ， 鲤鱼 采用 verilog 草鱼 HDL 语言进行开发 ， 鲤鱼 配置了相应的输入 、 pork信号处理及显示电路 ， 鲤鱼 并进行仿真及验证 。 草鱼草鱼 本论文各章的内容如下 ： pork草鱼 第一章介绍了“乒乓球”游戏机设计的背景及意义 ， 鲤鱼 并简单的的阐述了目前国内外在这方面的发展现状 。 草鱼草鱼 第二章介绍了 Quartus 草鱼 II 草鱼 软件 以及 Modelsim 软件的使用和 特点 。 草鱼草鱼 第三章介绍了对于系统的整体设计以及相关的设计任务和设计要求 ， 鲤鱼 并简单的分析了整个系统的设计流程和方法 。 草鱼草鱼

15、 第四章主要是介绍在整 个“乒乓球”游戏机系统中各个模块的工作原理及过程 。草鱼草鱼 第五章主要是对系统进行原理图的设计和对整个系统的仿真 。 草鱼草鱼 第六章主要是对整个的设计过程和仿真的 的过程做一个简单的描述 。 草鱼 草鱼 辽宁科技学院本科生 毕业设计 (论文 ) 第 3 页 2 草鱼 Quartus 草鱼 II 与 Modelsim 草鱼 软件 简介 草鱼 2.1Quartus 草鱼 II 草鱼 简介 草鱼 Quartus 草鱼 II 草鱼 是 Altera 公司 的综合性 PLD 开 发 软件 ， 鲤鱼 支持原理图 、 porkVHDL、p orkVerilogHDL 以及 AHD

16、L（ Altera 草鱼 Hardware 草鱼 Description 草鱼 Language）等多种设计输入形式 ， 鲤鱼 内嵌自有的综合器以及仿真器 ， 鲤鱼 可以完成从设计输入到硬件配置的完整 PLD 设计流程 。 草鱼 草鱼草鱼 Quartus 草鱼 II 可以在 XP、 porkLinux 以及 Unix 上使用 ， 鲤鱼 除了可以使用 Tcl 脚本 完成设计流程外 ， 鲤鱼 提供了完善的用户图形界面设计方式 。 草鱼 具有运行速度快 ， 鲤鱼 界面统一 ，鲤鱼 功能集中 ， 鲤鱼 易学易用等特点 。 草鱼 草鱼草鱼 Quartus 草鱼 II 支持 Altera 的 IP 核 ，

17、 鲤鱼 包含了 LPM/MegaFunction 宏功能模块库 ， 鲤鱼使用户可以充分利用成熟的模块 ， 鲤鱼 简化了设计的复杂性 、 pork加快了设计速度 。 草鱼 对第三方 EDA 工具的良好支持也使用户可以在设计流程 的各个阶段使用熟悉的第三方 EDA 工具 。 草鱼 草鱼草鱼 此外 ， 鲤鱼 Quartus 草鱼 II 草鱼 通过和 DSP 草鱼 Builder 工具与 Matlab/Simulink 相结合 ， 鲤鱼 可以方便地实现各种 DSP 应用系统 ； p ork支持 Altera 的片上可编程系统（ SOPC）开发 ， 鲤鱼集系统级设计 、 pork嵌入式软件开发 、 po

18、rk可编程逻辑设计于一体 ， 鲤鱼 是一种综合性的开发平台 。 草鱼 草鱼 草鱼 Maxplus 草鱼 II 草鱼 作为 Altera 的上一代 PLD 设计软件 ， 鲤鱼 由于其出色的易用性而得到了广泛的应用 。 草鱼 目前 Altera 已经停止了对 Maxplus 草鱼 II 草鱼 的更新支持 ， 鲤鱼 Quartus 草鱼 II 草鱼 与之相比不仅仅是支持器件类型的丰富和图形界面的改变 。 草鱼 Altera 在 Quartus 草鱼II 草鱼 中包含了许多诸如 SignalTap 草鱼 II、 porkChip 草鱼 Editor 和 RTL 草鱼 Viewer 的设计辅助工具 ，

19、鲤鱼 集成了 SOPC 和 HardCopy 设计流程 ， 鲤鱼 并且继承了 Maxplus 草鱼 II 草鱼 友好的图形界面及简便的使用方法 。 草鱼 草鱼草鱼 Altera 草鱼 Quartus 草鱼 II 草鱼 作为一种可编程逻辑的设计环境 , 草鱼 由于其强大的设计能力和直观易用的接口 ， 鲤鱼 越来越受到 数字系统设计 者的欢迎 。 草鱼 草鱼 草鱼 2.2Modelsim 简介 草鱼 草鱼 Mentor 公司的 ModelSim 是业界最优秀的 HDL 语言 仿真软件 ， 鲤鱼 它能提供友好的仿辽宁科技学院本科生 毕业设计 (论文 ) 第 4 页 真环境 ， 鲤鱼 是业界唯一的单内

20、核支持 VHDL 和 Verilog 混合仿真的仿真器 。 草鱼 它采用直接优化的编译技术 、 p orkTcl/Tk 技术 、 pork和单一内核仿真技术 ， 鲤鱼 编译仿真速度快 ， 鲤鱼编译的代码与平台无关 ， 鲤鱼 便于保护 IP 核 ， 鲤鱼 个性化的图形界 面和用户接口 ， 鲤鱼 为用户加快调错提供强有力的手段 ， 鲤鱼 是 FPGA/ASIC 设计 的首选仿真软件 。 草鱼 草鱼草鱼 主要特点 ： pork 草鱼草鱼 草鱼 RTL 和门级优化 ， 鲤鱼 本地编译结构 ， 鲤鱼 编译仿真速度快 ， 鲤鱼 跨平台跨版本仿真 ； pork 草鱼草鱼 草鱼 单内核 VHDL 和 Veri

21、log 混合仿真 ； pork 草鱼草鱼 草鱼 源代码 模版和助手 ， 鲤鱼 项目管理 ； pork 草鱼草鱼 草鱼 集成了性能分析 、 pork波形比较 、 pork代码覆盖 、 pork数据流 ChaseX、 porkSignal 草鱼 Spy、 pork虚拟对象 Virtual 草鱼 Object、 porkMemory 窗口 、 porkAssertion 窗口 、 pork源码窗口显示信号值 、 pork信号条件 断点 等众多调试功能 ； pork 草鱼草鱼 草鱼 C 和 Tcl/Tk 接口 ， 鲤鱼 C调试 ； pork 草鱼草鱼 草鱼 对 SystemC 的直接支持 ， 鲤鱼 和

22、 HDL 任意混合 草鱼草鱼 草鱼 支持 SystemVerilog 的设计功能 ； pork 草鱼草鱼 草鱼 对系统级描述语言的最全面支持 ， 鲤鱼 SystemVerilog, 草鱼 SystemC, 草鱼 PSL;pork 草鱼草鱼 草鱼 ASIC 草鱼 Sign 草鱼 off。 草鱼 草鱼 草鱼 ModelSim 分几种不同的版本 ： p orkSE、 porkPE、 porkLE 和 OEM， 鲤鱼 其中 SE 是最高级的版本 ,而集成在 草鱼 Actel、 porkAtmel、 porkAltera、 porkXilinx 以及 Lattice 等 FPGA 厂商设计工具中的均是其

23、 OEM 版本 。 草鱼 SE 版和 OEM 版在功能和性能方面有较大差别 ， 鲤鱼 比如对于大家都关心的仿真速度问题 ， 鲤鱼 以 Xilinx 公司提供的 OEM 版本 ModelSim 草鱼 XE 为例 ， 鲤鱼对于代码少于 40000 行的设计 ， 鲤鱼 ModelSim 草鱼 SE 草鱼 比 ModelSim 草鱼 XE 要快 10倍 ； pork对于代码超过 40000 行的设计 ， 鲤 鱼 ModelSim 草鱼 SE 要比 ModelSim 草鱼 XE 快近 40倍 。 草鱼 ModelSim 草鱼 SE支持 PC、 porkUNIX 和 LINUX 混合平台 ； pork提供

24、全面完善以及高性能的验证功能 ； pork全面支持业界广泛的标准 ； porkMentor 草鱼 Graphics 公司提供业界最好的技术支持与服务 。 草鱼草鱼 辽宁科技学院本科生 毕业设计 (论文 ) 第 5 页 3 草鱼 方案选择与系统总体设计 草鱼 3.1 整体方案的选择 草鱼 草鱼 本课题将采用 Altera 公司的 EP2C35F484I8 芯片进行基于 FPGA 的“乒乓球”游戏机设计 。 草鱼草鱼 草鱼 3.1.1 设计任务与 要求 草鱼 草鱼 设计一个乒乓球游戏机 ， 鲤鱼 模拟乒乓球比赛基本过程和规则 ， 鲤鱼 并能自动裁判和计分 。草鱼 具体要求如下 ： pork草鱼 使

25、用乒乓球游戏机的甲 ， 鲤鱼 乙双方各在不同的位置发球或击球 。 草鱼 乒乓球的位置和移动方向可由 LED 显示灯和一次点亮的方向决定 ， 鲤鱼 球的移动速度设为 0.5s 移动 1位 。 草鱼 使用者可按乒乓球的位置发出相应的动作 ， 鲤鱼 提前击球或出界均判失分 。 草鱼 草鱼 辽宁科技学院本科生 毕业设计 (论文 ) 第 6 页 3.1.2 设计的原理和方法 草鱼 乒乓球游戏机是用 5个发光二极管代表乒乓球台 ， 鲤鱼 中间 发光二极管兼作乒乓球网 ， 鲤鱼 用点亮的发光二极管按一定的方向 移动来表示球的运动 。 草鱼 另外设置发球开关Af,Bf 以及接球开关 Aj， 鲤鱼 Bj。 草鱼

26、 利用 7段数码管作为记分牌 。 草鱼草鱼 甲乙双方按乒乓球比赛规则来操作开关 。 草鱼 当甲方按动发球开关 af 时 ， 鲤鱼 靠近甲方的第一个灯亮 ， 鲤鱼 然后按顺序向乙方移动 ； pork当球过网后 ， 鲤鱼 乙方可以接球 ， 鲤鱼 接球后灯反方向移动 ， 鲤鱼 双方继续比赛 ； pork如果一方提前击球或未击球 ， 鲤鱼 则判失分 ， 鲤鱼 对方加分 。草鱼 重新发球后继续比赛 。 草鱼草鱼 本设计主要的设计方法是采用文本编辑法 ， 鲤鱼 利用 verilog 草鱼 HDL 语言描述乒乓球游戏机 ， 鲤鱼 并 进行综合和仿真 。 草鱼草鱼 草鱼 图 3.1 草鱼 系统设计流程图 草鱼