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1、 存档编号 赣南师范学院科技学院学士学位论文基于FPGA的乒乓球游戏机设计 系 别： 数信系 届 别： 09届 专 业: 电子信息工程 学 号： 0920085108 姓 名: 指导老师： 完成日期： 2013、5、6 30目 录内容摘要1关键词1Abstract.1Key words11引言22 开发工具简介22.1硬件描述语言VHDL概述32.1.1VHDL语言的特点32.1.2基于VHDL的自顶向下设计42.2 Quartus II开发软件概述52.3本章小结63基于FPGA的乒乓球游戏机设计与实现63.1总体设计63.2电路总原理图73.3时钟分频设计93.4状态机设计93.4.1状态
2、机的7种状态及状态转移93.4.2状态机/球台控制程序103.5记分牌显示电路设计133.6按键消抖、乒乓球路径显示电路设计143.7顶层实体的描述153.8本章小结164系统的调试、仿真、下载、测试164.1 调试FPGA164.2系统的编译、仿真164.2.1系统编译164.2.2系统仿真184.3系统的适配、编程下载194.4本章小结215结论21参考文献22致谢23附件1：硬件实物图24附件2：程序清单25内容摘要：随着电子设计自动化技术的不断发展和应用领域的扩大与深入，EDA技术在电子信息、通信、自动控制及计算机应用领域的重要性日益突出。本文设计了基于FPGA的乒乓球游戏机设计。用V
3、HDL语言编程, VHDL是甚高速集成电路硬件描述语言。目前，VHDL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。VHDL语言功能性强，覆盖面广，灵活性高，具有很好的实用性。本文详细的简述了乒乓球游戏机的工作原理，此乒乓球游戏机由状态机、记分器、译码显示器与按键去抖等部分所组成。通过对各部分编写VHDL程序，在Quartus软件上进行编译、仿真,最终在Altera公司的EP开发板上成功实现下载和调试。经过仿真和验证的结果表明，实现乒乓游戏机的基本功能，结果达到了设计的要求。关键词：FPGA VHDL 乒乓游戏机 状态机Abstract：As electronic design aut
4、omation technology continues to develop and expand the field of application, EDA technology in electronic information, communication, increasing the importance of the field of automatic control and computer applications. This design of the table tennis game design based on FPGA . Programming in VHDL
5、 language, VHDL is the very high speed integrated circuit hardware description language . At present, the VHDL design automation tool widely used by many standardized hardware description language. VHDL language feature is strong, wide coverage, high flexibility, good practicality. This article gave
6、 a detailed summary of table tennis video game works, the table tennis game by the state machine, a device, decoding machine parts such as monitor and press the key to shaking up. The sections written by VHDL program, compiled in the Quartus II software, simulation, final EP of Altera Corporation su
7、ccessfully downloaded and debugged on the Development Board. After simulation and verification of the results shows that achieving basic functionality of ping pong game, the result meets the design requirements.Key words: FPGA VHDL Table tennis game machine State machine1引言EDA（Electronic Design Auto
8、mation，电子设计自动化）技术是现代电子工程领域的一门新技术。它提供了基于计算机和信息技术的电路系统设计方法。EDA技术的发张和推广应用极大地推动了电子工业的发展。随着社会的进步和工业技术的发展，在电子线路设计领域中，设计自动化工具已经逐步为设计者所接受，成为主要的设计手段。目前，VHDL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，掌握VHDL语言，用VHDL语言设计电子线路，是电子线路设计者必须掌握的基本技能。VHDL支持数字电路的开发环境，VHDL也支持各种设计方法：自顶向下、自底向上或混合的方法1。VHDL语言功能性强，覆盖面大，灵活性高，具有很好的实用性2。20世纪末，电
9、子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。而休闲时间越来越少的人们越来越没太多的时间出去搞户外活动，于是众多电子游戏相应而出，成为大家的娱乐节目。因此设计出了关于两人的乒乓球游戏。乒乓游戏机是由9个发光二极管代表乒乓球台，中间的3个发光二极管兼作球网，用点亮的发光二极管按一定方向移动来表示球的运动。在游戏机的两侧各设置两个开关，甲乙二人按乒乓球比赛规则来操作开关。此设计由译码显示器、记分器、状态机/球台控制器与按键去抖等部分组成。设计总体要求：乒
10、乓机能模拟乒乓球比赛的基本过程和规则，并能自动裁判和记分。其主要任务和要求如下：(1) 使用乒乓球的甲乙双方在不同的位置发球或击球。(2) 乒乓球的位置和移动方向由灯亮及依次点亮的方向决定。球速为0.5s-1s移动1位。球过网，接球方向可击球，提前击球或没击球均判失分。(3) 比赛按11分为一局，甲乙双方应设置记分牌，任何一方先记满11分，为胜出，按RESET复位重新开局。(4) 基于VHDL的乒乓球程序设计及软件编译与调试、仿真。2 开发工具简介EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写，在20世纪60年代中期从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅
11、助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。20世纪90年代，国际上电子和计算机技术较先进的国家，一直在积极探索新的电子电路设计方法，并在设计方法、工具等方面进行了彻底的变革，取得了巨大成功。在电子技术设计领域中，可编程逻辑器件（如CPLD、FPGA）的应用，已得到广泛的普及，这些器件为数字系统的设计带来了极大的灵活性。这些器件可以通过软件编程而对其硬件结构和工作方式进行重构，从而使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。这一切极大地改变了传统的数字系统设计方法、设计过程和设计观念，促进了EDA技术的迅速发展。2.1硬件描述语言VHDL概述VHDL是
12、Very high speed integrated circuit Hardware Description Language的缩写，即“甚高速集成电路硬件描述语言”，最初由美国国防部和INTER、IBM、TI公司联合开发，1987年成为IEEE标准，即IEEE1076标准（俗称87版VHDL）3。VHDL主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL的语言形式和描述风格与句法是十分类似于一般的计算机高级语言。VHDL的程序结构特点是将一项工程设计，或称设计实体（可以是一个元件，一个电路模块或一个系统）分成外部（或称可视部分，及端口）和内部（或称不可
13、视部分），既涉及实体的内部功能和算法完成部分。在对一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体。这种将设计实体分成内外部分的概念是VHDL系统设计的基本点。2.1.1 VHDL语言的特点VHDL 语言能够成为标准化的硬件描述语言并获得广泛应用，它自身必然具有很多其他硬件描述语言所不具备的优点。归纳起来，VHDL 语言主要具有以下优点4：（1）VHDL 语言功能强大，设计方式多样 VHDL 语言具有强大的语言结构，只需采用简单明确的VHDL语言程序就可以描述十分复杂的硬件电路。同时，它还具有多层次的电路设计描述功能。此外，VHDL 语言能够同时支持同步电路
14、、异步电路和随机电路的设计实现，这是其他硬件描述语言所不能比拟的。VHDL 语言设计方法灵活多样，既支持自顶向下的设计方式，也支持自底向上的设计方法； 既支持模块化设计方法，也支持层次化设计方法。 （2）VHDL 语言具有强大的硬件描述能力 VHDL 语言具有多层次的电路设计描述功能，既可描述系统级电路，也可以描述门级电路；描述方式既可以采用行为描述、寄存器传输描述或者结构描述，也可以采用三者的混合描述方式。同时，VHDL 语言也支持惯性延迟和传输延迟，这样可以准确地建立硬件电路的模型。VHDL 语言的强大描述能力还体现在它具有丰富的数据类型。VHDL 语言既支持标准定义的数据类型，也支持用户
15、定义的数据类型，这样便会给硬件描述带来较大的自由度。 （3） VHDL 语言具有很强的移植能力 VHDL 语言很强的移植能力主要体现在对于同一个硬件电路的 VHDL 语言描述，它可以从一个模拟器移植到另一个模拟器上、从一个综合器移植到另一个综合器上或者从一个工作平台移植到另一个工作平台上去执行。 （4） VHDL 语言的设计描述与器件无关 采用 VHDL 语言描述硬件电路时，设计人员并不需要首先考虑选择进行设计的器件。这样做的好处是可以使设计人员集中精力进行电路设计的优化，而不需要考虑其他的问题。当硬件电路的设计描述完成以后，VHDL 语言允许采用多种不同的器件结构来实现。 （5） VHDL 语言程序易于共享和复用 VHDL 语言采用基于库 ( library) 的设计方法。在设计过程中，设计人员可以建立各种可再次
