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1、华中科技大学电子与信息工程系“XILINX-依元素杯”杯电子设计竞赛华中科技大学电子与信息工程系2013年“XILINX-依元素”杯电子设计竞赛基于FPGA的人机互动跳舞机设计说明书 团队成员： 光材1102班 苗祥龙 光材1102班 郭臻 光材1102班 郭晓 指导教师: 肖看 2013 年秋季【摘要】 本系统是一款基于FPGA的人机互动跳舞机。系统从SD卡中读取音频文件并播放音乐，用户通过观察显示屏上与随音乐下落的箭头的显示，踩踏相应的方向的踏板，随音乐节奏舞动，系统同时会给出用户踩踏是否正确的反馈。在歌曲结束后，系统会根据用户踩踏情况进行打分。该游戏系统让用户体验到随音乐舞动的快感的同时
2、，又找到了游戏的愉悦。【关键词】：FPGA、人机互动、歌曲节拍、跳舞机AbstractThis system is a FPGA-based human-computer interaction Dance-Game. Reading the songs from SD card, the system play the songs, participants suggested by observing the display device of the song rhythmic stress and the corresponding rhythm pedal stampede, wit
3、h the music rhythm dance. After the end of the song, the system according to the rhythm of the dancers jump scoring situation. The dancers to experience the thrill of dancing, they also find the enjoyment of the game.Key words: FPGA、human-computer、Dance-Game、tune目录1.概述61.1.设计目标61.2.关键技术61.3.创新点71.4.
4、考核指标71.5.元器件列表71.6.成员列表81.7.时间历程91.8.视频和PPT101.9.系统实物图片102.总体设计142.1.方案论证142.2.物理逻辑架构152.3.音乐播放系统152.4.踩垫162.5.主控制与显示系统162.6.系统间接口与管脚分配162.7.系统工作方式172.7.1.游戏开始功能工作方式172.7.2.游戏进行功能工作方式172.7.3.游戏暂停功能工作方式182.7.4.游戏结束与重新开始功能工作方式183.系统组成193.1.音乐播放系统193.1.1.模块设计193.1.2.小音箱功能与特点193.1.3.音乐播放模块功能与特点193.1.4.音
5、乐控制电路详细设计203.2.踩垫213.2.1.模块设计213.2.2.采集电路详细设计223.2.3.触摸开关详细设计223.3.主控制与显示系统233.3.1.模块设计233.3.2.主控制模块详细设计243.3.3.下降箭头产生模块详细设计253.3.4.VGA显示模块详细设计253.3.5.游戏背景显示模块详细设计263.3.6.ASCII码显示模块详细设计273.3.7.图片显示模块详细设计283.3.8.动感彩条显示模块详细设计293.3.9.显示控制模块详细设计293.3.10.数码管显示模块详细设计304.开发环境314.1.硬件环境314.2.软件环境315.系统测试方法与
6、结果316.展望336.1不足之处336.2未来的改进337.总结347.1.遇到的技术问题总结347.2.心得体会348.致谢361. 概述体感游戏是一种通过肢体动作变化来操作的新型电子游戏，与单纯以手柄按键输入为操作方式的传统电子游戏相比，更加具有娱乐性与互动性，具有极大的市场潜力。而跳舞机则是体感游戏中的典型设备，深受广大玩家喜爱，因而开发新一代的跳舞机具有经济意义。现阶段的跳舞机分为两种，一是游戏厅中的跳舞机，二是家用型的跳舞垫。游戏厅中的跳舞机价格达到上万元，十分昂贵，且歌曲与程序都已固定，不能修改。家用跳舞垫价格在几十到上百元不等，需要连接电脑或电视，连接电视的跳舞垫无法额外添加歌
7、曲；连接电脑的跳舞垫虽可以额外添加歌曲，但对歌曲格式有特殊要求，无法直接添加一般音频文件，需要在特定网站上下载，甚至需要购买歌曲，十分不方便。且家用跳舞垫不耐用，易损坏，视觉效果不强，不可能用家用跳舞垫代替游戏厅中的跳舞机。本项目为基于FPGA的人机互动跳舞机，希望在实现跳舞机的基本功能的基础上，能使跳舞机的歌曲添加更加便利，价格有所下降，程序可以根据用户的喜好进行修改。1.1. 设计目标实现跳舞机的基本功能，包括：（1） 游戏的开始、暂停、重新开始、结束退出的控制；（2） 从SD卡中读取音频文件并播放相应音乐；（3） 根据音乐节拍，在显示屏上显示上下左右的箭头；（4） 采集用户踩踏信号；（5
8、） 判断用户踩踏信号与显示屏上箭头是否一致，并在显示屏上给出反馈；（6） VGA接口显示文字；（7） VGA接口显示图画、以及图片的移动；（8） 玩家生命值的显示；（9） 游戏评分。1.2. 关键技术（1） VGA接口数据通信与游戏界面的显示；（2） 游戏互动程序的设计；（3） 用户踩踏信号的采集与传输；1.3. 创新点 系统为一款体感游戏设备，通过脚踏输入可以让用户充分动起来，并展示自己的舞姿，另外输出既有显示器的视频输出，又有与之紧密相关的音乐相伴，多媒体输出与友好的人机互动可以让用户充分沉浸在游戏之中。1.4. 考核指标（1） 踩垫信息采集的准确性：踩垫对信息采集的准确性是保证游戏正常进
9、行的前提。主要考核的是踩垫在正常情况下对信息的采集以及在非正常情况下（长按、同时按两个）对信息的采集。另外对于踩垫部分还需要对信号通过信号源、示波器等的配合来测定其信息是否准确。（2） FPGA对音乐播放模块控制的有效性：FPGA与音乐模块的配合使得这个整个游戏有了一个更好的搭配，主要在于考核在不同的功能界面FPGA对音乐播放模块控制是否有效。（3） VGA显示与动画效果：通过PS/2接口的键盘可以对游戏中不同赛道的箭头进行控制，主要测试不同键值对VGA显示的效果测试，并于预期值做对比。（4） 歌曲播放与游戏中节拍的契合：游戏中的节拍控制与音乐控制为不同模块，从而导致两者之间有着诸大的误差，其
10、主要测试随着歌曲的播放，节拍控制系统所输出的信号是否与歌曲原节拍一致。（5） 与成品跳舞机的对比功能完备性：跳舞机的实现主要是基于成员各自对跳舞毯的理解，而与成品跳舞机相比，自制跳舞机也有其不完善之处。通过与成品跳舞机的对比，主要是总结在整个比赛中的经验。（6） 游戏对玩家的吸引程度：产品在于客户的体验，主要在于收集玩家对于该自制跳舞机的评价，这对于跳舞机有着一个更好的定位。1.5. 元器件列表元器件型号单价(数量)元器件性能实现功能物理系统功能模块Basys2开发板￥5601FPGA可编程整个游戏的控制总控制系统总控制模块音乐播放模块￥151实现从SD卡读取音频文件并输出音乐信号音乐播放系统
11、音乐播放电路CD4066￥0.51具有比较低的导通阻抗的传输门通过FPGA输出电平控制电路的通断音乐播放系统音乐播放电路杜邦线￥0.110电路连接小音箱￥501自带功放对音乐信号放大输出音乐播放系统音乐播放电路10M电阻4个￥0.14阻值固定分压与限流踩垫踩垫信号采集电路总价￥626.91.6. 成员列表（上图左起：苗祥龙、郭晓、郭臻）（1） 苗祥龙：U201115214，光电子材料与器件，在大二学过数电，模电及相关实验课程，加入过电工基地，参加过全国大学生电子设计大赛，主要负责游戏控制与显示。（2） 郭晓：U201115220，光电子材料与器件，在大二学过数电，模电及相关实验课程，未参加过相
12、关比赛，主要负责音乐播放模块。（3） 郭臻：U201115227，光电子材料与器件，在大二学过数电，模电及相关实验课程，电工实习，未参加过相关比赛，主要负责用户踩踏信号的采集。1.7. 时间历程时间主要工作完成人员2013.11.16初步拟定项目规划苗祥龙、郭臻、郭晓2013.11.16-2013.11.18撰写并提交报名表苗祥龙、郭臻、郭晓2013.11.15-2013.11.29加深verilog学习，熟悉Xilinx ISE Design Suite13.4开发环境和Basys2的使用苗祥龙、郭臻、郭晓2013.11.30-2013.12.9学习显示屏显示原理，学习VGA接口通信原理，编
13、写简单的用FPGA控制显示器显示图案的代码苗祥龙2013.11.30-2013.12.9查阅PS2接口键盘通信原理，编写PS2键盘驱动程序郭臻2013.11.30-2013.12.9查阅FPGA控制SD卡读写的方法与技术，查阅音频解码相关原理郭晓2013.12.10-2013.12.14编写程序，实现动画与复杂图案的显示苗祥龙2013.12.10-2013.12.14查阅USB接口通信原理，评估直接采用USB接口跳舞毯作为输入的接口驱动程序难度郭臻2013.12.10-2013.12.14查阅已集成的音乐播放模块的设计与使用，选购音乐播放模块郭晓、郭臻2013.12.15-2013.12.21
14、编写程序，实现游戏界面的显示及界面对输入信号的反应苗祥龙2013.12.15-2013.12.21音乐播放模块控制电路的设计与制作， 音乐的挑选与节拍的设计郭臻2013.12.15-2013.12.21跳舞毯触摸开关的制作、跳舞毯的制作、跳舞毯信号采集电路的制作郭晓、苗祥龙2013.12.22-2013.12.23音乐播放模块控制程序的编写、音乐节拍产生程序的编写郭臻、郭晓2013.12.22-2013.12.23游戏界面的美化与所有程序的整合苗祥龙2013.12.24-2013.12.25系统的测试与调试、文档的撰写、视频的拍摄、PPT的制作苗祥龙、郭臻、郭晓1.8. 视频和PPT（1） 视频地址
