基于FPGA“乒乓球比赛游戏机”的设计

可编程逻辑器件FPGA以其开发周期短、成本低、功耗低、可靠性高等优势，广泛应用于通信、航空、医疗等领域，近年来在消费电子领域中的应用也日渐增加。为进一步挖掘FPGA在家庭娱乐如游戏机开发与应用中的巨大商机，介绍了一款以Altera公司FP-GA芯片为控制核心，附加少量外围电路组成的乒乓球比赛游戏机。整个系统设计模块划分清晰：包括裁判端、选手端、控制端、显示端及模拟乒乓球台；功能齐全：包括发球权控制、犯规提示、局数比分显示等，模拟实际乒乓球比赛相似程度高。采用了VHDL语言编程实现，在QuartusⅡ8．1集成环境下进行了模拟仿真，结果表明在设定的比赛规则下，游戏机运行正常，通过进一步优化可将其商品化，推入市场。

1 系统组成
乒乓球比赛游戏机的组成如图1所示。比赛规则约定：五局三胜；11分一局；裁判发出比赛开始信号，触发FPGA内部随机数发生器模块产生首次发球权方；比赛进行中，选手连续两次获得发球权后，发球权交予对方，如未获发球权方发球，裁判端犯规音响电路鸣响；13个LED排列成行模拟乒乓球台；点亮的LED模拟乒乓球，受FPGA控制从左到右或从右到左移动；比赛选手通过按钮输入模拟击球信号，实现LED移位方向的控制；若发亮的LED运动在球台中点至对方终点之间时，对方未能及时按下击球按钮使其向相反方向移动，即失去一分。

2 功能模块设计
图1中，基于FPGA设计的控制端为整个系统的核心，其内部主要由简易随机数发生器、发球权控制器、乒乓球位置控制器、甲乙方计分控制器、犯规音响控制器等模块组成。整个控制端采用模块化设计，先用VHDL语言编写功能模块，然后用顶层原理图将各功能模块连接起来。设计的难点在于协调各模块工作，严格遵守各信号间时序关系。本系统采用1 kHz系统时钟。
2．1 简易随机数发生器
比赛首次发球权由随机数发生器产生的数据决定，其随机性要求不严，因此，采用非常简单的模式产生，即一旦FPGA上电，系统时钟百分频产生一方波信号square，当裁判闭合开始比赛开关产生start信号上升沿时，读取此时square信号值作为随机数发生器输出randq。模块仿真如图2所示，结果满足设计要求。此模块设计时保证了square信号周期应远大于start信号上升沿建立时间，保证随机数据的正确读取。

2．2 发球权控制器
发球权控制器的控制过程为：如果按下复位按钮，发球权数码管显示8，否则，开始比赛开关闭合时，显示随机数发生器的值(0或1，0代表甲方、1代表乙方)。而在比赛中，为遵守发球权交换规则，设计甲乙双方计分器总和信号sum_sc是不为0的偶数时(即计分总和最低位sum_sc0下降沿到来时)，发球权数码管显示由0变为1或由1变为0。