EDA乒乓球

二、實驗目的

1、初步認識EDA技術Verilog HDL，熟悉可編輯邏輯器件基礎；

2、掌握Verilog HDL語法及要素，能夠熟練運用行為語句，了解常用數(shù)據(jù)單元及設計風格；

3、學習典型的FPGA的結構與配置，引腳輸入輸出端口功能；

4、進行狀態(tài)機的設置，更進一步的深入熟悉一些基礎例程；

5、學會Quartus Ⅱ的應用及一些仿真與測試。

三、實驗題目

乒乓球游戲設計

比賽規(guī)則約定：七局四勝；11分一局；比賽進行，18個LED排列成行模擬乒乓球臺；點亮的LED模擬乒乓球，受FPGA控制從左到右或從右到左移動；比賽選手通過按鈕輸入模擬擊球信號，實現(xiàn)LED移位方向的控制；若發(fā)亮的LED運動在球臺倒數(shù)第四個至對方終點之間時，對方未能及時按下?lián)羟虬粹o使其向相反方向移動，即失去一分。

四、實驗要求

任務要求：用按鍵與LED（或者點陣）表示輸入與輸出。

（1）初始時，16個LED最邊上的點亮，按下鍵表示發(fā)球，亮的燈依次向對方移動；移位計數(shù)器控制。

（2）當?shù)竭_另一邊倒數(shù)第 4 個燈時表示乒乓球觸到桌面反彈；對方必須在反彈后且靠 近己方的最后一個燈亮起來前按下按鍵表示接球，否則輸球；

（3）接球后燈亮的規(guī)則、對方接球的規(guī)則同發(fā)球；

（4）雙方靠近自己的 4個燈亮的間隔 0.4s，其余燈亮的間隔 0.8s；計數(shù)器來實現(xiàn)時 鐘控制；

（5）輸球或者犯規(guī)，即失去一分；自動顯示于數(shù)碼管（共陰）；

（6）乒乓球比賽規(guī)則計分，顯示于數(shù)碼管；

這種比較簡單的方式實現(xiàn)

五、實驗設計

利用兩個按鍵表示兩位選手，LED燈表示乒乓球的軌跡，數(shù)碼管顯示擊球結果。分析乒乓球跳動速度，乒乓球在接發(fā)球狀態(tài)時時速度可以達到0.4s，乒乓球在運行中速度慢些，可以達到0.8s.

本程序由3個部分組成，第一部分為分頻程序，將de2自帶的50Mhz頻率分為1MHZ，1lKHZ,10hz.第二部分為數(shù)碼管分時掃描程序,掃描速度1khz.第三部分是擊球狀態(tài)機程序。

因手上無示波器，也無必要用示波器，故只用了軟件仿真。

六、源代碼及注釋

module     pinpang(clk_1MHZ,clk_1khz,clk_10hz,clk_27,clk_50,hex0,hex1,hex2,hex3,hex4,hex5,hex6,hex7,clc,set_r,set_l,led_r);            

    input clc,set_r,set_l;      //定義清除鍵，在程序中按下不放為暫停

    input clk_27,clk_50;    //定義輸入時鐘信號，此程序中只用了clk_50，即50M的頻率

    output clk_1MHZ,clk_1khz,clk_10hz;//定義分頻后信號1MHZ,1KHZ,10HZ

   reg clk_1MHZ,clk_1khz,clk_10hz;  

    reg[5:0] clk_sum;//1MHZfenpin   //定義分頻1MHZ計數(shù)器

    reg[9:0] clk_sum1k;//fenpinwei 1khz  //定義分頻1khz分頻器

    reg[6:0] clk_sum10hz;//ledxianshipinlv //定義分頻10hz分頻器

    reg[6:0] hex_buff1;           //定義數(shù)碼管緩存寄存器

    reg[3:0] hex_buff;            //定義數(shù)碼管取值寄存器

    reg[3:0]  hex_sum;          //數(shù)碼管掃描片選信號

    reg[3:0]  r_sum,l_sum;       //定義每局中左邊或者右邊得分數(shù)目默認a_為左，b_為右

    reg[3:0]  ju_sum;           //led燈延時計數(shù)器，每100ms計數(shù)一次

    reg[2:0]  a_run,b_run;       //定義左邊和右邊當前贏得的局數(shù)

    reg[2:0]  state;             //定義狀態(tài)機所處位置

    reg[3:0]   game_on;        //定義按鍵處于何種狀態(tài)

    reg[31:0]  time_sum;        //定義LED從次態(tài)到現(xiàn)態(tài)時間

    reg[4:0]  qiu;              //定義當前LED燈位置

    output[6:0] hex0,hex1,hex2,hex3,hex4,hex5,hex6,hex7;//8段數(shù)碼管顯示數(shù)

    reg[6:0] hex0,hex1,hex2,hex3,hex4,hex5,hex6,hex7;

    output[17:0]led_r;         

    reg   [17:0]led_r;           //led燈狀態(tài)

    parameter  hexx0=7'b1000000,    //0

               hexx1=7'b1111001,   //1

               hexx2=7'b0100100,   //2

               hexx3=7'b0110000,   //3

               hexx4=7'b0011001,   //4

               hexx5=7'b0010010,   //5

               hexx6=7'b0000010,   //6

               hexx7=7'b1111000,   //7

               hexx8=7'b0000000,   //8

               hexx9=7'b0010000,   //9

               hexxn=7'b1111111;   //null

               

always@(posedge clk_50)begin   //fenpinwei1MHZ

         clk_sum<=clk_sum+6'b000001;    //分頻為1MHZ

         if(!clc)

         clk_sum<=0;

         if(clk_sum==24)begin

         clk_sum<=0;

         clk_1MHZ<=~ clk_1MHZ;      

         end

    end     

   

  always@(posedge clk_1MHZ)begin   //FENPINWEI 1KHZ

         clk_sum1k<=clk_sum1k+10'b0000000001;   //分頻為1KHZ

         if(!clc)

         clk_sum1k<=0;

         if(clk_sum1k==499)begin

         clk_sum1k<=0;

         clk_1khz<=~ clk_1khz;      

         end

    end         

   

     

      

always@(posedge clk_1khz)begin   //FENPINWEI 10HZ//分頻為10hz

         clk_sum10hz<=clk_sum10hz+7'b0000001;

         if(!clc)

         clk_sum10hz<=0;

         if(clk_sum10hz==49)begin

         clk_sum10hz<=0;

         clk_10hz<=~ clk_10hz;   

         end

    end        

      

  always@(posedge clk_1khz)begin   //FENPINWEI 1kHZ//在1kHz內處理數(shù)碼管和按鍵

     

         hex_sum<=hex_sum+4'b0001;

         if(!clc)

         hex_sum<=0;

         if(hex_sum==8)

         hex_sum<=0;  

   case(hex_sum)

        6:hex_buff<=a_run; //第二位 顯示左邊邊當前贏得局數(shù)，實際為0

//由于de2開發(fā)板數(shù)碼管位置移位，故該程序中數(shù)碼管非實驗板相應位置，需要調整

        7:hex_buff<=b_run;   //第一位顯示右邊當前贏得局數(shù)

        0:hex_buff<= a_run;   //第三位顯示左邊贏得局數(shù)

        1:hex_buff<= ju_sum%10;//第四位顯示當前局數(shù)

        2:hex_buff<= r_sum%10; //第五位顯示右邊當前得分個位

        3:hex_buff<= r_sum/10; //第六位顯示右邊當前得分十位

        4:hex_buff<= l_sum%10; //第七位顯示當前左邊贏得得分個位

        5:hex_buff<= l_sum/10; //第八位顯示當前左邊贏得得分十位

        default:hex_buff=4'b1111;

    endcase

  

    if(!set_l)

        begin

        if(state==5||state==0)

//左按鍵按下，判斷LED燈是否落在左邊，若果是繼續(xù)下去，否則記為錯誤按左鍵

        game_on<=4'b0110;

     else

        game_on<=4'b1110;

        end

  if(!set_r)

       begin

  if(state==2||state==3)

//右按鍵按下，判斷LED燈是否落在右邊，若果是繼續(xù)下去，否則記為錯誤按右鍵

       game_on<=4'b0101;

  else

       game_on<=4'b1101;

  end

    end   

     

   always@(negedge clk_1khz) begin

//在clk-1khz的下降沿中處理函數(shù)，將數(shù)碼管中緩存值翻譯過來，賦給數(shù)碼管

     case(hex_buff)

         0:hex_buff1<=hexx0;

         1:hex_buff1<=hexx1;

         2:hex_buff1<=hexx2;

         3:hex_buff1<=hexx3;

         4:hex_buff1<=hexx4;

         5:hex_buff1<=hexx5;

         6:hex_buff1<=hexx6;

         7:hex_buff1<=hexx7;

         8:hex_buff1<=hexx8;

         9:hex_buff1<=hexx9;

         default:hex_buff1<=hexx0;

     endcase

     

     

      case(hex_sum)

        0: hex0<=hex_buff1;

        1: hex1<=hex_buff1;

        2: hex2<= hex_buff1;

        3: hex3<= hex_buff1;

        4: hex4<=hex_buff1;

        5: hex5<= hex_buff1;

        6: hex6<= hex_buff1;

        7: hex7<= hex_buff1;

        default:

        begin

        hex0<=hexxn;

        hex1<=hexxn;

        hex2<=hexxn;

        hex3<=hexxn;

        hex4<=hexxn;

        hex5<=hexxn;

        hex6<=hexxn;

        hex7<=hexxn;

        end  

     endcase

    end

   

  always@(posedge clk_10hz)begin //每100ms進行狀態(tài)機設置

    time_sum<=time_sum+1;

    led_r=0;      //避免LED全亮，先將LED全滅

    if(time_sum==8)   //每個LED燈間隔發(fā)光的時間不超過0.8s

    time_sum<=0;  

      case(state)

         5:   //狀態(tài)5左邊發(fā)球

         if(game_on==4'b0110)//如果檢測到左鍵正確按下，執(zhí)行程序

         begin

         led_r[qiu]=1;   

         if(time_sum==3)begin  //如果LED燈已走了0.4s，則點亮下個LED燈

           time_sum<=0;

           led_r[qiu]=0;      //先將現(xiàn)態(tài)LED燈光滅，在點亮下個LED燈

           qiu<=qiu-5'b00001;

           led_r[qiu]=1;

            if(qiu<=14)     

//因為定義了18個LED燈作為實驗乒乓球臺，所以當左邊已發(fā)完球后，應立即進入左邊運球給右邊的狀態(tài)4

               state<=4;

            end

           end

         else

         begin      / /如果沒有檢測到左鍵正確按下，則LED【17】常亮

         led_r[17]<=~led_r[17];

         end

         4:       //左邊運球到右邊的狀態(tài)

         begin

            led_r[qiu]=1;    //若果球已到右邊接球邊界，進入右邊接球狀態(tài)3

            if(qiu<=3)

            state<=3;

            if(state==4)

            begin

          if(game_on==4'b1101)begin

            l_sum<=l_sum+4'b0001;

            state<=2;          //若右鍵在運球中錯誤按下，算右邊犯規(guī)，左邊加一分

             led_r[qiu]=0;      //球歸右邊并自動發(fā)球

             qiu<=0;

             led_r[qiu]=1;     //顯示當前LED燈位置

             time_sum<=1;

            end

          if(time_sum==0)begin

//每隔0.8s判斷LED燈是否跳入下個狀態(tài)，若是則將當前LED燈光滅，將下個LED燈點亮

            led_r[qiu]=0;

            qiu<=qiu-5'b00001;

            led_r[qiu]=1;     //運球沒有失誤，進入右邊接球狀態(tài)3

             if(qiu<=3)

            state<=3;

        end

       end

       end

       3:

       begin

           if(game_on==4'b0101)   //右邊等待接球狀態(tài)

           begin

           state<=2;               

              led_r[qiu]=0;

           qiu<=qiu+5'b00010;         //若已接球，立即進入狀態(tài)2或1

            led_r[qiu]=1;

            End      

           if(state==3)

           begin

           led_r[qiu]=1;

           if(time_sum==3)begin    //接球中LED燈閃動速度為0.4s

           time_sum<=0;   

           led_r[qiu]=0;            //關閉當前LED燈，打開下個LED燈

           qiu<=qiu-5'b00001;      

           led_r[qiu]=1;

            if(qiu==0)begin

           state<=2;

           l_sum<=l_sum+4'b0001; //若接球失敗，進入右邊準備發(fā)球狀態(tài)，左邊得一分

           end

       end

       end

       end

       2:                //右邊發(fā)球狀態(tài)

       if(game_on==4'b0101)

         begin             //若有有效鍵按下，則立即發(fā)球否則進入等待狀態(tài)

         led_r[qiu]=1;         

          if(qiu>=3)     //若超出界限，立即進入狀態(tài)右邊運球左邊的狀態(tài)1

           state<=1;

         if(state==2)begin

         if(time_sum==3)begin

           time_sum<=0;     //每隔0.4s球向左邊移動一位

           led_r[qiu]=0;

           qiu<=qiu+5'b00001;

           led_r[qiu]=1;

           if(qiu>=3)  //若球已超出右邊發(fā)球邊界，進入右邊運球到左邊的狀態(tài)1

           state<=1;

           end

         end

         end

           else

           begin

         led_r[0]<=~led_r[0]; //若當前沒有有效右鍵按下，一直處于等待階段。

         end

       1:

         begin

            led_r[qiu]=1;

            if(qiu>=14)

            state<=0;      

            if(state==1)begin  

       if(game_on==4'b1110)begin   

            r_sum<=r_sum+4'b0001;

            state<=5;      

//運球過程中，左邊錯誤按下，右邊得一分，球立即從左邊發(fā)出

             led_r[qiu]=0;

             qiu<=17;

             led_r[qiu]=1;

             time_sum<=1;

            end

          if(time_sum==0)begin

            led_r[qiu]=0;

            qiu<=qiu+5'b00001;

            led_r[qiu]=1;  //球到左邊接球邊界，進入左邊接球狀態(tài)0

            if(qiu>=14)

            state<=0;

       end   

       end

       end

       0:               //左邊接球狀態(tài)

              begin

          if(game_on==4'b0110)

          begin      //左鍵正確按下，進入左邊發(fā)球狀態(tài)

            state<=5;

             led_r[qiu]=0;

            qiu<=qiu-5'b00010;

             led_r[qiu]=1;

           end

            if(qiu==17)begin

//初始狀態(tài)球可能賦值為零，這里強制轉換到狀態(tài)5，實際沒有出現(xiàn)這種狀態(tài)

             state<=5;     

             r_sum<=r_sum+4'b0001;

            end

           led_r[qiu]=1;

           if(state==0)

           begin   

           if(time_sum==3)begin//每隔0.4s球運動到下一位

           time_sum<=0;

           led_r[qiu]=0;

           qiu<=qiu+5'b00001;

           led_r[qiu]=1;

        if(qiu==17)begin

//左邊球落到最后一個LED上，說明球已過線，左邊接球失敗，右邊加一分

             state<=5;

             r_sum<=r_sum+4'b0001;

             end

           end

       end

       end

endcase

   if(r_sum==11||l_sum==11)begin

//11分為一局，一局結束后進行下一局，左邊右邊當前局數(shù)歸零，總局數(shù)加一

         if(l_sum==11)a_run<=a_run+1;

         if(r_sum==11)b_run<=b_run+1;

         r_sum<=0;

         l_sum<=0;

         ju_sum<=ju_sum+4'b0001;

end

//若已進行7局，則比賽從新開始

  if(ju_sum==7)begin

          ju_sum<=0;

          a_run<=0;

          b_run<=0;

    end

  end  

endmodule

七、實驗流程

1、定義引腳圖：

2分頻仿真：分頻為1MHZ,1KHZ（ms）

分頻仿真：1MHz，1khz放大圖（us）

3狀態(tài)機圖

程序設計為6個狀態(tài)，實際只有4個狀態(tài)，可能是由于狀態(tài)0狀態(tài)5優(yōu)化，狀態(tài)2和狀態(tài)3優(yōu)化為一個狀態(tài)。

4、將程序下載進入DE2的開發(fā)板，當前處于等待發(fā)球狀態(tài)，顯示結果為第一局結束，當前局數(shù)比左邊：右邊=0：1。

5、左邊按下發(fā)球鍵，乒乓球向前移動，右邊進入等待接球狀態(tài)；

6、在乒乓球進入右邊第四個燈亮之前右邊接球，此時左邊得一分，并由右邊發(fā)球繼續(xù)進行比賽，如果在最后一個燈亮之前未接球，對方加一分，并有己方發(fā)球繼續(xù)比賽；

7、長按左邊第一個鍵，此時進入時間暫停，小分暫不顯示；

8、按要求左右雙方在倒數(shù)第四個燈亮之后，最后一個燈亮前接球均為好球，這個接球狀態(tài)有1.2秒左右，就可進行乒乓球的游戲；

9、游戲進行，比分交替上升，當有人小分率先到達十一分時，進入下一局，如圖顯示為：第二局結束，局數(shù)比為1：1，準備進入下一局，同樣規(guī)則繼續(xù)，當有一方率先贏下四局便獲勝，游戲結束。

八、心得體會

通過一天多來的努力，我們終于把老師交給我們的任務完成了，明白了fpga編程的一些小技巧。開始第一天因為電腦系統(tǒng)原因，無法安裝驅動，后來換了電腦驅動就可以安裝了。到網(wǎng)上沒有找到引腳庫文件，所以只好自己一個一個定義引腳。

  在編程過程中，發(fā)現(xiàn)直接賦值常數(shù)語句最好用x’b---比較好，否則程序默認常數(shù)為32位，出現(xiàn)警告。在整個模塊中，寄存器值只能在某個always語句中被賦值，否則會出現(xiàn)錯誤。定義的輸入輸出引腳，寄存器引腳也最好使用，否則也會出現(xiàn)警告，若這些變量不需要使用，可以注釋掉，以便不時之需。