可編程邏輯器件FPGA以其開發(fā)周期短、成本低、功耗低、可靠性高等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于通信、航空、醫(yī)療等領(lǐng)域，近年來在消費(fèi)電子領(lǐng)域中的應(yīng)用也日漸增加。為進(jìn)一步挖掘FPGA在家庭娛樂如游戲機(jī)開發(fā)與應(yīng)用中的巨大商機(jī)，介紹了一款以Altera公司FPGA芯片為控制核心，附加少量外圍電路組成的乒乓球比賽游戲機(jī)。整個系統(tǒng)設(shè)計模塊劃分清晰：包括裁判端、選手端、控制端、顯示端及模擬乒乓球臺；功能齊全：包括發(fā)球權(quán)控制、犯規(guī)提示、局?jǐn)?shù)比分顯示等，模擬實際乒乓球比賽相似程度高。采用了VHDL語言編程實現(xiàn)，在QuartusⅡ8．1集成環(huán)境下進(jìn)行了模擬仿真，結(jié)果表明在設(shè)定的比賽規(guī)則下，游戲機(jī)運(yùn)行正常，通過進(jìn)一步優(yōu)化可將其商品化，推入市場。

1 系統(tǒng)組成

乒乓球比賽游戲機(jī)的組成如圖1所示。比賽規(guī)則約定：五局三勝；11分一局；裁判發(fā)出比賽開始信號，觸發(fā)FPGA內(nèi)部隨機(jī)數(shù)發(fā)生器模塊產(chǎn)生首次發(fā)球權(quán)方；比賽進(jìn)行中，選手連續(xù)兩次獲得發(fā)球權(quán)后，發(fā)球權(quán)交予對方，如未獲發(fā)球權(quán)方發(fā)球，裁判端犯規(guī)音響電路鳴響；13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(yùn)動在球臺中點至對方終點之間時，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。

2 功能模塊設(shè)計

圖1中，基于FPGA設(shè)計的控制端為整個系統(tǒng)的核心，其內(nèi)部主要由簡易隨機(jī)數(shù)發(fā)生器、發(fā)球權(quán)控制器、乒乓球位置控制器、甲乙方計分控制器、犯規(guī)音響控制器等模塊組成。整個控制端采用模塊化設(shè)計，先用VHDL語言編寫功能模塊，然后用頂層原理圖將各功能模塊連接起來。設(shè)計的難點在于協(xié)調(diào)各模塊工作，嚴(yán)格遵守各信號間時序關(guān)系。本系統(tǒng)采用1 kHz系統(tǒng)時鐘。

2．1 簡易隨機(jī)數(shù)發(fā)生器

比賽首次發(fā)球權(quán)由隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)決定，其隨機(jī)性要求不嚴(yán)，因此，采用非常簡單的模式產(chǎn)生，即一旦FPGA上電，系統(tǒng)時鐘百分頻產(chǎn)生一方波信號square，當(dāng)裁判閉合開始比賽開關(guān)產(chǎn)生start信號上升沿時，讀取此時square信號值作為隨機(jī)數(shù)發(fā)生器輸出randq。模塊仿真如圖2所示，結(jié)果滿足設(shè)計要求。此模塊設(shè)計時保證了square信號周期應(yīng)遠(yuǎn)大于start信號上升沿建立時間，保證隨機(jī)數(shù)據(jù)的正確讀取。

2．2 發(fā)球權(quán)控制器

發(fā)球權(quán)控制器的控制過程為：如果按下復(fù)位按鈕，發(fā)球權(quán)數(shù)碼管顯示8，否則，開始比賽開關(guān)閉合時，顯示隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的值（0或1，0代表甲方、1代表乙方）。而在比賽中，為遵守發(fā)球權(quán)交換規(guī)則，設(shè)計甲乙雙方計分器總和信號sum_sc是不為0的偶數(shù)時（即計分總和最低位sum_sc0下降沿到來時），發(fā)球權(quán)數(shù)碼管顯示由0變?yōu)?或由1變?yōu)?。

此模塊設(shè)計中，發(fā)球權(quán)數(shù)碼管的信號控制受多個時鐘的控制，即開始比賽開關(guān)start和計分值sum_sc0信號，這在VHDL編程語言中無法用一個進(jìn)程實現(xiàn)，必須將兩個信號組合成一個時鐘信號，并統(tǒng)一兩個時鐘的觸發(fā)沿。因此最佳時鐘觸發(fā)方式如圖3所示的fqq_en信號。為滿足這種時序要求，借助計分總和次低位sum_sc1信號設(shè)計entity sum_sc_mod2，由于start和sum_sc1的頻率都遠(yuǎn)低于系統(tǒng)時鐘信號clk頻率，則可借助clk高頻信號捕捉其邊沿產(chǎn)生新的時鐘信號fqq_en，并產(chǎn)生其計數(shù)值，仿真波形如圖4（a）所示。為保證發(fā)球權(quán)數(shù)碼管顯示正確，設(shè)計entitv led_fqq_ctl在fqq_en下降沿時，根據(jù)其計數(shù)值產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)碼管輸出信號led_fqq，仿真波形如圖4（b）所示。

發(fā)球權(quán)控制器的VHDL核心程序如下：

2．3 乒乓球位置控制、甲乙計分、犯規(guī)音響控制

乒乓球位置控制電路為FPGA控制端的核心，依據(jù)比賽規(guī)則，采用了Mealy型狀態(tài)機(jī)來實現(xiàn)，大大降低了設(shè)計難度。狀態(tài)機(jī)共定義了7個狀態(tài)，各狀態(tài)定義如表1所示，狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖5所示，轉(zhuǎn)換條件如表2所示，具體程序如下。

3 頂層模塊仿真測試

由于篇幅限制，本系統(tǒng)中的分頻器、譯碼器等常用模塊的設(shè)計就不再此贅述，最終頂層原理圖設(shè)計如圖6所示，仿真波形如圖7所示，分析波形可知，圖中開始比賽信號產(chǎn)生后，首次發(fā)球權(quán)方為乙方，甲方發(fā)球造成犯規(guī)音響電路鳴響，即speaker信號為高電平，然后乙方發(fā)球，乒乓球依次移位，甲方接球成功后乙方未接球成功，甲方得分，cnta信號為“0110000”，注意，此處輸出為驅(qū)動數(shù)碼管輸出信號，代表數(shù)字“1”。通過仿真可知，該系統(tǒng)設(shè)計滿足游戲機(jī)比賽規(guī)則要求。

4 結(jié)語

采用VHDL語言編程，基于FPGA成功設(shè)計了一款乒乓球比賽游戲機(jī)，通過仿真驗證可知，結(jié)果滿足設(shè)計需求，系統(tǒng)具有發(fā)球權(quán)控制、自動計分、犯規(guī)提示等多種功能，能有效模擬實際乒乓球比賽。該系統(tǒng)進(jìn)一步改進(jìn)思路為：改用人體感應(yīng)傳感器來采集擊球信號，采用FPGA產(chǎn)生視頻信號傳送到電視機(jī)或監(jiān)視器，更直觀地展示乒乓球運(yùn)動軌跡，從而真正實現(xiàn)人機(jī)互動，優(yōu)化虛擬效果。