基于SOPC的乒乓球游戲設(shè)計(jì)

摘要：在FPGA芯片內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)占空比可調(diào)的方波發(fā)生器，通過(guò)內(nèi)置SOPC對(duì)占空比進(jìn)行控制。輸出兩路方波波形通過(guò)低通濾波器，得到幅度可控的直流信號(hào)用于控制示波器上X軸和Y軸的位置。預(yù)設(shè)小球軌跡從而對(duì)小球的拋射軌跡進(jìn)行設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：SOPC；占空比；FPGA；單片機(jī)

0 引言
FPGA(Field Programmable Gate Array)，現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列。它是繼PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的成果。它作為專(zhuān)用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門(mén)電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。作為一種可編程器件，F(xiàn)PGA與傳統(tǒng)的數(shù)字電路和門(mén)電路相比，它采用邏輯單元陣列的模式，內(nèi)部包含有可配置邏輯模塊、輸出輸入模塊和內(nèi)部連線(xiàn)三個(gè)部分。通過(guò)硬件描述語(yǔ)言(如VHDL語(yǔ)言)完成的電路設(shè)計(jì)，可以通過(guò)綜合與布局，快速燒錄至FPGA芯片上進(jìn)行測(cè)試。
SOPC(System On Programmable Chip)，可編程片上系統(tǒng)。它是用可編程邏輯技術(shù)把整個(gè)系統(tǒng)放到一塊硅片上，用于從事嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)研究和電子測(cè)量處理等領(lǐng)域。SOPC是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)，它既是片上系統(tǒng)(SOC)，即由單個(gè)芯片完成整個(gè)系統(tǒng)的主要邏輯功能，但它又不是簡(jiǎn)單的SOC，也是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計(jì)方式，可裁剪、可擴(kuò)充、可升級(jí)，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。

1 乒乓球游戲玩法介紹
將雙通道示波器作為顯示屏。將兩路信號(hào)輸入示波器中，讓示波器工作在X／Y模式。
單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板上的兩個(gè)按鈕作為控制鍵分別用于左擊球和右擊球，當(dāng)小球接近屏幕左邊時(shí)按下左擊球可將球擊回右側(cè)，右側(cè)擊球亦然。小球可以按照一定的拋物線(xiàn)軌跡自動(dòng)在屏幕上左右運(yùn)動(dòng)，連續(xù)按下兩次擊球鍵能夠擊出高拋球，使球飛行距離增高。當(dāng)球接觸到屏幕邊沿而未按下?lián)羟蜴I則被判定為輸球。

2 實(shí)驗(yàn)器件
Cyclone III(EP3C10E144C8)FPGA實(shí)驗(yàn)板，單片機(jī)P89V51實(shí)驗(yàn)板(含按鍵顯示屏等)，電阻導(dǎo)線(xiàn)若干。
Altera公司生產(chǎn)的Cyclone III FPGA芯片具有低功耗、低成本和高性能等特點(diǎn)。其體系結(jié)構(gòu)包括高達(dá)120K的垂直排列邏輯單元(LE)、以9-Kbit(M9K)模塊構(gòu)成的4Mbits嵌入式存儲(chǔ)器、200個(gè)18x18的嵌入式乘法器。利用TSMC的65nm低功耗(LP)工藝，CycloneⅢFPGA芯片提供豐富的邏輯、存儲(chǔ)器和DSP功能，功耗更低。在可編程邏輯發(fā)展歷史中，Cyclone III FPGA比其他低成本FPGA系列能夠支持實(shí)現(xiàn)更多的應(yīng)用。

3 實(shí)驗(yàn)原理及模塊詳解
用方波發(fā)生器生成兩個(gè)占空比可變的方波，方波經(jīng)過(guò)低通濾波器生成兩個(gè)通道的直流信號(hào)用于控制小球在X軸和Y軸的位置。通過(guò)改變方波占空比從而改變直流信號(hào)的值。用SOPC與單片機(jī)通訊實(shí)現(xiàn)按鍵對(duì)小球運(yùn)動(dòng)的控制。
3．1 方波發(fā)生器生成原理

VHDL語(yǔ)言編寫(xiě)的方波產(chǎn)生tennis模塊代碼的關(guān)鍵部分：

代碼分析：
每當(dāng)輸入時(shí)鐘clk_in變化時(shí)進(jìn)程被觸發(fā)。在進(jìn)程中，每一個(gè)時(shí)鐘上升沿計(jì)數(shù)器變量c0dutytmp加一，在一個(gè)周期內(nèi)，計(jì)數(shù)器小于預(yù)設(shè)值時(shí)輸出低電平，大于預(yù)設(shè)值時(shí)輸出高電平。在設(shè)計(jì)中，我選用的預(yù)設(shè)值為8位，所以在0到255之間給定任意一個(gè)數(shù)作為輸入就可以設(shè)置它的占空比。占空比。而通過(guò)SOPC builder生成的SOPC控制c0duty便可以間接控制其占空比。以上代碼完成了一條通道的控制，另一個(gè)數(shù)據(jù)通道方法類(lèi)似。