乒乓球游戲機(jī).doc

乒乓球游戲機(jī)作者：指導(dǎo)老師：摘 要: 該乒乓球游戲機(jī)以FPGA為平臺(tái)，F(xiàn)PGA通過(guò)兩條I/O信號(hào)輸出兩組脈寬調(diào)制波，經(jīng)過(guò)低通濾波器提取脈寬調(diào)制的均值電壓，再經(jīng)放大器放大電壓倍數(shù)，輸入到雙通道示波器中。示波器工作在X/Y模式，示波器屏幕上的光點(diǎn)代表乒乓球，乒乓球在X/Y電壓的控制下在屏幕上移動(dòng)。基于FPGA平臺(tái)通過(guò)程序來(lái)控制示波器上乒乓球的移動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)按鈕對(duì)乒乓球的控制，改變乒乓球的移動(dòng)軌跡、速率，實(shí)現(xiàn)成敗機(jī)制等游戲規(guī)則。關(guān)鍵字：FPGA 乒乓球游戲機(jī) 開(kāi)發(fā)板 濾波放大一、方案論證與選擇(一)、題目任務(wù)要求及相關(guān)指標(biāo)分析1、任務(wù)要求用FPGA平臺(tái)構(gòu)造一個(gè)乒乓球游戲機(jī)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示，F(xiàn)PGA通過(guò)兩條I/O信號(hào)輸出兩組脈寬調(diào)制波，經(jīng)過(guò)低通濾波器提取脈寬調(diào)制的均值電壓，輸入到雙通道示波器中。示波器工作在X/Y模式。示波器屏幕上的光點(diǎn)代表乒乓球。乒乓球在X/Y電壓的控制下在屏幕上移動(dòng)。2、基本要求：1）、構(gòu)造兩組無(wú)源低通濾波器，使得FPGA可以用脈寬調(diào)制方式控制球的位置；2）、用給定的運(yùn)放(LM324)制作一放大器，使光點(diǎn)運(yùn)動(dòng)范圍在示波器的X軸，Y軸方向上可調(diào)；3）、乒乓球可按拋物線自動(dòng)在屏幕上左右彈射，球的落點(diǎn)為屏幕兩側(cè)邊的中間。3、擴(kuò)展要求：1）、使用兩個(gè)按鈕分別作為左側(cè)擊球鈕和右側(cè)擊球鈕。當(dāng)乒乓球靠近屏幕左邊時(shí)按下左側(cè)擊球鈕，可將球擊回右側(cè)。右側(cè)擊球鈕亦然；2）、建立成敗機(jī)制，即球抵達(dá)邊沿而未按下?lián)羟蜮o，記為擊球失敗，用LED燈光表示；3）、建立記分機(jī)制，在七段數(shù)碼管上顯示雙方得分；4）、特殊功能，在不調(diào)整放大器的情況下，連按兩下?lián)羟蜮o能擊出高拋球，軌跡拋物線曲率變大；5）、在人眼能分辨的前提下，球的運(yùn)動(dòng)速率可以調(diào)節(jié)。(二)、方案的比較與選擇1、總體方案概述乒乓球游戲機(jī)硬件部分主要包括基于FPGA平臺(tái)的開(kāi)發(fā)板，電源，低通濾波器，放大器，雙通示波器，軟件部分包括。游戲機(jī)的總體設(shè)計(jì)思路基本為，按照題目的要求依次實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊功能，以達(dá)到預(yù)期效果。對(duì)于方案的選擇我們需要做的就是對(duì)硬件、軟件的各個(gè)部分充分了解，清楚不同設(shè)計(jì)方案的基本要求和特點(diǎn)，之后根據(jù)需要以及各部分之間的銜接問(wèn)題，同時(shí)考慮我們已有的知識(shí)和能力，確定最終的方案。2、主要模塊的介紹及方案的比較模塊一：FPGAFPGA（Field Programmable Gate Array 現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列）是在PAL、GAL、PLD等器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物，是專(zhuān)用集成電路（ASIC）中集成度最高的一種。FPGA 可以用VHDL或verilog來(lái)編程，靈活性強(qiáng)，由于能夠進(jìn)行編程、除錯(cuò)、再編程和重復(fù)操作，因此可以充分地進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證。當(dāng)電路有少量改動(dòng)時(shí)，更能顯示出FPGA 的優(yōu)勢(shì)，其現(xiàn)場(chǎng)編程能力可以延長(zhǎng)產(chǎn)品在市場(chǎng)上的壽命，而這種能力可以用來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)或除錯(cuò)。在本題中，F(xiàn)PGA模塊發(fā)揮了功能核心作用，信號(hào)的生成和控制，按鈕對(duì)球的控制，成敗機(jī)制，計(jì)分機(jī)制，球的軌跡的曲率變化，球的運(yùn)動(dòng)速率的變化，都需要通過(guò)基于FPGA的開(kāi)發(fā)板及相應(yīng)的編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。模塊二：濾波器濾波器是對(duì)輸入信號(hào)的頻率具有選擇性的一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，它允許某些頻率的信號(hào)通過(guò)，而其他頻率信號(hào)的幅值要受到衰減或抑制。這些網(wǎng)絡(luò)可以是RLC元件或RC元件構(gòu)成的無(wú)源濾波器，也可以是RC元件和有源器件構(gòu)成的有源濾波器。有源濾波器由集成運(yùn)放和R、C組成，具有不用電感、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。集成運(yùn)放的開(kāi)環(huán)電壓增益和輸入阻抗均很高，輸出電阻小，構(gòu)成有源濾波電路后還具有一定的電壓放大和緩沖作用。本題要求為構(gòu)造兩組無(wú)源低通濾波器，使得FPGA可以用脈寬調(diào)制方式控制球的位置，由此可見(jiàn)本游戲機(jī)的設(shè)計(jì)對(duì)于濾波器部分要求不是很高。此時(shí)確定可用元件為RLC，我們選用RC濾波電路來(lái)實(shí)現(xiàn)題目要求。（元件的選擇）模塊三：放大器放大器是能把輸入信號(hào)的電壓或功率放大的裝置，由電子管或晶體管、電源變壓器和其他電器元件組成。放大器的放大作用是通過(guò)輸入信號(hào)控制能源來(lái)實(shí)現(xiàn)的，放大所需功耗由能源提供。對(duì)于線性放大器，輸出就是輸入信號(hào)的復(fù)現(xiàn)和增強(qiáng)。對(duì)于非線性放大器，輸出則與輸入信號(hào)成一定函數(shù)關(guān)系。按照本題要求，用給定的運(yùn)放(LM324)制作一放大器，使光點(diǎn)運(yùn)動(dòng)范圍在示波器的X軸，Y軸方向上可調(diào)。LM324為四運(yùn)放集成電路，采用14 腳雙列直插塑料封裝，內(nèi)部有四個(gè)運(yùn)算放大器，有相位補(bǔ)償電路。電路功耗很小，LM324工作電壓范圍寬，可用正電源330V，或正負(fù)雙電源15V15V 工作。它的輸入電壓可低到地電位，而輸出電壓范圍為Vcc。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互單獨(dú)。在此限定下，以下有兩種方案可供選擇。（階數(shù)的選擇）模塊四：示波器我們可用的示波器有兩種，數(shù)字示波器和模擬示波器。一：數(shù)字示波器是數(shù)據(jù)采集，A/D轉(zhuǎn)換，軟件編程等一系列的技術(shù)制造出來(lái)的高性能示波器?，F(xiàn)代數(shù)字存儲(chǔ)示波器首先對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行高速采樣獲得相應(yīng)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)并存儲(chǔ)。用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)采樣得到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理與運(yùn)算，從而獲得所需的各種信號(hào)參數(shù)（包括可能需要使用萬(wàn)用表測(cè)試的一些元器件電氣參數(shù)）。根據(jù)得到的信號(hào)參數(shù)繪制信號(hào)波形，并可對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的、瞬態(tài)的分析，以方便用戶了解信號(hào)質(zhì)量，快速準(zhǔn)確地進(jìn)行故障的診斷。此外，數(shù)字示波器一般支持多級(jí)菜單，能提供給用戶多種選擇，多種分析功能。由此可見(jiàn)，數(shù)字濾波器具有操作簡(jiǎn)單，功能齊全，顯示明了等優(yōu)點(diǎn)。但數(shù)字濾波器并不是直接顯示信號(hào)的物理量，而是通過(guò)一系列的變換來(lái)獲取信號(hào)參數(shù)，依據(jù)參數(shù)繪制波形，缺點(diǎn)怎么說(shuō)，為什么不能選用。二：模擬示波器，采用的是模擬電路（示波管，其基礎(chǔ)是電子槍?zhuān)╇娮訕屜蚱聊话l(fā)射電子，發(fā)射的電子經(jīng)聚焦形成電子束，并打到屏幕上，屏幕的內(nèi)表面涂有熒光物質(zhì)，這樣電子束打中的點(diǎn)就會(huì)發(fā)出光來(lái)。從模擬示波器的顯示原理上來(lái)看，其功能沒(méi)有數(shù)字示波器齊全，使用起來(lái)沒(méi)有數(shù)字示波器便捷，但模擬示波器是直接顯示輸入信號(hào)的物理量，能更直接的顯示本題所要達(dá)到的效果。最后，我們選擇模擬示波器作為游戲機(jī)的顯示平臺(tái)。3、方案的確定通過(guò)以上各個(gè)模塊方案的分析，根據(jù)本題要求，可以確定每個(gè)模塊的最佳方案，之后結(jié)合各個(gè)模塊之間的銜接問(wèn)題、可行性等多方面因素，綜合分析，最后確定本設(shè)計(jì)的方案。2、 系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)方框圖和各部分介紹(一)、系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)方框圖FPGA無(wú)源低通濾波無(wú)源低通濾波放大器放大器示波器PWM波1PWM波2直流直流X Y（方框圖還缺少哪些）用FPGA平臺(tái)構(gòu)造一個(gè)乒乓球游戲機(jī),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示。FPGA通過(guò)兩條I/O信號(hào)輸出兩組脈寬調(diào)制波，經(jīng)過(guò)低通濾波器提取脈寬調(diào)制的均值電壓，再經(jīng)過(guò)放大器，輸入到雙通道示波器中。示波器工作在X/Y模式，示波器屏幕上的光點(diǎn)代表乒乓球，乒乓球在X/Y電壓的控制下在屏幕上移動(dòng)。（二）、各部分介紹1、 FPGA2、 電