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1.FPGA 乒乓球游戏机设计

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*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。 此模块设计中，发球权数码管的信号控制受多个时钟的控制，即开始比赛开关start和计分值sum_sc0信号，这在VHDL编程语言中无法用一个进程实现，必须将两个信号组合成一个时钟信号，并统一两个时钟的触发沿。因此*时钟触发方式如图3所示的fqq_en信号。为满足这种时序要求，借助计分总和次低位sum_sc1信号设计entity sum_sc_mod2，由于start和sum_sc1的频率都远低于系统时钟信号clk频率，则可借助clk高频信号捕捉其边沿产生新的时钟信号fqq_en，并产生其计数值，仿真波形如图4(a)所示。为保证发球权数码管显示正确，设计entitv led_fqq_ctl在fqq_en下降沿时，根据其计数值产生相应的数码管输出信号led_fqq，仿真波形如图4(b)所示。 发球权控制器的VHDL核心程序如下：2．3 乒乓球位置控制、甲乙计分、犯规音响控制 乒乓球位置控制电路为FPGA控制端的核心，依据比赛规则，采用了Mealy型状态机来实现，大大降低了设计难度。状态机共定义了7个状态，各状态定义如表1所示，状态转换如图5所示，转换条件如表2所示，具体程序如下。 3 顶层模块仿真测试 由于篇幅限制，本系统中的分频器、译码器等常用模块的设计就不再此赘述，最终顶层原理图设计如图6所示，仿真波形如图7所示，分析波形可知，图中开始比赛信号产生后，首次发球权方为乙方，甲方发球造成犯规音响电路鸣响，即speaker信号为高电平，然后乙方发球，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信号为“0110000”，注意，此处输出为驱动数码管输出信号，代表数字“1”。通过仿真可知，该系统设计满足游戏机比赛规则要求。4 结语 采用VHDL语言编程，基于FPGA成功设计了一款乒乓球比赛游戏机，通过仿真验证可知，结果满足设计需求，系统具有发球权控制、自动计分、犯规提示等多种功能，能有效模拟实际乒乓球比赛。该系统进一步改进思路为：改用人体感应传感器来采集击球信号，采用FPGA产生视频信号传送到电视机或监视器，更直观地展示乒乓球运动轨迹，从而真正实现人机互动，优化虚拟效果。

2.乒乓球比赛游戏机的设计原理图

 一、目 的 • 熟悉与使用移位寄存器芯片 74 LS 194 。 •  巩固已经掌握的数字电路设计与实验技能。 二、实验说明 1•  74 LS 194 的功能 74 LS 194 为四位双向移位寄存器，它具有左移、右移、保持、串行和并行输入等多种功能。它的管脚排列见附录。表 1 是它的功能表。 功能说明： (1)•  当 S 1 = S 0 =1 时，不管各输入端原来是什么状态，在下一个时脉冲到来时，其输出分别是预先输入到并行输入端的 abcd ，这种方式叫送数。(2)•  当 S 1 =0 ， S 0 =1 时，其工作方式叫右移，这时，每来一个时钟脉冲，输出端的数各向右移一位，而 Q A 端的输出则由加到 R 端的数来补充。 (3)•  当 S 1 =1 ， S 0 =0 时，其工作方式叫左移，情况正好与右移相反； Q D 端的输出由加到 L 端的数来补充。 (4)•  当 S 1 = S 0 =0 时，不管是否有 CP 脉冲作用，输出保持不变，这叫保持方式。 CP=0 时也是保持方式。 将 74LS194 接成图 3-22-1 所示实验电路时，可以检验其各种功能。 2•  乒乓球游戏机 以八个发光二极管做为球，每次点亮一个发光二极管，做为乒乓球运行的当前位置。 以两个防抖开关作为球拍，由游戏者（甲、乙）各控制一个，按下开关表示击球。甲乙双方各有一个记分牌，由一个数码管显示双方的得分，胜一球累加一分， 15 分为一局。 球的运行速度可以在赛前预置。 进行比赛的过程和记分规则可以用图 3-22-2 所示流程图描述。 三、预习要求 按图 3-22-2 所示流程图，用移位寄存器、 J-K 触发器、与非门、或非门、防抖开关、计数器等设计一个乒乓球游戏机，希望把电路设计成独立的两部分：甲（乙）发球及球向乙（甲）方移动的部分及甲（乙）方加分的部分，以便安装及单独调整。 建议如下： 1•  用两个 74LS194 双向移位寄存器的八个输出各控制一个 LED 发光二极管，用高电平的左移和右移，依次点亮八个发光二极管之一，以表示乒乓球的移动。 2•  用一个 J-K 触发器和两个门电路给出 01 、 10 和 11 三种状态，用它们去控制移位寄存器的 S 1 和 S 0 端，以实现左移、右移及送数（发球）。 3•  J-K 触发器的 J 、 K 端由防抖开关（球拍）及移位寄存器最左边一位和最右边一位的电平来控制：防抖开关未按下时， J-K 触发器的状态不变。按下一个防抖开关，同时移位寄存器最左或最右边一位达高电平时（发光二极管亮，表示乒乓球到达*位置）， J 或 K 端应等于 1 ，使 J-K 触发器翻转，以改变移位寄存器的移位方向。 4•  发球之前要将移位寄存器请零。 5•  记分电路仍由防抖开关及移位寄存器的输出控制：按下一个防抖开关，移位寄存器最左或最右边一位未达到高电平时，应该给对方加分。加分后，移位寄存器应该停止运动（断开时钟信号）。建议采用二进制计数器 74LS93 进行计数，其功能及管脚接法见附录。 设计记分电路时还应考虑：①发球时，计数器不应动作。②应能清零。③怎样用记分的信号去断开时钟信号，使移位寄存器处于保持状态。 6•  在实验箱上有时钟信号和防抖开关，不必另行设计。 看了上述建议并经过认真考虑之后，如果还设计不出来的话，可参看本实验之末所附的参考电路及逻辑关系式。 四、实验要求 1•  检查所给双向移位寄存器 74LS194 的各种功能。 2•  搭接乒乓球游戏机的发球及移位控制部分，检查它是否能实现：①清零后，甲（乙）发球及球向乙（甲）方移动。②乙（甲）未击球时，球继续按原来方向移动。③击球后，如果球已到*位置，则改变原来的移位方向，若球未到*位置，则位移方向不变。 3•  以上要求满足后，可搭接甲乙双方的记分电路。 4•  将两部分联试。 若时间来不及可以不做 3 、 4 两部分内容。以下提供的芯片其管脚排列图见附录。 五、提供的芯片 74LS00 2 片 74LS27 1 片 74LS04 1 片 74LS73 1 片 74LS10 1 片 74LS74 1 片 74LS20 1 片 74LS93 2 片 74LS194 2 片 六、总结报告要求 画出逻辑原理图，并简要说明设计思想，写出实验后的心得体会。 七、参考电路 图 3-22-3 为控制点亮的发光二极管（即“乒乓球”）位移的电路， CLR 为移位寄存器的清零。 K L (L) 和 K R (L) 为防抖开关，用作甲乙双方的“球拍”，常态为低电平。球拍用于击球或发球。发球前，移位寄存器先要清零。 控制“球”的位移方向的是 J-K 触发器的 J 、 K 端。根据图 3-22-2 所示流程图的要求， J 和 K 的逻辑式为 信号 Y 用来控制发球，球运行时 S 1 =1,S 0 =0 或 S 1 =0,S 0 =1, 这时 Y=1 ；发球时 S 1 =1,S 0 =1, 移位寄存器已清零并处于送数状态，这时 Y=0 ， Y 的逻辑式为 记分电路中采用 74LS93 计数器记分。输入到左边的计数器的计数信号为 式中把与 S 0 Y 相与，可防止发球时和击球后误记分。右边的计数电路与此类似。流程图中还要求：击球失误，给对方加分，球停止运动。这相当于移位寄存器处于保持状态。图 3-22-3 的电路只能给出左移、右移和送数三种状态，所以可用断开时钟脉冲的方法，使移位寄存器达到保持状态，使球停止运行。

3.急求数字电子课程设计乒乓球比赛游戏机总结 收获 体会~~

通过此次课程设计，我们了解了模拟电路基本设计方法,对Multisim仿真软件有了初步的了解和认识，使用Multisim仿真软件，可以让我们在虚拟的环境中进行实验，不需要真实电路环境的介入，不必顾及仪器设备的短缺与时间环境的限制，能够极大的提高实验的效率。这次数电课程设计,虽然短暂但是让我得到多方面的提高:1、提高了我们的逻辑思维能力，使我们在逻辑电路的分析与设计上有了很大的进步。加深了我们对组合逻辑电路与时序逻辑电路的认识，进一步增进了对一些常见逻辑器件的了解。另外，我们还更加充分的认识到，数字电路这门课程在科学发展中的至关重要性2，查阅参考书的独立思考的能力以及培养非常重要，我们在设计电路时，遇到很多不理解的东西，有的我们通过查阅参考书弄明白，有的通过网络查到，但由于时间和资料有限我们更多的还是独立思考。3，相互讨论共同研究也是很重要的，经常出现一些问题，比如电路设计中的控制器的设计，以及乒乓球游戏机怎样计分等的分析。还使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟*次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固

4.设计乒乓球比赛游戏机的原理图

实验二十二 乒乓球游戏机 一、目 的 ?? 熟悉与使用移位寄存器芯片 74 LS 194 。 ?? 巩固已经掌握的数字电路设计与实验技能。 二、实验说明 1?? 74 LS 194 的功能 74 LS 194 为四位双向移位寄存器，它具有左移、右移、保持、串行和并行输入等多种功能。它的管脚排列见附录。表 1 是它的功能表。 功能说明: (1)?? 当 S 1 = S 0 =1 时，不管各输入端原来是什么状态，在下一个时脉冲到来时，其输出分别是预先输入到并行输入端的 abcd ，这种方式叫送数。(2)?? 当 S 1 =0 ， S 0 =1 时，其工作方式叫右移，这时，每来一个时钟脉冲，输出端的数各向右移一位，而 Q A 端的输出则由加到 R 端的数来补充。 (3)?? 当 S 1 =1 ， S 0 =0 时，其工作方式叫左移，情况正好与右移相反; Q D 端的输出由加到 L 端的数来补充。 (4)?? 当 S 1 = S 0 =0 时，不管是否有 CP 脉冲作用，输出保持不变，这叫保持方式。 CP=0 时也是保持方式。 将 74LS194 接成图 3-22-1 所示实验电路时，可以检验其各种功能。 2?? 乒乓球游戏机 以八个发光二极管做为球，每次点亮一个发光二极管，做为乒乓球运行的当前位置。 以两个防抖开关作为球拍，由游戏者(甲、乙)各控制一个，按下开关表示击球。甲乙双方各有一个记分牌，由一个数码管显示双方的得分，胜一球累加一分， 15 分为一局。 球的运行速度可以在赛前预置。 进行比赛的过程和记分规则可以用图 3-22-2 所示流程图描述。 三、预习要求 按图 3-22-2 所示流程图，用移位寄存器、 J-K 触发器、与非门、或非门、防抖开关、计数器等设计一个乒乓球游戏机，希望把电路设计成独立的两部分:甲(乙)发球及球向乙(甲)方移动的部分及甲(乙)方加分的部分，以便安装及单独调整。 建议如下: 1?? 用两个 74LS194 双向移位寄存器的八个输出各控制一个 LED 发光二极管，用高电平的左移和右移，依次点亮八个发光二极管之一，以表示乒乓球的移动。 2?? 用一个 J-K 触发器和两个门电路给出 01 、 10 和 11 三种状态，用它们去控制移位寄存器的 S 1 和 S 0 端，以实现左移、右移及送数(发球)。 3?? J-K 触发器的 J 、 K 端由防抖开关(球拍)及移位寄存器最左边一位和最右边一位的电平来控制:防抖开关未按下时， J-K 触发器的状态不变。按下一个防抖开关，同时移位寄存器最左或最右边一位达高电平时(发光二极管亮，表示乒乓球到达*位置)， J 或 K 端应等于 1 ，使 J-K 触发器翻转，以改变移位寄存器的移位方向。 4?? 发球之前要将移位寄存器请零。 5?? 记分电路仍由防抖开关及移位寄存器的输出控制:按下一个防抖开关，移位寄存器最左或最右边一位未达到高电平时，应该给对方加分。加分后，移位寄存器应该停止运动(断开时钟信号)。建议采用二进制计数器 74LS93 进行计数，其功能及管脚接法见附录。 设计记分电路时还应考虑:①发球时，计数器不应动作。②应能清零。③怎样用记分的信号去断开时钟信号，使移位寄存器处于保持状态。 6?? 在实验箱上有时钟信号和防抖开关，不必另行设计。 看了上述建议并经过认真考虑之后，如果还设计不出来的话，可参看本实验之末所附的参考电路及逻辑关系式。 四、实验要求 1?? 检查所给双向移位寄存器 74LS194 的各种功能。 2?? 搭接乒乓球游戏机的发球及移位控制部分，检查它是否能实现:①清零后，甲(乙)发球及球向乙(甲)方移动。②乙(甲)未击球时，球继续按原来方向移动。③击球后，如果球已到*位置，则改变原来的移位方向，若球未到*位置，则位移方向不变。 3?? 以上要求满足后，可搭接甲乙双方的记分电路。 4?? 将两部分联试。 若时间来不及可以不做 3 、 4 两部分内容。以下提供的芯片其管脚排列图见附录。 五、提供的芯片 74LS00 2 片 74LS27 1 片 74LS04 1 片 74LS73 1 片 74LS10 1 片 74LS74 1 片 74LS20 1 片 74LS93 2 片 74LS194 2 片 六、总结报告要求 画出逻辑原理图，并简要说明设计思想，写出实验后的心得体会。 七、参考电路 图 3-22-3 为控制点亮的发光二极管(即“乒乓球”)位移的电路， CLR 为移位寄存器的清零。 K L (L) 和 K R (L) 为防抖开关，用作甲乙双方的“球拍”，常态为低电平。球拍用于击球或发球。发球前，移位寄存器先要清零。 控制“球”的位移方向的是 J-K 触发器的 J 、 K 端。根据图 3-22-2 所示流程图的要求， J 和 K 的逻辑式为 信号 Y 用来控制发球，球运行时 S 1 =1,S 0 =0 或 S 1 =0,S 0 =1, 这时 Y=1 ;发球时 S 1 =1,S 0 =1, 移位寄存器已清零并处于送数状态，这时 Y=0 ， Y 的逻辑式为 记分电路中采用 74LS93 计数器记分。输入到左边的计数器的计数信号为 式中把与 S 0 Y 相与，可防止发球时和击球后误记分。右边的计数电路与此类似。流程图中还要求:击球失误，给对方加分，球停止运动。这相当于移位寄存器处于保持状态。图 3-22-3 的电路只能给出左移、右移和送数三种状态，所以可用断开时钟脉冲的方法，使移位寄存器达到保持状态，使球停止运行。图 3-22-4 为 一种可行的方案。

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