基于SOPC的乒乓球游戏设计

摘要：在FPGA芯片内部产生一个占空比可调的方波发生器，通过内置SOPC对占空比进行控制。输出两路方波波形通过低通滤波器，得到幅度可控的直流信号用于控制示波器上X轴和Y轴的位置。预设小球轨迹从而对小球的抛射轨迹进行设计。
关键词：SOPC；占空比；FPGA；单片机

0 引言
    FPGA(Field Programmable Gate Array)，现场可编程门阵列。它是继PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的成果。它作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。作为一种可编程器件，FPGA与传统的数字电路和门电路相比，它采用逻辑单元阵列的模式，内部包含有可配置逻辑模块、输出输入模块和内部连线三个部分。通过硬件描述语言(如VHDL语言)完成的电路设计，可以通过综合与布局，快速烧录至FPGA芯片上进行测试。
    SOPC(System On Programmable Chip)，可编程片上系统。它是用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上，用于从事嵌入式系统的系统研究和电子测量处理等领域。SOPC是一种特殊的嵌入式系统，它既是片上系统(SOC)，即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能，但它又不是简单的SOC，也是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁剪、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。

1 乒乓球游戏玩法介绍
    将双通道示波器作为显示屏。将两路信号输入示波器中，让示波器工作在X／Y模式。
    单片机实验板上的两个按钮作为控制键分别用于左击球和右击球，当小球接近屏幕左边时按下左击球可将球击回右侧，右侧击球亦然。小球可以按照一定的抛物线轨迹自动在屏幕上左右运动，连续按下两次击球键能够击出高抛球，使球飞行距离增高。当球接触到屏幕边沿而未按下击球键则被判定为输球。

2 实验器件
    Cyclone III(EP3C10E144C8)FPGA实验板，单片机P89V51实验板(含按键显示屏等)，电阻导线若干。
    Altera公司生产的Cyclone III FPGA芯片具有低功耗、低成本和高性能等特点。其体系结构包括高达120K的垂直排列逻辑单元(LE)、以9-Kbit(M9K)模块构成的4Mbits嵌入式存储器、200个18x18的嵌入式乘法器。利用TSMC的65nm低功耗(LP)工艺，CycloneⅢFPGA芯片提供丰富的逻辑、存储器和DSP功能，功耗更低。在可编程逻辑发展历史中，Cyclone III FPGA比其他低成本FPGA系列能够支持实现更多的应用。

3 实验原理及模块详解
    用方波发生器生成两个占空比可变的方波，方波经过低通滤波器生成两个通道的直流信号用于控制小球在X轴和Y轴的位置。通过改变方波占空比从而改变直流信号的值。用SOPC与单片机通讯实现按键对小球运动的控制。
3．1 方波发生器生成原理
   

    VHDL语言编写的方波产生tennis模块代码的关键部分：
   

    代码分析：
    每当输入时钟clk_in变化时进程被触发。在进程中，每一个时钟上升沿计数器变量c0dutytmp加一，在一个周期内，计数器小于预设值时输出低电平，大于预设值时输出高电平。在设计中，我选用的预设值为8位，所以在0到255之间给定任意一个数作为输入就可以设置它的占空比。占空比

。而通过SOPC builder生成的SOPC控制c0duty便可以间接控制其占空比。以上代码完成了一条通道的控制，另一个数据通道方法类似。
3．2 直流信号生成方法
    生成直流信号的方法很多。在此论述几种常见方法。
    第一种是通过D／A芯片。市场上D／A芯片较多，如DAC0832，DAC0809等。这种方法原理简单，只需给定恒定的数字值便可以轻松控制输出直流波形的电压值。出于成本考虑，我们转而另一种方法。
    第二种方法是低通滤波法。例如当方波占空比为100％时可当作是直流高电平信号。而占空比为0表示零电平。将一定占空比的直流信号经过低通滤波器，经过计算可知占空比对于输出信号的电平高低成线性关系。所以我们可以利用这点来完成电平控制。
3．3 击球控制
    运用单片机与FPGA实验板之间的通讯完成击球命令的传递。常见的通讯方法：串口通讯和并口通讯。
    并口通讯虽然使用简单，但是速度较慢，占用管脚较多，实现功能受到位数限制，可以完成的指令较少。于是利用串口通讯。在Quartus软件下运行SOPC Builder生成SOPC并为其添加UART功能。设置波特率为9600。利用SOPC的txd和rxd两个端口与单片机的串口端相连接。于是便可以在程序中加入串口接收中断并且在中断服务函数中完成大量工作。以下编码全部用C语言完成。

    SOPC内部中断服务函数：
   

   

    代码分析：
    首先简单介绍Avalon总线。SOPC Builder自动生成的Avalon交换架构是针对系统处理器和外设的专用互联需求进行优化。Avalon总线可以连接许多外部设备，如定时器／计数器，外部三态桥接，外部SRAM接口，UART，LCD接口，用户逻辑接口JTAG，UARTC，并行I／O等。代码中，IOWR_ALTERA_AVALON_UART_STATUS()函数可以完成向串口发送数据的任务，IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA()函数则可以给内部工程发送并行数据，控制占空比的值。
    在中断服务函数中，通过设置标志位变量flag辨别是否为双击命令。在确定击球方式后生成cmd的四种状态。cmd为全局变量，在main()函数中实现状态的选择。
3．4 小球运动程序
   

   

    程序分析：
    该段程序是主函数main()的关键部分，其中数组xlabel[50]是小球在X轴方向的运动轨迹，轨迹方程是xlabel=i×5。数组ylabel[50]和ylabel2[50]是小球在Y方向的两个轨迹，轨迹方程分别为ylabel=-0．007i2+1．792i和ylabel2=-0．013i2+3．328i，其中i是小球运动的变量，在for循环函数中匀速增加或减小。当出现break时小球运动方向改变。当i=0或者i=49时，说明小球触壁却没能遭到有效击球，判定一方得分，通过UART发送指令在单片机上显示比分。delay()函数用来控制小球的运动速度。

4 实验结果
    将程序烧写到FPGA芯片内部，在Nios II开发环境下运行Run as NiosⅡHardware。把低通滤波器的两个输出通道分别接到双踪示波器的输入端。观察到示波器上显示出小球沿着抛物线轨迹来回运动，并可以通过按键实现击球命令改变小球运动。

5 结束语
    本实验可以进行适当改进。比如小球轨迹可以选用三个或三个以上更加丰富的轨道码表，这样小球的运动轨迹将更加多样。还可以设立对游戏难度的设置，改变对小球的运动速度，这个想法可以在中断服务函数通过对delay()函数进行实参的变换而实现。