CPLD乒乓球模擬—EDA課程設計報告下載

ID:202486 · 發表于 2017-5-19 11:57

前言

EDA是電子設計自動化（Electronic Design Automation）的縮寫，在20世紀90年代初從計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）、計算機輔助測試（CAT）和計算機輔助工程（CAE）的概念發展而來的。EDA技術就是以計算機為工具，設計者在EDA軟件平臺上，用硬件描述語言VHDL完成設計文件，然后由計算機自動地完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合、優化、布局、布線和仿真，

直至對于特定目標芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作。EDA技術在進入21世紀后，得到了更大的發展，突出表現在以下幾個方面：

（1）使電子設計成果以自主知識產權（IP）的方式得以明確表達和確認成為可能。
（2）在仿真驗證和設計兩方面都支持標準硬件描述語言的功能強大的EDA軟件不斷推出。
（3）電子技術全方位進入EDA時代。除了日益成熟的數字技術外，傳統的電路系統設計建模理念發生了重大的變化：軟件無線電技術的崛起，模擬電路系統硬件描述語言的表達和設計的標準化，系統可編程模擬器件的出現，軟硬件技術，軟硬件功能及其結構的進一步融合等。

一、課程設計目的

本課程設計是在《CPLD技術及應用》課程的基礎上，通過軟件編程及仿真調試的實踐，進一步掌握使用Verilog HDL語言描述數字電路的原理和應用方法，是畢業設計前的一次重要實踐，為今后從事EDA設計相關工作崗位打下良好的基礎。

二、設計題目及要求

2.1 設計題目：

乒乓球游戲機數字電路系統設計

2.2 功能實現：

運用狀態機技術完成一個乒乓球游戲機的數字電路系統設計，將游戲雙方的得分通過兩個數碼管進行顯示。

乒乓球游戲規則：

（1）乒乓球游戲雙方各使用1個按鍵為“球拍”，開發板的8個LED用于指示乒乓球移動軌跡，點亮的那個LED為當前乒乓球所在位置。

（2）發球方按下按鍵表示發球，LED燈按一定的時間間隔，依次向對方移動。當LED亮到離對方最近的一個，之后的時間間隔內，對方按下按鍵表示成功接球，接球后LED向對方移動；否則，表示對方輸球。

（3）接球時，LED沒有亮到最近的一個時就按下按鍵，視為犯規，對方加1分。

（4）用兩個數碼管分別表示雙方得分，最先到9分者勝出。

2.3 設計要求：

理解和熟練使用Quartus II軟件、狀態機、頂層文件和例化語句，用Quartus II完成編程和調試，下載到開發板中實現設定的功能，并完成課程設計報告。

1.LED移動間隔為1s。

2.數碼管DP1和DP2用于顯示雙方比分。

三、設計原理說明

3.1 顯示模塊

使用數碼管驅動芯片CH452來驅動各數碼管顯示，兩個數碼管顯示乒乓球游戲雙方的比分。

3.2 乒乓游戲模塊

乒乓球游戲雙方各使用1個按鍵為“球拍”，開發板的8個LED用于指示乒乓球移動軌跡，點亮的那個LED為當前乒乓球所在位置。發球方按下按鍵表示發球，LED燈按一定的時間間隔，依次向對方移動。當LED亮到離對方最近的一個，之后的時間間隔內，對方按下按鍵表示成功接球，接球后LED向對方移動；否則，表示對方輸球。

3.3 按鍵模塊

用兩個按鍵分別表示乒乓球游戲雙方的“球拍”，用一個按鍵作為系統的復位信號。

3.4 設計方案

整個設計方案可以分成時鐘分頻、乒乓球游戲機、顯示數據轉換、數碼管顯示控制和頂層模塊等5大模塊。

時鐘分頻：產生100Khz的輸出時鐘，為其他4個模塊提供時鐘。

乒乓球游戲機：完成乒乓球游戲設計，并將雙方得分輸出給顯示數據轉換模塊。

顯示數據轉換：接收來自乒乓球游戲機模塊和時間數據讀取模塊的得分和時間數據，轉換成數碼管顯示地址和數據。

數碼管顯示控制：接收顯示數據轉換模塊的數據，并送到各數碼管顯示。

頂層模塊：連接各個模塊。

四、軟件設計

（含狀態轉換圖、帶注釋的程序清單）

1.乒乓球游戲機狀態轉換：

S0：復位狀態，判斷發球權。如果左右鍵同時為0或1→S0，如果左鍵為1→S1，如果右鍵為1→S4。

S1：左方發球或成功接球;

S2：球從左方向右方右移；移動過程中，如果右方接球就給左方加一分，并將球權給左方;

S3：判斷右方是否在規定時間內內接球；

S4：右方發球或成功接球;

S5：球從右方向左方左移；移動過程中，如果左方接球就給右方加一分，并將球權給右方;

S6：判斷左方是否在規定時間內接球;

2.各模塊程序設計

（1）時鐘分頻模塊

module clk_div(clk_in, clk_out);
input clk_in;
output clk_out;
reg [25:0] cnter;
reg clk_out;
parameter m=500;
always @(posedge clk_in)
begin
if(cnter == m)
begin
clk_out<=1;
cnter<=0;
end
else
begin
clk_out<=0;
cnter<=cnter+1;
end
end
endmodule

復制代碼

//產生一個時鐘信號，作為其他語句模塊的時鐘輸入。

乒乓球游戲機模塊

[color=rgb(0, 0, 0)]module pingpang(clk,rst,cycle,keyL,keyR,leds,score);
//rst異步復位, keyL和keyR是比賽雙方按鍵
//leds是一排8個發光二極管代表乒乓球運動軌跡
//score是得分的分數
input clk,rst,cycle;
input keyL,keyR;
output leds;
output [7:0] score;
reg [7:0] leds;
reg [3:0] scoreL,scoreR;
reg [2:0] state;
reg clk_out;
reg [16:0] cnter;
wire [3:0] D_ADDR;
wire [7:0] D_DATA;
wire [7:0] score = {scoreL,scoreR};
parameter m=100_000;
parameter s0=3'b000,//復位狀態，也是判斷發球權的狀態;
s1=3'b001,//左方發球或成功接球;
s2=3'b010,//球從左方向右方右移,若此時右方接球就給左方加一分，并將球權給左方;
s3=3'b011,//判斷右方是否在規定時間內內接球
s4=3'b100,//右方發球或成功接球;
s5=3'b101,//球從右方向左方左移；移動過程中，如果左方接球就給右方加一分，并將球權給右方;
s6=3'b110;//判斷左方是否在規定時間內接球;
//游戲邏輯控制
always @(posedge clk or negedge rst)
begin
if(!rst)
begin
clk_out<=0;
cnter<=0;
end
else
begin
if(cnter == m)
begin
clk_out<=1;
cnter<=0;
end
else
begin
clk_out<=0;
cnter<=cnter+1;
end
end
end
//產生一個時鐘脈沖clk_out給下面的語句塊作為時鐘輸入使用。
always @(posedge clk_out or negedge rst )
begin
if(!rst)
begin
state<=s0;
leds<=8'b00000000;
scoreL<=4'b0000;
scoreR<=4'b0000;
end//當rst為0時，使各個變量成為原始狀態。
else
begin
case(state)
s0: begin
leds<=8'b00000000;//使LED燈處于全滅狀態。
scoreL<=4'b0000;
scoreR<=4'b0000;//給左右雙方的分數復位;
if(keyL)
begin
state<=s1;//如果左方獲得發球權，則跳轉到s1狀態。
end
else if(keyR)
state<=s4;//如果右方獲得發球權，則跳轉到s4狀態。
end
s1: begin
if(keyL)
begin
if(leds==8'b00000000)
leds<=8'b10000000;//如果左方發球或成功接球，點亮的燈出現在最左邊。
state<=s2;//跳轉到s2狀態。
end
else if(keyR)
begin
state<=s1;//在這個過程中，如果右方擊球，則LED燈閃爍，表示發生錯誤，狀態一直重復在s1。
end
end
s2: begin
if(leds==8'b00000001)//判斷LED燈是否向右移動到最后一個燈亮。
begin
leds<=leds>>1;//使LED燈向右移動一位。
state<=s3;//進入判斷右方接球的狀態。
end
else
begin
leds<=leds>>1;//使LED燈向右移動一位。
state<=s2;//重復s2狀態。
if(keyR)
begin
scoreL<=scoreL+1;
state<=s1;
leds<=8'b00000000;//如果右方在燈向右移動的過程中擊球，表示右方犯規，左方加一分，球權給左方，并使LED燈復位。
end
end
end
s3: begin
if(keyR)
begin
state<=s4;//右方接球成功，并進入右方發球的s4狀態;
leds<=8'b00000000;//使LED燈復位。
end
else
begin
scoreL<=scoreL+1;
state<=s1;//右方接球不成功，則左方加一分，并進入左方發球的s1狀態;
leds<=8'b00000000;//使LED燈復位。
end
end
s4: begin
if(keyR)
begin
if(leds==8'b00000000)
leds<=8'b00000001;//如果右方發球或成功接球，點亮的燈出現在最右邊。
state<=s5;//跳轉到s5狀態
end
else if(keyL)
begin
state<=s4;//在這個過程中，如果左方擊球，則LED燈閃爍，表示發生錯誤，狀態一直重復在s4。
end
end
s5: begin
if(leds==8'b10000000)//判斷LED燈是否向左移動到最后一個燈亮。
begin
leds<=leds<<1;//使LED燈向左移動一位。
state<=s6;//進入判斷左方接球的狀態;
end
else
begin
leds<=leds<<1;//使LED燈向左移動一位
state<=s5;//重復s5狀態。
if(keyL)
begin
scoreR<=scoreR+1;
state<=s4;
leds<=8'b00000000;//如果左方在燈向左移動的過程中擊球，表示左方犯規，右方加一分，球權給右方，并使LED燈復位。
end
end
end
s6: begin
if(keyL)
begin
state<=s1;//左方接球成功，并進入左方發球的s1狀態;
leds<=8'b00000000;//使LED燈復位。
end
else
begin
scoreR<=scoreR+1;
state<=s4;//左方接球不成功，則右方加一分，并進入右方發球的s4狀態;
leds<=8'b00000000;//使LED燈復位。
end
end
default: state<=s0;
endcase
end
end
endmodule
（3）顯示數據轉換模塊
module tube_data(clk,rst,cycle,score,D_ADDR,D_DATA);
input clk,rst,cycle;
input [7:0] score;
output [3:0] D_ADDR;
output [7:0] D_DATA;
reg [14:0] cnter;
reg [2:0] state;
reg [3:0] D_ADDR;
reg [7:0] D_DATA;
parameter m=250;
always @(posedge clk or negedge rst)
begin
if(!rst)
begin
cnter<=0;
state<=0;//當rst為0時，給各變量賦初值。
end
else
begin
if(cnter==m)
cnter<=0;//每當cnter加到與m相等，使cnter變回0
else
cnter<=cnter+1;
case(cnter)
0 : state<=0;//當cnter為0時，使state為0。
m/2 : state<=1;//當cnter為125時，使state為1。
<font color="rgb(0, 0, 0)">…………限于本文篇幅余下代碼請從51黑下載附件…………</font>

復制代碼

（4）數碼管顯示控制模塊

module ch452 (scl, sda,clk,rst,cycle,DIG_ADDR, DIG_DATA);
input clk,rst;
input [3:0] DIG_ADDR;
input [7:0] DIG_DATA;
output scl,sda,cycle;
reg scl, sda,cycle;
reg [5:0] cnt_cycle;
reg [5:0] CST;
reg [5:0] NST;
reg [5:0] i;
reg [3:0] D_ADDR;
reg [7:0] D_DATA;
parameter DA0 =1'b0;
parameter DA1 =1'b1;
parameter ADDR =1'b1;
parameter s0=0,s1=1,s2=2,s3=3;
always @( posedge clk or negedge rst)
begin
if(!rst)
begin
CST <= s0;
cycle<=0;
i<=0;
end
else
begin
CST <= NST;
if(i==38)
begin
i<=0;
cycle <= 1;
end
else
begin
i<=i+1;
cycle <= 0;
end
end
end
always @ (posedge cycle or negedge rst)
begin
if(!rst) begin
cnt_cycle<=0;
D_ADDR<=4'b0000;
D_DATA<=8'b00000000;//當rst為0時，為數碼管賦初值。
end
else begin
cnt_cycle<=cnt_cycle+1;
if(cnt_cycle==0) begin
D_ADDR<=4'b0100;
D_DATA<=8'b00000001;//數碼管第一次驅動，在第4'b0100個數碼管輸出數值8'b00000001
end
else if(cnt_cycle==1) begin
D_ADDR<=4'b0101;
D_DATA<=8'b10000000;//數碼管第二次驅動，在第4'b0101個數碼管輸出數值8'b10000000
end
else begin
D_ADDR<=DIG_ADDR;
D_DATA<=DIG_DATA;//數碼管第三次驅動，在自己想要的數碼管位置輸出自己想要的值
end
end
end
always @ (CST or D_ADDR or D_DATA or i)
case (CST)
s0 : begin scl = 1; sda = 1; NST <= s1; end//數碼管準備啟動
s1 : begin scl = 1; sda = 0; NST <= s2; end//數碼管開始啟動
s2 : begin scl = 0; sda = 0; NST <= s3; end//數碼管啟動完成
s3 : begin
if(i%2==1) scl=0;
else scl=1;
case ((i-1)/2)
1:sda=DA0;
2:sda=DA1;
3:sda=ADDR;//輸出固定值011。
4:sda=D_ADDR[3];
5:sda=D_ADDR[2];
6:sda=D_ADDR[1];
7:sda=D_ADDR[0];//輸出數碼管位置。
8:sda=0;
9:sda=1;//輸出固定值01。
10:sda=D_DATA[7];
11:sda=D_DATA[6];
12:sda=D_DATA[5];
13:sda=D_DATA[4];
14:sda=D_DATA[3];
15:sda=D_DATA[2];
16:sda=D_DATA[1];
17:sda=D_DATA[0];//輸出數碼管顯示的數字。
18:sda=1;
default:sda=0;
endcase
if(i==38) NST = s0;
else NST = s3;
end
default : begin scl = 1; sda = 1; NST <= s0;end
endcase
endmodule
（5）頂層模塊
module top(clk,rst,keyL,keyR,leds,scl_ch452,sda_ch452);
input keyL,keyR,clk,rst;
output[7:0] leds;
output scl_ch452,sda_ch452;
…………限于本文篇幅余下代碼請從51黑下載附件…………
endmodule

復制代碼

管腳分配說明

設計端口	芯片引腳	開發板模塊
clk	PIN_22	時鐘
rst	PIN_88	SW3，異步復位
keyL	PIN_91	SW1，左方按鍵
keyR	PIN_90	SW2，右方按鍵
scl_rtc	PIN_60	實時時鐘串行時鐘信號
sda_rtc	PIN_64	實時時鐘串行數據信號
scl_ch452	PIN_70	CH452 串行時鐘信號
sda_ch452	PIN_69	CH452 的串行數據信號
leds[0]	PIN_72	LED1
leds[1]	PIN_73	LED2
leds[2]	PIN_74	LED3
leds[3]	PIN_75	LED4
leds[4]	PIN_76	LED5
leds[5]	PIN_77	LED6
leds[6]	PIN_79	LED7
leds[7]	PIN_80	LED8

時間進度安排

序號	設計階段工作內容	時間分配
1	理解題目，理清思路，學習 CH452 和 DS1340 的數據手冊，畫出設計框圖和乒乓球的狀態轉換圖。	1天
2	編寫和調試乒乓球游戲機分數顯示相關模塊，能實現乒乓球雙方得分數據的顯示。	1天
3	編寫和調試乒乓球游戲機球拍控制和乒乓球移動相關模塊	4天
4	完善和優化整個系統，編寫設計報告	2天
5	設計答辯	1天