二维乒乓球——数字电路与逻辑设计实验报告(VHDL)

11.数字电路与逻辑设计实验实验报告姓名：XXX班级：xxxxxxxx学号：xxxxxxxx22一、设计课题的任务要求两人乒乓球游戏机是以8*8点阵作为场地，中间的6*6共36个点作为球台，最外围的一圈点作为球拍移动的轨道，并通过数码管显示双方的局数和比分。双方个通过3个按钮控制球拍的上下移动及发球（场上无球时）。球接触到球拍后会自动改变方向和速度（在一定范围内）。当球在甲方的半场移动出球台范围后，乙方得分，然后重新发球。直到达到规定比分后，比赛结束。（1）以8*8点阵作为场地，中间的6*6共36个点作为球台，最外围的一圈点作为球拍移动的轨道，通过两个按键控制球拍的移动；（2）球的移动速度：在x，y方向上均为0.2s/点~0.6s/点（可为0），会在击球时按一定规则自动改变；（3）通过按钮移动球拍，球拍不能移出自己的半场（8*4）；（4）球出界后，自动判定得分，球从球场中消失，等待下一次发球；（5）用数码管显示局数和比分，参考正式比赛规则，采用7局4胜制：当一方得分超过11分，并超过对方两分时，本局比赛结束，当一方率先赢得4局时，比赛结束，此时数码管保持最终比分。（6）按下复位键，比分清零，双方重新开始比赛；（7）双方按乒乓球比赛规则获得发球权，没有发球权的一方，发球开关无效。33二、系统设计1、设计思路用x，y两坐标表示8*8点的每个点。分别用一组信号表示球和两球拍的坐标，以及球的移动速度。以一定周期（0.1s），改变球的坐标，以达到移动球的目的，用一组信号（xm、ym）记录球经过几个周期（0.1s）在想x或y方向上移动一个点，通过改变这两个信号的大小，即可控制球移动的速度和方向。球拍的移动由按钮控制，鉴于球拍只在最外圈移动，只需要上下两个按钮即可。当球拍在y方向上移动到边缘时，会自动转为在x方向上移动。球拍长度为3个点，只需记录中间点的位置即可。当球与球拍接触时（球的坐标与球拍中心的坐标在x，y两个方向的差均不大于1），根据球与球拍中心的相对位置，改变xm、ym，从而将球击回。当球位于边缘部分时，自动更新比分，并将球的坐标更改为特殊值（x=0），使球在台面上消失。此时发球按钮生效，按下发球按钮后，会将球的坐标及球速按一定规则重置，球再次开始移动。当比分符合一定规则时，将自动清零，并更新局数，有一方局数为4时，时分频器不再提供时钟信号。所有功能停止，系统保持在最后状态，直到复位。系统时钟为50MHz，通过两级分频器分别产生1kHz和10Hz的时钟信号供各模块使用。数码管和8*8点钟使用1kHz的时钟信号，以扫描方式输出，其中球拍和球台与球在不同周期交替显示，以简化系统。1kHz的时钟信号同时用于按键防抖动。10Hz时钟信号用于球的坐标更新以及出界、击球等状态的判定。442、总体框图3、分块设计图554、流程图注：图中梯形表示按键输入5、状态转移图66三、波形仿真及波形分析1、分频器本设计中用到1000Hz和10Hz的时钟信号，采用两级分频器，由50MHz的主时钟信号产生。分频器1：输入50MHz时钟信号，产生1000Hz时钟信号（占空比为调节，为1/50000）77分频器2：输入1000Hz时钟信号（分频器1产生），产生10Hz时钟信号（占空比为调节，为1/100）2、球拍移动本模块集成了按键防抖动功能。lf为向上移动，ri为向下移动，reset重置；1、2表示两名球员。球拍（racket）的坐标（rx1,ry1为球拍1的横纵坐标，rx2,ry2为球拍2的横纵坐标）表示其位置。球拍在8*8场地的最外圈移动，却不会超出各自半场。Reset键按下时，坐标复位883、球台显示根据输入的球坐标（x,y）球拍坐标（racketx,rackety）显示球，球台和球拍。row,colg和colr为控制矩阵显示的输出，输出为扫描方式。特别要指出的是，所有坐标的有效范围均不超过为1-8（特别的x为0不显示球），而球拍只能在8*8矩阵的最外围显示。波形中超出此范围的赋值不予考虑。9910104、数码管输出数码管采用扫描输出，cat1-6（共阴极）分别对应，球员1的局数（innings1），比分的十位、个位（score11，score10），球员2比分的十位、个位（score21，score20），局数（innings2）。app为数码管输出，cat为共阴极，0电平选通。5、球移动由于情况过多，顾不采用枚举法，而通过仿真依次验证其功能。发球后球在两板的中间点间反弹，速度逐渐上升（范围0-5，到达5后不再上升）racketx、y分别为板的横纵坐标，xmo、ymo为两方向上的移动速度，球的坐标以xmo、ymo为速度，按一定周期改变。xo、yo为球的横纵坐标。1111球从板的边缘反弹后，会改变y方向上的速度，达到最外圈（本例中为x=8）后判断为出界，x设为0以记录球在场外，等待下一次发球交换发球权：发球时，将球的坐标设置在板的中间点之前（x=racketx1+1或racketx2-1,y=rackety1或y2），按乒乓球比赛规则，发两次球后交换发球权（此时另一方的发球键无效）开局时，只有player1有发球权。1212此为第三次发球，为player2发球。6、计分模块当球在球台最外围(x，y中有至少一个等于1或8)时判断为出界，并自动更改比分，按乒乓球比赛规则，得分率先超过11分，切高于对方2分时，赢得一局。如始终无法超出对方2分，则率先得到21分者赢得本局。赢得四局后比赛结束。系统停止在最后状态（保持比分），知道按下reset键后方重新运行。score11、score21为十位，score10、score20为个位，innings1、2为局数取值范围x为0到8，y为1到8。超过这个范围的情况不予考虑。1313赢得4局后系统停止，等待reset复位。注：1、上述5、球移动和6、计分模块因多次仿真，故无法提供直接可用的波形文件，如需仿真，请在：报告\分块仿真下找到相应的工程自行按上图设置仿真条件并仿真，以上波形图均为作者如此仿真操作后生成。14142、因本设计较为复杂，采用总体仿真难以设计全面的仿真条件（要考虑球在台上的各种反弹情况），同时也无法直观地观察实验结果以及检查程序中出现的问题（输出为数码管以及8*8点阵的坐标，并且为扫描输出方式，不以观察），故在各模块仿真正确的情况下，不再进行整体仿真四、源程序----------------------------filename:table_tennis--author:ShenKewei--time:2011-10-10--------------------------libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;entitytable_tennisisport(lf1,lf2,ri1,ri2,serve1,serve2:instd_logic;--1,2:twoplayer;lf:moveleft;ri:moveright;hit:hittheball;reset:instd_logic;row:outstd_logic_vector(7downto0);colg,colr:outstd_logic_vector(0to7);--row,colg,colr:8*8outputcat:outstd_logic_vector(1to6);--digitronchioceaap:outstd_logic_vector(0to7);--digitronclk:instd_logic);endtable_tennis;architectureaoftable_tennisissignalcl_1000:std_logic;--1000Hzclocksignalcl_10:std_logic;--10Hzclocksignalx:integerrange0to8;signaly:integerrange1to8;--x,y:coordinatesignalxm:integerrange0to5;signalym:integerrange0to5;--xm,ym:thelengthballmoveatonceinthedirectionsignalxmd,ymd:integerrange0to1;--thedirectioninwhichtheballmovessignalscore10,score11:integerrange0to9;signalscore20,score21:integerrange0to9;--differentdigitalsofbothplayers'scoressignalinnings1,innings2:integerrange0to4;--players'inningssignalrackety1,rackety2:integerrange1to8;signalracketx1:integerrange1to4;signalracketx2:integerrange5to8;--rackets'coordinates1515signalserve_flag1,serve_flag2:integerrange0to2;--flagoftherighttoservesignalhit_flag1,hit_flag2:integerrange0to1;--righttohitconstantspeed:integer:=5;proceduredig(signalnum:inintegerrange0to9;signalout1:outstd_logic_vector(0to7))is--outputofdigitaltubesbegincasenumiswhen0=out1=11111100;when1=out1=01100000;when2=out1=11011010;when3=out1=11110010;when4=out1=01100110;when5=out1=10110110;when6=out1=00111110;when7=out1=11100000;when8=out1=11111110;when9=out1=11100110;endcase;endproceduredig;beginp1:process(clk)--------------------get1000Hzclock------------------variablecount1:integerrange1to50000;beginifclk'eventandclk='1'thenifcount1=50000thencount1:=1;cl_1000='1';elsecount1:=count1+1;cl_1000='0';endif;endif;endprocessp1;P2:process(cl_1000)1616--------------------get10Hzclock------------------variablecount2:integerrange1to100;beginifcl_1000'eventandcl_1000='1'thenifcount2=100thencl_10='1';count2:=1;elsecl_10='0';count2:=count2+1;endif;endif;endprocessp2;p3:process(cl_1000)---------------------8*8output-------------------variablecount3:integerrange1to8;variablecountf:std_logic;--flagofwhettoshowbeginifcl_1000'eventandcl_1000='1'thenifcountf='1'then--showthetableandracketcountf:='0';ifcou