CPLD乒乓球模拟—EDA课程设计报告下载

ID:202486 · 发表于 2017-5-19 11:57

前言

EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写，在20世纪90年代初从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言VHDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，

直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。EDA技术在进入21世纪后，得到了更大的发展，突出表现在以下几个方面：

（1）使电子设计成果以自主知识产权（IP）的方式得以明确表达和确认成为可能。
（2）在仿真验证和设计两方面都支持标准硬件描述语言的功能强大的EDA软件不断推出。
（3）电子技术全方位进入EDA时代。除了日益成熟的数字技术外，传统的电路系统设计建模理念发生了重大的变化：软件无线电技术的崛起，模拟电路系统硬件描述语言的表达和设计的标准化，系统可编程模拟器件的出现，软硬件技术，软硬件功能及其结构的进一步融合等。

一、课程设计目的

本课程设计是在《CPLD技术及应用》课程的基础上，通过软件编程及仿真调试的实践，进一步掌握使用Verilog HDL语言描述数字电路的原理和应用方法，是毕业设计前的一次重要实践，为今后从事EDA设计相关工作岗位打下良好的基础。

二、设计题目及要求

2.1 设计题目：

乒乓球游戏机数字电路系统设计

2.2 功能实现：

运用状态机技术完成一个乒乓球游戏机的数字电路系统设计，将游戏双方的得分通过两个数码管进行显示。

乒乓球游戏规则：

（1）乒乓球游戏双方各使用1个按键为“球拍”，开发板的8个LED用于指示乒乓球移动轨迹，点亮的那个LED为当前乒乓球所在位置。

（2）发球方按下按键表示发球，LED灯按一定的时间间隔，依次向对方移动。当LED亮到离对方最近的一个，之后的时间间隔内，对方按下按键表示成功接球，接球后LED向对方移动；否则，表示对方输球。

（3）接球时，LED没有亮到最近的一个时就按下按键，视为犯规，对方加1分。

（4）用两个数码管分别表示双方得分，最先到9分者胜出。

1.001.jpg

2.3 设计要求：

理解和熟练使用Quartus II软件、状态机、顶层文件和例化语句，用Quartus II完成编程和调试，下载到开发板中实现设定的功能，并完成课程设计报告。

1.LED移动间隔为1s。

2.数码管DP1和DP2用于显示双方比分。

三、设计原理说明

3.1 显示模块

使用数码管驱动芯片CH452来驱动各数码管显示，两个数码管显示乒乓球游戏双方的比分。

3.2 乒乓游戏模块

乒乓球游戏双方各使用1个按键为“球拍”，开发板的8个LED用于指示乒乓球移动轨迹，点亮的那个LED为当前乒乓球所在位置。发球方按下按键表示发球，LED灯按一定的时间间隔，依次向对方移动。当LED亮到离对方最近的一个，之后的时间间隔内，对方按下按键表示成功接球，接球后LED向对方移动；否则，表示对方输球。

3.3 按键模块

用两个按键分别表示乒乓球游戏双方的“球拍”，用一个按键作为系统的复位信号。

3.4 设计方案

整个设计方案可以分成时钟分频、乒乓球游戏机、显示数据转换、数码管显示控制和顶层模块等5大模块。

时钟分频：产生100Khz的输出时钟，为其他4个模块提供时钟。

乒乓球游戏机：完成乒乓球游戏设计，并将双方得分输出给显示数据转换模块。

显示数据转换：接收来自乒乓球游戏机模块和时间数据读取模块的得分和时间数据，转换成数码管显示地址和数据。

数码管显示控制：接收显示数据转换模块的数据，并送到各数码管显示。

顶层模块：连接各个模块。

四、软件设计

（含状态转换图、带注释的程序清单）

1.乒乓球游戏机状态转换：

S0：复位状态，判断发球权。如果左右键同时为0或1→S0，如果左键为1→S1，如果右键为1→S4。

S1：左方发球或成功接球;

S2：球从左方向右方右移；移动过程中，如果右方接球就给左方加一分，并将球权给左方;

S3：判断右方是否在规定时间内内接球；

S4：右方发球或成功接球;

S5：球从右方向左方左移；移动过程中，如果左方接球就给右方加一分，并将球权给右方;

S6：判断左方是否在规定时间内接球;

2.各模块程序设计

（1）时钟分频模块

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

复制代码

//产生一个时钟信号，作为其他语句模块的时钟输入。

乒乓球游戏机模块

[color=rgb(0, 0, 0)]module pingpang(clk,rst,cycle,keyL,keyR,leds,score);
//rst异步复位, keyL和keyR是比赛双方按键
//leds是一排8个发光二极管代表乒乓球运动轨迹
//score是得分的分数
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,//复位状态，也是判断发球权的状态;
s1=3'b001,//左方发球或成功接球;
s2=3'b010,//球从左方向右方右移,若此时右方接球就给左方加一分，并将球权给左方;
s3=3'b011,//判断右方是否在规定时间内内接球
s4=3'b100,//右方发球或成功接球;
s5=3'b101,//球从右方向左方左移；移动过程中，如果左方接球就给右方加一分，并将球权给右方;
s6=3'b110;//判断左方是否在规定时间内接球;
//游戏逻辑控制
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
//产生一个时钟脉冲clk_out给下面的语句块作为时钟输入使用。
always @(posedge clk_out or negedge rst )
begin
if(!rst)
begin
state<=s0;
leds<=8'b00000000;
scoreL<=4'b0000;
scoreR<=4'b0000;
end//当rst为0时，使各个变量成为原始状态。
else
begin
case(state)
s0: begin
leds<=8'b00000000;//使LED灯处于全灭状态。
scoreL<=4'b0000;
scoreR<=4'b0000;//给左右双方的分数复位;
if(keyL)
begin
state<=s1;//如果左方获得发球权，则跳转到s1状态。
end
else if(keyR)
state<=s4;//如果右方获得发球权，则跳转到s4状态。
end
s1: begin
if(keyL)
begin
if(leds==8'b00000000)
leds<=8'b10000000;//如果左方发球或成功接球，点亮的灯出现在最左边。
state<=s2;//跳转到s2状态。
end
else if(keyR)
begin
state<=s1;//在这个过程中，如果右方击球，则LED灯闪烁，表示发生错误，状态一直重复在s1。
end
end
s2: begin
if(leds==8'b00000001)//判断LED灯是否向右移动到最后一个灯亮。
begin
leds<=leds>>1;//使LED灯向右移动一位。
state<=s3;//进入判断右方接球的状态。
end
else
begin
leds<=leds>>1;//使LED灯向右移动一位。
state<=s2;//重复s2状态。
if(keyR)
begin
scoreL<=scoreL+1;
state<=s1;
leds<=8'b00000000;//如果右方在灯向右移动的过程中击球，表示右方犯规，左方加一分，球权给左方，并使LED灯复位。
end
end
end
s3: begin
if(keyR)
begin
state<=s4;//右方接球成功，并进入右方发球的s4状态;
leds<=8'b00000000;//使LED灯复位。
end
else
begin
scoreL<=scoreL+1;
state<=s1;//右方接球不成功，则左方加一分，并进入左方发球的s1状态;
leds<=8'b00000000;//使LED灯复位。
end
end
s4: begin
if(keyR)
begin
if(leds==8'b00000000)
leds<=8'b00000001;//如果右方发球或成功接球，点亮的灯出现在最右边。
state<=s5;//跳转到s5状态
end
else if(keyL)
begin
state<=s4;//在这个过程中，如果左方击球，则LED灯闪烁，表示发生错误，状态一直重复在s4。
end
end
s5: begin
if(leds==8'b10000000)//判断LED灯是否向左移动到最后一个灯亮。
begin
leds<=leds<<1;//使LED灯向左移动一位。
state<=s6;//进入判断左方接球的状态;
end
else
begin
leds<=leds<<1;//使LED灯向左移动一位
state<=s5;//重复s5状态。
if(keyL)
begin
scoreR<=scoreR+1;
state<=s4;
leds<=8'b00000000;//如果左方在灯向左移动的过程中击球，表示左方犯规，右方加一分，球权给右方，并使LED灯复位。
end
end
end
s6: begin
if(keyL)
begin
state<=s1;//左方接球成功，并进入左方发球的s1状态;
leds<=8'b00000000;//使LED灯复位。
end
else
begin
scoreR<=scoreR+1;
state<=s4;//左方接球不成功，则右方加一分，并进入右方发球的s4状态;
leds<=8'b00000000;//使LED灯复位。
end
end
default: state<=s0;
endcase
end
end
endmodule
（3）显示数据转换模块
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;//当rst为0时，给各变量赋初值。
end
else
begin
if(cnter==m)
cnter<=0;//每当cnter加到与m相等，使cnter变回0
else
cnter<=cnter+1;
case(cnter)
0 : state<=0;//当cnter为0时，使state为0。
m/2 : state<=1;//当cnter为125时，使state为1。
<font color="rgb(0, 0, 0)">…………限于本文篇幅余下代码请从51黑下载附件…………</font>

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（4）数码管显示控制模块

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;//当rst为0时，为数码管赋初值。
end
else begin
cnt_cycle<=cnt_cycle+1;
if(cnt_cycle==0) begin
D_ADDR<=4'b0100;
D_DATA<=8'b00000001;//数码管第一次驱动，在第4'b0100个数码管输出数值8'b00000001
end
else if(cnt_cycle==1) begin
D_ADDR<=4'b0101;
D_DATA<=8'b10000000;//数码管第二次驱动，在第4'b0101个数码管输出数值8'b10000000
end
else begin
D_ADDR<=DIG_ADDR;
D_DATA<=DIG_DATA;//数码管第三次驱动，在自己想要的数码管位置输出自己想要的值
end
end
end
always @ (CST or D_ADDR or D_DATA or i)
case (CST)
s0 : begin scl = 1; sda = 1; NST <= s1; end//数码管准备启动
s1 : begin scl = 1; sda = 0; NST <= s2; end//数码管开始启动
s2 : begin scl = 0; sda = 0; NST <= s3; end//数码管启动完成
s3 : begin
if(i%2==1) scl=0;
else scl=1;
case ((i-1)/2)
1:sda=DA0;
2:sda=DA1;
3:sda=ADDR;//输出固定值011。
4:sda=D_ADDR[3];
5:sda=D_ADDR[2];
6:sda=D_ADDR[1];
7:sda=D_ADDR[0];//输出数码管位置。
8:sda=0;
9:sda=1;//输出固定值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];//输出数码管显示的数字。
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）顶层模块
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码请从51黑下载附件…………
endmodule

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管脚分配说明

设计端口	芯片引脚	开发板模块
clk	PIN_22	时钟
rst	PIN_88	SW3，异步复位
keyL	PIN_91	SW1，左方按键
keyR	PIN_90	SW2，右方按键
scl_rtc	PIN_60	实时时钟串行时钟信号
sda_rtc	PIN_64	实时时钟串行数据信号
scl_ch452	PIN_70	CH452 串行时钟信号
sda_ch452	PIN_69	CH452 的串行数据信号
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

时间进度安排

序号	设计阶段工作内容	时间分配
1	理解题目，理清思路，学习 CH452 和 DS1340 的数据手册，画出设计框图和乒乓球的状态转换图。	1天
2	编写和调试乒乓球游戏机分数显示相关模块，能实现乒乓球双方得分数据的显示。	1天
3	编写和调试乒乓球游戏机球拍控制和乒乓球移动相关模块	4天
4	完善和优化整个系统，编写设计报告	2天
5	设计答辩	1天

五、设计总结

设计成绩：教师签名：

完整论文下载（word格式可编辑）：

EDA课设报告——乒乓球模拟.doc (206.93 KB, 下载次数: 34)

ID:202486 · 发表于 2017-5-19 12:03

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ID:212718 · 发表于 2017-6-19 20:46

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