如何采用VHDL和FPGA设计一款乒乓球比赛游戏机？

　　可编程逻辑器件FPGA以其开发周期短、成本低、功耗低、可靠性高等优势，广泛应用于通信、航空、医疗等领域，近年来在消费电子领域中的应用也日渐增加。为进一步挖掘FPGA在家庭娱乐如游戏机开发与应用中的巨大商机，介绍了一款以Altera公司FP-GA芯片为控制核心，附加少量外围电路组成的乒乓球比赛游戏机。整个系统设计模块划分清晰：包括裁判端、选手端、控制端、显示端及模拟乒乓球台；功能齐全：包括发球权控制、犯规提示、局数比分显示等，模拟实际乒乓球比赛相似程度高。采用了VHDL语言编程实现，在QuartusⅡ8．1集成环境下进行了模拟仿真，结果表明在设定的比赛规则下，游戏机运行正常，通过进一步优化可将其商品化，推入市场。
　　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（即计分总和最低位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。因此最佳时钟触发方式如图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。