EDA课程设计之乒乓球游戏机

1、乒乓球游戏机1. 课程设计的目的EDA技术是电子信息科学与技术专业学生在电子技术实验技能方面综合性质的实验训练课程，其目的和任务是通过一周的时间，让学生掌握EDA勺基本方法，熟悉一种EDA软件（VHDL,并能利用EDA软件设计一个电子技术综合问题，为以后进行工程实际问题的研 究打下设计基础。2. 设计方案论证2.1 EDA VHDL简介EDA是指以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、智能化技术的最新 成果而开发出的电子CADS用软件包，它根据硬件描述语言HDL完成的设计文件，自动完成 逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局布线及仿真，直至完成对于特定目标芯片的适配 编译、逻辑映射

2、和编程下载等工作。目前 EDA主要辅助进行三个方面的设计工作：IC设计、 电子电路设计和PCB设计。没有EDA技术的支持，想要完成超大规模集成电路的设计制造是 不可想象的；反过来，生产制造技术的不断进步又必将对EDA技术提出新的要求。VHDL语言是一种用于电路设计的高级语言。它在80年代的后期出现。最初是由美国国防部开发出来供美军用来提高设计的可靠性和缩减开发周期的一种使用范围较小的设计语 言。但是，由于它在一定程度上满足了当时的设计需求，于是他在1987年成为A I/IEEE的标准（IEEE STD 1076-1987）。1993年更进一步修订，变得更加完备，成为 A I/IEEE的A I/

3、IEEE STD 1076-1993标准。目前，大多数的CACT商出品的EDA软件都兼容了这种标准。 自IEEE公布了 VHD啲标准版本，IEEE-1076 （简称87版）之后，各EDA公司相继推出了自 己的VHDL设计环境，或宣布自己的设计工具可以和 VHDL接口。此后VHDL在电子设计领域 得到了广泛的接受，并逐步取代了原有的非标准的硬件描述语言。1993年，IEEE对VHDL®行了修订，从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展VHD啲内容，公布了新版本的 VHDL即IEEE标准的1076-1993版本（简称93版）。现在，VHDLffi Verilog 作为IEEE的工业标 准硬件

4、描述语言，又得到众多 EDA公司的支持，在电子工程领域，已成为事实上的通用硬件 描述语言。有专家认为，在新的世纪中，VHDLT Verilog语言将承担起大部分的数字系统设计任务。VHDL的程序结构特点是将一项工程设计，用 VHDLffi原理图输入进行CPLD/FPG设计的 粗略比较：在设计中，如果采用原理图输入的设计方式是比较直观的。你要设计的是什么， 你就直接从库中调出来用就行了。 这样比较符合人们的习惯。在对一个设计实体定义了外部 界面后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体。这种将设计实体分 成内外部分的概念是 VHD系统设计的基本点。应用 VHDL进行工程设计的优点

5、是多方面的。（1与其他的硬件描述语言相比，VHD具有更强的行为描述能力，从而决定了他成为系统 设计领域最佳的硬件描述语言。强大的行为描述能力是避开具体的器件结构，从逻辑 行为上描述和设计大规模电子系统的重要保证。（2）VHDL丰富的仿真语句和库函数，使得在任何大系统的设计早期就能查验设计系统的功能可行性，随时可对设计进行仿真模拟。（3）VHDL语句的行为描述能力和程序结构决定了他具有支持大规模设计的分解和已有设计 的再利用功能。符合市场需求的大规模系统高效，高速的完成必须有多人甚至多个代 发组共同并行工作才能实现。（4） 对于用VHDL完成的一个确定的设计，可以利用EDA工具进行逻辑综合和优化

6、，并自动 的把VHDL苗述设计转变成门级网表。（5）VHDL对设计的描述具有相对独立性，设计者可以不懂硬件的结构，也不必管理最终设 计实现的目标器件是什么，而进行独立的设计。2.2方案论证2.2.1乒乓游戏机的功能两人乒乓游戏机能够模拟乒乓球比赛的基本过程和规则， 并能自动裁判和记分。乒乓游 戏机是用8个发光二极管代表乒乓球台，中间两个发光二极管兼做乒乓球网，用点亮的发光 二极管按一定的方向移动来表示球的运动。在游戏机的两侧各设置两个开关，一个是发球开 关（S1a, S1b）,另一个是击球开关（S2a, S2b）。甲乙两人按乒乓球比赛的规则来操作开关。当甲方按动发球开关S1a时，靠近甲方的第一

7、盏灯亮，然后二极管由甲向乙依次点亮， 代表乒乓球在移动。当球过网后，按设计者规定的球位乙方就可以击球。若乙方提前击球或 者没有击着球，则判乙方失分，甲方记分牌自动加分。然后重新发球，比赛继续进行。比赛 一直进行到一方记分到11分，该局结束，记分牌清零，可以开始新的一局比赛。具体功能如下：（1）使用乒乓游戏机的甲乙双方各在不同的位置发球或击球。乒乓球的位置和移动方向由灯亮及依次点燃的方向决定，球移动的速度为0.10.5s移动一位。游戏者根据球的位置发出相应的动作，提前击球或者出界均判失分。（3）比赛用11分为一局来进行，甲乙双方都应设置各自的记分牌，任何一方先记满11分，该方就算胜了此局。记分牌

8、清零后，又可开始新的一局比赛222乒乓游戏机设计思路根据乒乓游戏机功能要求，可以分成四个模块来实现，其中corna模块为整个程序的核 心，它实现了整个系统的全部逻辑功能；模块CH41A在数码的片选信号时，送出相应的数据;模块sei产生数码管的片选信号；模块disp是7段译码器。2.3乒乓球各模块的设计2.3.1控制模块的设计"CORNfi L模块CLRCORNA分两个进程，第一个进程实现逻十进制数,键，shiftfl JRLE3, - 03于译码显示。丑AFTJ，BF,D JQL3. .#示球所在的位置。冋其BJ 分另CILMI IFT 7. . 0别辑功能，第二个进程半整数的H&#

9、171;*RILE 3, . OJI为a方发球键和接球建，vhdl 程序扌描述如下：AUIM 记分转换为方发球键和接球C0RNA1CLRSHIFT7.pfiFAI13. . 0LH JRL(3. . 0BFBH3 *<)B JBL3. .OJ CLKRVIN EU1N q图1模块CORNA1LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY CORNAL ISPORT(clr,af,aj,bf,bj,clk:IN STD_LOGIC;S hift:OUT STD_L0GIC_VEC

10、T0R(7 DOWNTO 0); ah,al,bh,bl:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); awi n,bwi n:OUT STD_LOGIC);END CORNAL;ARCHITECTURE behave OF CORNAL ISSIGNAL amark,bmark:INTEGER;BEGINPROCESS(clr,clk)VARIABLE a,b:STD_LOGIC;VARIABLE she:STD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTOO);BEGINIF clr= ' O' THENa:= ' 0'；b:= '

11、 0'；she:= ” 00000000'amark<=0;bmark<=0;ELSIFclk ' event and clk= ' 1' THENIFa=' 0' and b= ' 0' and af= ' 0'THENa:= ' 1'；she:=' 10000000'；ELSIFa=' 0' and b= ' 0'THENbf= ' 0' THENb:= ' 1'；she:= ” 00000001

12、”；ELSIFa=' 1' and b= ' 0' THENIF she>8THENIFbj= ' 0' THENamark<=amark+1;a:= ' O'；b:= ' O'；she:=” OOOOOOOO'；ELSEshe:= ' O' &she(7 DOWNTO1);ENDIF;ELSIF she=0 THENamark<=amark+1;a:='0'；b:='0'；ELSEIFbj= ' 0'THENa:=&

13、#39;0'；b:='1'；ELSEshe:= ' O' &she(7 DOWNTO 1);ENDIF;ENDIF;ELSIFa=' 0' and b= ' 1' THENIF she<16 and she=0 THENIFaj= ' 0' THENbmark<=bmark+1;a:= ' 0'；b:= ' 0'she:=” 00000000'；ELSEshe:=she(6 DOWNTO0)&' 0'；ENDIF;ELSIF

14、 she=0 THENbmark<=bmark+1;a:='0'；b:='0'；ELSEIFaj='0' THENa:='1'；b:='0'；ELSEshe:=she(6 DOWNTO0)&' O'；ENDIF;ENDIF;ENDIF;ENDIF;shift<=she;END PROCESS;PROCESS(clk,clr,amark,bmark)VARIABLE aha,ala,bha,bla:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);VARIABLE tmp1

15、,tmp2:INTEGER;VARIABLE t1,t2:STD_LOGIC;BEGINIFclr= ' 0' THENaha:= ” 0000”；ala:= ” 0000”；bha:= ” 0000”；bla:= ” 0000”；tmp1:=0;tmp2:=0;t1:= ' 0'；t2:= ' 0'；ELSIFclk ' eve nt and clk= ' 1' THENIFaha=” 0001” and ala= ” 0001”THENaha:= ” 0001”；ala:= ” 0001”；t1:= ' 1&#

16、39;；THENELSIFbha=” 0001” and bla= ” 0001”bha:= ” 0001”；bla:= ” 0001”；t2:= ' 1'；ELSIF amark>tmp1 THENIFala= ” 1001” THENala:= ” 0000”；aha:=aha+1;tmp1:=tmp1+1;ELSEala:=ala+1;tmp1:=tmp1+1;ENDIF;ELSIF bmark>tmp2 THENIFbla= ” 1001” THENbla:= ” 0000”；bha:=bha+1;tmp2:=tmp2+1;ELSEbla:=bla+1;tm

17、p2:=tmp2+1;ENDIF;ENDIF;ENDIF;al<=ala;bl<=bla;ah<=aha;bh<=bha;awlN<=t1;bwlN<=t2;END PROCESS;END behav;2.3.2送数据模块的设计送数据模块CH41A的vhdl程序描述如下：-5EL2. r a一Decs.eiDLQ3. . 03：. . 0. 01图2模块CH41ALIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY CH41A ISPORT(sel:IN STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0);D0

18、,d1,d2,d3:IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);Q:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);END CH41A;ARCHITECTURE behave OF CH41A ISBEGINPROCESS(sel)BEGINCASE sel ISWHEN ”100”=>q<=d0;WHEN ”101”=>q<=d1;WHEN ”000”=>q<=d2;WHEN others=>q<=d3;END CASE;END PROCESS;END behav;233产生数码管片选信号模块的设计产生数码

19、管片选信号模块sel的vhdl程序描述如下:SELCLK SE_-图3数码管片选信号模块 selLIBRARY IEEE;USE IEEE.S TD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYsel ISPORT(clk:IN STD_LOGIC;sell:OUT STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0);END sel;ARCHITECTURE behav OF sel ISBEGINPROCESS(clk)VARIABLE tmp:STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0);BEGINIFclk

20、' event and clk= ' 1' THENIFtmp=”000”THENtmp:=”001”；ELSIFtmp=” 001” THENtmp:=”100”；ELSIF tmp= 100” THENmp:=” 101”；ELSIFtmp=” 101” THENtmp:=” 000”；END IF;END IF;sell<=tmp;END PROCESS;END behav;234 7 段译码器模块的设计7 段译码器模块disp的vhdl的程序描述如下:图4 7段译码器模块dispLIBRARY IEEE;USE IEEE.S TD_LOGIC_1164.A

21、LL;ENTITY disp ISPORT(d:IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);Q:OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0);END disp;ARCHITECTURE behav OF disp ISBEGINPROCESS(d)BEGINCASE d ISWHEN” 0000”=>q<=”0111111”；WHEN” 0001”=>q<=”0000110'；WHEN” 0010”=>q<=”1011011”；WHEN” 0011”=>q<=”1001111”；WHEN” 0100

22、”=>q<=' 1100110'；WHEN” 0101”=>q<=' 1101101”；WHEN” 0110”=>q<=' 1111101”；WHEN” 0111”=>q<=' 0100111”；WHEN” 1000”=>q<=' 1111111”；WHENothers=>q<= ” 1101111”；END CASE;END PROCESS;END behav;3. 设计结果与分析3.1系统的波形仿真图5所示为A方发球，在恰当的时候B方接到球，当球回到A方时，A方又接到球,

23、 但B方再也没有接到球的仿真波形。：-a' q0 0(BItt.Ons200 fanslOO.Orns4jOD OmsSOCLDee6Dul!1 1J.1-sclk1 c 0JJLUUWUWWWWWLrUUWWLTLrW1ik0jirLTurLTinrumrmLrwmnrjnLrLTLrwwLrmLr0if-bf1T11u':：:B shiny.c|II .JJ也何触顾伽饥刃01化，巨込何区fF：曲.皿輕冋一昭巨莎L'DB sellR 0)HO和T(71 (V辽n 'P* 主厂厅帀门己:丁広二4皿邨qH3F3F_图5乒乓球仿真波形一图6所示为A方两次发球，B方没

24、有接到球，A方得到2分的仿真波形图JoFriIOC Omi200 Qrrn30*3 Omt4K1 Omil500 OmfiiGCidkIrLrLirLrLrLrLrLrLrLrLrLrLrLrLrLrLrLrLrLrLrLrLrLnrLrLnrclr1比elk0juwLrLnLrwLrLrLrLmrLnrLrLrLnjLnrumnLrLrLmL*-bj11*-可11严-L-m袖叫7 C|H(JQ汕贰f紂丫却汕灵丽那i 如 FO迅师1旺:炉晅阿，0P0 =p|ip 0HDJLLlAWtLLLUimmULLfnjJEELimAlLmUlIiJCJJLLXALLmiJ& q|G 0|H3F3

25、F御I 3F 魏阡址*軒3F )图6乒乓球仿真波形二图7所示为A方发球，B方提前击球的情况，此时，A方得一分。图中还显示了 A方发 球，B方在规定的时刻没有接到球的情况，此时， A方又得一分。anw.'Jun?lOOOrn$i 1200 Qite型0 Qms1jfid wkV*IL 二 1 J-/-r= clr = clk10AnLmrLLnrLmrLmnrLnjmrLnjinrunrLrwLnL bj1-“11Qkihjft? CH000D3曲1HO11“丁可：门门 1 -TIT: T-TT c丁(Tj(T：F 4"HiFJoTT:両 S访 iF :®耶屈fJF

26、X图7乒乓球仿真波形三图4所示为A方得分增加到11分的情况，此时awin输出高电平，输出分数保持不变 当清零信号按下时，得分清为零，awin输出恢复低电平，又可以开始新的一局比赛。sns1aVilJ25S.ini*i.Offli*2T0 3miSSJ OrniBMO >mf列0.如n310 Omt324 fliTi33fl OmtG 沁linminnnnnfLmruuuLrwmnjinnnfLrLnjinjuuLTLmuLnnLRJuinclr elk11wmnnnnjwLTLrLruuuuuuwmjwwuwuwuuuumrLnLTTTW切1br13J1af10：i：曲nI:F hrfljT Qr QC_-川龙圧爆図宀 仙x Ali? t|H4百伺(可任阴何乜:百啟耳茁閩0何障河:可向寅辭XT(T®冋可哂可仔GX范頁:打可盹& fP q- Q【H3F3FM 3F “ 3F u3F图8乒乓球仿真波形四3.2乒乓游戏机顶层电路图图9乒乓游戏机电路图4. 设计体会通过本课程的学习，能够掌握EDA勺基础知识，进一步加深了对 EDA勺了解，让我对它 有了更加浓厚的兴趣。特别是当每一个子模块编写调试成功时，心里特别的开心。但是在编