VHDL大作业-二人乒乓球游戏机设计

VHDL数字系统设计与测试

VHDL二人乒乓球游戏机设计

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姓名:

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。

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）记录球经过儿个周期（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

则时一，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。

2、总体框图

3、分块设计图

4、流程图

注:图中梯形表示按键输入

5、状态转移图

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L输入50MHz时钟信号，产生1000Hz时钟信号（占空比为调

节，为1/50000)

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。

If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（rxl,ryl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

JJlX010XOilX:.|JX011X010XJJ1

>000X01HXOHOI0IQ1X0”0XWOO

0J011OHOX0111Iiooo*01"xDUO70101x0100f

oiotxonoxoutxloroXoiTi<ouoXoioix018

3、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coir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。

QMaterTimeBar50Q0s«|»|PWter552mInterval547m»EM

A5099TIP-12m«上中-&M.097AS66.718ns69.34UQT4■窣m77甲N」

l«M

区i>,oel.1000_rLrLrLrLrLrLrLrLrLn_rLrLn_rLn_n_rLrLrLrLrLrLrLrLFLrLrLn

_yi国r«dc«txl^TYnTYBnrociTO5nTnYgrxNYRTY^nTOcnnnsrYTiTYiHYEnTiryTgnMYFm5miHMYnnTTOgmsn

3Qr*dcetx2^D(EixgDCgiXEiXMXiiDO(nnxiiiDEnxEgxn5msmTTYisTxgDcgiy^TxgixEiyT§TXKxiigix【mxsiDwnvn

3rkdwtyl二

»15国r»ck«ty275Tj.瓦

T>20SX

*25国y【心X⑸「

少30国C«l(01111"。“oooooooo01111110W66665

杼393c«lroooocooo；而「oooooooooooooooo

0*48国rvtHYiniionXiiiuhnXiiKnimomiCTiSnnmoiininYluinio.XiinnoiXiiiuouXiinoiuYnioiniynoiiniQ5nnrr%niiiu

«ir»

4、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

(inningsl),比分的十位、个位(scorell,scorelO),球员2比分的

十位、个位(score21,score20),局数(innings位。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。

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

(x=racketxl+l或racketx2-l,y=racketyl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playerl有发球权。

此为第三次发球，为player2发球。

16825ns«|»|Parief35.39>Interval36391Start

A

王

A*0▲」0TLn_n_njTrLnjLrLrLnjmnjTrmnjTnjrmrLn_n_nrLnjmn

S囹rack«txlTTT

3回ruk.tx2

1^10国rtdntylM

35Qrtck«ly2ITT

・20r«s«t

・21strvtl

骼

222s«rv«2

外电23国xoXET⑸wI~T3T

“28By。X

砂33国mouT

Br»oToT

4川

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。scorelKscore21为十位，scorelO>score20为个位，

inningsl>2为局数

取值范围x为0到8,y为1到8o超过这个范围的情况不予考虑。

赢得4局后系统停止，等待reset复位。

图均为作者如此仿真操作后生成。

2、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_l164.all;

entitytable_tennisis

port(

If1,lf2,ri1,ri2,serve1,serve2:instd_logic;

—1,2:twoplayer;If:moveleft;ri:moveright;hit:hittheball;

reset:instd」ogic;

row:outstd_logic_vector(7downto0);

colg,colr:outstd_logic_vector(0to7);—row,colg,coir:8*8output

cat:outstd_logic_vector(1to6);—digitronchioce

aap:outstd_logic_vector(0to7);—digitron

elk:instd_logic);

endtable_tennis;

architectureaoftable_tennisis

signalcl_1000:std_logic;—1000Hzclock

signalcl_10:std_logic;-10Hzclock

signalx:integerrange0to8;

signaly:integerrange1to8;-x,y:coordinate

signalxm:integerrange0to5;

signalym:integerrange0to5;—xm,ym:thelengthballmoveatonceinthedirection

signalxmd,ymd:integerrange0to1;—thedirectioninwhichtheballmoves

signalscore10,score11:integerrange0to9;

signalscore20,score21:integerrange0to9;-differentdigitalsofbothplayers'scores

signalinningsl,innings2:integerrange0to4;"players*innings

signalracketyl,rackety2:integerrange1to8;

signalracketx1:integerrange1to4;

signalracketx2:integerrange5to8;-rackets'coordinates

signalserve_flag1,serve_flag2:integerrange0to2;-flagoftherighttoserve

signalhit_flag1,hit_flag2:integerrange0to1;—righttohit

constantspeed:integer:=5;

proceduredig(signalnum:inintegerrange0to9;signaloutl:outstd_logic_vector(0to7))is—output

ofdigitaltubes

begin

casenumis

when0=>outl<="11111100n;

when1=>outl<=n01100000n;

when2=>outl〈二"11011010”；

when3=>outl<="11110010";

when4=>outl<=n01100110*1;

when5=>outl<="10110110";

when6=>outl<="00111110";

when7=>outl<="1100000”；

when8=>outl<=n11111110n;

when9=>outl<="11100110";

endcase;

endproceduredig;

begin

pl:process(clk)

—get1000Hzclock

variablecount1:integerrange1to50000;

begin

ifclk'eventandelk=Tthen

ifcount1=50000then

count1:=1;

cl_1000<=,r；

else

countl:=countl+l;

cl_1000<=0';

endif;

endif;

endprocessp1;

P2:process(cl_1000)

—get10Hzclock

variablecount2:integerrange1to100;

begin

ifcl_1000*eventandcl_1000=1'then

ifcount2=100then

cl_10<=T;

count2:=1;

else

cl_10<=O;

count2:=count2+l;

endif;

endif;

endprocessp2;

p3:process(cl_1000)

-8*8output

variablecount3:integerrange1to8;

variablecountf:std_logic;-flagofwhettoshow

begin

ifcl_1000'eventandcl_1000=,l'then

ifcountf='1*then—showthetableandracket

countf:=O;

ifcount3=8then

count3:=l;

else

count3:=count3+l;

endif;

casecount3is-scanning

when1=>row<=nl1111110";

when2=>row<=H111111010;

when3=>row<=M11111011";

when4=>row〈二"11110111”；

when5=>row<="11101111";

when6=>row〈二"11011111”；

when7=>row<=n101111H";

when8=>row<="01111111”；

endcase;

if(count3=lorcount3=8)then-upside/downside

colg<="00000000H;

ifracketyl=count3then

caseracketxlis

when1=>colr(1to3)<="100”；

when2=>colr(1to3)<="110n;

when3=>colr(1to3)<=H11ln;

when4=>colr(1to3)<="01ln;

endcase;

else

colr(lto3)<=H000";

endif;

ifrackety2=count3then

caseracketx2is

when5=>colr(4to6)<=,,110,';

when6=>colr(4to6)<="111”；

when7=>colr(4to6)<="011”；

when8=>colr(4to6)<="001";

endcase;

else

colr(4to6)<=H000n;

endif;

else

colr(lto6)<=n000000M;

colg(0to7)<="011111101^;

endif;

if((racketyl=count3andracketxl<=2)or((rackety1-count3=1orrackety1-count3=-1)and

racketxl=l))then-racketofplayer1

colr(0)<='r；

else

colr(0)<='0';

endif;

if((rackety2=count3andracketx2>=7)or((rackety2-count3=1orrackety2-count3=-1)and

racketx2=8))then—racketofplayer2

coir⑺<=T;

else

coir⑺<='0';

endif;

elsifcountf='0,then—showtheball

countf:=r；

ify/=count3then

colr<="00000000n;

else

casexis

when0=>coir<=n00000000u;

when1=>coir<="10000000u;

when2=>coir<='^01000000,^;

when3=>coir<=H00100000,';

when4=>coir<=H00010000u;

when5=>coir<=,'00001000H;

when6=>coir<=H00000100";

when7=>coir<="00000010n;

when8=>coir<="00000001

endcase;

endif;

endif;

endif;

endprocessp3;

p4:process(cl_10)

—movetheball

-ifballmoveoutofthetable,renewthescoreandinnings

variablecountx,county:integerrange0tospeed;-counters

begin

ifcl_lO'eventandcl_10=rand((inningsl/=4andinnings2/=4)orreset=r)then

ifx/=0then

ifxm/=0then

ifcountx+xm=6then—theballmovesatxm*0.1seconds

casexmdis

when0=>x<=x-l;

when1=>x<=x+l;

endcase;

countx:=0;

else

countx:=countx+l;

endif;

elsecountx:=0;

endif;

ifym/=Othen

ifcounty+ym=6then—theballmovesatym*0.1seconds

caseymdis

when0=>y<=y-1;

when1=>y<=y+l;

endcase;

county:=0;

else

county:=county+1;

endif;

elsecounty:=0;

endif;

endif;

ifx=0andserve1=*Tthen—servetheball

ifserve_flagl/=Othen

x<=racketx1+1;y<=rackety1;—puttheball

hit_flag1<=0;hit_flag2<=1;-giverighttohit

xmd<=1;xm<=1;ym<=0;—resetthespeed

serve_flag1<=serve_flag1-1;

ifserve_flag1=1then

serve_flag2<=2;

endif;

endif;

endif;

ifx=0andserve2=rthen

ifserve_flag2/=0then

x<=racketx2-l;y<=rackety2;

hit_flag1<=1;hit_flag2<=0;

xmd<=0;xm<=1;ym<=0;

serve_flag2<=serve_flag2-l;

ifserve_flag2=lthen

serve_flagl<=2;

endif;

endif;

endif;

-renewthexm,ym

—(hittheball)

ifhit_flagl=landxmd=Othen-plarer1hasrighttohitandballmovetohim

ifrackety1>=2andrackety1<=7andx=2then—ballmovesintotheracket

ifracketyl=ythen

xmd<=l;—ballmovesbackwardsinthedirectionofx

hit_flagl<=O;

hit_flag2<=l;—changetherighttohit

ifxm/=speedthen

xm<=xm+l;—renewthespeed

endif;

ifym/=speedandym/=0then

ym<=ym+1;

endif;

elsifracketyl-y=lthen

xmd<=1;

hit_flagl<=0;

hit_flag2<=l;

ifym=0then

ym<=1;ymd<=0;

else

caseymdis

when1=>ym<=ym-1;

when0=>ifym/=speedthenym<=ym+1;endif;

endcase;

endif;

elsifracketyl-y=-lthen

xmd<=1;

hit_flagl<=0;

hit_flag2<=l;

ifym=0then

ym<=1;ymd<=1;

else

caseymdis

when0=>ym<=ym-l;

when1=>ifym/=speedthenym<=ym+1;endif;

endcase;

endif;

endif;

elsif(racketyl-y=lorracketyl-y=-l)and(rackety1=1orrackety1=8)andym/=0then

ifracketxl-x=-lthen

xmd<=l;

ymd<=l-ymd;

hit_flagl<=O;

hit_flag2<=l;

ifxm/=speedthen

xm<=xm+1;

endif;

ifym/=speedthen

ym<=ym+1;

endif;

elsifracketxl=xthen

xmd<=l;

ymd<=l-ymd;

hit_flagl<=O;

hit_flag2<=l;

xm<=xm-l;

elsifracketx1-x=-2then

xmd<=l;

ymd<=1-ymd;

hit_flagl<=O;

hit_flag2<=1;

ifxm/=speedthen

xm<=xm+l;

endif;

endif;

elsifx=2andracketx1=1and(rackety1=1andy=2)andym=0then

xmd<=l;

ymd<=1;

hit_flagl<=O;

hit_flag2<=1;

ym<=l;

elsifx=2andracketx1=1and(y=7andrackety1=8)andym=0then

xmd<=1;

ymd<=0;

hit_flagl<=0;

hit_flag2<=l;

ym<=l;

endif;

endif;

ifhit_flag2=landxmd=lthen-plarer2hasrighttohitandballmovetohim

ifrackety2>=2andrackety2<=7andx=7then

ifrackety2=ythen

xmd<=0;

hit_flagl<=l;

hit_fiag2<=0;

ifxm/=speedthen

xm<=xm+l;

endif;

ifym/=speedandym/=0then

ym<=ym+l;

endif;

elsifrackety2-y=1then

xmd<=0;

hit_flagl<=l;

hit_flag2<=0;

ifym=0then

ym<=1;ymd<=0;

else

caseymdis

when1=>ym<=ym-1;

when0=>ifym/=speedthenym<=ym+1;endif;

endcase;

endif;

elsifrackety2-y=-1then

xmd<=0;

hit_flagl<=l;

hit_flag2<=0;

ifym=0then

ym<=1;ymd<=1;

else

caseymdis

when0=>ym<=ym-l;

when1=>ifym/=speedthenym<=ym+1;endif;

endcase;

endif;

endif;

elsif(rackety2-y=lorrackety2-y=-1)and(rackety2=1orrackety2=8)andym/=0then

ifracketx2-x=1then

xmd<=0;

ymd<=l-ymd;

hit_flagl<=l;

hit_flag2<=0;

ifxm/=speedthen

xm<=xm+l;

endif;

ifym/=speedthen

ym<=ym+l;

endif;

elsifracketx2-x=2then

xmd<=0;

ymd<=l-ymd;

hit_flagl<=l;

hit_flag2<=0;

ifxm/=speedthen

xm<=xm+l;

endif;

elsifracketx2=xthen

xmd<=0;

ymd<=l-ymd;

hit_flagl<=l;

hit_flag2<=0;

xm<=xm-l;

endif;

elsifx=7andracketx2=8and(rackety2=1andy=2)andym=0then

xmd<=0;

ymd<=1;

hit_flagl<=l;

hit_flag2<=0;

ym<=1;

elsifx=7andracketx2=8and(y=7andrackety2=8)andym=0then

xmd<=0;

ymd<=0;

hit_flagl<=l;

hit_flag2<=0;

ym<=l;

endif;

endif;

ifx=lthen-outofthetable

x<=0;--themarkoftime-out

ifscore20=9then

score21<=score21+1;

score20<=0;

else

score20<=score20+1;

endif;

elsifx=8then

x<=0;

ifscore10=9then

score11<=score11+1;

score10<=0;

else

score10<=score10+1;

endif;

elsif(y=lory=8)andx/=0then

x<=0;

ifx<=4then

ifscore20=9then

score21<=score21+1;

score20<=0;

else

score20<=score20+1;

endif;

else

ifscore10=9then

score11<=score11+1;

score10<=0;

else

score10<=score10+1;

endif;

endif;

endif;

ifscore11=2or(scorell=landscore10=1andscore21=0)or(score11=1andscore21=land

score10-score20=2)then—getoneinning

ifinnings1+innings2=0orinnings1+innings2=2orinningsI+innings2=4orinnings1+innings2=6

then-resettherighttoserve

serve_flag2<=2;

serve_flagl<=0;

else

serve_flagl<=2;

serve_flag2<=0;

endif;

innings1<=innings1+1;

score11<=0;

score10<=0;

score21<=0;

score20<=0;

elsifscore21=2or(score21=landscore20=landscore11=0)or(score11=1andscore21=land

score20-score10=2)then

ifinnings1+innings2=0orinnings1+innings2=2orinnings1+innings2=4orinnings1+innings2=6

then

serve_flag2<=2;

serve_flagl<=0;

else

serve_flagl<=2;

serve_flag2<=0;

endif;

innings2<=innings2+1;

score11<=0;

score10<=0;

score21<=0;

score20<=0;

endif;

ifreset=*rthen-reset

score11<=0;

score10<=0;

score21<=0;

score20<=0;

inningsl<=0;

innings2<=0;

x<=0;

serve_flagl<=2;

serve_flag2<=0;

endif;

endif;

endprocessp4;

p5:process(cl_1000)

-movetherackets

variablectu_l,ctul,ctu_2,ctu2,ctd_l,ctdl,ctd_2,ctd2:integerrange0to1000;—counteragainstthe

jitter

begin

ifcLIOOO'eventandcl_1000=,rthen

ifthen-againstthejitter

ifctu1=1000then

ctul:=0;

else

ctul:=ctul+l;

endif;

elsifctu1>50then

ifctu_l=1000then

ctu_l:=0;

else

ctu_l:=ctu_l+l;

endif;

else

ctul:=0;

ctu_l:=0;

endif;

ifctu1>50andctu_l>50then-deicdetheinputofbutton

ifrackety1/=8andracketx1=1then—movetheracket

rackety1<=rackety1+1;

elsifrackety1=8andracketxl/=4then

racketx1<=racketx1+1;

elsifrackety1=1then

racketx1<=racketx1-1;

endif;

ctul:=0;

ctu_l:=0;

endif;

iflf2='lrthen

ifctu2=1000then

ctu2:=0;

else

ctu2:=ctu2+l;

endif;

elsifctu2>50then

ifctu_2=1000then

ctu_2:=0;

else

ctu_2:=ctu_2+l;

endif;

else

ctu2:=0;

ctu_2:=0;

endif;

ifctu2>50andctu_2>50then

ifrackety2/=8andracketx2=8then

rackety2<=rackety2+1;

elsifracketx2/=5andrackety2=8then

racketx2<=racketx2-1;

elsifrackety2=1then

racketx2<=racketx2+1;

endif;

ctu2:=0;

ctu_2:=0;

endif;

ifril='rthen

ifctd1=1000then

ctdl:=0;

else

ctdl:=ctdl+l;

endif;

elsifctd1>50then

ifctd_l=1000then

ctd_l:=0;

else

ctd_l:=ctd_l+l;

endif;

else

ctdl:=0;

ctd_l:=0;

endif;

ifctdl>50andctd_l>50then

ifrackety1/=1andracketxl=lthen

rackety1<=rackety1-1;

elsifrackety1=1andracketxl/=4then

racketx1<=racketx1+1;

elsifrackety1=8then

racketx1<=racketx1-1;

endif;

ctdl:=O;

ctd_l:=O;

endif;

ifri2=Tthen

ifctd2=1000then

ctd2:=0;

else

ctd2:=ctd2+l;

endif;

elsifctd2>50then

ifctd_2=1000then

ctd_2:=0;

else

ctd_2:=ctd_2+l;

endif;

else

ctd2:=0;

ctd_2:=0;

endif;

ifctd2>50andctd_2>50then

ifrackety2/=landracketx2=8then

rackety2<=rackety2-1;

elsifrackety2=landracketx2/=5then

racketx2<=racketx2-1;

elsifrackety2=8then

racketx2<=racketx2+1;

endif;

ctd2:=0;

ctd_2:=0;

endif;

ifreset=Tthen

racketx1<=1;

racketx2<=8;

rackety1<=4;

rackety2<=5;

endif;

endif;

endprocessp5;

p6:process(cl_1000)

-digitron

variablecount?:integerrange1to6;

begin

ifcl_1000'eventandcl_1000=*rthen

ifcount7=6then-scanning

count7:=1;

else

count7:=count7+1;

endif;

casecount?is

when1=>cat<=ul11110";dig(inningsl,aap);—output

when2=>cat<='*111