打鼓游戏机综合设计报告.doc

电子综合设计打鼓游戏机设计打鼓游戏机设计一 课题介绍1.1 飞思卡尔s12（x）单片机简介freescale公司推出的s12、s12x系列单片机是增强型的16位mcu，其集成度高，片内资源丰富，功能模块包括spi、sci、i2c、can、a/d、pwm、ect等，方便构建实际应用系统；大容量的flash、ram和eeprom存储器可满足大部分的存储空间需求，具有的低功耗工作，复位控制，看门狗及实时中断等配置功能更有助于系统的可靠运行；可宽范围选择逻辑时钟频率，最高工作频率达25mhz/50mhz；具有方便快捷的在线编程调试能力；具有丰富、高效的指令系统，具有较强的数值运算和逻辑运算能力。1.2 课题简介本系统是基于s12xdt512slk核心开发板设计并实现打鼓游戏机。程序语言采用c语言，编程软件采用codewarrior开发环境。整个系统需要在自己制作的硬件电路上实现。打鼓游戏机是这样一款游戏：系统随机产生一个鼓点，当鼓点到达基准线时，玩家应该按下相应按键，如果成功按键，系统将实现加分，如果没有成功按键，系统不做处理。游戏最后以得分高低评判玩家水平。通常游戏配有背景音乐和鼓声作为前景音乐。整款游戏集趣味性、挑战性、可观赏性于一体。我们采用单片机作为控制管理器，通过编程实现不少于四键输入的信息接收，lcd液晶屏显示，前景背景音乐输出，实现打鼓游戏功能。同时，设计出能完成上述要求的硬件电路，安装制作成实验电路板，调试完成相应的软件功能。二 方案验证2.1硬件方案验证系统采用核心开发板加扩展板的方式。在核心开发板上主要是s12芯片。扩展板上主要是12864lcd液晶显示屏、按键、语音芯片、扬声器、led发光二极管等外围电路。 图1 打鼓游戏机系统框图输入/输出(i/o)接口，是单片机与外界进行信息交互的重要通道，在整个单片机系统中占有重要地位。单片机所处理的信息（包括程序和数据）大都要由输入设备提供，而处理的结果则要通过输出设备输出。s12（x）系列单片机的各种外围接口采用模块化设计方式，它的输入/输出接口由许多标准模块组成，这些接口包括porta、portb、porte、portk、porth、portj、portm、ports、portp和portt。各自独立，具有gpio功能，大部分接口在通用功能的基础上还有一些特殊的复用功能。这些功能可通过寄存器的设置与程序配合，发挥各种功能。2.1.1单片机最小系统mcu最小系统是指可以使内部程序运行起来的所必须的基本外围电路。以mc9s12dg128为例，最小系统包括电源电路，复位电路，晶振电路，bdm调试接口电路，pll电路等。下图是单片机的最小系统电路原理图。图2 单片机最小系统电路原理图mcu芯片外部供电电压为5v，供给vddr,vddx及vdda，vregen通过一个电阻接至高电平，以便使能产生mcu内部使用的2.5v电压。电源电路部分的电容c8c20构成滤波电路，可以改善系统的电磁兼容性，降低电源波动对系统的影响，增强电路工作的稳定性。复位电路可以实现上电复位和按键复位操作，reset低电平有效。2.1.2 12864lcd液晶显示屏电路液晶显示模块是12864-12点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16x16点阵）、128个字符（8x16点阵）及64x256点阵显示ram（gdram）。可与mcu直接接口，提供两种界面来连接微处理机：8位并行及串行两种连接方式。具有多种功能：光标显示、画面移位、睡眠模式等。采用串行连接方式，电路连线简洁，但难于控制，而且会对显示频率造成影响，可能会导致闪烁问题。如果采用并口连接方式电路连线复杂，但是易于控制，而且数据传送速率快，能很好的满足屏幕刷新率的要求。因此系统采用并口连接方式。即lcd的数据和控制管脚直接与mcu连接。下图是lcd与单片机并行连接的电路图。为了连线和控制方便，我们将单片机的porta0-porta7与lcd的db0-db7连接，portb口主要连接lcd的控制管脚。图3 lcd模块电路图2.1.3 按键扫描电路嵌入式系统键盘电路的设计应使mcu不仅能察觉是否有键按下，并能识别按下的是哪一个键，而且还要把此键所代表的信息翻译成mcu所能接受的形式。在微控制器实验系统中，常用的键盘接口有2种：独立式和矩阵式。当mcu系统中所需要的键盘按键数量较多时，为了减少mcu的i/o口的占用，通常将按键排列成矩阵形式。矩阵式结构的键盘显然需要比独立式更多的器件，识别软件的设计也要复杂一些。在本系统中，按键数量不是很多，同时i/o口也足够多，所以我们采用独立式方式，这样可以简化程序控制。独立式按键是直接用i/o口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根mcu的i/o口线，每个按键的工作不会影响其他i/o口线的状态，独立式按键的电路图如下所示。图4 按键电路图独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根i/o口线，因此，在按键较多时，i/o口线浪费较大。按键输入均采用低电平有效，此外，上拉电阻保证了按键断开时，i/o口线上有确定的高电平。当i/o口线内部有上拉电阻时，外电路就不需要再接上拉电阻了。实验中，按键我们采用的是b口和e口，只需要在软件中设置上拉电阻就好了，不需要焊接上拉电阻。按键还需要考虑另外一个问题按键开关去抖动。mcu应用系统的键盘通常使用机械触电式按键开关，其主要功能是把机械上的通断转换成电气上的逻辑关系。也就是说，它能提供标准的ttl逻辑电平，以便与通用数字系统的逻辑电平相容。机械式按键在按下或抬起时，由于机械弹性作用的影响，通常伴有一定时间的触电机械抖动，然后其触电才稳定下来。抖动时间的长短与开关的机械特性有关，一般为5ms-10ms。在触电抖动期间检测按键的通与断状态，可能会导致判断出错。即按键一次按下或抬起被错误地认为是多次按动操作，这种情况是不允许出现的。为了克服按键触电机械抖动所致的检测误判，必须采用去抖动措施。可以从硬件和软件两方面予以考虑。硬件去抖动采用d触发器。软件去抖动采用延迟10ms再次判断法。实验中，我们采用软件去抖动。2.1.4 语音系统电路isd1700 系列是华邦公司新推出的语音芯片，用来替代已经停产的isd1400 系列及isd2500 系列芯片。isd1700 系列不仅在录音时间上有更多的选择（从20 秒到240 秒），而且在功能上继承14 及25 系列的所有录放功能，并增加了一些更加人性化的提示功能及对存储的精确操作。该芯片提供多项新功能，包括内置专利的多信息管理系统，新信息提示（valert）,双运作模式（独立&嵌入式），以及可定制的信息操作指示音效。芯片内部包含有自动增益控制、麦克风前置扩大器、扬声器驱动线路、振荡器与内存等的全方位整合系统功能。主控单片机主要通过四线（sclk，mosi，miso，/ss）spi协议对isd1700进行串行通信。isd1700作为从机，几乎所有的操作都可以通过这个spi协议来完成。为了兼容独立按键模式，一些spi命令：play，rec，erase，fwd，reset和global_erase的运行类似于相应的独立按键模式的操作。另外，set_play，set_rec，set_erase命令允许用户指定录音、放音和擦除的开始和结束。此外，还有一些命令可以访问apc寄存器，用来设置芯片模拟输入的方式。在本系统中，我们需要通过程序控制音乐的播放和停止，因此采用spi接口模式与mcu连接。在调试中，我们可以采用独立按键录放音。芯片外围电路设计参考了官方的设计手册。电路图如下。图5 语言系统电路图2.1.5 led发光二极管电路发光二极管正向导通后，led灯被点亮；反向截止，led灯灭。我们四个led发光二极管接到mcu的t7t4口上，接100欧姆的电阻限流。当mcu输出为0时，led灯被点亮。图6 发光二极管电路图2.2 软件方案验证我们设定了三个难度等级，体现在数量和速度上不同。进入游戏，将显示初始化界面。然后选择难度，询问是否开始游戏。进入游戏后，利用随机函数每次产生一个鼓点，当到达一定范围内时，按键扫描，检测是否有键按下并判断是否等于当前鼓点值。如果正确，作加分处理，进一步判断精确程度，如果非常精确，将给出相应提示。一旦按下退出键，则游戏马上结束。玩家在进行游戏的同时，将通过语音芯片播放背景音乐。每关游戏结束后，通关或者失败都将会给出相应的提示。图7 程序算法流程图三 硬件制作电路设计完成后要进行电路的安装，实验中我们采用面包板。在安装时要注意以下几个问题。（1） 准备好常用的工具和材料。要将各种电子元器件及结构各异的零部件装配c成符合要求的电子产品，一套基本的工具是必可不少的，如烙铁、钳子、改锥、镊子和焊锡。（2） 所有电子元器件在安装前要全部测试一遍，有条件的还要进行元器件老化处理，以保证元器件的质量。（3） 有极性的电子元器件安装时其标志最好方向一致，以便检查和替换。集成电路的方向要保持一致，以便正确布线和查线。（4） 在面包板上组装电路时，为了便于检查，可根据连线的不同作用选择不同颜色的导线。如正电源采用红线，负电源采用蓝线，地线采用黑线，信号线采用黄线等。（5） 布线要按信号的流向有序连接，连线要做到横平竖直，不允许跨接在集成电路上。另外，导线的选择要粗细适中，避免导线与面包板插孔之间接触不良。电路安装完毕后，不要急于通电，首先要根据电路原理图认真地检查电路连接是否正确。主要直观检查电源、地线、信号线、元器件引脚之间有无短路，连线有无接触不良，元器件有无漏焊，二极管、三极管和电解电容的极性有无错误等。对于电子系统的调试，一般分为不通电检查，通电观察，分块调试，整机统调。四 软件编程4.1 lcd显示原理在lcd显示控制中，我们采用并行方式。8位并行连接时序图如下： 图8 mcu写资料到模块 图9 mcu从模块读出资料虽然lcd自带了中文字库，但由于要实现lcd的动态显示，所以我们必须采用绘图方式。绘图显示ram提供6432个位元组的记忆空间，最多可以控制25664点的二维绘图缓冲空间，在更改绘图ram时，先连续写入水平与垂直的坐标值，再写入两个8位元的资料到绘图ram，而地址计数器（ac）会自动加一；在写入绘图ram的期间，绘图显示必须关闭，整个写入绘图ram的步骤如下：1、 关闭绘图显示功能。2、 先将水平的位元组坐标（x）写入绘图ram地址；3、 再将垂直的坐标（y）写入绘图ram地址；4、 将d15d8写入到ram中；5、 将d7d0写入到ram中；6、 打开绘图显示功能。4.2 游戏算法设计我们设定了三个难度等级，体现在数量、速度和通过得分比列上不同。三个难度分别是初级，中级，高级。在这三个难度下，数量分别为10个，40个，80个；分别得分为4，25，60才能通关。同时，在产生鼓点的速度上也有所区别。鼓点的产生是采用随机方式。进入游戏，将显示初始化界面。然后进入难度选择，选择难度后，询问是否开始游戏。进入游戏后，利用随机函数每次产生一个鼓点，当到达一定范围内时，按键扫描，检测是否有键按下并判断是否等于当前鼓点值。如果正确，作加分处理，进一步判断精确程度，如果非常精确，将给出相应提示。一旦按下退出键，则游戏马上结束。玩家在进行游戏的同时，将通过语音芯片播放背景音乐。每关游戏结束后，通关或者失败都将会给出相应的提示。playgame()函数的算法流程图如下。图10 playgame()函数算法流程图初始化界面采用一幅128*64的图片，利用字模提取软件提取图片数据。在lcd的绘图功能下显示。五 课题总结 通过在s12xdt512核心开发板和按键、语言系统、lcd等外围电路编程和调试，我们实现了打鼓游戏机的设计。整个游戏显示稳定，游戏界面效果好，具备一定的趣味性和可观赏性。系统具体实现了一下功能：1.实现了lcd背景图像显示2.实现了动画操作3.能正确进行计分操作4.能实现背景音乐的输出5.有多种操作难度可选6.具有操作准确度提示动画7.能实现中途退出游戏8.具有较好的游戏界面9.利用led发光二极管作为提示用，减低难度10.能实现图片显示虽然我们通过硬件电路设计，软件编程实现了打鼓游戏机，但是由于时间有限，我们还有很多功能不够完善，如音乐只有一首歌曲，长按按键会导致动态扫描速度变慢，不能同时产生多个鼓点等。这也是我们以后需要完善的地方。六 心得体会在进行算法设计时，一个小的细节问题就影响到设计的成功，如：我刚开始在playgame()函数中多次调用了整屏绘图函数，这样做导致的后果是屏幕不断的闪烁，严重影响视觉。首先我一直没有找到原因，后来通过每次运行一行程序发现在playgame()函数中每一次都要调用整屏绘图函数，整屏绘图刷新率低，容易产生闪烁现象。最后我在playgame()函数外面写了一个整屏绘图函数，而在playgame()函数里面只是对部分点进行修改，通过这种方式就解决了闪烁问题。这样一个小小的细节，让我懂得写程序要严谨，逻辑要清晰。同时要学会检查错误，排除错误。在课程设计硬件实验中，遇到了一些问题，首先是布局问题，由于器件和管脚较多，为了使布局美观，在器件布局上画了些时间，在和同组员讨论后才完成布局。再者是焊接和连线，焊接和连线工作需要