EDA 乒乓球游戏课程设计报告

EDA乒乓球游戏课程设计报告课程名称：EDA技术及应用设计题目：基于FPGA的乒乓球游戏设计与实现学生姓名：XXX学号：XXXXXX班级：XXX指导教师：XXX完成日期：202X年X月X日摘要本设计基于EDA技术，以FPGA为核心控制器，采用VHDL语言实现了一款简易乒乓球游戏。游戏通过按键控制左右球拍移动，VGA接口输出游戏画面（包括球、球拍、分数显示），具备球的自动运动、碰撞检测、计分、输赢判断及游戏重置等功能。设计采用模块化思想，将系统划分为球运动控制、球拍控制、碰撞检测、计分、VGA显示等子模块，通过QuartusII软件进行编译与仿真，最终在DE10-Lite开发板上验证了功能的正确性。该设计有助于加深对数字逻辑电路、VHDL编程及FPGA应用的理解，具备较强的实践性与趣味性。一、引言1.1设计背景与意义EDA（电子设计自动化）技术是现代电子系统设计的核心技术，其以FPGA/CPLD为载体，通过硬件描述语言（HDL）实现数字系统的设计与验证。乒乓球游戏是经典的人机交互案例，将其与EDA技术结合，可将抽象的数字逻辑设计转化为直观的互动系统，既符合课程实践要求，又能提升学习兴趣。本设计通过FPGA实现乒乓球游戏的核心逻辑，旨在掌握模块化设计方法、VHDL编程技巧及VGA显示、按键输入等外设接口的设计，为复杂数字系统设计奠定基础。1.2设计目标实现球的自动运动：球在屏幕内按一定速度移动，方向可随碰撞改变；球拍控制：通过两个独立按键分别控制左右球拍上下移动，且球拍不超出屏幕边界；碰撞检测：实现球与上下边界、左右球拍的碰撞判断，碰撞后球的运动方向自动调整；计分与输赢判断：若球未被球拍接住（超出左右边界），则对方得1分；当某方分数达到10分时，判定该方获胜，游戏暂停；游戏重置：支持通过复位按键重新开始游戏；VGA显示：清晰显示球、左右球拍及双方分数（分辨率设为640×480）。1.3设计环境硬件平台：AlteraDE10-LiteFPGA开发板（主芯片为CycloneV5CSEMA5F31C6）；软件工具：QuartusII18.0（代码编写、编译、综合）、ModelSim（功能仿真）、SignalTapII（在线调试）；编程语言：VHDL（Very-High-SpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage）。二、总体设计方案2.1系统整体结构本设计采用模块化设计思想，将系统划分为6个核心子模块，各模块通过信号交互协同工作，整体结构如图2-1所示。**图2-1系统整体结构时钟分频模块：将FPGA板载50MHz时钟分频为VGA驱动所需的25MHz时钟（640×480分辨率对应刷新率60Hz，需25MHz像素时钟），同时为游戏逻辑提供低速时钟（如10Hz，控制球的运动速度）；球运动控制模块：生成球的实时坐标（x_pos,y_pos），根据碰撞信号调整运动方向（dx,dy，dx为水平方向步长，dy为垂直方向步长）；球拍控制模块：接收左右按键输入（消抖后），生成左右球拍的y坐标（left_racket_y,right_racket_y），限制球拍移动范围（不超出屏幕上下边界）；碰撞检测模块：接收球坐标、球拍坐标，判断球是否与上下边界、左右球拍碰撞，输出碰撞信号（border_collision,left_racket_collision,right_racket_collision）；计分与输赢判断模块：根据球是否超出左右边界（失分信号）更新双方分数（left_score,right_score），当某方分数达10分时输出获胜信号（game_over,winner）；VGA显示控制模块：接收球、球拍坐标及分数信息，生成VGA行同步（hsync）、场同步（vsync）信号，同时根据当前像素坐标输出RGB颜色信号，实现游戏画面的实时渲染。2.2关键参数定义屏幕分辨率：640×480（像素），对应VGA时序参数：行同步脉宽96μs，行前沿48μs，行后沿16μs；场同步脉宽2ms，场前沿33ms，场后沿10ms；球的参数：尺寸为8×8像素，初始位置为屏幕中心（320,240），初始运动方向为斜向右上方（dx=1,dy=-1），运动速度由10Hz时钟控制（每100ms移动1次）；球拍参数：尺寸为10×60像素（宽×高），左右球拍初始x坐标分别为20、610（距屏幕左右边界20像素），移动步长为5像素（每按1次按键移动5像素）；分数显示：采用2位数字显示（0-9），左分数显示在屏幕左上角（50,30），右分数显示在右上角（550,30），数字尺寸为32×48像素。三、硬件电路设计3.1FPGA与外设连接本设计需用到的外设包括：2个按键（控制左球拍上下移动）、2个按键（控制右球拍上下移动）、1个复位按键、VGA接口（连接显示器）。硬件连接如表3-1所示。表3-1FPGA与外设连接表外设接口FPGA引脚功能说明左球拍上移按键KEY[0]按下时左球拍上移左球拍下移按键KEY[1]按下时左球拍下移右球拍上移按键KEY[2]按下时右球拍上移右球拍下移按键KEY[3]按下时右球拍下移复位按键KEY[4]按下时游戏重置（分数清零、球复位）VGA行同步VGA_HS连接显示器HSYNC引脚VGA场同步VGA_VS连接显示器VSYNC引脚VGA红基色VGA_R[2:0]3位红基色信号（低分辨率）VGA绿基色VGA_G[2:0]3位绿基色信号VGA蓝基色VGA_B[2:0]3位蓝基色信号注：按键采用“高电平有效”（未按下时为低电平，按下时为高电平），需通过内部消抖电路处理；VGA基色信号为3位（共27级灰度），满足基本显示需求。3.2电源与时钟电路FPGA开发板由外部5V电源供电，板载稳压器输出3.3V为FPGA及外设供电；板载50MHz晶振为系统提供基准时钟，通过内部PLL或分频电路生成所需时钟（25MHz、10Hz）。四、软件模块设计（VHDL实现）4.1时钟分频模块功能：将50MHz时钟分频为25MHz（VGA驱动）和10Hz（游戏逻辑）。核心逻辑：采用计数器实现分频，50MHz→25MHz需计数至1（每2个时钟周期输出1个脉冲），50MHz→10Hz需计数至4,999,999（每500,000个时钟周期输出1个脉冲）。libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;useieee.std_logic_unsigned.all;entityclk_divisport(clk_50m:instd_logic;--输入50MHz时钟rst_n:instd_logic;--复位（低电平有效）clk_25m:outstd_logic;--输出25MHz时钟clk_10hz:outstd_logic--输出10Hz时钟);endclk_div;architecturebehavioralofclk_divissignalcnt_25m:std_logic_vector(1downto0);--25MHz分频计数器signalcnt_10hz:std_logic_vector(22downto0);--10Hz分频计数器signalclk_25m_reg,clk_10hz_reg:std_logic;begin--25MHz分频：50MHz/2=25MHzprocess(clk_50m,rst_n)beginifrst_n='0'thencnt_25m<="00";clk_25m_reg<='0';elsifrising_edge(clk_50m)thenifcnt_25m="01"then--计数到1时翻转cnt_25m<="00";clk_25m_reg<=notclk_25m_reg;elsecnt_25m<=cnt_25m+1;endif;endif;endprocess;clk_25m<=clk_25m_reg;--10Hz分频：50MHz/5,000,000=10Hzprocess(clk_50m,rst_n)beginifrst_n='0'thencnt_10hz<=(others=>'0');clk_10hz_reg<='0';elsifrising_edge(clk_50m)thenifcnt_10hz=4999999then--计数到4,999,999时翻转cnt_10hz<=(others=>'0');clk_10hz_reg<=notclk_10hz_reg;elsecnt_10hz<=cnt_10hz+1;endif;endif;endprocess;clk_10hz<=clk_10hz_reg;endbehavioral;4.2球拍控制模块功能：接收按键输入（消抖后），更新左右球拍y坐标，限制移动范围（y≥20，y≤420，避免超出屏幕上下边界）。核心逻辑：按键消抖采用“10ms延时判断”（连续10ms检测到按键高电平则确认按下）；每检测到1次有效按键，球拍y坐标±5像素（上移减5，下移加5），并通过比较器限制边界。libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;useieee.std_logic_unsigned.all;entityracket_controlisport(clk_10hz:instd_logic;--10Hz时钟（按键扫描）rst_n:instd_logic;--复位key_l_up:instd_logic;--左球拍上移按键（消抖后）key_l_dn:instd_logic;--左球拍下移按键（消抖后）key_r_up:instd_logic;--右球拍上移按键（消抖后）key_r_dn:instd_logic;--右球拍下移按键（消抖后）left_racket_y:outstd_logic_vector(9downto0);--左球拍y坐标（0-479）right_racket_y:outstd_logic_vector(9downto0)--右球拍y坐标);endracket_control;architecturebehavioralofracket_controlissignalleft_y,right_y:std_logic_vector(9downto0);--内部寄存器beginprocess(clk_10hz,rst_n)beginifrst_n='0'thenleft_y<="0111100000";--初始y=240（屏幕中心）right_y<="0111100000";elsifrising_edge(clk_10hz)then--左球拍控制ifkey_l_up='1'thenifleft_y>20then--上边界限制（≥20）left_y<=left_y-5;endif;elsifkey_l_dn='1'thenifleft_y<420then--下边界限制（≤420，因球拍高60，420+60=480）left_y<=left_y+5;endif;endif;--右球拍控制（逻辑同上）ifkey_r_up='1'thenifright_y>20thenright_y<=right_y-5;endif;elsifkey_r_dn='1'thenifright_y<420thenright_y<=right_y+5;endif;endif;endif;endprocess;left_racket_y<=left_y;right_racket_y<=right_y;endbehavioral;4.3碰撞检测模块功能：根据球坐标（x_pos,y_pos）和球拍坐标，判断碰撞类型（上下边界、左右球拍），输出碰撞信号。核心逻辑：上下边界碰撞：当球的y坐标≤10（上边界）或≥470（下边界）时，触发垂直方向碰撞（dy反向）；球拍碰撞：当球的x坐标≤左球拍x+10（左球拍右边界）且球的y坐标在左球拍y~y+60范围内时，触发左球拍碰撞（dx反向）；右球拍碰撞逻辑类似（球x≥右球拍x-10，y在右球拍y~y+60范围内）。libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;useieee.std_logic_unsigned.all;entitycollision_detectisport(ball_x:instd_logic_vector(9downto0);--球x坐标ball_y:instd_logic_vector(9downto0);--球y坐标left_racket_y:instd_logic_vector(9downto0);--左球拍y坐标right_racket_y:instd_logic_vector(9downto0);--右球拍y坐标border_collision:outstd_logic;--上下边界碰撞（1有效）left_collision:outstd_logic;--左球拍碰撞（1有效）right_collision:outstd_logic;--右球拍碰撞（1有效）score_left:outstd_logic;--左方失分（球出右边界，1有效）score_right:outstd_logic--右方失分（球出左边界，1有效）);endcollision_detect;architecturebehavioralofcollision_detectis--球拍x坐标固定：左球拍x=20，右球拍x=610constantleft_racket_x:std_logic_vector(9downto0):="0000101000";--20constantright_racket_x:std_logic_vector(9downto0):="1001100110";--610beginprocess(ball_x,ball_y,left_racket_y,right_racket_y)begin--初始化信号border_collision<='0';left_collision<='0';right_collision<='0';score_left<='0';score_right<='0';--上下边界碰撞（球y≤10或≥470）ifball_y<=10orball_y>=470thenborder_collision<='1';endif;--左球拍碰撞（球x≤30（20+10），且球y在左球拍y~y+60之间）ifball_x<=30andball_y>=left_racket_yandball_y<=(left_racket_y+60)thenleft_collision<='1';endif;--右球拍碰撞（球x≥600（610-10），且球y在右球拍y~y+60之间）ifball_x>=600andball_y>=right_racket_yandball_y<=(right_racket_y+60)thenright_collision<='1';endif;--失分判断：球出左边界（x≤10）→右方得分；球出右边界（x≥630）→左方得分ifball_x<=10thenscore_right<='1';--右方得1分elsifball_x>=630thenscore_left<='1';--左方得1分endif;endprocess;endbehavioral;4.4VGA显示控制模块功能：生成VGA同步信号（hsync,vsync），根据当前像素坐标（px,py）绘制游戏元素（球、球拍、分数），输出RGB颜色信号。核心逻辑：VGA时序生成：根据640×480分辨率时序参数，通过计数器生成行/场同步信号；图形绘制：当（px,py）处于球的坐标范围内时，RGB输出白色（"111111111"）；处于球拍范围内时，输出蓝色（"000000111"）；分数通过ROM存储的字模实现显示（此处简化为固定位置显示数字）。五、仿真与测试5.1功能仿真在ModelSim中对各模块进行单独仿真及系统联合仿真，以“球运动与碰撞检测”为例，仿真结果如图5-1所示（注：实际报告需插入仿真波形图）。仿真条件：球初始位置（320,240），初始方向（dx=1,dy=-1），左球拍y=240，右球拍y=240；关键波形：当球y坐标减小至10时，border_collision信号变为1，随后dy反向（球开始向下运