EDA課程設計之乒乓球游戲機.doc

《EDA課程設計之乒乓球游戲機.doc》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《EDA課程設計之乒乓球游戲機.doc（15頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

乒乓球游戲機 1. 課程設計的目的 《EDA技術》是電子信息科學與技術專業(yè)學生在電子技術實驗技能方面綜合性質(zhì)的實驗訓練課程，其目的和任務是通過一周的時間，讓學生掌握EDA的基本方法，熟悉一種EDA軟件（VHDL），并能利用EDA軟件設計一個電子技術綜合問題，為以后進行工程實際問題的研究打下設計基礎。 2.設計方案論證 2.1 EDA、VHDL簡介 EDA是指以計算機為工作平臺，融合了應用電子技術、計算機技術、智能化技術的最新成果而開發(fā)出的電子CAD通用軟件包，它根據(jù)硬件描述語言HDL完成的設計文件，自動完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合、優(yōu)化、布局布線及仿真，直至完成對于特定目標芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作。目前EDA主要輔助進行三個方面的設計工作：IC設計、電子電路設計和PCB設計。沒有EDA技術的支持，想要完成超大規(guī)模集成電路的設計制造是不可想象的；反過來，生產(chǎn)制造技術的不斷進步又必將對EDA技術提出新的要求。 VHDL語言是一種用于電路設計的高級語言。它在80年代的后期出現(xiàn)。最初是由美國國防部開發(fā)出來供美軍用來提高設計的可靠性和縮減開發(fā)周期的一種使用范圍較小的設計語言 。但是，由于它在一定程度上滿足了當時的設計需求，于是他在1987年成為A I/IEEE的標準（IEEE STD 1076-1987）。1993年更進一步修訂，變得更加完備，成為A I/IEEE的A I/IEEE STD 1076-1993標準。目前，大多數(shù)的CAD廠商出品的EDA軟件都兼容了這種標準。自IEEE公布了VHDL的標準版本，IEEE-1076（簡稱87版)之后，各EDA公司相繼推出了自己的VHDL設計環(huán)境，或宣布自己的設計工具可以和VHDL接口。此后VHDL在電子設計領域得到了廣泛的接受，并逐步取代了原有的非標準的硬件描述語言。1993年，IEEE對VHDL進行了修訂，從更高的抽象層次和系統(tǒng)描述能力上擴展VHDL的內(nèi)容，公布了新版本的VHDL，即IEEE標準的1076-1993版本（簡稱93版）?，F(xiàn)在，VHDL和Verilog作為IEEE的工業(yè)標準硬件描述語言，又得到眾多EDA公司的支持，在電子工程領域，已成為事實上的通用硬件描述語言。有專家認為，在新的世紀中，VHDL于Verilog語言將承擔起大部分的數(shù)字系統(tǒng)設計任務。 VHDL的程序結(jié)構特點是將一項工程設計，用VHDL和原理圖輸入進行CPLD/FPGA設計的粗略比較：在設計中，如果采用原理圖輸入的設計方式是比較直觀的。你要設計的是什么，你就直接從庫中調(diào)出來用就行了。這樣比較符合人們的習慣。在對一個設計實體定義了外部界面后，一旦其內(nèi)部開發(fā)完成后，其他的設計就可以直接調(diào)用這個實體。這種將設計實體分成內(nèi)外部分的概念是VHDL系統(tǒng)設計的基本點。應用VHDL進行工程設計的優(yōu)點是多方面的。 （1）與其他的硬件描述語言相比，VHDL具有更強的行為描述能力，從而決定了他成為系統(tǒng)設計領域最佳的硬件描述語言。強大的行為描述能力是避開具體的器件結(jié)構，從邏輯行為上描述和設計大規(guī)模電子系統(tǒng)的重要保證。 （2）VHDL豐富的仿真語句和庫函數(shù)，使得在任何大系統(tǒng)的設計早期就能查驗設計系統(tǒng)的功能可行性，隨時可對設計進行仿真模擬。 （3）VHDL語句的行為描述能力和程序結(jié)構決定了他具有支持大規(guī)模設計的分解和已有設計的再利用功能。符合市場需求的大規(guī)模系統(tǒng)高效，高速的完成必須有多人甚至多個代發(fā)組共同并行工作才能實現(xiàn)。 （4）對于用VHDL完成的一個確定的設計，可以利用EDA工具進行邏輯綜合和優(yōu)化，并自動的把VHDL描述設計轉(zhuǎn)變成門級網(wǎng)表。 （5）VHDL對設計的描述具有相對獨立性，設計者可以不懂硬件的結(jié)構，也不必管理最終設計實現(xiàn)的目標器件是什么，而進行獨立的設計。 2.2方案論證 2.2.1乒乓游戲機的功能 兩人乒乓游戲機能夠模擬乒乓球比賽的基本過程和規(guī)則，并能自動裁判和記分。乒乓游戲機是用8個發(fā)光二極管代表乒乓球臺，中間兩個發(fā)光二極管兼做乒乓球網(wǎng)，用點亮的發(fā)光二極管按一定的方向移動來表示球的運動。在游戲機的兩側(cè)各設置兩個開關，一個是發(fā)球開關（S1a，S1b），另一個是擊球開關（S2a，S2b）。甲乙兩人按乒乓球比賽的規(guī)則來操作開關。 當甲方按動發(fā)球開關S1a時，靠近甲方的第一盞燈亮，然后二極管由甲向乙依次點亮，代表乒乓球在移動。當球過網(wǎng)后，按設計者規(guī)定的球位乙方就可以擊球。若乙方提前擊球或者沒有擊著球，則判乙方失分，甲方記分牌自動加分。然后重新發(fā)球，比賽繼續(xù)進行。比賽一直進行到一方記分到11分，該局結(jié)束，記分牌清零，可以開始新的一局比賽。 具體功能如下： (1)使用乒乓游戲機的甲乙雙方各在不同的位置發(fā)球或擊球。 (2)乒乓球的位置和移動方向由燈亮及依次點燃的方向決定，球移動的速度為0.1~0.5s移動一位。游戲者根據(jù)球的位置發(fā)出相應的動作，提前擊球或者出界均判失分。 (3)比賽用11分為一局來進行，甲乙雙方都應設置各自的記分牌，任何一方先記滿11分，該方就算勝了此局。記分牌清零后，又可開始新的一局比賽 2.2.2乒乓游戲機設計思路 根據(jù)乒乓游戲機功能要求，可以分成四個模塊來實現(xiàn)，其中corna模塊為整個程序的核心，它實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的全部邏輯功能;模塊CH41A在數(shù)碼的片選信號時，送出相應的數(shù)據(jù)；模塊sel產(chǎn)生數(shù)碼管的片選信號；模塊disp是7段譯碼器。 2.3乒乓球各模塊的設計 2.3.1 控制模塊的設計 模塊CORNA 分兩個進程，第一個進程實現(xiàn)邏輯功能，第二個進程將整數(shù)的記分轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)，便于譯碼顯示。AF，AJ，BF，BJ分別為a方發(fā)球鍵和接球鍵，b方發(fā)球鍵和接球鍵，shift表示球所在的位置。其vhdl程序描述如下： 圖1 模塊CORNA1 LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; ENTITY CORNAL IS PORT(clr,af,aj,bf,bj,clk:IN STD_LOGIC; shift:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); ah,al,bh,bl:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); awin,bwin:OUT STD_LOGIC); END CORNAL; ARCHITECTURE behave OF CORNAL IS SIGNAL amark,bmark:INTEGER; BEGIN PROCESS(clr,clk) VARIABLE a,b:STD_LOGIC; VARIABLE she:STD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0); BEGIN IFclr=’0’ THEN a:=’0’; b:=’0’; she:=”00000000” amark<=0; bmark<=0; ELSIF clk’event and clk=’1’ THEN IF a=’0’ and b=’0’ and af=’0’THEN a:=’1’; she:=”10000000”; ELSIF a=’0’ and b=’0’ THEN bf=’0’THEN b:=’1’; she:=”00000001”; ELSIF a=’1’ and b=’0’THEN IF she>8THEN IF bj=’0’THEN amark<=amark+1; a:=’0’; b:=’0’; she:=”00000000”; ELSE she:=’0’&she(7DOWNTO1); ENDIF; ELSIF she=0 THEN amark<=amark+1; a:=’0’; b:=’0’; ELSE IF bj=’0’ THEN a:=’0’; b:=’1’; ELSE she:=’0’&she(7 DOWNTO 1); ENDIF; ENDIF; ELSIF a=’0’ and b=’1’ THEN IF she<16 and she=0 THEN IF aj=’0’ THEN bmark<=bmark+1; a:=’0’; b:=’0’; she:=”00000000”; ELSE she:=she(6 DOWNTO 0)&’0’; ENDIF; ELSIF she=0 THEN bmark<=bmark+1; a:=’0’; b:=’0’; ELSE IF aj=’0’THEN a:=’1’; b:=’0’; ELSE she:=she(6 DOWNTO 0)&’0’; 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,tmp2:INTEGER; VARIABLE t1,t2:STD_LOGIC; BEGINIF clr=’0’THEN aha:=”0000”; ala:=”0000”; bha:=”0000”; bla:=”0000”; tmp1:=0; tmp2:=0; t1:=’0’; t2:=’0’; ELSIF clk’event and clk=’1’ THEN IF aha=”0001” and ala=”0001”THEN aha:=”0001”; ala:=”0001”; t1:=’1’; ELSIF bha=”0001”and bla=”0001”THEN bha:=”0001”; bla:=”0001”; t2:=’1’; ELSIF amark>tmp1 THEN IF ala=”1001” THEN ala:=”0000”; aha:=aha+1; tmp1:=tmp1+1; ELSE ala:=ala+1; tmp1:=tmp1+1; ENDIF; ELSIF bmark>tmp2 THEN IF bla=”1001” THEN bla:=”0000”; bha:=bha+1; tmp2:=tmp2+1; ELSE bla:=bla+1; tmp2:=tmp2+1; ENDIF; ENDIF; ENDIF; al<=ala; bl<=bla; ah<=aha; bh<=bha; awIN<=t1; bwIN<=t2; END PROCESS; END behav; 2.3.2 送數(shù)據(jù)模塊的設計 送數(shù)據(jù)模塊CH41A的vhdl程序描述如下： 圖2 模塊CH41A LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; ENTITY CH41A IS PORT(sel:IN STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0); D0,d1,d2,d3:IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); Q:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0)); END CH41A; ARCHITECTURE behave OF CH41A IS BEGIN PROCESS(sel) BEGIN CASE sel IS WHEN”100”=>q<=d0; WHEN”101”=>q<=d1; WHEN”000”=>q<=d2; WHEN others=>q<=d3; END CASE; END PROCESS; END behav; 2.3.3 產(chǎn)生數(shù)碼管片選信號模塊的設計 產(chǎn)生數(shù)碼管片選信號模塊sel的vhdl程序描述如下： 圖3數(shù)碼管片選信號模塊sel LIBRARY IEEE; USE IEEE.S TD_LOGIC_1164.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; ENTITY sel IS PORT(clk:IN STD_LOGIC; sell:OUT STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0)); END sel; ARCHITECTURE behav OF sel IS BEGIN PROCESS(clk) VARIABLE tmp:STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0); BEGIN IF clk’event and clk=’1’ THEN IF tmp=”000” THEN tmp:=”001”; ELSIF tmp=”001” THEN tmp:=”100”; ELSIF tmp=”100” THEN tmp:=”101”; ELSIF tmp=”101” THEN tmp:=”000”; END IF; END IF; sell<=tmp; END PROCESS; END behav; 2.3.4 7段譯碼器模塊的設計 7段譯碼器模塊disp的vhdl的程序描述如下： 圖4 7段譯碼器模塊disp LIBRARY IEEE; USE IEEE.S TD_LOGIC_1164.ALL; ENTITY disp IS PORT(d:IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); Q:OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0)); END disp; ARCHITECTURE behav OF disp IS BEGIN PROCESS(d) BEGIN CASE d IS WHEN”0000”=>q<=”0111111”; WHEN”0001”=>q<=”0000110”; WHEN”0010”=>q<=”1011011”; WHEN”0011”=>q<=”1001111”; WHEN”0100”=>q<=”1100110”; WHEN”0101”=>q<=”1101101”; WHEN”0110”=>q<=”1111101”; WHEN”0111”=>q<=”0100111”; WHEN”1000”=>q<=”1111111”; WHEN others=>q<=”1101111”; END CASE; END PROCESS; END behav; 3.設計結(jié)果與分析 3.1系統(tǒng)的波形仿真 圖5所示為A方發(fā)球，在恰當?shù)臅r候B方接到球，當球回到A方時，A方又接到球，但B方再也沒有接到球的仿真波形。 圖5 乒乓球仿真波形一 圖6所示為A方兩次發(fā)球，B方?jīng)]有接到球，A方得到2分的仿真波形圖 圖6乒乓球仿真波形二 圖7所示為A方發(fā)球，B方提前擊球的情況，此時，A方得一分。圖中還顯示了A方發(fā)球，B方在規(guī)定的時刻沒有接到球的情況，此時，A方又得一分。 圖7乒乓球仿真波形三 圖4所示為A方得分增加到11分的情況，此時awin輸出高電平，輸出分數(shù)保持不變。當清零信號按下時，得分清為零，awin輸出恢復低電平，又可以開始新的一局比賽。 圖8 乒乓球仿真波形四 3.2乒乓游戲機頂層電路圖 圖9 乒乓游戲機電路圖 4.設計體會 通過本課程的學習，能夠掌握EDA的基礎知識，進一步加深了對EDA的了解，讓我對它有了更加濃厚的興趣。特別是當每一個子模塊編寫調(diào)試成功時，心里特別的開心。但是在編寫頂層文件的程序時，遇到了不少問題，特別是各元件之間的連接，以及信號的定義，總是有錯誤，在細心的檢查下，終于找出了錯誤和警告，排除困難后，程序編譯就通過了，心里終于舒了一口氣。在波形仿真時，也能仿真正確了。 課程設計是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識，發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實際問題，鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié)，是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程軟件應用十分廣泛，因此學會應用此仿真軟件是十分必要的。 回顧起此次電路的課程設計，從選題到定稿，從理論到實踐，可以學到很多很多的的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。通過這次課程設計懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。同時在設計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，通過這次課程設計之后，一定把以前所學過的知識重新溫故。有時間多看看各方面書籍，拓寬知識面，不斷充實自我。 不管怎么說這次的課程設計總算是順利的完成了，了解了軟件的用途。不過最后還得經(jīng)過老師的審查，在老師的指導下彌補自己的不足，這樣，這次的課程設計才會畫上一個完美的句點。 5.參考文獻 [1]朱正偉.EDA技術及應用[M].清華大學出版社，2008.8 :30-36. [2]王松武.常用電路模塊分析與設計指導[M]. 清華大學出版社,2007.11 :39-54. [3] 廖裕評.CPLD數(shù)字電路設計——使用MAX+plusⅡ入門篇[M].清華大學出版社，2007 [4] 何希才,鄒炳強. 通用電子電路應用400例[J]. 電子工業(yè)出版社,2006.1 :3-11. [5] 劉南平. 數(shù)字電子電路——圖解電子電路基礎系列[J].科學出版社,2009.8 :5-20. [6] 張亦華.數(shù)字邏輯設計實驗技術與EDA工具[M].北京郵電大學出版社，2003 [7] 譚會生.EDA技術及應用[M].西安電子科技大學出版社，2008 [8] 門宏. 怎樣看電子電路圖[J].科學社會報,20011.8 :11-22