EDA課程設(shè)計(jì)之乒乓球游戲機(jī).doc

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乒乓球游戲機(jī) 1. 課程設(shè)計(jì)的目的 《EDA技術(shù)》是電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生在電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)技能方面綜合性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練課程，其目的和任務(wù)是通過一周的時(shí)間，讓學(xué)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(shè)計(jì)一個(gè)電子技術(shù)綜合問題，為以后進(jìn)行工程實(shí)際問題的研究打下設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。 2.設(shè)計(jì)方案論證 2.1 EDA、VHDL簡(jiǎn)介 EDA是指以計(jì)算機(jī)為工作平臺(tái)，融合了應(yīng)用電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能化技術(shù)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(shè)計(jì)文件，自動(dòng)完成邏輯編譯、化簡(jiǎn)、分割、綜合、優(yōu)化、布局布線及仿真，直至完成對(duì)于特定目標(biāo)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(jìn)行三個(gè)方面的設(shè)計(jì)工作：IC設(shè)計(jì)、電子電路設(shè)計(jì)和PCB設(shè)計(jì)。沒有EDA技術(shù)的支持，想要完成超大規(guī)模集成電路的設(shè)計(jì)制造是不可想象的；反過來，生產(chǎn)制造技術(shù)的不斷進(jìn)步又必將對(duì)EDA技術(shù)提出新的要求。 VHDL語言是一種用于電路設(shè)計(jì)的高級(jí)語言。它在80年代的后期出現(xiàn)。最初是由美國(guó)國(guó)防部開發(fā)出來供美軍用來提高設(shè)計(jì)的可靠性和縮減開發(fā)周期的一種使用范圍較小的設(shè)計(jì)語言 。但是，由于它在一定程度上滿足了當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)需求，于是他在1987年成為A I/IEEE的標(biāo)準(zhǔn)（IEEE STD 1076-1987）。1993年更進(jìn)一步修訂，變得更加完備，成為A I/IEEE的A I/IEEE STD 1076-1993標(biāo)準(zhǔn)。目前，大多數(shù)的CAD廠商出品的EDA軟件都兼容了這種標(biāo)準(zhǔn)。自IEEE公布了VHDL的標(biāo)準(zhǔn)版本，IEEE-1076（簡(jiǎn)稱87版)之后，各EDA公司相繼推出了自己的VHDL設(shè)計(jì)環(huán)境，或宣布自己的設(shè)計(jì)工具可以和VHDL接口。此后VHDL在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了廣泛的接受，并逐步取代了原有的非標(biāo)準(zhǔn)的硬件描述語言。1993年，IEEE對(duì)VHDL進(jìn)行了修訂，從更高的抽象層次和系統(tǒng)描述能力上擴(kuò)展VHDL的內(nèi)容，公布了新版本的VHDL，即IEEE標(biāo)準(zhǔn)的1076-1993版本（簡(jiǎn)稱93版）?，F(xiàn)在，VHDL和Verilog作為IEEE的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言，又得到眾多EDA公司的支持，在電子工程領(lǐng)域，已成為事實(shí)上的通用硬件描述語言。有專家認(rèn)為，在新的世紀(jì)中，VHDL于Verilog語言將承擔(dān)起大部分的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)。 VHDL的程序結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將一項(xiàng)工程設(shè)計(jì)，用VHDL和原理圖輸入進(jìn)行CPLD/FPGA設(shè)計(jì)的粗略比較：在設(shè)計(jì)中，如果采用原理圖輸入的設(shè)計(jì)方式是比較直觀的。你要設(shè)計(jì)的是什么，你就直接從庫(kù)中調(diào)出來用就行了。這樣比較符合人們的習(xí)慣。在對(duì)一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)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(shè)計(jì)就可以直接調(diào)用這個(gè)實(shí)體。這種將設(shè)計(jì)實(shí)體分成內(nèi)外部分的概念是VHDL系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本點(diǎn)。應(yīng)用VHDL進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是多方面的。 （1）與其他的硬件描述語言相比，VHDL具有更強(qiáng)的行為描述能力，從而決定了他成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域最佳的硬件描述語言。強(qiáng)大的行為描述能力是避開具體的器件結(jié)構(gòu)，從邏輯行為上描述和設(shè)計(jì)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(kù)函數(shù)，使得在任何大系統(tǒng)的設(shè)計(jì)早期就能查驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能可行性，隨時(shí)可對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真模擬。 （3）VHDL語句的行為描述能力和程序結(jié)構(gòu)決定了他具有支持大規(guī)模設(shè)計(jì)的分解和已有設(shè)計(jì)的再利用功能。符合市場(chǎng)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(gè)代發(fā)組共同并行工作才能實(shí)現(xiàn)。 （4）對(duì)于用VHDL完成的一個(gè)確定的設(shè)計(jì)，可以利用EDA工具進(jìn)行邏輯綜合和優(yōu)化，并自動(dòng)的把VHDL描述設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變成門級(jí)網(wǎng)表。 （5）VHDL對(duì)設(shè)計(jì)的描述具有相對(duì)獨(dú)立性，設(shè)計(jì)者可以不懂硬件的結(jié)構(gòu)，也不必管理最終設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)器件是什么，而進(jìn)行獨(dú)立的設(shè)計(jì)。 2.2方案論證 2.2.1乒乓游戲機(jī)的功能 兩人乒乓游戲機(jī)能夠模擬乒乓球比賽的基本過程和規(guī)則，并能自動(dòng)裁判和記分。乒乓游戲機(jī)是用8個(gè)發(fā)光二極管代表乒乓球臺(tái)，中間兩個(gè)發(fā)光二極管兼做乒乓球網(wǎng)，用點(diǎn)亮的發(fā)光二極管按一定的方向移動(dòng)來表示球的運(yùn)動(dòng)。在游戲機(jī)的兩側(cè)各設(shè)置兩個(gè)開關(guān)，一個(gè)是發(fā)球開關(guān)（S1a，S1b），另一個(gè)是擊球開關(guān)（S2a，S2b）。甲乙兩人按乒乓球比賽的規(guī)則來操作開關(guān)。 當(dāng)甲方按動(dòng)發(fā)球開關(guān)S1a時(shí)，靠近甲方的第一盞燈亮，然后二極管由甲向乙依次點(diǎn)亮，代表乒乓球在移動(dòng)。當(dāng)球過網(wǎng)后，按設(shè)計(jì)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(dòng)加分。然后重新發(fā)球，比賽繼續(xù)進(jìn)行。比賽一直進(jìn)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(jī)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(dòng)方向由燈亮及依次點(diǎn)燃的方向決定，球移動(dòng)的速度為0.1~0.5s移動(dòng)一位。游戲者根據(jù)球的位置發(fā)出相應(yīng)的動(dòng)作，提前擊球或者出界均判失分。 (3)比賽用11分為一局來進(jìn)行，甲乙雙方都應(yīng)設(shè)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(jī)設(shè)計(jì)思路 根據(jù)乒乓游戲機(jī)功能要求，可以分成四個(gè)模塊來實(shí)現(xiàn)，其中corna模塊為整個(gè)程序的核心，它實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的全部邏輯功能;模塊CH41A在數(shù)碼的片選信號(hào)時(shí)，送出相應(yīng)的數(shù)據(jù)；模塊sel產(chǎn)生數(shù)碼管的片選信號(hào)；模塊disp是7段譯碼器。 2.3乒乓球各模塊的設(shè)計(jì) 2.3.1 控制模塊的設(shè)計(jì) 模塊CORNA 分兩個(gè)進(jìn)程，第一個(gè)進(jìn)程實(shí)現(xiàn)邏輯功能，第二個(gè)進(jìn)程將整數(shù)的記分轉(zhuǎn)換為十進(jìn)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(shè)計(jì) 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(hào)模塊的設(shè)計(jì) 產(chǎn)生數(shù)碼管片選信號(hào)模塊sel的vhdl程序描述如下： 圖3數(shù)碼管片選信號(hào)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(shè)計(jì) 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(shè)計(jì)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(dāng)?shù)臅r(shí)候B方接到球，當(dāng)球回到A方時(shí)，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(shí)，A方得一分。圖中還顯示了A方發(fā)球，B方在規(guī)定的時(shí)刻沒有接到球的情況，此時(shí)，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(shí)awin輸出高電平，輸出分?jǐn)?shù)保持不變。當(dāng)清零信號(hào)按下時(shí)，得分清為零，awin輸出恢復(fù)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(jī)頂層電路圖 圖9 乒乓游戲機(jī)電路圖 4.設(shè)計(jì)體會(huì) 通過本課程的學(xué)習(xí)，能夠掌握EDA的基礎(chǔ)知識(shí)，進(jìn)一步加深了對(duì)EDA的了解，讓我對(duì)它有了更加濃厚的興趣。特別是當(dāng)每一個(gè)子模塊編寫調(diào)試成功時(shí)，心里特別的開心。但是在編寫頂層文件的程序時(shí)，遇到了不少問題，特別是各元件之間的連接，以及信號(hào)的定義，總是有錯(cuò)誤，在細(xì)心的檢查下，終于找出了錯(cuò)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(shí)，也能仿真正確了。 課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實(shí)際問題，鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)，是對(duì)學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程軟件應(yīng)用十分廣泛，因此學(xué)會(huì)應(yīng)用此仿真軟件是十分必要的。 回顧起此次電路的課程設(shè)計(jì)，從選題到定稿，從理論到實(shí)踐，可以學(xué)到很多很多的的東西，同時(shí)不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識(shí)。通過這次課程設(shè)計(jì)懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會(huì)服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。同時(shí)在設(shè)計(jì)的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對(duì)以前所學(xué)過的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，通過這次課程設(shè)計(jì)之后，一定把以前所學(xué)過的知識(shí)重新溫故。有時(shí)間多看看各方面書籍，拓寬知識(shí)面，不斷充實(shí)自我。 不管怎么說這次的課程設(shè)計(jì)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(dǎo)下彌補(bǔ)自己的不足，這樣，這次的課程設(shè)計(jì)才會(huì)畫上一個(gè)完美的句點(diǎn)。 5.參考文獻(xiàn) [1]朱正偉.EDA技術(shù)及應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社，2008.8 :30-36. 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