乒乓球游戲機作者：指導老師：摘 要: 該乒乓球游戲機以FPGA為平臺，FPGA通過兩條I/O信號輸出兩組脈寬調制波，經過低通濾波器提取脈寬調制的均值電壓，再經放大器放大電壓倍數，輸入到雙通道示波器中。示波器工作在X/Y模式，示波器屏幕上的光點代表乒乓球，乒乓球在X/Y電壓的控制下在屏幕上移動。基于FPGA平臺通過程序來控制示波器上乒乓球的移動軌跡，實現按鈕對乒乓球的控制，改變乒乓球的移動軌跡、速率，實現成敗機制等游戲規則。關鍵字：FPGA 乒乓球游戲機 開發板 濾波放大一、方案論證與選擇(一)、題目任務要求及相關指標分析1、任務要求用FPGA平臺構造一個乒乓球游戲機。系統結構如圖所示，FPGA通過兩條I/O信號輸出兩組脈寬調制波，經過低通濾波器提取脈寬調制的均值電壓，輸入到雙通道示波器中。示波器工作在X/Y模式。示波器屏幕上的光點代表乒乓球。乒乓球在X/Y電壓的控制下在屏幕上移動。2、基本要求：1）、構造兩組無源低通濾波器，使得FPGA可以用脈寬調制方式控制球的位置；2）、用給定的運放(LM324)制作一放大器，使光點運動范圍在示波器的X軸，Y軸方向上可調；3）、乒乓球可按拋物線自動在屏幕上左右彈射，球的落點為屏幕兩側邊的中間。3、擴展要求：1）、使用兩個按鈕分別作為左側擊球鈕和右側擊球鈕。當乒乓球靠近屏幕左邊時按下左側擊球鈕，可將球擊回右側。右側擊球鈕亦然；2）、建立成敗機制，即球抵達邊沿而未按下擊球鈕，記為擊球失敗，用LED燈光表示；3）、建立記分機制，在七段數碼管上顯示雙方得分；4）、特殊功能，在不調整放大器的情況下，連按兩下擊球鈕能擊出高拋球，軌跡拋物線曲率變大；5）、在人眼能分辨的前提下，球的運動速率可以調節。(二)、方案的比較與選擇1、總體方案概述乒乓球游戲機硬件部分主要包括基于FPGA平臺的開發板，電源，低通濾波器，放大器，雙通示波器，軟件部分包括。游戲機的總體設計思路基本為，按照題目的要求依次實現各個模塊功能，以達到預期效果。對于方案的選擇我們需要做的就是對硬件、軟件的各個部分充分了解，清楚不同設計方案的基本要求和特點，之后根據需要以及各部分之間的銜接問題，同時考慮我們已有的知識和能力，確定最終的方案。2、主要模塊的介紹及方案的比較模塊一：FPGAFPGA（Field Programmable Gate Array 現場可編程門陣列）是在PAL、GAL、PLD等器件的基礎上進一步發展的產物，是專用集成電路（ASIC）中集成度最高的一種。FPGA 可以用VHDL或verilog來編程，靈活性強，由于能夠進行編程、除錯、再編程和重復操作，因此可以充分地進行設計開發和驗證。當電路有少量改動時，更能顯示出FPGA 的優勢，其現場編程能力可以延長產品在市場上的壽命，而這種能力可以用來進行系統升級或除錯。在本題中，FPGA模塊發揮了功能核心作用，信號的生成和控制，按鈕對球的控制，成敗機制，計分機制，球的軌跡的曲率變化，球的運動速率的變化，都需要通過基于FPGA的開發板及相應的編程來實現。模塊二：濾波器濾波器是對輸入信號的頻率具有選擇性的一個二端口網絡，它允許某些頻率的信號通過，而其他頻率信號的幅值要受到衰減或抑制。這些網絡可以是RLC元件或RC元件構成的無源濾波器，也可以是RC元件和有源器件構成的有源濾波器。有源濾波器由集成運放和R、C組成，具有不用電感、體積小、重量輕等優點。集成運放的開環電壓增益和輸入阻抗均很高，輸出電阻小，構成有源濾波電路后還具有一定的電壓放大和緩沖作用。本題要求為構造兩組無源低通濾波器，使得FPGA可以用脈寬調制方式控制球的位置，由此可見本游戲機的設計對于濾波器部分要求不是很高。此時確定可用元件為RLC，我們選用RC濾波電路來實現題目要求。（元件的選擇）模塊三：放大器放大器是能把輸入信號的電壓或功率放大的裝置，由電子管或晶體管、電源變壓器和其他電器元件組成。放大器的放大作用是通過輸入信號控制能源來實現的，放大所需功耗由能源提供。對于線性放大器，輸出就是輸入信號的復現和增強。對于非線性放大器，輸出則與輸入信號成一定函數關系。按照本題要求，用給定的運放(LM324)制作一放大器，使光點運動范圍在示波器的X軸，Y軸方向上可調。LM324為四運放集成電路，采用14 腳雙列直插塑料封裝，內部有四個運算放大器，有相位補償電路。電路功耗很小，LM324工作電壓范圍寬，可用正電源330V，或正負雙電源15V15V 工作。它的輸入電壓可低到地電位，而輸出電壓范圍為Vcc。它的內部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互單獨。在此限定下，以下有兩種方案可供選擇。（階數的選擇）模塊四：示波器我們可用的示波器有兩種，數字示波器和模擬示波器。一：數字示波器是數據采集，A/D轉換，軟件編程等一系列的技術制造出來的高性能示波器?，F代數字存儲示波器首先對模擬信號進行高速采樣獲得相應的數字數據并存儲。用數字信號處理技術對采樣得到的數字信號進行相關處理與運算，從而獲得所需的各種信號參數（包括可能需要使用萬用表測試的一些元器件電氣參數）。根據得到的信號參數繪制信號波形，并可對被測信號進行實時的、瞬態的分析，以方便用戶了解信號質量，快速準確地進行故障的診斷。此外，數字示波器一般支持多級菜單，能提供給用戶多種選擇，多種分析功能。由此可見，數字濾波器具有操作簡單，功能齊全，顯示明了等優點。但數字濾波器并不是直接顯示信號的物理量，而是通過一系列的變換來獲取信號參數，依據參數繪制波形，缺點怎么說，為什么不能選用。二：模擬示波器，采用的是模擬電路（示波管，其基礎是電子槍）電子槍向屏幕發射電子，發射的電子經聚焦形成電子束，并打到屏幕上，屏幕的內表面涂有熒光物質，這樣電子束打中的點就會發出光來。從模擬示波器的顯示原理上來看，其功能沒有數字示波器齊全，使用起來沒有數字示波器便捷，但模擬示波器是直接顯示輸入信號的物理量，能更直接的顯示本題所要達到的效果。最后，我們選擇模擬示波器作為游戲機的顯示平臺。3、方案的確定通過以上各個模塊方案的分析，根據本題要求，可以確定每個模塊的最佳方案，之后結合各個模塊之間的銜接問題、可行性等多方面因素，綜合分析，最后確定本設計的方案。2、 系統總體實現方框圖和各部分介紹(一)、系統總體實現方框圖FPGA無源低通濾波無源低通濾波放大器放大器示波器PWM波1PWM波2直流直流X Y（方框圖還缺少哪些）用FPGA平臺構造一個乒乓球游戲機,系統結構如圖所示。FPGA通過兩條I/O信號輸出兩組脈寬調制波，經過低通濾波器提取脈寬調制的均值電壓，再經過放大器，輸入到雙通道示波器中。示波器工作在X/Y模式，示波器屏幕上的光點代表乒乓球，乒乓球在X/Y電壓的控制下在屏幕上移動。（二）、各部分介紹1、 FPGA2、 電