1、江西省2011.5月年大生電子設(shè)計(jì)自選賽參賽作品參賽題目：乒乓球游戲機(jī)參賽者： 二一一年五月目 錄乒乓球游戲機(jī)- 1 -摘要- 1 -關(guān)鍵字- 1 -一 pwm波形形成- 2 -1. fpga簡(jiǎn)介- 2 -2. 脈寬調(diào)制（pwm）原理及本賽題要求的實(shí)現(xiàn)- 2 -3. pwm形成方法：- 3 -4. 方案選擇- 3 -二、濾波電路- 3 -1. 無(wú)源濾波器簡(jiǎn)介- 3 -2. 方案選擇- 3 -3. 作用及效果- 4 -4. 電路原理圖及分析- 4 -三 lm324運(yùn)放電路及分析- 4 -1. lm324簡(jiǎn)介- 4 -2. 原理分析- 5 -四 程序設(shè)計(jì)- 5 -1. 程序設(shè)計(jì)思路- 5 -2.

2、程序流程圖- 6 -五 調(diào)試方法與測(cè)試結(jié)果- 11 -1. 調(diào)試設(shè)備與工具- 11 -2. 調(diào)試方法- 11 -3. 輸出波形- 11 -六 結(jié)論- 12 -附錄- 12 -1.部分程序清單- 12 -參考文獻(xiàn)- 14 -乒乓球游戲機(jī)摘要本設(shè)計(jì)以fpga為中心，實(shí)現(xiàn)在示波器上模擬乒乓球游戲。在fpga平臺(tái)控制下，編程實(shí)現(xiàn)兩路脈寬調(diào)制（pwm）波形， 采用rc低通濾波分別得到三角波和近似拋物線波，經(jīng)放大后分別輸入至示波器兩個(gè)輸入通道，示波器工作在x-y模式。三角波的pwm共分為256個(gè)準(zhǔn)周期，占空比線性增長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)三角波上升期間光點(diǎn)（乒乓球）從左到右運(yùn)動(dòng)、下降期間則從右向左運(yùn)動(dòng)，頻率為50hz；近

3、似拋物線波的pwm共分為128個(gè)準(zhǔn)周期，占空比按近似拋物線規(guī)律增減，頻率為50hz。在兩路波形的共同驅(qū)動(dòng)下，光點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)從左到右、從右到左近似拋物線軌跡運(yùn)動(dòng)，以模擬乒乓球游戲。兩種波形的放大倍數(shù)皆為35倍。關(guān)鍵字fpga、pwm、rc濾波、運(yùn)放一 pwm波形形成 1. fpga簡(jiǎn)介 fpga是field programmable gate array的縮寫，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，它是在pal、gal、epld等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（asic）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。本設(shè)計(jì)主要采用其內(nèi)部宏模

4、塊lpm_rom1，利用它的特性通過(guò)查表產(chǎn)生脈寬調(diào)制波。2. 脈寬調(diào)制（pwm）原理及本賽題要求的實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制通常用于電氣或電子系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)電壓、功率控制，其基本原理是改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)（方波或矩形波）的占空比或改變頻率（分別稱為調(diào)寬或調(diào)頻），經(jīng)過(guò)低通濾波后使其平均值變化，從而改變電壓或功率。本課題使用fpga平臺(tái)，通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)輸出脈寬調(diào)制波。與通常pwm設(shè)計(jì)的不同之處在于：要求兩路pwm波輸入以x-y模式工作的通用示波器，控制模擬乒乓球的光點(diǎn)以拋物線軌跡在示波管左右之間運(yùn)動(dòng)。顯然示波器的x、y軸驅(qū)動(dòng)應(yīng)該采用不同的脈寬調(diào)制方法。要實(shí)現(xiàn)賽題要求，x軸方向的控制電壓應(yīng)該是三角波、y軸方向的控制電壓應(yīng)

5、該是拋物波。采用pwm的調(diào)寬方法，x軸和y軸方向的驅(qū)動(dòng)均以矩形波為基礎(chǔ)，但是x、y方向調(diào)寬方式不同。x方向輸出經(jīng)濾波后應(yīng)實(shí)現(xiàn)三角波，故其占空比首先應(yīng)線性增長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)光點(diǎn)（乒乓球）從左到右運(yùn)動(dòng)；然后線性下降，實(shí)現(xiàn)光點(diǎn)（乒乓球）從右到左運(yùn)動(dòng)。y方向輸出經(jīng)濾波后應(yīng)實(shí)現(xiàn)拋物線波，故其占空比首先應(yīng)近似拋物線形增長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)光點(diǎn)從下到上運(yùn)動(dòng)到達(dá)中點(diǎn)（最高點(diǎn)）；然后近似拋物線形下降，實(shí)現(xiàn)光點(diǎn)從上到下運(yùn)動(dòng)。近似拋物線可以用正弦波的正半周模擬實(shí)現(xiàn)。在兩路波形的共同驅(qū)動(dòng)下，光點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)從左到右、從右到左近似拋物線軌跡運(yùn)動(dòng)，模擬乒乓球游戲。pwm的占空比形成原理：將波形分為256段，即256個(gè)準(zhǔn)周期。每個(gè)準(zhǔn)周期又劃分為25

6、6個(gè)區(qū)間，通過(guò)控制每周期出現(xiàn)高電平區(qū)間的個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)不同驅(qū)動(dòng)波形要求的占空比。綜上所述，本賽題x、y驅(qū)動(dòng)電壓的實(shí)現(xiàn)，實(shí)際上是采用了一種簡(jiǎn)易數(shù)模（d/a）轉(zhuǎn)換的方法，即不采用d/a芯片實(shí)現(xiàn)了近似d/a轉(zhuǎn)換。3. pwm形成方法：方案一：利用matlab軟件工具，波形256等分后，把matlab軟件所得的數(shù)據(jù)存入rom中。調(diào)用rom中的數(shù)據(jù)，即可實(shí)現(xiàn)每個(gè)步長(zhǎng)的占空比不同。方案二：設(shè)置標(biāo)志位及設(shè)置循環(huán)加、減來(lái)實(shí)現(xiàn)不同區(qū)間的高電平的個(gè)數(shù)，得到不同的占空比。方案對(duì)比：方案一數(shù)據(jù)固定，可使得波形穩(wěn)定，需要芯片支持存儲(chǔ)宏模塊；方案二循環(huán)使得端口資源占用大，但基本芯片都具備此功能。4. 方案選擇三角波是線性增減

7、的，方案一或者方案二，都可以依次增大占空比，得到占空比逐漸增、減的pwm波形。本設(shè)計(jì)采用的為方案一。近似拋物波的形成方法：拋物波為非線性的，方案一實(shí)現(xiàn)比較麻煩。采用方案二，制作相應(yīng)的表格即可實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)近似拋物波的表格存入rom的數(shù)據(jù)一共有256個(gè)，每個(gè)的字長(zhǎng)為8位。二、濾波電路1. 無(wú)源濾波器簡(jiǎn)介無(wú)源濾波器是僅由無(wú)源元件(r、l 和c)組成的濾波器，它是利用電容和電感元件的電抗隨頻率的變化而變化的原理構(gòu)成的。這類濾波器的優(yōu)點(diǎn)是：電路比較簡(jiǎn)單，不需要直流電源供電，可靠性高；缺點(diǎn)是：通帶內(nèi)的信號(hào)有能量損耗，負(fù)載效應(yīng)比較明顯，使用電感元件時(shí)容易引起電磁感應(yīng)，當(dāng)電感l(wèi)較大時(shí)濾波器的體積和重量都比較大

8、，在低頻域不適用。2. 方案選擇方案一：采用rlc濾波方案二：采用lc濾波方案三：rc濾波方案四：二階濾波rc濾波器電路簡(jiǎn)單，抗干擾性強(qiáng)，有較好的低頻性能，并且選用標(biāo)準(zhǔn)的阻容元件易得，有助于參數(shù)選擇，故本次設(shè)計(jì)采用rc濾波電路。3. 作用及效果本設(shè)計(jì)rc濾波電路實(shí)現(xiàn)提取脈寬調(diào)制的均值電壓，由fpga得到的pwm的區(qū)間為256個(gè)，經(jīng)過(guò)rc低通濾波后得到的電壓均值波動(dòng)較小，可以得到相應(yīng)的近似拋物線波和三角波。4. 電路原理圖及分析圖1為低通濾波電路。原理：通過(guò)電容充放電的作用實(shí)現(xiàn)rc低通濾波。參數(shù)選擇：設(shè)波形周期為t，電路時(shí)間常數(shù)為t,則應(yīng)該滿足公式：t=4t即t=4rc本設(shè)計(jì)波形周期為兩秒，電容

9、取值為10f，電位器為 050k。圖1 rc低通濾波電路三 lm324運(yùn)放電路及分析1. lm324簡(jiǎn)介lm324系列器件為價(jià)格便宜的帶有真差動(dòng)輸入的四運(yùn)算放大器。與單電源應(yīng)用場(chǎng)合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點(diǎn)。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為mc1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場(chǎng)合中采用外部偏置元件的限制。其中“+”、“ ”為兩個(gè)信號(hào)輸入端，“v+”、“v”為正、負(fù)電源端，“vo”為輸出端。其管腳圖如圖2所示。.圖2 lm324管腳圖2. 原理分析lm324連接為同向比例運(yùn)算放大器，原理如圖3所示。圖3 運(yùn)

10、算放大器lm324電路設(shè)計(jì)放大倍數(shù)av=(1+rp1/r1)*vo，將fpga輸出的脈寬調(diào)制模擬三角波和近似拋物波輸入到運(yùn)放lm324，然后接入示波器兩個(gè)輸入通道，通過(guò)改變r(jià)p可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)x、y軸驅(qū)動(dòng)信號(hào)的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)光點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的調(diào)整。四 程序設(shè)計(jì)1. 程序設(shè)計(jì)思路波形形成：首先進(jìn)行分頻，設(shè)置兩組計(jì)數(shù)變量count，i，n；count2，q1,t分別用于設(shè)計(jì)三角波和正弦波。三角波：在每一個(gè)準(zhǔn)周期后變量count清零，此時(shí)有以下兩種情況：（1）當(dāng)n小于255時(shí)， i，,n加一，高電平的個(gè)數(shù)在每一準(zhǔn)周期上依次增加，這樣實(shí)現(xiàn)了pwm波形的占空比線性增加；（2）當(dāng)n不小于255時(shí)，n清零，同時(shí)i的值減一

11、，高電平的個(gè)數(shù)在每一準(zhǔn)周期上依次增加，pwm波形的占空比線性減小。通過(guò)變量的組合實(shí)現(xiàn)高電平的個(gè)數(shù)的增加、減少，得到所需的pwm波形。近似拋物波的方法相似，只是通過(guò)查表的方式得到。左右擊球：設(shè)置標(biāo)志位，當(dāng)小球分別處于左右端時(shí)，標(biāo)志位置位。此時(shí)判斷是否有按鍵按下，若有相應(yīng)的鍵按下，則繼續(xù)輸出波形；若無(wú)鍵按下，則等待1秒左右，若還是無(wú)鍵按下，則指示燈亮并記錄相應(yīng)的分?jǐn)?shù)。成敗機(jī)制：設(shè)置一標(biāo)志位，初值為1，當(dāng)左右擊球時(shí)，判斷按鍵是否按下。若無(wú)，則將標(biāo)志位置零，指示燈亮（指示燈低電平亮）；若有按鍵按下，則不采取操作。積分機(jī)制：采用4位共陽(yáng)數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示，設(shè)計(jì)時(shí)需要注意掃描頻率。按乒乓球比賽規(guī)則實(shí)行11分制

12、，當(dāng)一方得分為11分時(shí)，兩方的得分清零。設(shè)計(jì)一顯示模塊，在總體設(shè)計(jì)時(shí)直接調(diào)用模塊，這樣可使程序簡(jiǎn)潔。2. 程序流程圖主程序流程圖見(jiàn)圖4。圖5為三角波pwm流程圖。圖6為拋物波（正弦波的正半周）pwm流程圖。圖7為數(shù)碼管記分機(jī)制流程圖。圖4 主程序流程圖圖5 三角波pwm流程圖圖6 拋物波pwm流程圖圖7 數(shù)碼管記分機(jī)制流程圖五 調(diào)試方法與測(cè)試結(jié)果1. 調(diào)試設(shè)備與工具通用雙蹤示波器：lm4320d雙蹤數(shù)字示波器：tektronix tds1001bsc直流穩(wěn)壓電源：xk1715信號(hào)發(fā)生器：lm1634萬(wàn)用表：dt9205a其他常用焊接工具。2. 調(diào)試方法首先將pwm波形產(chǎn)生程序進(jìn)行反復(fù)調(diào)試、編譯

13、、仿真，確認(rèn)符合設(shè)計(jì)要求、用信號(hào)發(fā)生器、雙蹤示波器調(diào)試rc低通濾波器和運(yùn)算放大電路。上述三個(gè)部分調(diào)試完畢之后，將fpga開發(fā)板、低通濾波器、運(yùn)算放大器lm324正確連接，接通系統(tǒng)電源。用示波器觀察低通濾波器輸出，調(diào)節(jié)r、c大小以基本符合x、y驅(qū)動(dòng)電壓波形的要求。將示波器置于x-y工作模式，調(diào)節(jié)運(yùn)算放大器輸出，改變其放大倍數(shù)，使示波器光點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡符合設(shè)計(jì)要求。3. 輸出波形圖8和圖9分別是三角波與近似拋物波和光點(diǎn)（乒乓球）運(yùn)動(dòng)軌跡波形。圖8 三角波與近似拋物波圖9 光點(diǎn)（乒乓球）運(yùn)動(dòng)軌跡波形六 結(jié)論 本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了賽題基本功能和部分?jǐn)U展功能，可在示波器上穩(wěn)定地模擬乒乓球的運(yùn)動(dòng)。本次設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于脈

14、寬調(diào)制波的的產(chǎn)生和濾波電路中的參數(shù)選擇。附錄1. 部分程序清單 if(count1=200) begin count1=0; count=count+1; count2=count2+1; if(count=256) begin count=0; pwmout=1; if(n=255) begin i=i-1; if(i=0) begin n=0; count=0; pwmout=0; end end else begin i=i+1; n=n+1; end end else if(count=i) begin pwmout=0; end if(count2=256) begin count2=0; pwmout2=1; q1=q1+1; if(q1=255) q1=0; end else if(count2=t1) begin pw