数电实验报告乒乓球游戏机

数字系统与逻辑设计综合实验——10秒倒计时+简易乒乓球游戏机设计课题的任务要求课题任务：1．设计实现一个10 秒倒计时电路，使用8×8 点阵显示计时结果。

2．自拟功能：简易乒乓球游戏机，倒计时至0 后开始执行该功能。

两人乒乓游戏机是以8个发光二极管代表乒乓球台，中间两个发光管兼作球网，用发光管按一定的方向依次闪亮来表示球的运动。

在游戏机两侧各设一个发球/击球开关，当甲方发球时，靠近甲方的第一个发光管亮，然后依次点亮第二个……球向乙方移动，球过网后到达设计者的规定的球位乙方即可击球，若乙方提前击球或未击到球，则甲方得分。

然后重新发球进行比赛，直到某一方记分达到规定分，比赛结束。

1.以8个发光二极管代表乒乓球台，中间两个是球网，乒乓球的位置和移动方向由灯亮及依次点亮的方向决定；2.球移动的速度0.5s；3.用4个数码管分别显示双方的得分；4.发3个球后换发球，最边上的发光二极管亮表示发球方；5.设置复位键，按下后比分清零，重新10秒倒计时，双方重新开始比赛；6.当某一方比分达到11分时，比赛结束。

设计思路及总体框图总体电路外部框图:总体电路外部接口说明：框图中左边部分为输入信号，右边为输出信号。

输入信号中，clk 为全局时钟信号，由实验板的晶振产生，频率为1MHz ；h1、h2为双方的发球、击球按键，分别锁定到实验板的BTN4及BTN1上；reset 为全局复位，当reset 为高电平时，比分全部清零，重新倒计时，然后比赛重新开始，reset 锁定到BTN2上。

输出信号中，row[7..0]为点阵行选择信号，col[7..0]为列选择信号，table[7..0]控制7个发光二极管（表示球的移动）、catch[3..0] 为数码管选通信号，score[6..0] 控制七段数码管（用来显示比分）。

总体框图：各模块间电路连接图：(详见电子版)设计思路：1. 考虑到系统的功能比较多且复杂，故采用分块设计的方式，先设计好底层各模块，再到顶层进行综合。

根据功能，将系统分为六个底层模块：①分频模块，将高频时钟(1Mhz)分频，输出两个低频时钟clk1（2hz ）和clk2（1hz ），供倒计时模块和乒乓球控制模块使用；②10秒倒计时模块，从9秒开始倒计时，一直到0，利用逐列扫描的方式，对行像素分别编码，利用人眼视觉暂留效应，以1MHZ 的频率扫描列，点阵上就会出现稳定的数字。

若按下”reset” 后,重新开始计时，然后开始兵乓球游戏。

球台控制 电路倒计时 模块 分频 电路 时钟输入 译码 显示当计时结束后输出一个控制信号，点阵熄灭，开始兵乓球游戏；③兵乓球控制模块，完成控制球的移动、判断击球、复位、计分等功能，其中包括两个译码显示模块，实现在七段数码管上显示双方的比分；④数码管扫描显示控制模块，实现4个数码管动态扫描显示功能。

分块电路设计分频器模块分频器模块由高频时钟输入和两个低频时钟输出组成，输出时钟clk1（2hz）在乒乓球模块中控制球的移动，clk2（1hz）在倒计时模块中控制计数器的变化。

倒计时模块用变量count记录输入时钟（1hz）的个数，每来一个时钟，修改一次变量count 的值，用count控制8x8点阵显示的数字，从而实现10秒倒计时。

当计时结束后，把sw信号置高，点阵熄灭，开始兵乓球游戏。

并且设有复位键”reset”,按下后比分清零，重新开始计时，然后开始兵乓球游戏。

计时流程图如下：点阵行管脚信号译码:乒乓球控制模块主控模块主要控制击球和状态的转移，模块的接口主要有时钟、倒计时结束信号、双方击球信号，球台显示及计分部分，同时将双方比分送至译码显示模块，将其译成数码管的显示信号。

流程图：状态转移图：NYYY Y NYYYNh2准备发球h1准备发球 h2发球?h1发球?NY球向h2移球向h1移h2击球?h1击球?Y球到达击球位置?球到达击球位置?Y球 出 界 否?球 出 界 否?Nh1获胜 h2获胜Y Y一局结束?N比分清零发球权计时结束？10秒倒计时在这个模块中，采用了状态机，共设七个状态，分别为waitfor、begin1、begin2、to1、to2、allow1、allow2，这七个状态所代表的含义及相关状态转移时的设计思路如下：●waitfor状态: 等待开始状态，当一局比赛结束时便处于这个状态，此状态下根据发球权信号（当发球计数器计数到3，则交换发球）决定转移到begin1或begin2状态，并且点亮靠近发球方的发光二极管。

●begin1/begin2: 准备发球状态，等待具有发球权一方按下发球/击球键，发球后若对方立即击球，则一球结束，进行加分，并转移到waitfor状态；否则，转移到to2/to1状态。

●to2/to1: 球从一方向另一方移动，发光二极管以0.5秒的速度依次点亮，此状态下若对方击球，则一球结束，进行加分，发球计数器加1，并转移到waitfor 状态；否则，当靠近接球方的第2个灯点亮时转移到allow1或allow2状态。

allow1/allow2：等待接球方击球，若接球方按下击球按，转移到球向相反方向移动的状态to2/to1。

否则，一球结束，进行加分，发球计数器加1，并转移到waitfor状态。

数码管扫描控制模块利用人眼视觉暂留效应，让一个高频时钟（1Mhz）对4个七段数码管不断进行选通扫描，使其稳定的显示双方的比分仿真波形1.倒计时电路的仿真：由于实际clk1为1Mhz，clk2为1hz，不易仿真。

以下的仿真假设高频时钟clk1周期为0.5us，用来控制列扫描信号，低频时钟clk2周期为16us，每来一个clk2改变一次显示的数字。

从9开始倒计时，点阵列管脚从高到低进行扫描，依次赋值为低电平。

同时对该列的行管脚进行编码赋值，以较高的频率进行重复扫描，便可以稳定显示相应的数字。

从以上的仿真波形中，可以比较明显的看出显示的数字。

若按下复位键”st”,则重新开始计时。

倒计时到0后，点阵熄灭，sw被置高，控制乒乓球游戏开始。

2.乒乓球控制模块仿真波形1：clkp为分频后的低频时钟，sA发球后，控制球移动的二极管依次被点亮，当靠近sB的最后一个灯点亮时，sB成功击球，之后球向sA移动，sA没有击球，球出界，sB得分。

波形2：sB成功击球后，球向sA移动，当靠近sA的最后一个灯点亮时，sA 击球，球向sB移动，之后sB提前击球，sA得分。

波形3：若按下复位键，则sw被清零，比分也被清零。

直到倒计时结束，sw 被置高，乒乓球游戏重新开始。

源程序分频器模块：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;use ieee.std_logic_arith.all;entity divide isport(clk0:in std_logic; --clk0为1MHz高频时钟输入clk1,clk2:out std_logic --clk1为2Hz时钟输出，clk2为1Hz时钟输出);end divide;architecture a of divide issignal clk_b:std_logic;--产生2hz信号的中间信号signal tmp:std_logic; --产生1hz信号的中间信号beginp1:process(clk0) --500000分频，产生2hz信号variable tmp2:integer range 0 to 249999; ;--产生2hz信号的计数器beginif clk0'event and clk0='1' thenif tmp2=249999 thentmp2:=0;clk_b<=not clk_b;elsetmp2:=tmp2+1;end if;end if;end process p1;p2:process(clk_b) --2分频，产生1hz信号beginif clk_b'event and clk_b='1' thentmp<=not tmp;end if;end process p2;clk1<=clk_b;clk2<=tmp;end a;倒计时模块：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;use ieee.std_logic_arith.all;entity bcount isport(clk1:in std_logic;--1Mhzclk2:in std_logic;--1hzsw:out std_logic;st:in std_logic;col,row:out std_logic_vector(7 downto 0));end bcount;architecture a of bcount issignal count:integer range 0 to 9;signal f:std_logic;signal c:std_logic_vector(7 downto 0);signal r:std_logic_vector(7 downto 0);signal tmp3:integer range 0 to 7;beginp1:process(clk2)beginif clk2'event and clk2='1' thenif st='0' thenif count=9 thencount<=9;f<='1';elsecount<=count+1;f<='0';end if;elsecount<=0;f<='0';end if;end if;end process p1;p2:process(clk1,count)beginif clk1'event and clk1='1' thenif tmp3=7 thentmp3<=0;elsetmp3<=tmp3+1;end if;case tmp3 iswhen 0 =>c<="01111111";when 1 =>c<="10111111";when 2 =>c<="11011111";when 3 =>c<="11101111";when 4 =>c<="11110111";when 5 =>c<="11111011";when 6 =>c<="11111101";when 7 =>c<="11111110";when others =>c<="00000000";end case;if f='0' thencase count iswhen 0=>case tmp3 iswhen 2 =>r<="11110010";when 5 =>r<="11111110";when 3|4 =>r<="10010010";when others =>r<="00000000";end case;when 1=>case tmp3 iswhen 2|5 =>r<="11111110";when 3|4 =>r<="10010010";when others =>r<="00000000";end case;when 2=>case tmp3 iswhen 2|3|4 =>r<="10000000";when 5 =>r<="11111110";when others =>r<="00000000";end case;when 3=>case tmp3 iswhen 2 =>r<="11111110";when 5 =>r<="10011110";when 3|4 =>r<="10010010";when others =>r<="00000000";end case;when 4=>case tmp3 iswhen 2 =>r<="11110010";when 5 =>r<="10011110";when 3|4 =>r<="10010010";when others =>r<="00000000";end case;when 5=>case tmp3 iswhen 2 =>r<="11110000";when 3|5 =>r<="00010000";when 4 =>r<="01111110";when others =>r<="00000000";end case;when 6=>case tmp3 iswhen 5 =>r<="11111110";when 2|3|4 =>r<="10010010";when others =>r<="00000000";end case;when 7=>case tmp3 iswhen 2 =>r<="10011110";when 5 =>r<="11110010";when 3|4 =>r<="10010010";when others =>r<="00000000";end case;when 8=>case tmp3 iswhen 4 =>r<="11111110";when others =>r<="00000000";end case;when others=>case tmp3 iswhen 2|5 =>r<="11111110";when 3|4 =>r<="10000010";when others =>r<="00000000";end case;end case;elser<="00000000";end if;end if;end process p2;col<=c;row<=r;sw<=f;end a;乒乓球控制模块：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;use ieee.std_logic_arith.all;entity tennis isport(clkp:in std_logic;--2hz时钟信号sw:in std_logic;--计时结束信号sA,sB:in std_logic;--双方击球,score11:out std_logic_vector(6 downto 0);--甲得分（个位）score12:out std_logic_vector(6 downto 0);--甲得分（十位）score21:out std_logic_vector(6 downto 0);--乙得分（个位）score22:out std_logic_vector(6 downto 0);--乙得分（十位）light:out std_logic_vector(7 downto 0) --发光二极管的显示);end tennis;architecture a of tennis iscomponent led--七段数码管译码显示模块port(cn:in std_logic_vector(3 downto 0);--输入分数ag1:out std_logic_vector(6 downto 0);--译码输出（十位）ag2:out std_logic_vector(6 downto 0)--译码输出（个位）);end component;signal score1,score2:std_logic_vector(3 downto 0);--双方的得分signal lit:integer range 0 to 8;--7个二极管的控制信号signal m:integer range 0 to 2;--发球计数器signal send:std_logic;--发球权信号type ss is (waitfor,begin1,to2,begin2,to1,allow1,allow2);--设置7个状态signal state:ss;beginp1:process(clkp,sA,sB)beginif clkp'event and clkp='1' thenif sw='1' then --倒计时结束，游戏开始if m=3 thenm<=0;send<=not send; --发3个球后，交换发球end if;if (score1="1011" or score2="1011") then --比分达到11分时，一局结束lit<=0; --灯全灭m<=0; --发球计数器清零send<='0'; --sA先发球score1<="0000";score2<="0000"; --双方比分清零state<=waitfor; --进入等待状态，开始新的一局elsecase state iswhen waitfor=> --等待状态case send iswhen '0' =>lit<=1;state<=begin1;--若sA发球，则L1亮when '1' =>lit<=8;state<=begin2; --若sB发球，则L8亮when others =>lit<=0; --灯全灭end case;when begin1 =>if sA='1' then --甲发球lit<=2; --L2亮if sB='1' thenlit<=0;score1<=score1+1;state<=waitfor;--乙接球判负elsestate<=to2;end if;else state<=waitfor;end if;when begin2 =>if sB='1' then --乙发球lit<=7; --L7亮if sA ='1' thenlit<=0;score2<=score2+1;state<=waitfor; --甲接球判负elsestate<=to1;end if;else state<=waitfor;end if;when to1 => --乙接球后的状态if sA='1' thenlit<=0;score2<=score2+1;m<=m+1;state<=waitfor; --甲接球判负elsif lit=2 thenlit<=1;state<=allow1; --进入甲接球状态else lit<=lit-1; --控制灯的走向end if;when to2=> --甲接球后的状态if sB='1' thenlit<=0;score1<=score1+1;m<=m+1;state<=waitfor; --乙接球判负elsif lit=7 thenlit<=8;state<=allow2; --进入乙接球状态else lit<=lit+1; --控制灯的走向end if;when allow1=> --甲接球状态if sA='1' thenstate<=to2; --甲接球进入向乙移动的状态elsescore2<=score2+1;m<=m+1;lit<=0;state<=waitfor;--甲未接球乙加分end if;when allow2=> --乙接球状态if sB='1' thenstate<=to1; --乙接球进入向甲移动的状态elsescore1<=score1+1;m<=m+1;lit<=0;state<=waitfor;--甲未接球乙加分end if;end case;end if;else --倒计时没有结束，比分清零，游戏终止lit<=0;score1<="0000";score2<="0000";m<=0;send<='0';end if;end if;end process p1;with lit select --控制亮灯的顺序light<="00000000"when 0,"00000001"when 1,"00000010"when 2,"00000100"when 3,"00001000"when 4,"00010000"when 5,"00100000"when 6,"01000000"when 7,"10000000"when 8,"00000000"when others;q1:led port map(cn=>score1,ag2=>score11,ag1=>score12);--译码模块，显示甲得分q2:led port map(cn=>score2,ag2=>score21,ag1=>score22); --译码模块，显示乙得分end a;译码显示模块:library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;use ieee.std_logic_arith.all;entity led isport(cn:in std_logic_vector(3 downto 0); --输入的分数信号ag1:out std_logic_vector(6 downto 0); --译码输出（十位）ag2:out std_logic_vector(6 downto 0) --译码输出（个位）);end led;architecture a of led isbeginprocess(cn)begincase cn iswhen "0000" =>ag1<="1111110";ag2<="1111110";--显示0when "0001" =>ag1<="1111110";ag2<="0110000";when "0010" =>ag1<="1111110";ag2<="1101101";when "0011" =>ag1<="1111110";ag2<="1111001";when "0100" =>ag1<="1111110";ag2<="0110011";when "0101" =>ag1<="1111110";ag2<="1011011";when "0110" =>ag1<="1111110";ag2<="1011111";when "0111" =>ag1<="1111110";ag2<="1110000";when "1000" =>ag1<="1111110";ag2<="1111111";when "1001" =>ag1<="1111110";ag2<="1111011";when "1010" =>ag1<="0110000";ag2<="1111110";when "1011" =>ag1<="0110000";ag2<="0110000";when others =>ag1<="1111110";ag2<="1111110";end case;end process;end a;数码管扫描控制模块library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity sweep isport(clkq:in std_logic;--1Mhz时钟信号score_a1:in std_logic_vector(6 downto 0);--甲得分（个位）score_a2:in std_logic_vector(6 downto 0); --甲得分（十位）score_b1:in std_logic_vector(6 downto 0); --乙得分（个位）score_b2:in std_logic_vector(6 downto 0); --乙得分（十位）cn:out std_logic_vector(6 downto 0);--最终输出的得分sel:out std_logic_vector(3 downto 0)--数码管片选信号);end sweep;architecture a of sweep issignal tmp:integer range 0 to 3;--产生片选信号的计数器beginprocess(clkq)beginif clkq'event and clkq='1' thenif tmp=3 thentmp<=0;elsetmp<=tmp+1;end if;case tmp iswhen 0 =>sel<="1110";cn<=score_a1;--数码管的4种状态when 1 =>sel<="1101";cn<=score_a2;when 2 =>sel<="1011";cn<=score_b1;when 3 =>sel<="0111";cn<=score_b2;when others =>sel<="1111";end case;end if;end process;end a;顶层模块的代码见源文件。