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乒乓球游戏机.docx

乒乓球游戏机

晓彤朝君
2017-06-03 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《乒乓球游戏机docx》,可适用于农林牧渔领域

目录摘要IAbstractII.绪论课题背景EDA简介CPLD与GPLD简介课设内容方案选择设计方案方案一方案二方案比较及选择比较两种方案方案的选择设计原理硬件组成单片机电路发光二极管显示和按键电路蜂鸣器电路数码管显示电路软件设计仿真结果和分析编程下载及测试结论致谢参考文献附录附录<一>元器件清单附录<二>程序代码附录<三>仿真结果附录<四>芯片管脚通信工程专业课程设计Ⅱ.绪论课题背景随着科学技术的发展人类社会一进入高度发达的信息化社会信息社会的发展离不开电子产品的进步。现代电子产品发展越来越快各种新型电子元器件和智能化电子产品已经在国民经济的各个领域和人民生活的各个方面得到日益广泛的应用。实现这种进步的主要原因就是生产制造技术和电子设计技术的发展。其中电子玩具的发展也是日益成熟。本次课程设计的内容是完成一个乒乓球游戏机的设计由甲乙双方参赛并能完成自动裁判和单局的计分是一个带数字显示的模拟游戏机。其结构简单、成本低、易操作、安全性强、无污染。乒乓球游戏机还能在娱乐的同时提高我们的反应应变能力具有良好的市场发展前景。乒乓球游戏机的设计可用EDA技术利用maxplusII软件完成了程序的设计及仿真还可利用单片机技术。电子设计技术的核心就是EDA技术EDA是指以计算机为工作平台融合应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成的电子CAD通用软件包主要能辅助进行三方面的设计工作即IC设计、电子电路设计和PCB设计。EDA技术在电子信息、通信、自动控制及计算机应用等领域的重要性日益突出。而单片机技术作为计算机技术的一个分支广泛应用于工业控制、智能仪器仪表、机电一体化产品、家用电器等各个领域。随着单片机应用技术的发展单片机产品将不断更新换代单片机应用的模式、方法也在不断发展。EDA简介世纪年代国际上电子和计算机技术较先进的国家一直在积极探索新的电子电路设计方法并在设计方法、工具等方面进行了彻底的变通信工程专业课程设计Ⅱ革取得了巨大成功。在电子技术设计领域可编程逻辑器件(如CPLD、FPGA)的应用已得到广泛的普及这些器件为数字系统的设计带来了极大的灵活性。这些器件可以通过软件编程而对其硬件结构和工作方式进行重构从而使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。这一切极大地改变了传统的数字系统设计方法、设计过程和设计观念促进了EDA技术的迅速发展。EDA技术就是以计算机为工具设计者在EDA软件平台上用硬件描述语言VHDL完成设计文件然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。EDA技术的出现极大地提高了电路设计的效率和可操作性减轻了设计者的劳动强度。利用EDA工具电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统大量工作可以通过计算机完成并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程的计算机上自动处理完成。现在对EDA的概念或范畴用得很宽。包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域都有EDA的应用。目前EDA技术已在各大公司、企事业单位和科研教学部门广泛使用。例如在飞机制造过程中从设计、性能测试及特性分析直到飞行模拟都可能涉及到EDA技术。EDA技术概念:EDA技术是指以计算机为工作平台融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的最新成果进行电子产品的自动设计。利用EDA工具电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统大量工作可以通过计算机完成并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程的计算机上自动处理完成。通信工程专业课程设计Ⅱ现在对EDA的概念或范畴用得很宽。包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域都有EDA的应用。目前EDA技术已在各大公司、企事业单位和科研教学部门广泛使用。例如在飞机制造过程中从设计、性能测试及特性分析直到飞行模拟都可能涉及到EDA技术。本文所指的EDA技术主要针对电子电路设计、PCB设计和IC设计。EDA设计可分为系统级、电路级和物理实现级。EDA设计方法:()前端设计(系统建模RTL级描述)后端设计(FPGAASIC)系统建模()IP复用()前端设计()系统描述:建立系统的数学模型。()功能描述:描述系统的行为或各子模块之间的数据流图。()逻辑设计:将系统功能结构化通常以文本、原理图、逻辑图、布尔表达式来表示设计结果。()仿真:包括功能仿真和时序仿真主要验证系统功能的正确性及时序特性。EDA工具软件:EDA工具软件可大致可分为芯片设计辅助软件、可编程芯片辅助设计软件、系统设计辅助软件等三类。目前进入我国并具有广泛影响的EDA软件是系统设计软件辅助类和可编程芯片辅助设计软件:Protel、AltiumDesigner、PSPICE、multiSIM(原EWB的最新版本)、OrCAD、PCAD、LSIIogic、MicroSim、ISE、modelsim、Matlab等等。这些工具都有较强的功能一般可用于几个方面例如很多软件都可以进行电路设计与仿真同进还可以进行PCB自动布局布线可输出多种网表文件与第三方软件接口。通信工程专业课程设计ⅡCPLD与GPLD简介CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice)复杂可编程逻辑器件是从PAL和GAL器件发展出来的器件相对而言规模大结构复杂属于大规模集成电路范围。是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。其基本设计方法是借助集成开发软件平台用原理图、硬件描述语言等方法生成相应的目标文件通过下载电缆(“在系统”编程)将代码传送到目标芯片中实现设计的数字系统CPLD主要是由可编程逻辑宏单元(MCMacroCell)围绕中心的可编程互连矩阵单元组成。其中MC结构较复杂并具有复杂的IO单元互连结构可由用户根据需要生成特定的电路结构完成一定的功能。由于CPLD内部采用固定长度的金属线进行各逻辑块的互连所以设计的逻辑电路具有时间可预测性避免了分段式互连结构时序不完全预测的缺点。FPGA与CPLD的辨别和分类主要是根据其结构特点和工作原理。通常的分类方法是:将以乘积项结构方式构成逻辑行为的器件称为CPLD如Lattice的ispLSI系列、Xilinx的XC系列、Altera的MAXS系列和Lattice(原Vantis)的Mach系列等。将以查表法结构方式构成逻辑行为的器件称为FPGA如Xilinx的SPARTAN系列、Altera的FLEXK或ACEXK系列等。尽管FPGA和CPLD都是可编程ASIC器件,有很多共同特点,但由于CPLD和FPGA结构上的差异,具有各自的特点:()CPLD更适合完成各种算法和组合逻辑,FPGA更适合于完成时序逻辑。换句话说,FPGA更适合于触发器丰富的结构,而CPLD更适合于触发器有限而乘积项丰富的结构。()CPLD的连续式布线结构决定了它的时序延迟是均匀的和可预测通信工程专业课程设计Ⅱ的,而FPGA的分段式布线结构决定了其延迟的不可预测性。()在编程上FPGA比CPLD具有更大的灵活性。CPLD通过修改具有固定内连电路的逻辑功能来编程,FPGA主要通过改变内部连线的布线来编程FPGA可在逻辑门下编程,而CPLD是在逻辑块下编程。()FPGA的集成度比CPLD高,具有更复杂的布线结构和逻辑实现。()CPLD比FPGA使用起来更方便。CPLD的编程采用EPROM或FASTFLASH技术,无需外部存储器芯片,使用简单。而FPGA的编程信息需存放在外部存储器上,使用方法复杂。()CPLD的速度比FPGA快,并且具有较大的时间可预测性。这是由于FPGA是门级编程,并且CLB之间采用分布式互联,而CPLD是逻辑块级编程,并且其逻辑块之间的互联是集总式的。()在编程方式上,CPLD主要是基于EPROM或FLASH存储器编程,编程次数可达万次,优点是系统断电时编程信息也不丢失。CPLD又可分为在编程器上编程和在系统编程两类。FPGA大部分是基于SRAM编程,编程信息在系统断电时丢失,每次上电时,需从器件外部将编程数据重新写入SRAM中。其优点是可以编程任意次,可在工作中快速编程,从而实现板级和系统级的动态配置。()CPLD保密性好,FPGA保密性差。()一般情况下,CPLD的功耗要比FPGA大,且集成度越高越明显。单片机简介单片机是一种集成在电路芯片是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种IO口和中断系统、定时器计时器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、AD转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。通信工程专业课程设计Ⅱ单片机具有功能强、可靠性高、使用方便、体积小及重量轻等优点。国外已广泛应用于自动化控制的各个领域。近年来国内的单片机技术与产品开发应用方面的发展也很快各种电子产品已越来越多地采用单片机控制系统且性价比高。本文从实用的角度以ATS单片机为核心设计了一种智能乒乓球游戏机。实践证明该游戏机运行状况稳定、可靠满足了智能化要求。它是一种在线式实时控制计算机在线式就是现场控制需要的是有较强的抗干扰能力较低的成本这也是和离线式计算机的(比如家用PC)的主要区别。单片机是靠程序的并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能尤其是特殊的独特的一些功能这是别的器件需要费很大力气才能做到的有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国年代开发的系列或者年代的CD系列这些纯硬件来搞定的话电路一定是一块大PCB板!但是如果要是用美国年代成功投放市场的系列单片机结果就会有天壤之别!只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能高效率以及高可靠性!由于单片机对成本是敏感的所以目前占统治地位的软件还是最低级汇编语言(近几年C语言也开始广泛被应用)它是除了二进制机器码以上最低级的语言了既然这么低级为什么还要用呢?很多高级的语言已经达到了可视化编程的水平为什么不用呢?原因很简单就是单片机没有家用计算机那样的CPU也没有像硬盘那样的海量存储设备。一个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮也会达到几十K的尺寸!对于家用PC的硬盘来讲没什么可是对于单片机来讲是不能接受的。单片机在硬件资源方面的利用率必须很高才行所以汇编虽然原始却还是在大量使用。一样的道理如果把巨型计算机上的操作系统和应用软件拿到家用PC上来运行家用PC的也是承受不了的。通信工程专业课程设计Ⅱ目前最常用的单片机为MCS是由美国INTEL公司(生产CPU的英特尔)生产的C是这几年在我国非常流行的单片机它是由美国ATMEL公司开发生产的其内核兼容MCS单片机。单片机工作过程:单片机自动完成赋予它的任务的过程也就是单片机执行程序的过程即一条条执行的指令的过程所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作用的命令的形式写下来这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的一条指令对应着一种基本操作单片机所能执行的全部指令就是该单片机的指令系统不同种类的单片机其指令系统亦不同。为使单片机能自动完成某一特定任务必须把要解决的问题编成一系列指令(这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令)这一系列指令的集合就成为程序程序需要预先存放在具有存储功能的部件存储器中。存储器由许多存储单元(最小的存储单位)组成就像大楼房有许多房间组成一样指令就存放在这些单元里单元里的指令取出并执行就像大楼房的每个房间的被分配到了唯一一个房间号一样每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号该地址号称为存储单元的地址这样只要知道了存储单元的地址就可以找到这个存储单元其中存储的指令就可以被取出然后再被执行。程序通常是顺序执行的所以程序中的指令也是一条条顺序存放的单片机在执行程序时要能把这些指令一条条取出并加以执行必须有一个部件能追踪指令所在的地址这一部件就是程序计数器PC(包含在CPU中)在开始执行程序时给PC赋以程序中第一条指令所在的地址然后取得每一条要执行的命令PC在中的内容就会自动增加增加量由本条指令长度决定可能是、或以指向下一条指令的起始地址保证指令顺序执行。ATS简介:通信工程专业课程设计Ⅱ图ATS管脚图ATS是一个低功耗高性能CMOS位单片机片内含kBytesISP(Insystemprogrammable)的可反复擦写次的Flash只读程序存储器器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造兼容标准MCS指令系统及C引脚结构芯片内集成了通用位中央处理器和ISPFlash存储单元功能强大的微型计算机的ATS可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。ATS具有如下特点:个引脚kBytesFlash片内程序存储器bytes的随机存取数据存储器(RAM)个外部双向输入输出(IO)口个中断优先级层中断嵌套中断个位可编程定时计数器,个全双工串行通信口看门狗(WDT)电路片内时钟振荡器。此外ATS设计和配置了振荡频率可为Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下CPU暂停工作而RAM定时计数器串行口外中断系统可继续工作掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式以适应不同产品的需求。()主要特性:CPU与MCS兼容K字节可编程FLASH存储器(寿命:写擦循环)全静态工作:HzMHz三级程序存储器保密锁定*位内部RAM条可编程IO线两个位定时器计数通信工程专业课程设计Ⅱ器个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路()管脚说明:VCC:供电电压。GND:接地。P口:P口为一个位漏级开路双向IO口每脚可吸收TTL门电流。当P口的管脚第一次写时被定义为高阻输入。P能够用于外部程序数据存储器它可以被定义为数据地址的第八位。在FIASH编程时P口作为原码输入口当FIASH进行校验时P输出原码此时P外部必须被拉高。P口:P口是一个内部提供上拉电阻的位双向IO口P口缓冲器能接收输出TTL门电流。P口管脚写入后被内部上拉为高可用作输入P口被外部下拉为低电平时将输出电流这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时P口作为第八位地址接收。P口:P口为一个内部上拉电阻的位双向IO口P口缓冲器可接收输出个TTL门电流当P口被写“”时其管脚被内部上拉电阻拉高且作为输入。并因此作为输入时P口的管脚被外部拉低将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P口当用于外部程序存储器或位地址外部数据存储器进行存取时P口输出地址的高八位。在给出地址“”时它利用内部上拉优势当对外部八位地址数据存储器进行读写时P口输出其特殊功能寄存器的内容。P口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P口:P口管脚是个带内部上拉电阻的双向IO口可接收输出个TTL门电流。当P口写入“”后它们被内部上拉为高电平并用作输入。作为输入由于外部下拉为低电平P口将输出电流(ILL)这是由于通信工程专业课程设计Ⅱ上拉的缘故。PRXD(串行输入口)PTXD(串行输出口)PINT(外部中断)PINT(外部中断)PT(记时器外部输入)PT(记时器外部输入)PWR(外部数据存储器写选通)PRD(外部数据存储器读选通)P口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。IO口作为输入口时有两种工作方式即所谓的读端口与读引脚。读端口时实际上并不从外部读入数据而是把端口锁存器的内容读入到内部总线经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器。只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线。上面图中的两个三角形表示的就是输入缓冲器CPU将根据不同的指令分别发出读端口或读引脚信号以完成不同的操作。这是由硬件自动完成的不需要我们操心然后再实行读引脚操作否则就可能读入出错为什么看上面的图如果不对端口置端口锁存器原来的状态有可能为Q端为Q^为加到场效应管栅极的信号为该场效应管就导通对地呈现低阻抗此时即使引脚上输入的信号为也会因端口的低阻抗而使信号变低使得外加的信号读入后不一定是。若先执行置操作则可以使场效应管截止引脚信号直接加到三态缓冲器中实现正确的读入由于在输入操作时还必须附加一个准备动作所以这类IO口被称为准双向口。C的PPPP口作为输入时都是准双向口。接下来让我们再看另一个问题从图中可以看出这四个端口还有一个差别除了P口外PPP口都还有其他的功能。通信工程专业课程设计ⅡRST:复位输入。当振荡器复位器件时要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALEPROG:当访问外部存储器时地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间此引脚用于输入编程脉冲。在平时ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号此频率为振荡器频率的。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是:每当用作外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFREH地址上置。此时ALE只有在执行MOVXMOVC指令是ALE才起作用。另外该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止置位无效。PSEN:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间每个机器周期两次PSEN有效。但在访问外部数据存储器时这两次有效的PSEN信号将不出现。EAVPP:当EA保持低电平时则在此期间外部程序存储器(HFFFFH)不管是否有内部程序存储器。注意加密方式时EA将内部锁定为RESET当EA端保持高电平时此间内部程序存储器。在FLASH编程期间此引脚也用于施加V编程电源(VPP)。XTAL:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL:来自反向振荡器的输出。单片机设计系统构成:要进行单片机的设计就先要了解单片机设计系统的构成。一个简单的单片机设计系统是由单片机电路、基本输入元件单元(如控制开关等)、基本输出元件单元(如显示器件等)、电源等部分组成的。另外在调试单片机程序的过程中还会用到单片机编程软件和芯片烧写器。当然功能复杂一些的单片机系统构成不止这些部件还会应用其它一些控制部件、测通信工程专业课程设计Ⅱ量仪器等来完善系统的构成。基本输入元件单元(按键、键盘等)软件调试设备(软件编程硬件调试设备(芯片烧写电源外接晶体振荡器单片机基本输出元件单元(LED、LCD等)图构成单片机设计系统的各部件之间的联系课设内容选用支连续排列的发光二极管中间的发光二极管代表球网通过发光二极管的依次点亮代表乒乓球的运动。再用个按键模拟左右个球拍的接发球按键后代表球拍击球。“左拍”按键可使发光二极管从左向右依次点亮乒乓球从左向右飞来反之“右拍”按键则可使发光二极管从右向左依次点亮代表球从右向左运动。本游戏供两人玩以一方按键(发球)开始这时乒乓球就向对方运动接球方的接球动作应在球到达本方但不可在未过网时就击球这样就接球成功了则球向相反方向运动。若接球方在球未过网时接球或在球到本方最后一位发光二极管之后发出这样就为接球失误对方得分蜂鸣器报警。此后接球方变为发球方游戏继续。在游戏过程中用数码管显示双方比分。乒乓球移动速度有六个等级分别为A、B、C、D、E、F通过P端所接开关可改变球速并且数码管上会显示其速度等级。通信工程专业课程设计Ⅱ方案选择设计方案方案一采用EDA设计方法总体电路设计框图:图采用EDA设计方法总体电路设计框图框图左边部分为输入信号右边为输出信号。输入信号中clk为全局时钟信号由晶振产生频率为KHzCLR为复位按钮当其为低电平时实现清零比赛重新开始AF、AJ、BF、BJ分别为A方和B方的发球和接球键。输出信号SHIFT由发光二极管显示(表示球的移动),SCAN选通七段数码管,SEG用七段数码管显示比分。分频模主控模发球权控制时钟信分数显比分统数据转换模图总体电路设计框图通信工程专业课程设计Ⅱ各模块间电路连接图:图各模块间连接电路图设计方法:由于系统复杂若采用整体设计则较难实现所以采用分块设计的方法设计好底层各模块再将其经过原理图编辑形成顶层模块。本次设计中我们将系统分为四个模块分别用VHDL语言编写后封装。分频模块将时钟分频至低频供主控模块使用。主控模块完成复位、判断击球、控制球的移动、数码管显示等功能。数据转换模块用于将数据转换为数码管动态扫描的位值和段值。分数显示模块完成译码功能并在七段共阴数码管上显示比分。CLKSPEED是分频后的时钟频率而设置的输出引脚是为了观察时序仿真结果。总体电路图输出波形:图仿真波形图图中CLR为复位它一直保持高电平可使该系统一直工CLK为时钟信