0引言

FPGA(FieldProgrammableGateArray)，現場可編程門陣列。它是繼PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發展的成果。它作為專用集成電路(ASIC)領域中的一種半定制電路，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有限的缺點。作為一種可編程器件，FPGA與傳統的數字電路和門電路相比，它采用邏輯單元陣列的模式，內部包含有可配置邏輯模塊、輸出輸入模塊和內部連線三個部分。通過硬件描述語言(如VHDL語言)完成的電路設計，可以通過綜合與布局，快速燒錄至FPGA芯片上進行測試。

SOPC(SystemOnProgrammableChip)，可編程片上系統。它是用可編程邏輯技術把整個系統放到一塊硅片上，用于從事嵌入式系統的系統研究和電子測量處理等領域。SOPC是一種特殊的嵌入式系統，它既是片上系統(SOC)，即由單個芯片完成整個系統的主要邏輯功能，但它又不是簡單的SOC，也是可編程系統，具有靈活的設計方式，可裁剪、可擴充、可升級，并具備軟硬件在系統可編程的功能。

1乒乓球游戲玩法介紹

將雙通道示波器作為顯示屏。將兩路信號輸入示波器中，讓示波器工作在X／Y模式。
單片機實驗板上的兩個按鈕作為控制鍵分別用于左擊球和右擊球，當小球接近屏幕左邊時按下左擊球可將球擊回右側，右側擊球亦然。小球可以按照一定的拋物線軌跡自動在屏幕上左右運動，連續按下兩次擊球鍵能夠擊出高拋球，使球飛行距離增高。當球接觸到屏幕邊沿而未按下擊球鍵則被判定為輸球。

2實驗器件

CycloneIII(EP3C10E144C8)FPGA實驗板，單片機P89V51實驗板(含按鍵顯示屏等)，電阻導線若干。
Altera公司生產的CycloneIIIFPGA芯片具有低功耗、低成本和高性能等特點。其體系結構包括高達120K的垂直排列邏輯單元(LE)、以9-Kbit(M9K)模塊構成的4Mbits嵌入式存儲器、200個18x18的嵌入式乘法器。利用TSMC的65nm低功耗(LP)工藝，CycloneⅢFPGA芯片提供豐富的邏輯、存儲器和DSP功能，功耗更低。在可編程邏輯發展歷史中，CycloneIIIFPGA比其他低成本FPGA系列能夠支持實現更多的應用。

3實驗原理及模塊詳解

用方波發生器生成兩個占空比可變的方波，方波經過低通濾波器生成兩個通道的直流信號用于控制小球在X軸和Y軸的位置。通過改變方波占空比從而改變直流信號的值。用SOPC與單片機通訊實現按鍵對小球運動的控制。



3．1方波發生器生成原理

VHDL語言編寫的方波產生tennis模塊代碼的關鍵部分：

代碼分析：

每當輸入時鐘clk_in變化時進程被觸發。在進程中，每一個時鐘上升沿計數器變量c0dutytmp加一，在一個周期內，計數器小于預設值時輸出低電平，大于預設值時輸出高電平。在設計中，我選用的預設值為8位，所以在0到255之間給定任意一個數作為輸入就可以設置它的占空比。占空比。而通過SOPCbuilder生成的SOPC控制c0duty便可以間接控制其占空比。以上代碼完成了一條通道的控制，另一個數據通道方法類似。

3．2直流信號生成方法

生成直流信號的方法很多。在此論述幾種常見方法。

第一種是通過D／A芯片。市場上D／A芯片較多，如DAC0832，DAC0809等。這種方法原理簡單，只需給定恒定的數字值便可以輕松控制輸出直流波形的電壓值。出于成本考慮，我們轉而另一種方法。

第二種方法是低通濾波法。例如當方波占空比為100％時可當作是直流高電平信號。而占空比為0表示零電平。將一定占空比的直流信號經過低通濾波器，經過計算可知占空比對于輸出信號的電平高低成線性關系。所以我們可以利用這點來完成電平控制。

3．3擊球控制

運用單片機與FPGA實驗板之間的通訊完成擊球命令的傳遞。常見的通訊方法：串口通訊和并口通訊。
并口通訊雖然使用簡單，但是速度較慢，占用管腳較多，實現功能受到位數限制，可以完成的指令較少。于是利用串口通訊。在Quartus軟件下運行SOPCBuilder生成SOPC并為其添加UART功能。設置波特率為9600。利用SOPC的txd和rxd兩個端口與單片機的串口端相連接。于是便可以在程序中加入串口接收中斷并且在中斷服務函數中完成大量工作。以下編碼全部用C語言完成。

SOPC內部中斷服務函數：


代碼分析：

首先簡單介紹Avalon總線。SOPCBuilder自動生成的Avalon交換架構是針對系統處理器和外設的專用互聯需求進行優化。Avalon總線可以連接許多外部設備，如定時器／計數器，外部三態橋接，外部SRAM接口，UART，LCD接口，用戶邏輯接口JTAG，UARTC，并行I／O等。代碼中，IOWR_ALTERA_AVALON_UART_STATUS()函數可以完成向串口發送數據的任務，IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA()函數則可以給內部工程發送并行數據，控制占空比的值。

在中斷服務函數中，通過設置標志位變量flag辨別是否為雙擊命令。在確定擊球方式后生成cmd的四種狀態。cmd為全局變量，在main()函數中實現狀態的選擇。

3．4小球運動程序

程序分析：

該段程序是主函數main()的關鍵部分，其中數組xlabel[50]是小球在X軸方向的運動軌跡，軌跡方程是xlabel=i×5。數組ylabel[50]和ylabel2[50]是小球在Y方向的兩個軌跡，軌跡方程分別為ylabel=-0．007i2+1．792i和ylabel2=-0．013i2+3．328i，其中i是小球運動的變量，在for循環函數中勻速增加或減小。當出現break時小球運動方向改變。當i=0或者i=49時，說明小球觸壁卻沒能遭到有效擊球，判定一方得分，通過UART發送指令在單片機上顯示比分。delay()函數用來控制小球的運動速度。

4實驗結果

將程序燒寫到FPGA芯片內部，在NiosII開發環境下運行RunasNiosⅡHardware。把低通濾波器的兩個輸出通道分別接到雙蹤示波器的輸入端。觀察到示波器上顯示出小球沿著拋物線軌跡來回運動，并可以通過按鍵實現擊球命令改變小球運動。

5結束語
本實驗可以進行適當改進。比如小球軌跡可以選用三個或三個以上更加豐富的軌道碼表，這樣小球的運動軌跡將更加多樣。還可以設立對游戲難度的設置，改變對小球的運動速度，這個想法可以在中斷服務函數通過對delay()函數進行實參的變換而實現。