郭子劍

（中國地質大學（北京），地球物理與信息技術學院，北京 100083）

0 引言

FPGA（Field Programmable Gate Array），現(xiàn)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(fā)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(shù)有限的缺點。作為一種可編程器件，F(xiàn)PGA與傳統(tǒng)的數(shù)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（System On Programmable Chip），可編程片上系統(tǒng)。它是用可編程邏輯技術把整個系統(tǒng)放到一塊硅片上，用于從事嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)研究和電子測量處理等領域。SOPC是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)，它既是片上系統(tǒng)（SOC），即由單個芯片完成整個系統(tǒng)的主要邏輯功能，但它又不是簡單的SOC，也是可編程系統(tǒng)，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(tǒng)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(xù)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?lián)羟蜴I則被判定為輸球。

2 實驗器件

Cyclone III（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(chǎn)的Cyclone III FPGA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，Cyclone III FPGA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(fā)展歷史中，Cyclone III FPGA比其他低成本FPGA系列能夠支持實現(xiàn)更多的應用。

3 實驗原理及模塊詳解

用方波發(fā)生器生成兩個占空比可變的方波，方波經(jīng)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(xiàn)按鍵對小球運動的控制。

3.1 方波發(fā)生器生成原理

圖1 占空比可變的方波發(fā)生器模塊

代碼分析:

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(shù)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(jīng)過低通濾波器，經(jīng)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(xiàn)功能受到位數(shù)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SOPC Builder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(shù)中完成大量工作。以下編碼全部用C語言完成。

圖2 SOPC模塊

代碼分析:

首先簡單介紹Avalon總線。SOPC Builder自動生成的Avalon交換架構是針對系統(tǒng)處理器和外設的專用互聯(lián)需求進行優(yōu)化。Avalon總線可以連接許多外部設備，如定時器/計數(shù)器，外部三態(tài)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(shù)可以完成向串口發(fā)送數(shù)據(jù)的任務，IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA（）函數(shù)則可以給內部工程發(fā)送并行數(shù)據(jù)，控制占空比的值。

在中斷服務函數(shù)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(tài)。cmd為全局變量，在main（）函數(shù)中實現(xiàn)狀態(tài)的選擇。

3.4 小球運動程序

程序分析:

該段程序是主函數(shù)main（）的關鍵部分，其中數(shù)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(shù)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(huán)函數(shù)中勻速增加或減小。當出現(xiàn)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(fā)送指令在單片機上顯示比分。delay（）函數(shù)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Nios II開發(fā)環(huán)境下運行Run as Nios II Hardware。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(xiàn)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(shù)通過對delay（）函數(shù)進行實參的變換而實現(xiàn)。

［1］潘松，黃繼業(yè)，EDA技術與VHDL［M］.第3版.北京:清華大學出版社，2009.

［2］童詩白，華成英.模擬電子技術基礎［M］.北京:高等教育出版社，1980.

［3］閻石.數(shù)字電子技術基礎［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［4］張俊謨.單片機中級教程:原理與應用［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2006.