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乒乓球游戏机
作者：
指导老师：
摘 要:
该乒乓球游戏机以FPGA为平台，FPGA通过两条I/O信号输出两组脉宽调制波，经过低通滤波器提取脉宽调制的均值电压，再经放大器放大电压倍数，输入到双通道示波器中。示波器工作在X/Y模式，示波器屏幕上的光点代表乒乓球，乒乓球在X/Y电压的控制下在屏幕上移动。基于FPGA平台通过程序来控制示波器上乒乓球的移动轨迹，实现按钮对乒乓球的控制，改变乒乓球的移动轨迹、速率，实现成败机制等游戏规则。
关键字：
FPGA 乒乓球游戏机 开发板 滤波放大

一、方案论证与选择
(一)、题目任务要求及相关指标分析
1、任务
要求用FPGA平台构造一个乒乓球游戏机。系统结构如图所示，FPGA通过两条I/O信号输出两组脉宽调制波，经过低通滤波器提取脉宽调制的均值电压，输入到双通道示波器中。示波器工作在X/Y模式。示波器屏幕上的光点代表乒乓球。乒乓球在X/Y电压的控制下在屏幕上移动。

2、基本要求：
1）、构造两组无源低通滤波器，使得FPGA可以用脉宽调制方式控制球的位置；
2）、用给定的运放(LM324)制作一放大器，使光点运动范围在示波器的X轴，Y轴方向上可调；
3）、乒乓球可按抛物线自动在屏幕上左右弹射，球的落点为屏幕两侧边的中间。
3、扩展要求：
1）、使用两个按钮分别作为左侧击球钮和右侧击球钮。当乒乓球靠近屏幕左边时按下左侧击球钮，可将球击回右侧。右侧击球钮亦然；
2）、建立成败机制，即球抵达边沿而未按下击球钮，记为击球失败，用LED灯光表示；
3）、建立记分机制，在七段数码管上显示双方得分；
4）、特殊功能，在不调整放大器的情况下，连按两下击球钮能击出高抛球，轨迹抛物线曲率变大；
5）、在人眼能分辨的前提下，球的运动速率可以调节。
(二)、方案的比较与选择
1、总体方案概述
乒乓球游戏机硬件部分主要包括基于FPGA平台的开发板，电源，低通滤波器，放大器，双通示波器，软件部分包括……。游戏机的总体设计思路基本为，按照题目的要求依次实现各个模块功能，以达到预期效果。对于方案的选择我们需要做的就是对硬件、软件的各个部分充分了解，清楚不同设计方案的基本要求和特点，之后根据需要以及各部分之间的衔接问题，同时考虑我们已有的知识和能力，确定最终的方案。
2、主要模块的介绍及方案的比较
模块一：FPGA
FPGA（Field Programmable Gate Array 现场可编程门阵列）是在PAL、GAL、PLD等器件的基础上进一步发展的产物，是专用集成电路（ASIC）中集成度最高的一种。FPGA 可以用VHDL或verilog来编程，灵活性强，由于能够进行编程、除错、再编程和重复操作，因此可以充分地进行设计开发和验证。当电路有少量改动时，更能显示出FPGA 的优势，其现场编程能力可以延长产品在市场上的寿命，而这种能力可以用来进行系统升级或除错。
在本题中，FPGA模块发挥了功能核心作用，信号的生成和控制，按钮对球的控制，成败机制，计分机制，球的轨迹的曲率变化，球的运动速率的变化，都需要通过基于FPGA的开发板及相应的编程来实现。
模块二：滤波器
滤波器是对输入信号的频率具有选择性的一个二端口网络，它允许某些频率的信号通过，而其他频率信号的幅值要受到衰减或抑制。这些网络可以是RLC元件或RC元件构成的无源滤波器，也可以是RC元件和有源器件构成的有源滤波器。有源滤波器由集成运放和R、C组成，具有不用电感、体积小、重量轻等优点。集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出电阻小，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。
本题要求为构造两组无源低通滤波器，使得FPGA可以用脉宽调制方式控制球的位置，由此可见本游戏机的设计对于滤波器部分要求不是很高。此时确定可用元件为RLC，我们选用RC滤波电路来实现题目要求。（元件的选择）
模块三：放大器
放大器是能把输入信号的电压或功率放大的装置，由电子管或晶体管、电源变压器和其他电器元件组成。放大器的放大作用是通过输入信号控制能源来实现的，放大所需功耗由能源提供。对于线性放大器，输出就是输入信号的复现和增强。对于非线性放大器，输出则与输入信号成一定函数关系。
按照本题要求，用给定的运放(LM324)制作一放大器，使光点运动范围在示波器的X轴，Y轴方向上可调。LM324为四运放集成电路，采用14 脚双列直插塑料封装，内部有四个运算放大器，有相位补偿电路。电路功耗很小，LM324工作电压范围宽，可用正电源3～30V，或正负双电源±1．5V～±15V 工作。它的输入电压可低到地电位，而输出电压范围为０～Vcc。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互单独。在此限定下，以下有两种方案可供选择。（阶数的选择）
模块四：示波器
我们可用的示波器有两种，数字示波器和模拟示波器。
一：数字示波器是数据采集，A/D转换，软件编程等一系列的技术制造出来的高性能示波器。现代数字存储示波器首先对模拟信号进行高速采样获得相应的数字数据并存储。用数字信号处理技术对采样得到的数字信号进行相关处理与运算，从而获得所需的各种信号参数（包括可能需要使用万用表测试的一些元器件电气参数）。根据得到的信号参数绘制信号波形，并可对被测信号进行实时的、瞬态的分析，以方便用户了解信号质量，快速准确地进行故障的诊断。此外，数字示波器一般支持多级菜单，能提供给用户多种选择，多种分析功能。由此可见，数字滤波器具有操作简单，功能齐全，显示明了……等优点。但数字滤波器并不是直接显示信号的物理量，而是通过一系列的变换来获取信号参数，依据参数绘制波形，缺点怎么说，为什么不能选用。
二：模拟示波器，采用的是模拟电路（示波管，其基础是电子枪）电子枪向屏幕发射电子，发射的电子经聚焦形成电子束，并打到屏幕上，屏幕的内表面涂有荧光物质，这样电子束打中的点就会发出光来。从模拟示波器的显示原理上来看，其功能没有数字示波器齐全，使用起来没有数字示波器便捷，但模拟示波器是直接显示输入信号的物理量，，能更直接的显示本题所要达到的效果。
最后，我们选择模拟示波器作为游戏机的显示平台。
3、方案的确定
通过以上各个模块方案的分析，根据本题要求，可以确定每个模块的最佳方案，之后结合各个模块之间的衔接问题、可行性等多方面因素，综合分析，最后确定本设计的方案。
……
二、 系统总体实现方框图和各部分介绍
(一)、系统总体实现方框图

　FPGA
无源低通滤波
无源低通滤波

放大器

放大器

示波器
PWM波1
PWM波2
直流
直流
X
Y

（方框图还缺少哪些）

用FPGA平台构造一个乒乓球游戏机,系统结构如图所示。FPGA通过两条I/O信号输出两组脉宽调制波，经过低通滤波器提取脉宽调制的均值电压，再经过放大器，输入到双通道示波器中。示波器工作在X/Y模式，示波器屏幕上的光点代表乒乓球，乒乓球在X/Y电压的控制下在屏幕上移动。

（二）、各部分介绍
1、 FPGA

2、 电源

3、 滤波器

4、 放大器

三、 系统软件的设计
（一）基本原理

（二）程序流程图

（三） 程序代码

四、 测试与分析
(一)、使用仪器及型号
1、 计算机
2、 开发板、电源、滤波器、放大器，型号及参数见“各部分介绍”。
3、 示波器
(二)、测试原理与方法

(三)、测试结果

(四)、结果分析

五、 总结分析与结论
六、