1、乒乓球游戏机目录摘要 IAbstract II1绪 论 11.1课题背景 11.1.1EDA简介 11.1.2 CPLD与GPLD简介 41.2课设内容 122.方案选择 132.1设计方案 132.1.1方案一 132.1.2方案二 152.2方案比较及选择 162.2.1比较两种方案 162.2.2方案的选择 163.设计原理 173.1硬件组成 173.1.1单片机电路 173.1.2发光二极管显示和按键电路 183.1.3蜂鸣器电路 193.1.4数码管显示电路 193.2软件设计 194.仿真结果和分析 255.编程下载及测试 26结 论 27致 谢 28参考文献 29附 录 30附
2、录元器件清单 30附录程序代码 31附录仿真结果 41附录芯片管脚 421绪 论1.1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
3、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maxplus 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，
4、单片机应用的模式、方法也在不断发展。1.1.1EDA简介20世纪90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
5、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
6、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。 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
7、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：(1) 前端设计(系统建模RTL 级描述)后端设计(FPGAASIC)系统建模 (2) IP 复用 (3) 前端设计 (4) 系统描述：建立系统的数学模型。 (5) 功能描述：描述系统的行为或各子模块之间的数据流图。 (6) 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。 (7) 仿真：包括功能仿真和时序仿真，主要验证
8、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、Altium Designer、PSPICE、multiSIM10(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。1.1.2 CPL
9、D与GPLD简介CPLD(Complex Programmable Logic Device)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(MC，Macro Cell)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I/O单元互连结构，可由用户根据需要生成特定的电路结
10、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XC9500系列、Altera的MAX7000S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FLEX10K或ACEX1K系列等。 尽管FPGA和CPL
11、D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: （1）CPLD更适合完成各种算法和组合逻辑,FP GA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。 （2）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的,而FPGA的分段式布线结构决定了其延迟的不可预测性。 （3）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;FP GA可在逻辑门下编程,而CPLD是在逻辑块下编程。 （4）FP
12、GA的集成度比CPLD高,具有更复杂的布线结构和逻辑实现。 （5）CPLD比FPGA使用起来更方便。CPLD的编程采用E2PROM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。 （6）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。 （7）在编程方式上,CPLD主要是基于E2PROM或FLASH存储器编程,编程次数可达1万次,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
13、。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。 （8）CPLD保密性好,FPGA保密性差。 （9）一般情况下,CPLD的功耗要比FPGA大,且集成度越高越明显。1.1.3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I/O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、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小
14、而完善的计算机系统。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AT89S51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
15、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50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000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70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C
16、PU，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。 目前最常用的单片机为MCS-51，是由美国INTEL公司（生产CPU的英特尔）生产的，89C51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-51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
17、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
18、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1、2或3，以指向下一条指令的起始地址，保证指令顺序执行。 AT8
19、9S51简介：图1.1AT89S51管脚图AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000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-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（
20、RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。 此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz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。 （1）主要特性： 8031 CPU与MCS-51 兼容 ；4K字节可编程FLASH存储器(寿命：1000写/擦循
21、环) ；全静态工作：0Hz-33MHz ；三级程序存储器保密锁定 ；128*8位内部RAM ；32条可编程I/O线 ；两个16位定时器/计数器 ；6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 （2）管脚说明： VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0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，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供
22、上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1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，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”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，P2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。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部
23、八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”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，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3
24、.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 I/O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，1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1端口锁存器原来的状态有可能为0Q端为0Q为1加到场效应管栅极的信号为1
25、，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1，也会因端口的低阻抗而使信号变低使得外加的1信号读入后不一定是1。若先执行置1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I/O口被称为准双向口。89C51的P0/P1/P2/P3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P1口外P0P2P3口都还有其他的功能。 RST：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。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁
26、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1/6。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SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC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。 /E
27、A/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1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12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：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
28、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、测量仪器等来完善系统的构成。图1.2构成单片机设计系统的各部件之间的联系1.2课设内容选用9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4个按键模拟左右2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
29、，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P3.1端所接开关可改变球速，并且数码管上会显示其速度等级。2.方案选择2.1设计方案2.1.1方案一采用EDA设计方法总体电路设计框图：图2.1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1KHz；CLR为复位按钮，当其为低电平时，实现清零，比赛重
30、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SHIFT7.0由发光二极管显示（表示球的移动）,SCAN3.0选通七段数码管,SEG76.0 用七段数码管显示比分。图2.2总体电路设计框图各模块间电路连接图：图2.3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
31、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。CLK_SPEED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2.4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为时钟信号，实际中外接1KHz的时钟，CLK-SPEED是CLK经分频后的时钟，但在此为了观察方便将其设定为CLK的10分频，BJ为B方接球信号，BF为B方发球信号，AJ为A方接球信号，AF为A方发球信号，SHIFT7.0由发光二极管显示球的移动,SCAN3.0选通七段数码管,SEG76.0 用七段数码管显示比分。上图为A发球，B接球失误，A得分，由此可知上图输出时序正确。2.1.2方案二采用单片机设计方法，各模块组成如下图所示图2.5单片机设计各模块连接图74LS08内有四个与门， A方发球接球按键信号经过与门后为一中断请求信号，B方发球接球按键信号经过与门后再与球速改变按键信号相与形成另一中断请求信号。74LS138是3线8线译码器，其输出接数码管的位控制端，而P0口接数码管的段控制端，数码管显示比分和球速等级。LED灯是用来显示乒乓球的移动，在任一方得分后蜂鸣器报警。2.2方案比较及选择2.2.1比较两种方案FPGA运行速度快，FPGA内部集成锁项环,可以把外部时钟倍频,核心频率可
