數(shù)字系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)--挑戰(zhàn)迷宮小游戲

1、<p><b>　　挑戰(zhàn)迷宮</b></p><p>　　1、申請(qǐng)題目：挑戰(zhàn)迷宮</p><p>　　題目，命題描述（5號(hào)宋體）</p><p>　　這是一個(gè)基于FPGA控制點(diǎn)陣板顯示的益智趣味類小游戲，游戲中玩家通過(guò)鍵盤↑↓←→鍵控制控制人物上下左右移動(dòng)，從起始點(diǎn)出發(fā)，目的是走到迷宮的出口。游戲有著友好的用戶界面，而且有多種模式，多

2、種地圖供玩家選擇。</p><p>　　1.普通不計(jì)時(shí)模式：玩家可以看到整個(gè)迷宮地圖，游戲沒(méi)有時(shí)間限制；</p><p>　　2.普通計(jì)時(shí)模式：玩家可以看到整個(gè)迷宮地圖，必須在20秒內(nèi)找到出口，否則游戲失敗；</p><p>　　3.高級(jí)不計(jì)時(shí)模式：玩家并不能看到整個(gè)迷宮的地圖，只能看到其周圍的2步以內(nèi)部分路徑，其他路徑需要靠自己移動(dòng)來(lái)探索，這樣就仿佛置身迷宮之中，

3、更有可玩性，游戲沒(méi)有時(shí)間限制；</p><p>　　4.高級(jí)計(jì)時(shí)模式：同樣玩家：玩家并不能看到整個(gè)迷宮的地圖，只能看到其周圍的2步以內(nèi)部分路徑；必須在20秒內(nèi)找到出口，否則游戲失敗。</p><p><b>　　2、課題背景：</b></p><p><b>　　存在問(wèn)題、應(yīng)用背景</b></p><p

4、>　　走迷宮是大家所非常熟悉的一款小游戲，規(guī)則簡(jiǎn)單，老少皆宜，可以段煉玩家的判斷力和觀察力；而且其不同于普通的走迷宮游戲，增加了一些趣味性玩法及創(chuàng)新點(diǎn)，可供人們平時(shí)娛樂(lè)所用。該游戲主要在LED點(diǎn)陣板上實(shí)現(xiàn)，做成電腦軟件效果將更佳。</p><p><b>　　3、項(xiàng)目規(guī)劃： </b></p><p><b>　　功能、指標(biāo)、規(guī)模</b>&l

5、t;/p><p><b>　　功能：</b></p><p>　　游戲開(kāi)始之前，玩家通過(guò)鍵盤選擇游戲模式和游戲地圖，然后啟動(dòng)游戲，其中有相應(yīng)的指示燈提示；</p><p>　　2.點(diǎn)陣板顯示中，以黃色表示玩家，綠色表示迷宮出口，紅色表示迷宮墻壁；玩家通過(guò)鍵盤上相應(yīng)的鍵控制人物的上下左右移動(dòng)。勝利或失敗后有相應(yīng)的畫面出現(xiàn)，能夠通過(guò)按鍵重新啟動(dòng)游戲。&

6、lt;/p><p>　　3.計(jì)時(shí)模式中，數(shù)碼管顯示倒計(jì)時(shí)；</p><p><b>　　指標(biāo)：</b></p><p>　　游戲中主要采用16X16點(diǎn)陣板顯示地圖，計(jì)時(shí)模塊中，時(shí)間限制為20秒比較合理。</p><p><b>　　規(guī)模：</b></p><p>　　由于涉及數(shù)據(jù)

7、結(jié)構(gòu)在硬件語(yǔ)言中的實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化，具有多種模式下點(diǎn)陣板的操作，本項(xiàng)目難度為中上。由于硬件語(yǔ)言中使用了大量矩陣，所有功能都實(shí)現(xiàn)后，占用的邏輯單元的總數(shù)在5000多左右。</p><p>　　面板（顯示）、操作、規(guī)則</p><p><b>　　顯示面板：</b></p><p>　　數(shù)碼管：第一位表示關(guān)卡，后兩位表示倒計(jì)時(shí)時(shí)間。 </p>

8、;<p><b>　　LED顯示燈：</b></p><p><b>　　操作：</b></p><p><b>　　游戲規(guī)則：</b></p><p>　　本游戲的規(guī)則相對(duì)簡(jiǎn)單。玩家使用鍵盤操縱一個(gè)人，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)走到迷宮出口即可勝利。</p><p><

9、;b>　　輸入、輸出接口</b></p><p><b>　　鍵盤輸入輸出接口；</b></p><p>　　點(diǎn)陣板掃描、顯示接口。</p><p><b>　　4、實(shí)現(xiàn)方案： </b></p><p><b>　　核心問(wèn)題</b></p>&l

10、t;p>　　1. 多種模式下的選擇和表示；</p><p>　　2.對(duì)LED點(diǎn)陣板中迷宮地圖的顯示和人物移動(dòng)的顯示控制；</p><p>　　3. 點(diǎn)陣中只顯示人物周圍的2步以內(nèi)部分路徑。</p><p><b>　　解決方案</b></p><p>　　對(duì)于多種模式，使用狀態(tài)機(jī)的不同狀態(tài)來(lái)表示，這樣就可以通過(guò)狀態(tài)

11、來(lái)作為后面點(diǎn)陣顯示模塊的使能信號(hào)；</p><p><b>　　點(diǎn)陣板的顯示：</b></p><p>　　點(diǎn)陣板的行采用掃描信號(hào)的形式掃描，16位行輸出信號(hào)依次為：</p><p>　　”1111111111111110”,”1111111111111101”,”1111111111111011,"1111111111110111&

12、quot;,"1111111111101111"等（低電平使能）；當(dāng)相應(yīng)的行選中時(shí)，輸入相應(yīng)的紅燈16位列信號(hào)，綠燈16位列信號(hào)，這樣紅燈和綠燈的信號(hào)就有16X16個(gè)需要存儲(chǔ)；</p><p>　　分別用兩個(gè)16X16的矩陣存儲(chǔ)紅燈和綠燈的信號(hào)，當(dāng)點(diǎn)陣板第一行選中時(shí)，輸出矩陣第一行的16位信號(hào)；當(dāng)點(diǎn)陣板第二行選中時(shí)，輸出矩陣第二行的16位信號(hào)；以此類推。</p><p>

13、;　　采用一個(gè)16X16的矩陣顯示人物的位置，事先知道人物點(diǎn)的位置坐標(biāo)，當(dāng)上下左右鍵按下后，就修改該矩陣中的值，最后把該矩陣和紅燈信號(hào)的矩陣和綠燈信號(hào)的矩陣相與作為紅燈和綠燈的輸出。</p><p>　　定義一個(gè)初始化為全0的16X16的矩陣，當(dāng)每次人物點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，把人物坐標(biāo)周圍2步以內(nèi)的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的矩陣中的值修改為1；輸出的紅燈信號(hào)的矩陣和綠燈信號(hào)的矩陣與這個(gè)矩陣相與輸出。</p><p>&

14、lt;b>　　5、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：</b></p><p><b>　　系統(tǒng)框圖</b></p><p><b>　　模塊功能描述</b></p><p>　　分頻器模塊fenping：</p><p>　　對(duì)輸入的2MHz信號(hào)進(jìn)行不同的分頻，分別產(chǎn)生1KHz、100Hz、2Hz、1Hz

15、的時(shí)鐘信號(hào)。</p><p>　　鍵盤模塊keyboard：</p><p>　　外接鍵盤，當(dāng)鍵盤按下鍵時(shí)，輸出按下的鍵值（用4位二進(jìn)制數(shù)表示）和相應(yīng)的按鍵脈沖。</p><p>　　狀態(tài)機(jī)模塊statemachine：</p><p>　　輸入鍵盤按鍵信號(hào)，輸出4位二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示不同的狀態(tài)。</p><p>　　游戲

16、關(guān)卡選擇模塊hard_setting：</p><p>　　當(dāng)狀態(tài)為關(guān)卡選擇狀態(tài)時(shí)，初始輸出值為1，按下A鍵關(guān)卡加一，按下D鍵關(guān)卡減一。</p><p>　　倒計(jì)時(shí)模塊daojishi：</p><p>　　當(dāng)選中計(jì)時(shí)模式并游戲開(kāi)始后，倒計(jì)時(shí)開(kāi)始，共20秒，倒計(jì)時(shí)最后3秒時(shí)輸出2Hz蜂鳴器信號(hào)，倒計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)輸出timeover信號(hào)為1.</p><

17、;p>　　點(diǎn)陣控制模塊maze：</p><p>　　存儲(chǔ)著不同關(guān)卡的地圖矩陣，游戲未開(kāi)始時(shí)，用相應(yīng)關(guān)卡的地圖矩陣初始化輸出矩陣；游戲開(kāi)始后，檢測(cè)上下左右鍵，若有鍵按下，修改人物矩陣中相應(yīng)的值，輸出紅色和綠色點(diǎn)陣的矩陣值，供掃描顯示模塊使用。</p><p>　　點(diǎn)陣掃描顯示模塊display：</p><p>　　把輸入的相應(yīng)紅色和綠色矩陣值與點(diǎn)陣掃描信號(hào)關(guān)

18、聯(lián)，產(chǎn)生16位紅色輸出信號(hào)和生16位綠色輸出信號(hào)，連接至點(diǎn)陣板。</p><p>　　模塊接口標(biāo)注（參數(shù)、協(xié)議）</p><p>　　鍵盤行列輸入輸出信號(hào)：</p><p>　　游戲關(guān)卡顯示數(shù)碼管：</p><p><b>　　倒計(jì)時(shí)顯示數(shù)碼管：</b></p><p><b>　　點(diǎn)陣

19、板行掃描信號(hào)：</b></p><p><b>　　點(diǎn)陣板紅燈信號(hào)：</b></p><p><b>　　點(diǎn)陣板綠燈信號(hào)：</b></p><p><b>　　LED顯示燈信號(hào)：</b></p><p><b>　　時(shí)鐘輸入信號(hào)：</b><

20、;/p><p><b>　　6、狀態(tài)流程圖：</b></p><p><b>　　系統(tǒng)工作狀態(tài)流程</b></p><p>　　7、各主要模塊仿真結(jié)果波形</p><p>　　各模塊的仿真波形，詳細(xì)注釋輸入輸出功能端口</p><p>　　1.鍵盤模塊波形圖：</p>

21、<p><b>　　輸入輸出功能端口：</b></p><p>　　CLK：輸入2MHz時(shí)鐘信號(hào)</p><p>　　KEY_down_:輸出按下鍵的脈沖</p><p>　　col[3..0]:列掃描信號(hào)</p><p>　　row[3..0]:行輸入信號(hào)</p><p>　　q[

22、3..0]:4位鍵盤碼信號(hào)</p><p><b>　　波形意義：</b></p><p>　　從波形可以看出，可以成功產(chǎn)生列掃描信號(hào)，而且按下F鍵，和4鍵后可以輸出相應(yīng)的鍵值，且能產(chǎn)生按鍵脈沖。</p><p>　　2. 狀態(tài)機(jī)模塊波形圖： </p><p><b>　　輸入輸出功能端口：</b>

23、</p><p><b>　　CLK：時(shí)鐘信號(hào)</b></p><p>　　1、2、A、B、C、D、E、F：鍵盤按鍵信號(hào)</p><p><b>　　X1：暫停信號(hào)</b></p><p>　　STATE：輸出狀態(tài)信號(hào)</p><p><b>　　波形意義：<

24、/b></p><p>　　波形表示在初始狀態(tài)0000下,按下“F”鍵啟動(dòng)控制器進(jìn)入0001狀態(tài)，通過(guò)按“1” 選擇，普通不計(jì)時(shí)模式0100，按下E鍵確認(rèn)地圖，開(kāi)始游戲進(jìn)入1000狀態(tài)；在初始狀態(tài)0000下,按下“F”鍵啟動(dòng)控制器進(jìn)入0001狀態(tài)，通過(guò)按“2” 選擇普通計(jì)時(shí)模式0101，按下E鍵確認(rèn)地圖，開(kāi)始游戲進(jìn)入1001狀態(tài)，按F鍵結(jié)束游戲回到初始狀態(tài)?？梢?jiàn)狀態(tài)機(jī)功能可以實(shí)現(xiàn)。</p>&

25、lt;p>　　3.倒計(jì)時(shí)顯示模塊波形圖： </p><p><b>　　輸入輸出功能端口：</b></p><p>　　A[3..0]: 4位鍵盤按鍵碼</p><p>　　State:當(dāng)前狀態(tài)</p><p>　　CLK1Hz：1Hz時(shí)鐘信號(hào)</p><p><b>　　MinH

26、：分鐘高位</b></p><p><b>　　MinL：分鐘低位</b></p><p><b>　　SecH：秒高位</b></p><p><b>　　SceL：秒低位</b></p><p><b>　　波形意義：</b></p&

27、gt;<p>　　可以看出在計(jì)時(shí)模式狀態(tài)中可以實(shí)現(xiàn)倒計(jì)時(shí)的功能。</p><p>　　4.本系統(tǒng)仿真涉及兩個(gè)16*16自定義矩陣向量，超出Quatus 提供的pin腳上限，故游戲控制模塊仿真無(wú)法實(shí)現(xiàn)，實(shí)際中采用直接燒進(jìn)FPGA中調(diào)試，此處模塊仿真略。</p><p><b>　　8、課程設(shè)計(jì)總結(jié)</b></p><p>　　預(yù)期的

28、目標(biāo)與當(dāng)前實(shí)現(xiàn)功能的差異詳細(xì)注釋</p><p>　　游戲結(jié)果基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的全部主要功能，完全編譯已經(jīng)需要5200多個(gè)門，考慮到FPGA門數(shù)的限制（只有約6000個(gè)門），我省略了游戲中的雙人模式；而且由于時(shí)間和資源的有限，程序內(nèi)部只預(yù)置了兩幅地圖。</p><p>　　可以進(jìn)一步發(fā)揮提高的部分</p><p>　　可以增加雙人模式，兩個(gè)玩家同時(shí)走迷宮，比較誰(shuí)最先走

29、出迷宮，增加游戲的趣味性和競(jìng)爭(zhēng)性；</p><p>　　可以為游戲增加提示音樂(lè)，讓其更完美、更人性化。</p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)體會(huì)</b></p><p>　　首先，這次的課程設(shè)計(jì)讓我學(xué)會(huì)了VHDL語(yǔ)言，讓我深深體會(huì)到語(yǔ)言設(shè)計(jì)的強(qiáng)大性和簡(jiǎn)潔性，然而，雖然用語(yǔ)言編寫有很大的優(yōu)勢(shì)，但這畢竟是一個(gè)相當(dāng)大的系統(tǒng)，再加上VHDL語(yǔ)言的嚴(yán)謹(jǐn)性

30、，要想讓整個(gè)系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)清晰明了，完全不出錯(cuò)誤，也是一件煞費(fèi)苦心的事情，由于用了許多矩陣，程序關(guān)編譯就需要好幾分鐘的時(shí)間，所以這毫無(wú)疑問(wèn)花費(fèi)了我大把的時(shí)間去調(diào)試。</p><p>　　由于之前有用語(yǔ)言編寫健身自行車的基礎(chǔ)，前面模式選擇以及狀態(tài)機(jī)什么的都很快調(diào)試成功了；但點(diǎn)陣板卻完全不是輕而易舉就能成功的。首先，光其原理我就研究了好一陣子，理解了編寫出來(lái)也是錯(cuò)誤百出，起初燒進(jìn)去點(diǎn)陣板也是一點(diǎn)反應(yīng)也沒(méi)有。但是經(jīng)過(guò)鍥

31、而不舍的調(diào)試運(yùn)行，最終還是完美的成功了。整個(gè)一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)讓我初次體會(huì)了從申請(qǐng)一個(gè)項(xiàng)目到實(shí)施、中途經(jīng)歷的學(xué)習(xí)、解決問(wèn)題……等等諸多以前從未有過(guò)的體驗(yàn)，也是對(duì)自身的一次鍛煉。</p><p><b>　　9、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1. VHDL數(shù)字電路設(shè)計(jì)教程, Volnei A. Pedroni, 喬廬峰/王志功 電子工業(yè)出版社</p>