电子设计自选赛参赛作品-基于fpga的乒乓球游戏机

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1、江西省2011.5月年大生电子设计自选赛参赛作品参赛题目：乒乓球游戏机参赛者：二〇一一年五月目录乒乓球游戏机-1-摘要-1-关键字-1-一PWM波形形成-2-1.FPGA简介-2-2.脉宽调制（PWM）原理及本赛题要求的实现-2-3.PWM形成方法：-3-4.方案选择-3-二、滤波电路-3-1.无源滤波器简介-3-2.方案选择-3-3.作用及效果-4-4.电路原理图及分析-4-三LM324运放电路及分析-4-1.LM324简介-4-2.原理分析-5-四程序设计-5-1.程序设计思路-5-2.程序流程图

2、-6-五调试方法与测试结果-11-1.调试设备与工具-11-2.调试方法-11-3.输出波形-11-六结论-12-附录-12-1.部分程序清单-12-参考文献-14--1-乒乓球游戏机摘要本设计以FPGA为中心，实现在示波器上模拟乒乓球游戏。在FPGA平台控制下，编程实现两路脉宽调制（PWM）波形，采用RC低通滤波分别得到三角波和近似抛物线波，经放大后分别输入至示波器两个输入通道，示波器工作在X-Y模式。三角波的PWM共分为256个准周期，占空比线性增长，实现三角波上升期间光点（乒乓球）从左到右运动、

3、下降期间则从右向左运动，频率为50Hz；近似抛物线波的PWM共分为128个准周期，占空比按近似抛物线规律增减，频率为50Hz。在两路波形的共同驱动下，光点可实现从左到右、从右到左近似抛物线轨迹运动，以模拟乒乓球游戏。两种波形的放大倍数皆为3～5倍。关键字FPGA、PWM、RC滤波、运放-14-一PWM波形形成1.FPGA简介FPGA是FieldProgrammableGateArray的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（

4、ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。本设计主要采用其内部宏模块LPM_ROM1，利用它的特性通过查表产生脉宽调制波。2.脉宽调制（PWM）原理及本赛题要求的实现脉宽调制通常用于电气或电子系统中的驱动电压、功率控制，其基本原理是改变驱动信号（方波或矩形波）的占空比或改变频率（分别称为调宽或调频），经过低通滤波后使其平均值变化，从而改变电压或功率。本课题使用FPGA平台，通过软件编程实现输出脉宽调制波。与通常PWM设计的不同之处在于：

5、要求两路PWM波输入以X-Y模式工作的通用示波器，控制模拟乒乓球的光点以抛物线轨迹在示波管左右之间运动。显然示波器的X、Y轴驱动应该采用不同的脉宽调制方法。要实现赛题要求，X轴方向的控制电压应该是三角波、Y轴方向的控制电压应该是抛物波。采用PWM的调宽方法，X轴和Y轴方向的驱动均以矩形波为基础，但是X、Y方向调宽方式不同。X方向输出经滤波后应实现三角波，故其占空比首先应线性增长，实现光点（乒乓球）从左到右运动；然后线性下降，实现光点（乒乓球）从右到左运动。Y方向输出经滤波后应实现抛物线波，故其占空比首

6、先应近似抛物线形增长，实现光点从下到上运动到达中点（最高点）；然后近似抛物线形下降，实现光点从上到下运动。近似抛物线可以用正弦波的正半周模拟实现。在两路波形的共同驱动下，光点可实现从左到右、从右到左近似抛物线轨迹运动，模拟乒乓球游戏。PWM的占空比形成原理：将波形分为256段，即256个准周期。每个准周期又划分为256个区间，通过控制每周期出现高电平区间的个数，实现不同驱动波形要求的占空比。综上所述，本赛题X、Y驱动电压的实现，实际上是采用了一种简易数模（D/A）转换的方法，即不采用D/A芯片实现了近

7、似D/A转换。-14-3.PWM形成方法：方案一：利用Matlab软件工具，波形256等分后，把Matlab软件所得的数据存入ROM中。调用ROM中的数据，即可实现每个步长的占空比不同。方案二：设置标志位及设置循环加、减来实现不同区间的高电平的个数，得到不同的占空比。方案对比：方案一数据固定，可使得波形稳定，需要芯片支持存储宏模块；方案二循环使得端口资源占用大，但基本芯片都具备此功能。4.方案选择三角波是线性增减的，方案一或者方案二，都可以依次增大占空比，得到占空比逐渐增、减的PWM波形。本设计采用的

8、为方案一。近似抛物波的形成方法：抛物波为非线性的，方案一实现比较麻烦。采用方案二，制作相应的表格即可实现。本设计近似抛物波的表格存入ROM的数据一共有256个，每个的字长为8位。二、滤波电路1.无源滤波器简介无源滤波器是仅由无源元件(R、L和C)组成的滤波器，它是利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的。这类滤波器的优点是：电路比较简单，不需要直流电源供电，可靠性高；缺点是：通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显，使用电感元件时容易引起电