2025寒假练 -基于STEP FPGA实现拍球游戏机

1. 项目介绍

在数字娱乐与硬件开发技术不断发展的当下，为了深入探索 FPGA 在模拟现实场景游戏中的应用，我们开展了本次拍球游戏机项目。该项目旨在通过硬件与软件的协同设计，打造一款能够高度模拟真实拍球体验的游戏机。

本项目的核心目标是在FPGA上，实现小球的多种运动状态模拟，包括自由落体、反弹以及模拟拍球动作。通过这些功能的实现，提供一个具有挑战性和趣味性的拍球游戏，同时展示 FPGA 在复杂系统控制中的强大能力。

项目目标包括：

1.               在 LCD 屏幕上动态显示小球实时位置与手掌位置

2.               通过按键和电位计实现反弹系数和放球位置的调节

3.               通过接近式传感器测量手掌位置模拟拍球

2. 硬件平台介绍

2.1 核心板

型号：Lattice MXO2 核心板，采用Lattice LCMXO2-4000HC-4MG132芯片。该芯片具备丰富的逻辑资源，能够支持多个功能模块的并行运行，为实现拍球游戏机的复杂功能提供了硬件基础。

功能：核心板提供稳定的 12MHz 系统时钟，这一时钟信号作为整个系统运行的节拍基准，驱动着各个模块内部的时序逻辑操作。同时，芯片内部集成的 PLL 硬核可实现时钟倍频，将时钟频率提升至 50MHz，满足如 LCD 刷屏等对高频时钟有需求的模块，确保系统各部分能够高效、稳定地运行。带有两个数码管与四个按键，便于显示并调节参数。

2.2 扩展底板

LCD 屏幕：配备 240×320 像素的 RGB 液晶屏幕，该屏幕具有良好的显示效果，能够清晰地呈现小球的运动轨迹、手掌位置以及其他游戏相关信息。其图形化显示能力为用户提供了直观的游戏界面，增强了游戏的沉浸感。

ADC 模块：采用 ADC081S101 模数转换器，它能够将连接在实验板上的电位计旋钮的模拟信号转换为数字信号。通过 SPI 通信协议，ADC081S101 与 FPGA 核心板进行数据传输与控制信号交互，实现对电位计输入信号的精确数字化处理，从而根据电位计旋钮的位置设定球的初始位置。

接近传感器：rpr-0521rs-e接近传感器实时检测放置于其上方的手的位置和运动速度。通过 I2C 通信协议，该传感器将采集到的数据传输给 FPGA 核心板，为模拟真实拍球效果提供关键数据支持。传感器具备较高的灵敏度和准确性，能够较为精准地捕捉手的动作，使得游戏中的拍球模拟更加逼真。

3. 系统方案设计

3.1 架构框图

在这个架构中，各个模块紧密协作。LCD模块负责将游戏中的各种图形信息，如小球、手掌线等呈现给用户；jumping 模块根据物理模型和输入信号控制小球的运动状态；hand_control 模块利用 rpr0521rs_driver 传感器测到的数据确定手的位置，实现拍球模拟；ADC081S101_driver 模块将电位计的模拟信号转换为数字信号，为球的初始位置设定提供数据支持；adjuster通过检测核心板上的按键来实现对反弹系数的调节

3.2 设计思路

状态机控制：采用三状态机来精确控制小球的运动逻辑，这三个状态分别为下落（DOWN）、上升（UP）。状态机根据时钟信号和各种输入条件进行状态转换，例如当球处于下落状态且到达地面时，状态机将其转换为上升状态，并根据反弹系数调整球的速度；当球碰到手时，根据手的位置和球的当前状态，状态机决定球的后续运动状态和速度。

物理模型：基于自由落体公式position = v0*t + 0.5*g*t²进行球的位置更新。在本设计中，为了适应硬件计算的特点，对公式进行了适当的变形和处理。时间t通过计数器（如cnt）和时钟频率（如FREQUENCY）来近似表示，即t = cnt/FREQUENCY。同时，为了简化计算电路，为小球运动模拟器jumping选择了合适的时钟频率（54.77Hz），使得系数计算更加简洁。在球的上升和下落过程中，根据不同的状态和物理参数，利用该公式准确地更新球的位置。

碰撞检测：实时监测小球与边界（地面和天花板）、手部的位置关系。当球到达边界时，根据反弹系数计算反弹后的速度，并将球的位置和速度传递至下一个状态；当球碰到手时，即球的位置与手的位置满足特定条件（handline >pic_y），则会使球的速度变为手的速度，并根据球的当前运动状态决定后续的运动方向。这种碰撞检测机制确保了游戏中球的运动能够真实地模拟现实情况。

模块化设计：将整个系统的功能拆分为多个独立的模块，如 ADC 驱动模块、传感器处理模块、显示控制模块、声音控制模块等。每个模块负责特定的功能，模块之间通过定义明确的接口进行数据交互和协同工作。这种模块化设计方式提高了代码的可读性、可维护性和可扩展性，便于团队成员分工合作，同时也降低了系统开发的复杂性。

4. 代码实现

4.1 jumping模块

jumping模块主要用于模拟小球的运动。模块内部利用fre_div子模块将 12MHz 时钟分频为54.77Hz的时钟频率，作为小球运动的计时时钟。模块通过状态机来控制小球的运动状态，状态包括下落DOWN和弹起UP。同时，定义了多个寄存器用于存储小球的位置、速度、时间计数等信息。

功能实现方面，当reset信号有效（即按下放球键且复位信号有效）时，模块对所有相关寄存器进行初始化，包括时间计数器、位置寄存器、速度寄存器等，并将小球状态设置为下落DOWN。在下落状态下，模块根据自由落体公式s = g * t * t / 2（此处将重力加速度及相关计算进行了简化）更新小球位置pic_y，同时判断小球是否到达地面（position + init_position <= MAX_Y），若到达则计算反弹速度并转换到弹起状态UP，同时设置蜂鸣器标志位beep_flag[1]表示球落地。在弹起状态下，模块根据反弹后的时间计数time_count_up与反弹时间time_count_r的比较，判断小球是否到达最高点或其他边界条件；若小球在上升过程中遇到手（pic_y < handline），则更新小球位置和速度，并转换到下落状态。通过这样的状态机和寄存器操作，模块实现了小球在重力和拍球作用下的运动模拟 。

4.2 LCD模块

负责操控 LCD 显示屏的驱动芯片，实现初始化、图像显示和线条绘制。通过多个内部子模块协同工作，控制 LCD 并传输数据，在屏幕上展示游戏图形。LCD 模块先设置好显示屏的工作模式和分辨率等参数，再将游戏图形数据转换成显示屏能识别的信号，经内部子模块处理，通过数据传输线路逐行发送到 LCD 显示屏，完成图像显示和线条绘制，最终呈现游戏相关图形。

为了提升屏幕刷新率、优化图像绘制效果，模块采用部分刷新而非全屏刷新的方式。具体架构框图如下：

4.2.1 lcd_draw_line模块

这个模块主要功能是在 LCD 显示屏上画线条。为了不让上一次画的线留痕迹，模块通过状态机来控制，在不同状态下，先清除上一次的线条，再画新的线条。模块里面设定了好几种颜色参数，还有操作状态参数，用 edge_detect 子模块来检测清屏和画完标志的上升沿，这样就能控制状态机切换状态。

当状态机处于 CLEAR 状态时，会调用 lcd_draw_line 子模块，用白色线条把指定位置的线擦掉，擦完后就切换到 DRAW 状态。在 DRAW 状态下，会在新的 y_coord 位置用棕色线条画一条线，画完就回到 IDLE 状态。要是检测到手掌位置有变化，也就是说接近传感器测到的距离 y_coord 跟上一次不一样，那就从 IDLE 状态进入 CLEAR 状态，开始新的画线条流程。最后，模块会根据状态机的状态，输出要传输的命令或数据 draw_line_data、画完标志 draw_line_done，还有写入使能信号 en_write_draw_line，实现 LCD 显示屏上的线条绘制功能。

4.2.2 control模块

control 模块是 LCD 显示系统的 “指挥官”，负责管理整个显示流程。它接收多个输入信号，比如 50MHz 的时钟信号 sys_clk_50MHz、复位信号 sys_rst_n，还有来自其他模块的状态和数据信号，像 init_data、init_done、show_pic_data、show_pic_done、draw_line_data、draw_line_done 等。模块里用状态机来安排不同的显示阶段，一共有 IDLE、INIT、SHOW_PIC、DRAW_LINE 这四种状态。系统复位后，control 模块会直接进入 INIT 状态。当收到 init_done 信号时，就切换到 SHOW_PIC 状态，开始显示图像。图像显示完，show_pic_done 信号有效，又进入 DRAW_LINE 状态，开始绘制线条。线条画好，draw_line_done 信号出现，模块就回到 IDLE 状态，等待下一次任务。

为了更好地控制显示过程，模块里还设置了两个计数器，draw_line_counter 和 show_pic_counter，分别在 SHOW_PIC 和 DRAW_LINE 状态下工作。它们的作用是辅助控制 show_pic_flag 和 draw_line_flag 信号的输出。在输出逻辑部分，control 模块会根据当前所处的状态，把相应的数据，像 init_data、show_pic_data、draw_line_data，赋值给 data 信号，同时控制 en_write 信号，以及 show_pic_flag 和 draw_line_flag 信号的输出。这样一来，LCD 显示系统就能按照顺序，依次完成初始化、图像显示和线条绘制等操作。另外，control 模块还通过 led 信号，在不同状态下给出状态指示，方便我们了解系统的运行情况。

4.2.3 lcd_pic_show模块

lcd_show_pic 模块的作用是在 LCD 屏幕上显示图像，采用状态机和计数器来完成。这个模块接收系统时钟 sys_clk、低电平有效的复位信号 sys_rst_n、写入完成标志 wr_done，以及显示图像标志 show_pic_flag 作为输入，输出 ROM 地址 rom_addr、要显示的图像数据 show_pic_data、显示完成标志 show_pic_done，还有写入使能信号 en_write_show_pic。

模块利用状态机和计数器实现部分刷新。状态机有 STATE0、STATE1、STATE2 和 DONE 这几个状态。当 show_pic_flag 信号有效时，模块从 STATE0 状态进入 STATE1 状态。在 STATE1 状态下，由 cnt_set_windows 计数器控制，当它计数到 10，并且 the1_wr_done 信号有效时，状态转移到 STATE2 状态，这一步可能是在设置显示窗口。进入 STATE2 状态后，cnt_rom_prepare 计数器等待 ROM 数据读取完成，当计数到 3 时，将 ROM 数据 rom_q 赋值给 temp。接着，cnt_wr_color_data 计数器对 temp 中的数据按位处理，根据 temp 的最低位决定输出颜色数据 data：最低位为 0 就输出白色，为 1 则输出棕色。同时，通过 cnt_wr_color_data 的最低位决定输出数据的高 8 位还是低 8 位，这样就能一个点一个点地绘制图像数据。绘制时，length_num_flag 和 cnt_length_num 计数器控制绘制长度，当 cnt_length_num 达到 SIZE_LENGTH_MAX，并且 length_num_flag 信号有效时，状态转移到 DONE 状态，表示当前图像绘制完成，完成一次部分刷新操作。通过状态机和计数器相互配合，模块每次只绘制需要更新的图像部分，避免了全屏刷新造成的资源浪费和显示延迟，提高了屏幕刷新率和显示效率。

4.3 hand_control模块

这段Verilog代码定义了名为hand_control的模块，用于处理拍球的手对应位置和速度信息。模块接收数据有效脉冲dat_valid和16位位置传感器数据prox_dat作为输入，输出9位的拍球手对应位置handline和8位手的速度hand_velocity。

模块内通过一系列寄存器和逻辑实现功能。利用dat_valid的上升沿触发操作，先更新用于滤波的寄存器prox_dat0和prox_dat1，根据当前和前一时刻位置传感器数据的差值diff进行滤波，若差值大于16'h800则保持prox_dat2不变，否则更新prox_dat2为当前数据prox_dat0。同时，每次dat_valid上升沿到来时，count自增1，当count有效时，根据滤波后数据prox_dat2计算handline，将prox_dat2[11:6]乘以5得到handline并进行限幅处理，若计算结果小于0则置为0；通过比较当前和前一时刻的handline计算速度velocity_temp，同样进行限幅处理后赋值给hand_velocity。

4.4 adjuster模块

本模块 “adjuster” 主要实现了反弹系数调整及其数码管显示控制功能。通过接收外部输入的两个按键信号（key_up 和 key_down），对反弹系数 k 进行调整。具体而言，当按下 key_up 键且 k 的值小于 3 时，k 的值会递增 1；当按下 key_down 键且 k 的值大于 0 时，k 的值会递减 1。这样可以根据用户的按键操作灵活地改变 k 的值，以满足不同场景下对该参数的需求。之后再调用了数码管译码模块进行显示，调节显示范围为 0.5~0.8。

5. 功能展示

数码管显示的为反弹系数，目前显示的0.7为反弹系数，尺寸为 10×10 像素的实心圆作为小球，线为手掌

6. 技术难点与解决方案

6.1 显示卡顿优化

问题：LCD 屏幕的刷屏频率不足，导致在小球快速运动时，画面出现撕裂现象，严重影响用户体验。

解决：将 LCD 刷屏时钟从原来的频率提升至 120MHz，提高了屏幕的刷新速度。同时，采用部分刷新来替代全屏刷新，即只刷新球和手的运动区域，从而提高屏幕刷新率。通过这种方式，有效地解决了画面撕裂以及痕迹遗留问题，使小球的运动显示更加平滑、流畅，提升了游戏的视觉效果。

6.2 物理模型精度

问题：在实现小球运动的物理模型时，使用自由落体公式进行浮点运算，这不仅占用了大量的硬件资源，还导致计算速度较慢，影响系统性能。

解决：采用移位运算代替除法运算。通过合理地选择数据位宽和移位数，在保证计算精度的前提下，大大减少了硬件资源的占用，提高了计算速度，使系统能够高效地运行小球运动的物理模型计算，确保小球运动的模拟更加准确和流畅。

7. 心得体会

深入理解了状态机的原理和应用，学会了如何通过定义不同的状态（如DOWN、UP）以及状态之间的转换条件来控制小球的运动逻辑。同时，我掌握了如何根据物理模型（如自由落体运动公式）来模拟小球在不同状态下的位置和速度变化，这让我对物理原理在实际工程中的应用有了更深刻的认识。通过修改屏幕刷新程序，对屏幕刷新的原理也更加深刻了。在实践方面，我学会了使用硬件描述语言（如 Verilog）来实现模块的功能，包括定义输入输出端口、内部寄存器和逻辑运算。我还了解了如何使用时钟分频器来控制模块的时钟频率，以满足不同的功能需求。

8. 资源占用报告
省流：该FPGA项目基于Lattice LCMXO2-4000HCCSBGA132芯片，整体资源利用率较高，SLICE和LUT4使用率均超过40%，寄存器占用14%。设计中使用了两个PLL分别生成96MHz和24MHz时钟，全局复位（GSR）功能启用，但仍有部分寄存器未启用。I/O接口丰富，支持多种功能。报告未显示错误或警告，表明设计已通过基本检查，但仍有优化空间，例如进一步利用未占用的块RAM资源、优化高负载时钟信号及时钟使能逻辑，以及考虑启用更多寄存器的全局复位功能以提高可靠性。