乒乓球比赛

FPGA可以轻松成为视频生成器。

乒乓球游戏包括在屏幕上弹跳的球。桨（此处由鼠标控制）使用户能够使球弹回。

尽管可以使用其他任何FPGA开发板，但我们都使用Pluto FPGA板。

一个VGA监视器需要5个信号才能显示图片：

• R，G和B（红色，绿色和蓝色信号）。
• HS和VS（水平和垂直同步）。

R，G和B是模拟信号，而HS和VS是数字信号。

以下是驱动VGA接口的方法：

• VGA连接器（HS和VS）的引脚13和14是数字信号，因此可以直接从两个FPGA引脚驱动（或通过低阻值电阻，例如10Ω或20Ω）驱动。
• 引脚1、2和3（R，G和B）是75 are模拟信号，标称值为0.7V。对于3.3V FPGA输出，请使用三个270Ω串联电阻。电阻与监视器输入中的75Ω电阻形成分压器，因此
• 3.3V变为3.3 * 75 /（270 + 75）= 0.72V，非常接近0.7V。以0和1的不同组合来驱动这3个引脚时，最多可以得到8种颜色。

接地引脚是引脚5、6、7、8和10。

这是连接到面包板上Pluto的母VGA连接器的视图。

VGA母头连接器至12针接头连接器的后视图。12针插头可轻松连接到面包板。三个270Ω串联电阻清晰可见。我们也可以使用转接板。

监视器始终从上到下逐行显示图片。每条线从左到右绘制。

这是硬编码的，您无法更改。

但是，您可以通过以固定间隔在HS和VS上发送短脉冲来指定何时开始绘制图形。HS画了一条新线开始绘制；而VS告诉您已经到达底部（使监视器回到顶部）。

对于标准640×480 VGA视频信号，脉冲频率应为：

要创建标准视频信号，需要处理更多细节，例如脉冲的持续时间以及HS和VS之间的关系。在此页面上获得一个想法。

如今，VGA监视器是多同步的，因此可以适应非标准频率-不再需要精确地生成60Hz和31.5KHz（但是，如果您使用的是旧的（非多同步）VGA监视器，则需要生成精确的频率）。

让我们从X和Y计数器开始。

reg [9:0] CounterX;
reg [8:0] CounterY;
wire CounterXmaxed = (CounterX==767); 
always @(posedge clk)if(CounterXmaxed)
  CounterX <= 0;else
  CounterX <= CounterX + 1; 
  always @(posedge clk)if(CounterXmaxed)
    CounterY <= CounterY + 1;

CounterX计数768个值（从0到767），CounterY计数512个值（0到511）。

现在，使用CounterX生成HS，使用CounterY生成VS。使用25MHz时钟，HS的频率为32.5KHz，VS的频率为63.5Hz。脉冲需要激活足够长的时间，以使监视器能够检测到它们。让我们为HS使用16个时钟脉冲（0.64µs），为VS使用完整的水平线长脉冲（768个时钟或30µs）。这比VGA规范所要求的要短，但仍然可以正常工作。

我们从D触发器生成HS和VS脉冲（以获得无毛刺输出）。

reg vga_HS, vga_VS;always @(posedge clk)begin
  vga_HS <= (CounterX[9:4]==0);   // active for 16 clocks
  vga_VS <= (CounterY==0);   // active for 768 clocksend

VGA输出必须为负，因此我们将信号反相。

assign vga_h_sync = ~vga_HS;
assign vga_v_sync = ~vga_VS;

最后，我们可以驱动R，G和B信号。首先，我们可以使用X和Y计数器的一些位来获得漂亮的正方形颜色图案…

assign R = CounterY[3] | (CounterX==256);
assign G = (CounterX[5] ^ CounterX[6]) | (CounterX==256);
assign B = CounterX[4] | (CounterX==256);

…然后我们在VGA监视器上得到一张照片！

最好将同步生成器重写为HDL模块，以便在外部生成R，G和B。同样，如果X和Y计数器从绘图区域开始计数，它们将更加有用。 可以在这里找到新文件。

现在，我们可以使用它在屏幕周围绘制边框。

module pong(clk, vga_h_sync, vga_v_sync, vga_R, vga_G, vga_B);
input clk;
output vga_h_sync, vga_v_sync, vga_R, vga_G, vga_B;
wire inDisplayArea;
wire [9:0] CounterX;
wire [8:0] CounterY; 
hvsync_generator syncgen(.clk(clk), .vga_h_sync(vga_h_sync), .vga_v_sync(vga_v_sync),
                            .inDisplayArea(inDisplayArea), .CounterX(CounterX), .CounterY(CounterY)); 
                            // Draw a border around the screen
wire border = (CounterX[9:3]==0) || (CounterX[9:3]==79) || (CounterY[8:3]==0) || (CounterY[8:3]==59);
wire R = border;wire G = border;wire B = border;
reg vga_R, vga_G, vga_B;
always @(posedge clk)begin
  vga_R <= R & inDisplayArea;
  vga_G <= G & inDisplayArea;
  vga_B <= B & inDisplayArea;
  end 
  endmodule

让我们使用鼠标在屏幕上左右移动操纵杆。

该解码器正交页面显示的秘密。代码如下：

reg [8:0] PaddlePosition;
reg [2:0] quadAr, quadBr;
always @(posedge clk) quadAr <= {quadAr[1:0], quadA};
always @(posedge clk) quadBr <= {quadBr[1:0], quadB}; 
always @(posedge clk)if(quadAr[2] ^ quadAr[1] ^ quadBr[2] ^ quadBr[1])begin
  if(quadAr[2] ^ quadBr[1])
  begin
    if(~&PaddlePosition)        // make sure the value doesn't overflow
      PaddlePosition <= PaddlePosition + 1;
  end
  else
  begin
    if(|PaddlePosition)        // make sure the value doesn't underflow
      PaddlePosition <= PaddlePosition - 1;
  endend

现在知道“ PaddlePosition”的值，我们可以显示桨了。

wire border = (CounterX[9:3]==0) || (CounterX[9:3]==79) || (CounterY[8:3]==0) || (CounterY[8:3]==59);
wire paddle = (CounterX>=PaddlePosition+8) && (CounterX<=PaddlePosition+120) && (CounterY[8:4]==27); 
wire R = border | (CounterX[3] ^ CounterY[3]) | paddle;
wire G = border | paddle;
wire B = border | paddle;

球需要在屏幕上移动，并在碰到物体（边界或球拍）时反弹。

首先，我们展示球。它是16×16像素的正方形。当CounterX和CounterY到达其坐标时，我们将激活球的绘制。

reg [9:0] ballX;reg [8:0] ballY;
reg ball_inX, ball_inY; 
always @(posedge clk)if(ball_inX==0) ball_inX <= (CounterX==ballX) & ball_inY; 
else ball_inX <= !(CounterX==ballX+16); 
always @(posedge clk)if(ball_inY==0) ball_inY <= (CounterY==ballY); 
else ball_inY <= !(CounterY==ballY+16); 
wire ball = ball_inX & ball_inY;

现在进行碰撞。那是这个项目的困难部分。

我们可以检查球相对于屏幕上每个对象的坐标，并确定是否存在碰撞。但是随着对象数量的增加，这将很快成为一场噩梦。

取而代之的是，我们定义4个“热点”像素，在球每侧的中间一个像素。如果物体（边界或球拍）在球绘制其“热点”之一的同时重绘自身，则我们知道球的那一侧存在碰撞。

wire border = (CounterX[9:3]==0) || (CounterX[9:3]==79) || (CounterY[8:3]==0) || (CounterY[8:3]==59);
wire paddle = (CounterX>=PaddlePosition+8) && (CounterX<=PaddlePosition+120) && (CounterY[8:4]==27);
wire BouncingObject = border | paddle; // active if the border or paddle is redrawing itself 
reg CollisionX1, CollisionX2, CollisionY1, CollisionY2;
always @(posedge clk) if(BouncingObject & (CounterX==ballX ) & (CounterY==ballY+ 8)) CollisionX1<=1;
always @(posedge clk) if(BouncingObject & (CounterX==ballX+16) & (CounterY==ballY+ 8)) CollisionX2<=1;
always @(posedge clk) if(BouncingObject & (CounterX==ballX+ 8) & (CounterY==ballY )) CollisionY1<=1;
always @(posedge clk) if(BouncingObject & (CounterX==ballX+ 8) & (CounterY==ballY+16)) CollisionY2<=1;

（我通过从未重置碰撞触发器来简化了上面的代码，下面提供了完整的代码）。

现在，我们更新球的位置，但每个视频帧仅更新一次。

reg UpdateBallPosition;       // active only once for every video frame
always @(posedge clk) UpdateBallPosition <= (CounterY==500) & (CounterX==0); 
reg ball_dirX, ball_dirY;
always @(posedge clk)if(UpdateBallPosition)begin
  if(~(CollisionX1 & CollisionX2))        // if collision on both X-sides, don't move in the X direction
  begin
    ballX <= ballX + (ball_dirX ? -1 : 1);
    if(CollisionX2) ball_dirX <= 1; 
    else if(CollisionX1) ball_dirX <= 0;
  end   if(~(CollisionY1 & CollisionY2))        // if collision on both Y-sides, don't move in the Y direction
  begin
    ballY <= ballY + (ball_dirY ? -1 : 1);
    if(CollisionY2) ball_dirY <= 1; 
    else if(CollisionY1) ball_dirY <= 0;
  end
  end

最后，我们可以将所有内容整合在一起。

wire R = BouncingObject | ball | (CounterX[3] ^ CounterY[3]);
wire G = BouncingObject | ball;
wire B = BouncingObject | ball; 
reg vga_R, vga_G, vga_B;
always @(posedge clk)begin
  vga_R <= R & inDisplayArea;
  vga_G <= G & inDisplayArea;
  vga_B <= B & inDisplayArea;
  end

哇，其实并不难。