乒乓球比賽

FPGA可以輕松成為視頻生成器。

乒乓球游戲包括在屏幕上彈跳的球。槳（此處由鼠標控制）使用戶能夠使球彈回。

盡管可以使用其他任何FPGA開發板，但我們都使用Pluto FPGA板。

一個VGA監視器需要5個信號才能顯示圖片：

• R，G和B（紅色，綠色和藍色信號）。
• HS和VS（水平和垂直同步）。

R，G和B是模擬信號，而HS和VS是數字信號。

以下是驅動VGA接口的方法：

• VGA連接器（HS和VS）的引腳13和14是數字信號，因此可以直接從兩個FPGA引腳驅動（或通過低阻值電阻，例如10Ω或20Ω）驅動。
• 引腳1、2和3（R，G和B）是75 are模擬信號，標稱值為0.7V。對于3.3V FPGA輸出，請使用三個270Ω串聯電阻。電阻與監視器輸入中的75Ω電阻形成分壓器，因此
• 3.3V變為3.3 * 75 /（270 + 75）= 0.72V，非常接近0.7V。以0和1的不同組合來驅動這3個引腳時，最多可以得到8種顏色。

接地引腳是引腳5、6、7、8和10。

這是連接到面包板上Pluto的母VGA連接器的視圖。

VGA母頭連接器至12針接頭連接器的后視圖。12針插頭可輕松連接到面包板。三個270Ω串聯電阻清晰可見。我們也可以使用轉接板。

監視器始終從上到下逐行顯示圖片。每條線從左到右繪制。

這是硬編碼的，您無法更改。

但是，您可以通過以固定間隔在HS和VS上發送短脈沖來指定何時開始繪制圖形。HS畫了一條新線開始繪制；而VS告訴您已經到達底部（使監視器回到頂部）。

對于標準640×480 VGA視頻信號，脈沖頻率應為：

要創建標準視頻信號，需要處理更多細節，例如脈沖的持續時間以及HS和VS之間的關系。在此頁面上獲得一個想法。

如今，VGA監視器是多同步的，因此可以適應非標準頻率-不再需要精確地生成60Hz和31.5KHz（但是，如果您使用的是舊的（非多同步）VGA監視器，則需要生成精確的頻率）。

讓我們從X和Y計數器開始。

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計數768個值（從0到767），CounterY計數512個值（0到511）。

現在，使用CounterX生成HS，使用CounterY生成VS。使用25MHz時鐘，HS的頻率為32.5KHz，VS的頻率為63.5Hz。脈沖需要激活足夠長的時間，以使監視器能夠檢測到它們。讓我們為HS使用16個時鐘脈沖（0.64μs），為VS使用完整的水平線長脈沖（768個時鐘或30μs）。這比VGA規范所要求的要短，但仍然可以正常工作。

我們從D觸發器生成HS和VS脈沖（以獲得無毛刺輸出）。

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輸出必須為負，因此我們將信號反相。

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

最后，我們可以驅動R，G和B信號。首先，我們可以使用X和Y計數器的一些位來獲得漂亮的正方形顏色圖案…

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

…然后我們在VGA監視器上得到一張照片！

最好將同步生成器重寫為HDL模塊，以便在外部生成R，G和B。同樣，如果X和Y計數器從繪圖區域開始計數，它們將更加有用。 可以在這里找到新文件。

現在，我們可以使用它在屏幕周圍繪制邊框。

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

讓我們使用鼠標在屏幕上左右移動操縱桿。

該解碼器正交頁面顯示的秘密。代碼如下：

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

現在知道“ PaddlePosition”的值，我們可以顯示槳了。

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;

球需要在屏幕上移動，并在碰到物體（邊界或球拍）時反彈。

首先，我們展示球。它是16×16像素的正方形。當CounterX和CounterY到達其坐標時，我們將激活球的繪制。

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;

現在進行碰撞。那是這個項目的困難部分。

我們可以檢查球相對于屏幕上每個對象的坐標，并確定是否存在碰撞。但是隨著對象數量的增加，這將很快成為一場噩夢。

取而代之的是，我們定義4個“熱點”像素，在球每側的中間一個像素。如果物體（邊界或球拍）在球繪制其“熱點”之一的同時重繪自身，則我們知道球的那一側存在碰撞。

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;

（我通過從未重置碰撞觸發器來簡化了上面的代碼，下面提供了完整的代碼）。

現在，我們更新球的位置，但每個視頻幀僅更新一次。

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，我們可以將所有內容整合在一起。

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，其實并不難。