打地鼠游戏 FPGA 设计 Verilog Quartus

名称：打地鼠游戏 FPGA 设计 Verilog Quartus

软件：Quartus

语言：Verilog

开发板/平台：Cyclone IV FPGA开发板

功能介绍

本设计实现了一个基于 FPGA 的打地鼠小游戏，使用 8 个 LED 表示地鼠出现位置，8 个独立按键作为击打输入。游戏开始后，系统根据伪随机数选择 LED 点亮位置，玩家按下对应按键完成击中判断，命中后进行分数累加，并继续刷新下一次地鼠位置。 系统带有倒计时和分数显示功能，分数采用三位 BCD 数码管显示，倒计时秒数采用两位 BCD 数码管显示。顶层接口包含 20MHz 系统时钟、低电平复位/开始按键、8 路按键输入、8 路 LED 输出以及 5 组 BCD 数码管输出，适合用于 FPGA 数字系统课程设计、游戏控制逻辑练习和 Verilog 综合实验。 整体工程采用 Verilog 编写，在 Quartus 环境下完成工程组织、编译和管脚分配。设计内容覆盖随机数产生、按键输入处理、状态控制、计时、计分和显示输出等多个常见 FPGA 设计环节，结构清晰，便于理解和二次修改。

运行环境

开发语言：Verilog 开发软件：Quartus 目标平台：Cyclone IV FPGA开发板 工程顶层模块：dadishu_top 主要接口：20MHz 系统时钟、低电平复位/游戏开始按键、8 路游戏按键、8 路 LED、5 位 BCD 数码管显示接口。

设计思路

设计以顶层模块 dadishu_top 作为系统连接中心，将随机数产生、游戏控制和显示输出三个部分组合成完整的打地鼠逻辑。系统复位/开始后，LFSR 模块持续产生 8 位伪随机数，游戏控制模块利用随机数确定当前地鼠出现的位置，并通过 LED 输出给玩家。 8 个独立按键在顶层被拼接成统一的 8 位按键向量，便于游戏控制模块集中处理。游戏控制逻辑负责倒计时、LED 刷新、按键命中判断和分数累加。当前 LED 点亮位置与按键输入匹配时，即认为玩家击中地鼠，分数按照 BCD 形式输出到显示模块。 显示部分采用独立 display 模块，将分数的百位、十位、个位以及倒计时秒数的十位、个位分别输出到数码管接口。游戏运行状态 running 用于控制分数显示是否有效，时间显示保持开启，从而形成较完整的“开始游戏、随机出鼠、按键击打、计分、倒计时结束”的流程。 该设计没有把所有逻辑堆叠在顶层，而是按照功能划分为随机数、游戏控制和显示模块，便于单独仿真和调试。配套 testbench 覆盖顶层、随机数模块、游戏控制模块和显示模块，适合作为 FPGA 游戏类设计的参考工程。

模块结构

主要模块包括： 1. dadishu_top：系统顶层模块，连接时钟复位、按键输入、LED 输出、随机数模块、游戏控制模块和显示模块。 2. mseq_lfsr：伪随机数发生模块，产生 8 位随机数，用于选择地鼠出现位置。 3. game_ctrl：游戏控制模块，负责倒计时、LED 控制、按键击中检测、分数累加和游戏运行状态输出。 4. display：显示模块，将分数和倒计时 BCD 数据输出到数码管接口。 5. tb_dadishu_top、tb_mseq_lfsr、tb_game_ctrl、tb_display：对应的仿真测试文件，用于验证顶层及各功能模块逻辑。

开发板验证

工程包含 Cyclone IV FPGA开发板相关管脚约束与分配文件，可用于开发板上板验证。设计接口覆盖核心板按键、8 路 LED 以及 BCD 数码管显示输出，演示视频展示了打地鼠游戏在硬件环境中的运行效果，包括 LED 随机点亮、按键击打、分数显示和倒计时显示等功能。

演示视频

包含打地鼠游戏演示视频，视频内容用于展示工程在硬件平台上的运行效果，可直观看到 LED 地鼠位置变化、按键交互、分数变化和倒计时显示过程。

仿真图/仿真说明/设计文档图片

设计文档内容包含工程文件、程序文件、程序编译、RTL 图、管脚分配、仿真图和 Testbench 说明。仿真部分覆盖顶层仿真、随机数模块、游戏控制模块和显示模块，便于对各模块功能进行单独验证和整体联调。

部分代码

以下展示顶层模块 dadishu_top 的部分代码，完整源码请下载压缩包查看。

module dadishu_top(
input sysclk,//时钟20M
input reset_n,//低电平复位（游戏开始按键）-核心板key4

input key_1,//按下高电平，按键1
input key_2,//按下高电平，按键2
input key_3,//按下高电平，按键3
input key_4,//按下高电平，按键4
input key_5,//按下高电平，按键5
input key_6,//按下高电平，按键6
input key_7,//按下高电平，按键7
input key_8,//按下高电平，按键8

output [7:0] LED,//高电平亮

//BCD数码管，直接输入4位BCD码即可显示对应数字
output [3:0] HEX0,//数码管，分数个位
output [3:0] HEX1,//数码管，分数十位
output [3:0] HEX2,//数码管，分数百位

output [3:0] HEX3,//数码管，倒计时秒个位
output [3:0] HEX4 //数码管，倒计时秒十位
);

// ---------------- 顶层连线说明 ----------------
// rand      ：来自mseq_lfsr的8位伪随机数
// led_game  ：来自game_ctrl的LED控制信号
// score_*   ：分数的BCD三位（百/十/个）
// sec_*     ：倒计时秒的BCD两位（十/个）
// running   ：游戏正在进行的标志，控制分数显示是否有效
wire [7:0] rand;
wire [7:0] led_game;
wire [3:0] score_h, score_t, score_o;
wire [3:0] sec_t, sec_o;
wire running;

// 将8个独立按键拼接为一个向量，便于在控制模块中统一处理
wire [7:0] keys_vec = {key_8,key_7,key_6,key_5,key_4,key_3,key_2,key_1};

// ---------------- 随机数模块 ----------------
// 使用LFSR产生随机数，用于随机选择地鼠出现位置
mseq_lfsr u_lfsr(
    .clk     (sysclk),
    .reset_n (reset_n),
    .rand    (rand)
);

// ---------------- 游戏控制模块 ----------------
// 负责：倒计时/LED控制/按键击中检测/分数累加
// 参数说明：
// - TICKS_PER_SEC：每秒对应的时钟节拍数（上板为20_000_000，仿真可覆盖）
// - GAME_SECONDS ：游戏总时长（秒）
// - MOLE_UPDATE_TICKS：地鼠刷新间隔（时钟节拍数）
game_ctrl u_game_ctrl (
    .clk      (sysclk),
    .reset_n  (reset_n),
    .keys     (keys_vec),
    .rand     (rand),
    .led      (led_game),
    .score_h  (score_h),
    .score_t  (score_t),
    .score_o  (score_o),
    .sec_t    (sec_t),
    .sec_o    (sec_o),
    .running  (running)
);

// ---------------- 显示模块 ----------------
// 将BCD分数与倒计时直接输出到数码管接口
// show_score在游戏进行时为1，时间到后分数显示置0
display u_display(
    .score_h   (score_h),
    .score_t   (score_t),
    .score_o   (score_o),
    .sec_t     (sec_t),
    .sec_o     (sec_o),
    .show_score(running),
    .show_time (1'b1),
    .HEX0      (HEX0),
    .HEX1      (HEX1),
    .HEX2      (HEX2),
    .HEX3      (HEX3),
    .HEX4      (HEX4)
);

// 顶层输出LED直接连接游戏控制模块的结果
assign LED = led_game;

endmodule

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