乒乓球游戏 FPGA 设计 VHDL Quartus

名称：乒乓球游戏 FPGA 设计 VHDL Quartus

软件：Quartus

语言：VHDL

功能介绍

本设计实现一个基于FPGA的两人乒乓球游戏系统，采用VHDL硬件描述语言开发，整体功能围绕发球、击球、球体移动、失分判定、计分显示和胜利判定展开。系统用8位LED模拟乒乓球在球台上的位置变化，玩家A、玩家B通过各自按键完成击球操作，提前击球或球出界未击中都会触发相应失分逻辑。 系统支持8档速度调节，球体移动步长时间覆盖0.1s到0.5s，可通过3位速度选择开关改变游戏节奏。比赛规则采用11分制，A、B双方分别设置计分显示，任意一方先达到11分后给出胜利指示，便于直观看到当前局的胜负结果。 显示部分由LED球位显示、四位七段数码管分数显示和胜利指示灯组成。HEX0、HEX1显示A方个位和十位分数，HEX2、HEX3显示B方个位和十位分数，A_win_LED与B_win_LED用于输出对应玩家胜利状态，适合FPGA课程设计、状态机实验、数字系统综合设计等场景参考。

运行环境

开发语言：VHDL 开发软件：Quartus 仿真测试：包含Testbench仿真文件，可用于验证分频、游戏控制、计分显示和顶层联调功能。 目标器件参考：Cyclone III EP3C25F324C8。

设计思路

系统采用模块化设计，将完整的乒乓球游戏拆分为时钟分频、游戏控制、数码管显示和顶层集成几个部分。顶层模块负责连接外部时钟、复位、按键、速度开关、LED、数码管和胜利指示信号；游戏控制模块负责核心规则；分频模块负责产生球体移动节拍；显示模块负责把分数转换为七段数码管段码。 游戏逻辑采用有限状态机实现，状态包括空闲、A方发球、B方发球、向B方移动、向A方移动、A方得分、B方得分等。球的位置使用8位寄存器表示，通过移位方式模拟球在球台上的移动方向。系统根据当前球位、移动方向和玩家按键时机判断击球是否有效，从而完成方向反转、得分或进入下一轮发球。 速度控制由分频模块完成，输入100Hz系统时钟后，根据3位speed_sw选择不同分频系数。速度档位000到111分别对应不同移动节拍，最快约0.1s移动一位，最慢约0.5s移动一位。这样的设计既能体现硬件分频逻辑，也能让游戏难度具备可调节性。 计分部分采用BCD形式组织A、B双方分数，并通过数码管显示模块输出到HEX0到HEX3。分数递增时处理个位进位与十位显示，到达11分后触发对应胜利指示并锁定当前局结果，复位后可重新开始新一局。

模块结构

顶层模块：pingpang_game，负责系统外部接口和各子模块连接。 分频模块：div_clk，将100Hz系统时钟转换为游戏移动节拍，并支持8档速度选择。 游戏控制模块：game，实现状态机控制、球位移位、击球判断、出界判定、分数计算和胜利判定。 分数显示模块：score_display，负责A、B双方分数的数码管显示组织。 七段译码模块：LED7S，将BCD数字转换为七段数码管段码。 测试模块：tb_pingpang_game，用于对顶层及关键游戏流程进行仿真验证。

开发板验证

工程包含Quartus管脚约束/分配文件，可用于FPGA开发板按键、拨码开关、LED、数码管和胜利指示灯等外设连接验证。设计文档中给出了Cyclone III EP3C25F324C8器件实现参考，综合资源占用约172个逻辑单元、75个寄存器、45个引脚，资源占用较低，适合在同类FPGA实验平台上进行移植和验证。

演示视频

包含演示视频，可用于查看乒乓球游戏运行效果、LED球位移动、双方按键击球、数码管计分以及胜利指示等功能表现。

仿真图/仿真说明/设计文档图片

设计文档包含工程文件、程序文件、程序编译、RTL图、Testbench仿真图、顶层模块仿真图、分频模块仿真图、控制模块仿真图和显示模块仿真图等内容。 仿真说明覆盖分频模块速度切换、游戏状态机转换、球位移位方向、合法击球、提前击球、出界判定、0到11分计分递增、BCD进位和数码管段码输出等关键功能。顶层仿真展示了分频模块、游戏控制模块和显示模块之间的信号传递关系，可用于理解完整系统的数据流和控制流程。

部分代码

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

ENTITY pingpang_game IS
   PORT (
      clk          : IN STD_LOGIC;                     -- 输入：100Hz系统时钟（周期10ms）
      rst_n        : IN STD_LOGIC;                     -- 输入：低有效复位信号（'0'复位）
      play_A       : IN STD_LOGIC;                     -- 输入：A玩家击球按键（低有效）
      play_B       : IN STD_LOGIC;                     -- 输入：B玩家击球按键（低有效）
      speed_sw     : IN STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0);  -- 输入：3位速度选择拨码开关
      led          : OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); -- 输出：8位台面LED显示（低有效）
      HEX0         : OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0); -- 输出：A玩家分数个位数码管段码
      HEX1         : OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0); -- 输出：A玩家分数十位数码管段码
      HEX2         : OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0); -- 输出：B玩家分数个位数码管段码
      HEX3         : OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0); -- 输出：B玩家分数十位数码管段码
      A_win_LED    : OUT STD_LOGIC;                    -- 输出：A玩家胜利指示灯（高有效）
      B_win_LED    : OUT STD_LOGIC                     -- 输出：B玩家胜利指示灯（高有效）
   );
END pingpang_game;

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