[发明专利]两款基于FPGA的俄罗斯方块游戏机

说明书

本发明公开了两款便携式实验教学设备——基于FPGA的俄罗斯方块游戏机。硬件部分用Spartan3E FPGA作为主控芯片，一款用74HC138与74HC595驱动的16×8点阵模块显示游戏界面，用4位七段数码管显示得分；另一款显示界面由MAX7219驱动的16×8点阵模块与LCD1602液晶屏组成。软件部分采用模块化设计思想，包括时钟分频、6键游戏键盘按键检测、俄罗斯方块游戏控制、双端RAM存储器、16×8点阵显示控制、得分计数、LCD1602液晶显示控制(或4位七段数码管显示控制)等模块。用VHDL语言编程实现了各功能模块；用顶层文件将它们连接起来，完成了软硬件设计、仿真、综合、下载与测试。

技术领域

本发明为便携式FPGA实验教学设备——俄罗斯方块游戏机，涉及VHDL硬件描述语言与FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)应用设计。

背景技术

俄罗斯方块(Tetris)是一款由俄罗斯人阿列克谢·帕基特诺夫于1984年发明的休闲游戏，共有七种基本方块，分别以S、Z、O、L、T、J、I这七个字母形状命名，游戏的基本规则是移动、旋转和摆放随机生成的各种基本形状的方块，使之排列成完整的一行或多行并且消除它，得分。

俄罗斯方块是最经典的游戏之一，有超过50种语言的版本，拥有9项吉尼斯世界纪录，包括通过手提电话下载次数最多的游戏、被移植次数最多的游戏、在最多平台上运行的视频游戏，等等。它运行在几十种游戏平台上，从掌机、街机、家用机、个人电脑，到手机和PDA。现在大部分俄罗斯方块游戏的开发主要集中在基于PC机的WINDOWS平台、手机平台和单片机。

基于FPGA的俄罗斯方块游戏只限于PS/2键盘输入、VGA显示的版本，没有点阵显示的版本。

俄罗斯方块游戏只需要六个游戏操作键，用PS/2键盘作为输入有些大材小用。VGA显示器是体积比较大的外设，它限制了游戏场所只能固定在某个的地方。

发明内容

1.要解决的技术问题

针对现有基于FPGA的俄罗斯方块游戏机设备中存在的资源浪费、体积大、实验环境受限等缺点，本发明提供了一款便携式游戏机，用6键游戏键盘作为操作键，用16×8点阵显示模块作为游戏显示界面，用LCD1602液晶屏或4位七段数码管作为得分显示界面。

2.技术方案

本发明设计制作了俄罗斯方块游戏机的硬件电路，如图1所示，主要硬件组成部分包括：Spartan3E FPGA芯片、50MHz晶振、复位按钮、6键游戏键盘、16×8点阵显示模块、LCD1602液晶屏(或4位七段数码管)。其中16×8点阵显示模块采用两种方案，①由两片74HC138与一片74HC595驱动，②由MAX7219驱动的8×8点阵模块级联而成。

在软件编程方面，采用自顶向下的设计方法、模块化设计思想，编写了VHDL程序。第一种设计方案如图2所示，包括如下七个功能模块：时钟分频、6键游戏键盘按键检测、俄罗斯方块游戏控制1、双端RAM存储器、16×8点阵显示控制1(74HC138与74HC595驱动)、得分计数、4位七段数码管显示控制。第二种设计方案如图3所示，包括如下八个功能模块：时钟分频、6键游戏键盘按键检测、俄罗斯方块游戏控制2、两个双端RAM存储器、16×8点阵显示控制2(MAX7219驱动)、得分计数、LCD1602液晶显示控制。

用VHDL语言编程实现了以上各功能模块；用顶层文件将它们连接起来，完成了软硬件设计、仿真、综合、下载与测试，达到了预期效果。

3.有益效果

相较于现有俄罗斯方块游戏的功能实现，本发明的优点在于：