Multisim数电课设-乒乓球游戏实现-设计分享
题目要求
设计题目
乒乓球游戏机。用LED表示乒乓球位置和球拍。控制球拍在合适的时机击球。一方失球另外一方得分。
期望功能
1).设置8个LED表示球的位置，球可以往复运动
2).球运动到最边缘时，检测到按键按下，模拟将球击回向另外一侧运动。
3).设置发球机制。设置预备阶段，预备阶段时将球归位在中间，按下发球按钮后球开始向一侧开始运动。
4).按键在非边缘处按下（抢球），或者到边缘时不按下（丢球），则回到预备阶段，并且另外一方得分（以LED二进制表示）首先拿到三分的一方胜利。
意义
进一步掌握常用数字电路元件的使用（如计数器、译码器等），了解数字电路设计的基本流程。
设计软件选择
选择Multisim软件设计电路设计。Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样我们无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，比较简洁好用。
图 1 使用的电路设计软件：Multisim
电路设计基本原理及分析
基础准备
使用器件
根据实验要求，需要预先构思好需要使用的器件。
- 基础器件：发光二极管、电阻、按键、时钟源、偏置电源与地（仿真）
- 组合逻辑器件：基础的与或非门，选用了74LS08D（与门）、74LS32D(或门)和74LS04D（非门）
- 时序逻辑器件：需要控制LED，因此需要使用3-8译码器，选用型号为74LS138D;需要控制LED跳变（小球按节拍运动），因此需要计数器，选用型号为74LS191D;此外，预想需要控制计数器的复位与置位来实现功能，因此加入D触发器，时钟管脚悬空，只接CLR与PR端作为置位复位器，选用型号为74LS74D。
- 输出器件：选用LED进行输出得分，因此需要74LS160D进行输出控制（驱动）。
图 2 使用器件一览
基本小球运动功能实现
小球显示模拟
小球使用LED进行模拟。如图：
图 3 小球显示模拟
使用共阳级LED组，通过控制阴极电平高低实现LED的亮灭。因为用LED灯模拟小球，需要lED的编码是8位独热码编码形式，因此需要3-8译码器将二进制值转为独热码形式，即可以通过二进制的值控制LED小球的位置，如图：
图 4 小球位置控制
通过74LS138D，将CBA二进制数转为Y0-Y7，控制单个LED亮灭。电阻的作用是限流，防止LED击穿。
小球运动模拟
经过3-8译码器后，小球的运动本质是二进制码的递增与递减，而让小球以一定的速度匀速运动，就是跟随着时钟的节拍对二进制码计数。因此我们需要使用计数器，这里选用74LS191D进行计数控制，搭建好电路如图：
图 5 小球运动模拟
因为74LS191D为16进制计数器，即4位二进制数，我们只需要3位二进制数据即可控制LED，因此将74LS191D低3位接入3-8译码器。这样，通过控制74LS191D的功能端口，就可以控制小球的运动方式。其中74LS191D的功能端口还未接线，查阅74LS191D的真值表，如图：
图 6 同步十六进制可逆计数器74LS191的图形符号及功能表
图6表中LD‘即为图5中LOAD管脚。根据功能表，我们知道可以通过LD’置0，同时ABCD接固定电平，让小球停在指定位置；通过LD‘置1，U’/D置0或1可以让小球向右运动或向左运动。由期望功能可知，电路中很多操作均为按键操作，即只产生电平脉冲。想要通过脉冲信号实现对74LS191D的功能端口置1、置0，考虑使用D触发器实现。查阅D触发器74LS74D功能表如图：
因为只需要单纯实现置位复位，因此D触发器时钟引脚悬空，只接入反置位PR、反复位CLR和输出Q三个管脚。连接如图：
图 7 D触发器控制计数器示意图
这样就可以初步实现，将脉冲信号转化为置位复位电平信号来驱动74LS191D的功能引脚，进而驱动LED的运动。
裁判发球机制
现在设计裁判发球机制。期望功能为：有一个预备状态，按下发球按钮后脱离预备状态，小球开始运动。根据上述推理，只需要通过D触发器，给计数器的LD’管脚置0让计数器一直处于置位状态，同时设置合适的预置数使小球在中间位置，即可设置好预备状态。经过计算，预置数为0100时可使小球位于中间。将裁判按键接入D触发器的CLR端，当按下按键时，产生高电平脉冲，经过反复位CLR端在Q处产生置1信号，从而使计数器脱离置位状态，进入计数状态，小球即开始运动。D触发器的变化如图：
图 8 裁判按键按下后电平变化示意图
打球机制（成功接球、丢球、抢球与得分）
以上，时序逻辑已经设计完毕，我们设计打球逻辑，打球逻辑的本质是组合逻辑，即采集电路的状态与按键输入，输入到组合逻辑（门电路）进行计算，组合逻辑计算出相应的输出，将输出信号给到74LS160D和D触发器，进行相应操作。由于是使用按键打球，因此产生的输出信号基本为脉冲信号，在之前的时序设计已经通过D触发器进行处理。
成功接球：
首先是成功接球的判定，我们认为当最边缘的LED亮起的一段时间，对应方的按键按下，判定为成功接球。需要的现象为“球被打回去”，即让计数器反向计数，可通过对管脚翻转实现。
设置布尔变量完成组合逻辑。已知Y0为最左侧LED对应阴极电平，Y7为最右侧LED对应阴极电平，当Y0、Y7为0时LED亮起。设左侧按键为,右侧按键为
，左右按键按下时K1、K2均为1。设接入计数器
管脚的D触发器的反置位、反复位引脚为PR1、CLR1,则只需令：
即可实现接球逻辑。原理为：满足=1时认为左边接到球，球从左向右“打回去”，则计数器应向右计数，即加法计数，
管脚复位，将PR1管脚接到
，产生高电平脉冲即可。满足
=1时认为右边接到球，球从右向左“打回去”，则计数器应向左计数，即减法计数，
管脚置位，将CLR1管脚接到
，产生高电平脉冲即可。实际实现逻辑电路如图：
图 9 成功接球部分组合逻辑（绿线）
此时，经过仿真验证，我们已经可以玩起来乒乓球了，即不丢球的情况下，每次都成功接球，左右两边可以打的“有来有回”。
丢球、抢球逻辑
接下来设计失误时的逻辑。我们希望：当有一方没接住球（丢球，即球已经走过去还没接球）、或者提前接球（抢球，即在边缘LED灯没亮时接球）时，球桌回复预备状态，球静止在中间等待发球，并且对面的得分加一分（在得分逻辑中叙述）。
由前所述，预备状态的打破（发球）由接入L'D的D触发器CLR2引脚实现，相应的，预备状态的建立则可以由其PR2引脚实现。类似发球逻辑中的分析，当PR2引脚输入高电平脉冲，经过D触发器在Q处产生置0信号，从而使计数器脱离计数状态，进入置位状态即预备状态，LED的位置锁定在中间，等待下一次发球。
因此，我们需要做的工作即：收集失误的信号，经过组合逻辑计算最终输出到PR2引脚，使得失误时在PR2引脚产生高电平脉冲，进入预备状态。
我们用布尔代数设计组合逻辑。不妨设R0表示右侧失误，L0表示左侧失误。首先看抢球，借用之前设计“成功接球”的布尔变量，若将抢球定义为：边缘一侧灯还没亮（球还没到）时，就按下了按钮。则容易得出K2Y7就表示右侧抢球，K1Y0就表示左侧抢球。
之后我们看丢球。我们将丢球定义为：当LED到达边缘时，那一侧的按键未按下。此时成功接球，让计数方向翻转的逻辑将不会运行，即小球将“飞出球桌”。由之前“小球运动模拟”的叙述，此时计数器仍然在继续计数（加法计数是向高位进1后继续计数，减法计数是减到0000后从1111继续计数），将二进制值跳转到了下一个数。因此我们可以根据计数器的计数值是否越界判断是否丢球，如图：
图 10 丢球时计数器的越界示意图
通过布尔代数描述丢球逻辑。由图易知，当QDQC=1时，发生左越界，左侧丢球；当QDQ'C=1时，发生右越界，右侧丢球；
由于丢球与抢球均为失误，任何一方发生任意一项均重新开始比赛，回到预备状态，因此事件之间使用与门连接。完整的输出表达式为
实际电路连接实现组合逻辑电路如图：
图 11 丢球、抢球组合逻辑电路图（绿框）
得分逻辑
当一方失误时，另一方得分。最后分数显示一方各使用两个LED，由74LS160D驱动。之前已经算出失误时产生的R0，L0，将74LS160D功能端均接高电平，设为计数模式，将R0，L0分别接入左侧与右侧的74LS160D的CLK接口，实现得分计数并输出到LED，如图：
综上，完整的仿真电路图如图：
图 12 完整的仿真电路图
经过仿真验证，可以成功实现打乒乓球的功能。
结语
这篇文章其实是之前数电课设的设计报告截取的一部分（还有设计心得之类的一些废话hhh），报告完全原创，电路原理参考了一些资料，不过这门课最后拿的分数倒不太理想（可能是心得写少了XD）。现在看挺适合作为教程，贴出来给以后要做数电课设的同学作参考。
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