基于FPGA的體感游戲

艾兵　張敏　趙元清

摘 要： 體感游戲是視覺與本體感覺和動作控制的集合，伴隨著虛擬現實技術的迅猛發展，正逐步走入市場。為了達到視覺、運動相結合的目的，采用加速度傳感器與VGA顯示器相結合的方法，通過戴有速度手套的手的運動來完成對游戲界面中的滑塊控制，接住隨機下落的方塊而獲得分數。最后進行了板級測試，實現了開機界面、模式切換、難度調節、計分、游戲暫停與重新開始等功能。通過驗證，游戲獲得了較好的互動性、參與感與沉浸感。

關鍵詞： 加速度傳感器； FPGA； VGA； 體感游戲

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）06?0047?04

0 引 言

計算機游戲領域已經到了一個同質化相當嚴重的時代。機械性的重復相同的動作致使玩家的興趣越來越低。而現在游戲產業迎來了一個轉折點，開始向交互性、置入感等方向發展。而良好的沉浸感要求游戲必須在互動性上有創新[1]。過去，游戲大部分是通過鍵盤與鼠標來完成控制的，但隨著傳感器技術、微機視覺的進步，使得利用自己的行動來對機器發出指令的愿望得以實現。這種人機互動模式以更為自然性、直觀性的運動、語音等摸式代替電腦的鍵盤和鼠標等外設。

現在已經有了很多創新成果，如三維攝像機、傳感器球拍、數據手套等。一些公司也推出了各種平臺，如日本任天堂公司的Wii、微軟的Kinect、華碩的Xtion等。這些設備一般較為昂貴，本文設計目的是低成本來完成人機交互，利用FPGA作為主控制器，借助現代家庭較為普及的電腦的顯示器，實現體感游戲的設計，提高游戲的沉浸感與趣味性[2]，同時保持了對于鍵盤操作的兼容性。

1 系統設計方案

該系統主要由兩個部分組成，分別是數據采集單元、顯示控制單元。數據采集單元主要實現對運動控制信息的采集、數據的修正與處理、上傳到顯示控制單元等功能。顯示控制單元主要實現游戲的開始、難度設定、模式切換、顯示等功能。整體框圖如圖1所示。

1.1 數據采集單元

數據采集單元主要包括從控制器、加速度傳感器、LED顯示、按鍵、串口四個硬件部分。各部分的選擇和功能如下：

從控制器選用STC89C51單片機，此系列單片機是宏晶科技推出的新一代超強抗干擾、低功耗、高性價比的單片機，指令代碼完全兼容傳統8051單片機，并且有LQFP封裝，使得速度手套可以做到小型化。

加速度傳感器選用的是ADXL345。它是一款完整的3 軸加速度測量系統。既能測量運動或沖擊導致的動態加速度，也能測量靜止加速度，例如重力加速度，使得器件可作為傾斜傳感器使用。本設計中利用了其測靜止加速度的功能，得到傾斜角度，從而產生控制指令。

采集單元中用了兩個LED燈，用于顯示當前速度手套的輸出狀態：當左側燈亮說明發出的控制信號為向左運動。兩個按鍵輸入用于游戲的控制信號暫停和分數清零的信號的產生。

采集單元利用串口將控制信號上傳到顯示控制單元。RS232是由電子工業協會（Electronic Industries Association，EIA） 所制定的異步傳輸標準接口[3]。在低通信速率下，直接連接的最大物理距離為15 m，可以使得人能遠離屏幕來操作游戲，防止眼睛疲勞[4]。后期會考慮采用315模塊來實現無線的操作。

1.2 顯示控制單元

此單元是整個系統的核心，完成了游戲的大部分功能設計，主要包括主控制器、VGA接口、PS/2接口、獨立按鍵、數碼管、串口等硬件部分。

主控制器采用Altera于2004年推出的CycloneⅡ的FPGA， 型號為EPC2C8208。其功耗較低，核電壓只有1.2 V，片上RAM有162 Kb，可以用于配置為RAM，ROM，FIFO等，時鐘利用50 MHz的有源晶體產生。

總控制單元負責接收數據采集單元的信號、兩種游戲模式的切換和控制指令的產生、VGA顯示控制、游戲初始化界面存儲等。

2 系統軟件實現

游戲主要實現的功能有：歡迎界面與游戲界面的切換以及VGA顯示；速度手套模式與鍵盤模式的切換；計分系統，包含分數的顯示、清零等；游戲的難度等級設置、游戲的開始界面設計、暫停、結束、重新開始等功能。軟件設計包括單片機、FPGA的程序設計以及兩者通信指令編碼準則設定三個方面。

2.1 單片機程序設計

單片機部分主要功能為通過采集加速度傳感器和按鍵的信號，根據兩個單元間的編碼準則產生相應的控制指令，通過串口上傳到顯示控制中心。程序設計流程圖如圖2所示。

2.2 FPGA程序設計

FPGA是游戲的主控制器，完成了游戲的大部分功能，頂層設計文件中主要包括輸入顯示類模塊、VGA核心模塊、存儲模塊三類模塊。其中輸入顯示類模塊主要有分頻模塊、PS/2接收模塊、串口接收模塊、指令處理模塊、數碼管顯示模塊；存儲模塊包括基于FPGA片上RAM的RAM和ROM模塊。頂層設計框圖如圖3所示。

2.2.1 輸入顯示類模塊

獨立按鍵用于模式的選擇、游戲難度的調節、由歡迎界面到游戲界面的切換；串口部分用于接收來自數據采集單元的控制指令，經過譯碼模塊后送入模式選擇模塊；PS/2模塊用于接收鍵盤信號輸入并產生指令送入模式選擇模塊[5]；數碼管用于顯示當前的游戲模式、難度等級和獲得分數。

顯示器采用的分辨率為640×480的，刷新頻率為60 Hz，根據VGA常見刷新頻率時序表可知，需要時鐘為25 MHz左右[6]，板子輸入時鐘為50 MHz，經過分頻模塊后可以提供25 MHz的時鐘。

2.2.2 存儲模塊

設計中，由于采用的是FPGA的片上RAM作為存儲介質，受到其162 Kb的約束，只能設計大小為256×256的單色界面。存儲的數據位寬為32位，共2 048個，地址線為11位。

游戲界面因為要不斷修改，故存放在基于FPGA片上RAM的RAM模塊中。其可同時有讀寫使能，因此可以同時讀寫，即使同時讀寫同一個地址也不會出錯，而且還可以設置成讀寫地址線各自獨立，不用考慮時分復用使用地址線的問題。這樣在實際代碼中就可以將RAM的讀和寫完全獨立考慮，分別由掃描輸出模塊和數據處理模塊完成，兩者互不干擾[7?8]。圖4是RAM的讀寫時序圖。

開始界面由于是固定的，放入ROM中，初始化ROM文件中的數據可通過Matlab處理得到。現在有一些字模軟件雖然可以讀取要顯示的圖片，但給出的數據格式并不能初始化ROM的，因此，利用Matlab編寫了一段圖片處理程序，可以讀取圖片，然后經過處理，生成一個可以直接復制到ROM初始化文件中的數組形式。這樣，使得圖片顯示操作簡單，圖片替換更容易。

2.2.3 VGA控制模塊

在游戲界面設計中，存在主要的難點：小方塊隨機間隔下落、難度等級設置等。

在游戲中，為了增加游戲的難度，在設計中，小方塊的降落為兩個，而且是有一定的間隔、在隨機位置下落。小方塊的動態顯示是通過不斷修改RAM中要顯示圖像的數據來實現的。游戲中方塊的長為32個像素（對應RAM中存儲的數據位寬，方便修改）[9]，則界面中有8條下落路線，小方塊的下落是從界面頂端開始的，也就意味著RAM中的數據修改是從前8位的某一位開始的，因此實現隨機下落只需要產生一個1～8范圍的隨機數。在設計中，通過設計了一個偽隨機數產生器，生成一個9以內的隨機數作為RAM修改數據的起始位[10]。

第二個小方塊的下落是通過設定一個標志位Num2，當第一個方塊下落到游戲界面的中間位置時，置位Num2，從而觸發了第二個小方塊的下落進程，第二個方塊開始下落。其中，兩個小方塊下落修改數據的操作都是在VGA掃描的消隱階段完成的，因此每進行一次幀掃描，小方塊下落1個像素。VGA刷新頻率為60 Hz，因此小方塊每秒會下落60個像素。

當游戲操作者漏接的方塊數據到達一定數目m，游戲結束。難度等級是通過設置被控制方塊左右移動靈敏度和漏接方塊數目m來實現的。靈敏度越高，m越小，游戲等級越高。圖5，圖6分別是實物中，初始化界面和游戲界面。

2.3 通信編碼準則

單片機從加速度傳感器獲得的數據中提取出y軸的加速度值，由此可以判斷出速度手套的此時的狀態。它送往串口的數據不是加速度值，而是編碼后的指令。具體的編碼譯碼原則設定如表1所示。

表1 串口通信編碼準則

表1中FPGA譯碼是FPGA的串口接收模塊獲得后，解碼之后送給VGA顯示模塊的指令。游戲中保持了傳統鍵盤的兼容性，具體實現是通過PS/2模塊根據鍵盤輸入信號產生與表格1中FPGA譯碼相同的指令，送給VGA顯示模塊，完成對游戲的控制。

3 結 語

本文設計了一款基于FGPA的體感游戲，通過利用人體的動作完成對游戲的操作，利用VGA顯示技術來到達更好的類似虛擬現實的效果，同時系統也保持了對傳統游戲鍵盤操作的兼容性。

游戲通過加入人體的互動，使得游戲者可以對游戲有一種身臨其境的感覺，增加游戲趣味性、交互性、構想性，同時也使得參與者身體得到運動與鍛煉。

游戲最后實現了常規游戲的基本功能，主要有歡迎界面與游戲界面的切換以及VGA顯示；速度手套模式與鍵盤模式的切換；計分系統，包含分數的顯示、清零等；游戲的難度等級設置、顯示以及游戲的結束；游戲的暫停、重新開始等功能等。最后在硬件平臺實現，表明游戲具有可玩性、趣味性，并能使游戲者獲得較好的游戲體驗。

參考文獻

[1] 薛凱.新型人機互動技術在游戲中的應用探索[J].寧夏師范學院學報，2011，32（6）：55?58.

[2] 董士海.人機交互的進展及面臨的挑戰[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2004（1）：1?12.

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[7] 段磊.基于FPGA的VGA顯示系統[J].世界電子元器件，2007， （9）：38?42.

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[9] 陳彬.基于FPGA的視頻圖像處理系統設計[D].重慶：重慶大學，2006.

[10] 潘松.EDA技術與VHDL[M].3版.北京：清華大學出版社，2009.

[11] 陳志生，陳景賢.基于FPGA的多分辨率VGA圖像控制器設計[J].現代電子技術，2008，31（13）：187?189.

[12] 吳子賢，孫昊，龐少龍.基于ADSP-BF533的VGA顯示控制器設計[J].電子科技，2013（9）：189?191.

游戲界面因為要不斷修改，故存放在基于FPGA片上RAM的RAM模塊中。其可同時有讀寫使能，因此可以同時讀寫，即使同時讀寫同一個地址也不會出錯，而且還可以設置成讀寫地址線各自獨立，不用考慮時分復用使用地址線的問題。這樣在實際代碼中就可以將RAM的讀和寫完全獨立考慮，分別由掃描輸出模塊和數據處理模塊完成，兩者互不干擾[7?8]。圖4是RAM的讀寫時序圖。

開始界面由于是固定的，放入ROM中，初始化ROM文件中的數據可通過Matlab處理得到。現在有一些字模軟件雖然可以讀取要顯示的圖片，但給出的數據格式并不能初始化ROM的，因此，利用Matlab編寫了一段圖片處理程序，可以讀取圖片，然后經過處理，生成一個可以直接復制到ROM初始化文件中的數組形式。這樣，使得圖片顯示操作簡單，圖片替換更容易。

2.2.3 VGA控制模塊

在游戲界面設計中，存在主要的難點：小方塊隨機間隔下落、難度等級設置等。

在游戲中，為了增加游戲的難度，在設計中，小方塊的降落為兩個，而且是有一定的間隔、在隨機位置下落。小方塊的動態顯示是通過不斷修改RAM中要顯示圖像的數據來實現的。游戲中方塊的長為32個像素（對應RAM中存儲的數據位寬，方便修改）[9]，則界面中有8條下落路線，小方塊的下落是從界面頂端開始的，也就意味著RAM中的數據修改是從前8位的某一位開始的，因此實現隨機下落只需要產生一個1～8范圍的隨機數。在設計中，通過設計了一個偽隨機數產生器，生成一個9以內的隨機數作為RAM修改數據的起始位[10]。

第二個小方塊的下落是通過設定一個標志位Num2，當第一個方塊下落到游戲界面的中間位置時，置位Num2，從而觸發了第二個小方塊的下落進程，第二個方塊開始下落。其中，兩個小方塊下落修改數據的操作都是在VGA掃描的消隱階段完成的，因此每進行一次幀掃描，小方塊下落1個像素。VGA刷新頻率為60 Hz，因此小方塊每秒會下落60個像素。

當游戲操作者漏接的方塊數據到達一定數目m，游戲結束。難度等級是通過設置被控制方塊左右移動靈敏度和漏接方塊數目m來實現的。靈敏度越高，m越小，游戲等級越高。圖5，圖6分別是實物中，初始化界面和游戲界面。

2.3 通信編碼準則

單片機從加速度傳感器獲得的數據中提取出y軸的加速度值，由此可以判斷出速度手套的此時的狀態。它送往串口的數據不是加速度值，而是編碼后的指令。具體的編碼譯碼原則設定如表1所示。

表1 串口通信編碼準則

表1中FPGA譯碼是FPGA的串口接收模塊獲得后，解碼之后送給VGA顯示模塊的指令。游戲中保持了傳統鍵盤的兼容性，具體實現是通過PS/2模塊根據鍵盤輸入信號產生與表格1中FPGA譯碼相同的指令，送給VGA顯示模塊，完成對游戲的控制。

3 結 語

本文設計了一款基于FGPA的體感游戲，通過利用人體的動作完成對游戲的操作，利用VGA顯示技術來到達更好的類似虛擬現實的效果，同時系統也保持了對傳統游戲鍵盤操作的兼容性。

游戲通過加入人體的互動，使得游戲者可以對游戲有一種身臨其境的感覺，增加游戲趣味性、交互性、構想性，同時也使得參與者身體得到運動與鍛煉。

游戲最后實現了常規游戲的基本功能，主要有歡迎界面與游戲界面的切換以及VGA顯示；速度手套模式與鍵盤模式的切換；計分系統，包含分數的顯示、清零等；游戲的難度等級設置、顯示以及游戲的結束；游戲的暫停、重新開始等功能等。最后在硬件平臺實現，表明游戲具有可玩性、趣味性，并能使游戲者獲得較好的游戲體驗。

參考文獻

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[12] 吳子賢，孫昊，龐少龍.基于ADSP-BF533的VGA顯示控制器設計[J].電子科技，2013（9）：189?191.

游戲界面因為要不斷修改，故存放在基于FPGA片上RAM的RAM模塊中。其可同時有讀寫使能，因此可以同時讀寫，即使同時讀寫同一個地址也不會出錯，而且還可以設置成讀寫地址線各自獨立，不用考慮時分復用使用地址線的問題。這樣在實際代碼中就可以將RAM的讀和寫完全獨立考慮，分別由掃描輸出模塊和數據處理模塊完成，兩者互不干擾[7?8]。圖4是RAM的讀寫時序圖。

開始界面由于是固定的，放入ROM中，初始化ROM文件中的數據可通過Matlab處理得到。現在有一些字模軟件雖然可以讀取要顯示的圖片，但給出的數據格式并不能初始化ROM的，因此，利用Matlab編寫了一段圖片處理程序，可以讀取圖片，然后經過處理，生成一個可以直接復制到ROM初始化文件中的數組形式。這樣，使得圖片顯示操作簡單，圖片替換更容易。

2.2.3 VGA控制模塊

在游戲界面設計中，存在主要的難點：小方塊隨機間隔下落、難度等級設置等。

在游戲中，為了增加游戲的難度，在設計中，小方塊的降落為兩個，而且是有一定的間隔、在隨機位置下落。小方塊的動態顯示是通過不斷修改RAM中要顯示圖像的數據來實現的。游戲中方塊的長為32個像素（對應RAM中存儲的數據位寬，方便修改）[9]，則界面中有8條下落路線，小方塊的下落是從界面頂端開始的，也就意味著RAM中的數據修改是從前8位的某一位開始的，因此實現隨機下落只需要產生一個1～8范圍的隨機數。在設計中，通過設計了一個偽隨機數產生器，生成一個9以內的隨機數作為RAM修改數據的起始位[10]。

第二個小方塊的下落是通過設定一個標志位Num2，當第一個方塊下落到游戲界面的中間位置時，置位Num2，從而觸發了第二個小方塊的下落進程，第二個方塊開始下落。其中，兩個小方塊下落修改數據的操作都是在VGA掃描的消隱階段完成的，因此每進行一次幀掃描，小方塊下落1個像素。VGA刷新頻率為60 Hz，因此小方塊每秒會下落60個像素。

當游戲操作者漏接的方塊數據到達一定數目m，游戲結束。難度等級是通過設置被控制方塊左右移動靈敏度和漏接方塊數目m來實現的。靈敏度越高，m越小，游戲等級越高。圖5，圖6分別是實物中，初始化界面和游戲界面。

2.3 通信編碼準則

單片機從加速度傳感器獲得的數據中提取出y軸的加速度值，由此可以判斷出速度手套的此時的狀態。它送往串口的數據不是加速度值，而是編碼后的指令。具體的編碼譯碼原則設定如表1所示。

表1 串口通信編碼準則

表1中FPGA譯碼是FPGA的串口接收模塊獲得后，解碼之后送給VGA顯示模塊的指令。游戲中保持了傳統鍵盤的兼容性，具體實現是通過PS/2模塊根據鍵盤輸入信號產生與表格1中FPGA譯碼相同的指令，送給VGA顯示模塊，完成對游戲的控制。

3 結 語

本文設計了一款基于FGPA的體感游戲，通過利用人體的動作完成對游戲的操作，利用VGA顯示技術來到達更好的類似虛擬現實的效果，同時系統也保持了對傳統游戲鍵盤操作的兼容性。

游戲通過加入人體的互動，使得游戲者可以對游戲有一種身臨其境的感覺，增加游戲趣味性、交互性、構想性，同時也使得參與者身體得到運動與鍛煉。

游戲最后實現了常規游戲的基本功能，主要有歡迎界面與游戲界面的切換以及VGA顯示；速度手套模式與鍵盤模式的切換；計分系統，包含分數的顯示、清零等；游戲的難度等級設置、顯示以及游戲的結束；游戲的暫停、重新開始等功能等。最后在硬件平臺實現，表明游戲具有可玩性、趣味性，并能使游戲者獲得較好的游戲體驗。

參考文獻

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