CN210131369U - 一种基于fpga的无线遥控系统装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型具体涉及一种基于FPGA的无线遥控系统装置。包括电源模块、游戏手柄、无线通讯模块、FPGA控制器、VGA显示器和音乐播放模块六个部分；电源模块为FPGA控制器、无线通讯模块和音乐播放模块提供工作电压；游戏手柄为人机交互的输入终端；无线通讯模块接收游戏手柄发出的无线控制信号，并将其转换为串口指令；FPGA控制器将串口指令进行采集和处理；VGA显示器实时显示游戏的游戏界面，实现人和游戏的直接互动；音乐播放模块实现游戏的音乐播放功能，通过游戏不同阶段播放相应的背景音乐，实现与游戏互动配合。本实用新型具有结构简单、安装方便、可靠性高和操作方便等优点，可广泛地应用于家庭和商场等场所。
Description
技术领域
本实用新型属于游戏技术领域，具体涉及一种基于FPGA的无线遥控系统装置。
背景技术
电子游戏产业的竞争在某种方面也代表了不同国家之间软实力的竞争，因此许多国家开始大力发展游戏产业。早在1972年，美国的雅达利公司研发出了一款名为PONG的游戏，并在市场上进行出售。其实，这款乒乓球用一种电脑程序操纵的小玩具，很简单的原理，就是用两道竖杠来表示球拍，乒乓球就是用一个简单的小光点来代替，玩家可以操纵游戏机来控制乒乓球做出一些动作，比如反弹的动作就是这样来实现的。电子游戏机的起源就是从这里开始的。从那以后，电子游戏产业就开始了自己的发展道路，并在这条道路上取得了辉煌的成绩。到1983年，FCC(Family Computer)游戏机由日本的任天堂公司推出，在当时的80年代这款游戏机风靡了整个中国大陆。日本游戏产业的发展就是从这款游戏机开始的，这款游戏机也为游戏行业做出了卓越的贡献，从那以后，日本的游戏公司“任天堂”就成为了游戏行业的品牌和代名词，而这也成为了世界游戏行业的一个重大的里程碑。在1994年，索尼公司研发并推出了基于32位CD家庭电视游戏机系统，当时取名为索尼PS游戏机。从2005年到2006年，任天堂Wii、索尼PS3和微软XBOX360等游戏手柄也开始出现在人们的生活中，并在全世界的游戏玩家中风靡至今。在中国，相对于其他发达国家来说，游戏行业相对起步较晚。随着最近几年国家政策的引导下，游戏机在游戏行业也快速蓬勃的发展起来。近些年来，在技术的快速发展之下，国内的一些游戏企业，比如创维、华硕以及爱国者等其他的一些知名企业也纷纷研发出自己的游戏产品，并推广到市场上。
近年来游戏对硬件平台的要求已经越来越高，需要内存更大、速度更快和功能更多的硬件支持。但是硬件的升级始终没能避免被破解盗版的命运。例如：日本索尼的PSP系列、日本任天堂最新推出的Wii，还有美国微软的Xbox，它们均遭遇过被破解的经历。为适应游戏玩家的消费需求，这些国外的游戏硬件制造公司在国内纷纷推出自己的游戏产品。FPGA功能强大，具有高集成、高速度、低功耗、体积小等特点的主控芯片成为了越来越多游戏控制器生产厂商对的选择。随着游戏机平台技术升级的需要，对于游戏硬件防破解的需求越发迫切。如果采用带有加密功能的FPGA芯片实现游戏机平台，可以有效防止黑客对游戏控制台的破解。常规的防破解措施：一方面从系统的配置源头控制，由于常用的SRAM架构FPGA配置数据通常来自外部的非易失存储器，改用芯片内部配置的基于FLASH架构的FPGA；另一方面采用具备内置128位AES加密引擎的FPGA，这样可以提高数据的保密性能，进一步有效解决游戏硬件遭到破解的问题。本发明主要提出了一种可以无线遥控的FPGA游戏平台装置。
发明内容
本实用新型的目的在于针对上述现有技术的不足而提供一种基于FPGA的无线遥控系统装置。本实用新型具有结构简单，安装方便，可靠性高，操作方便等优点，不仅可以实现普通游戏的功能，同时，在常规功能基础上又增加的无线遥控的功能，可以实现不同距离的游戏操作。
为了达到上述目的，本实用新型提供的一种基于FPGA的无线遥控系统装置，包括电源模块、游戏手柄、无线通讯模块、FPGA控制器、VGA显示器和音乐播放模块六个部分。其中，电源模块为FPGA控制器、无线通讯模块和音乐播放模块提供工作电压。游戏手柄为人机交互的输入终端，其通过上、下、左、右四个方向按键完成游戏的方向控制功能，同时通过其它按键实现游戏的游戏开始、游戏退出、音乐播放和音乐停止功能。无线通讯模块接收游戏手柄发出的无线控制信号，并将其转换为串口指令。FPGA控制器通过其串口接受无线通讯模块发出的串口指令进行采集和处理，并对图像信息进行保存和输出。VGA显示器实时显示游戏的游戏界面，实现人和游戏的直接互动。音乐播放模块实现游戏的音乐播放功能，通过游戏不同阶段播放相应的背景音乐，实现与游戏互动配合。
优选地，电源模块采用TPS75003三路电源管理芯片，该芯片将外部输入的5V直流电压分别转换为1.2V、2.5V和3.3V电压分别为FPGA控制器、无线通讯模块和音乐播放模块提供工作电压。
游戏手柄采用nRF2401单片射频收发芯片实现无线信号发送功能，该芯片工作在2.4～2.5GHz ISM频段，内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调节器；游戏手柄由内嵌的两块5V电池供电；该芯片功耗低，以-5dBm的功率发射时，工作电流只有10.5mA，接收时工作电流只有18mA。
无线通讯模块采用nRF2401单片射频收发芯片实现无线控制信号接收，同时将无线控制信号转换为串口指令。
FPGA控制器采用基于XC3S500E(Spartan-3e)芯片的FPGA实验板，该实验板提供232个用户I/O口、64个宏单元的XC2C64A CoolRunner CPLD、64MByte(512Mbit)of DDRSDRAM、4Mbit的Flash配置PROM、16MByte(128Mbit)of并行NOR Flash、PS/2鼠标或键盘接口、VGA显示接口、2个RS-232端口。
VGA显示器采用平板LCD，通过标准的监视电缆连接到FPGA控制器VGA显示接口和LCD上，平板LCD显示图像有5个时序信号，其中3个颜色信号分别是VGA_RED、VGA_BLUE、VGA_GREEN，以及水平同步时序信号VGA_HSYNC和垂直同步时序信号VGA_VSYNC。
音乐播放模块由一个无源蜂鸣器实现，蜂鸣器的正极接到VCC(+5V)电源上面，蜂鸣器的负极接到三极管的发射极E，三极管的基级B经过限流电阻后由FPGA控制器的引脚控制，当IO口输出高电平时，三极管截止，没有电流流过线圈，蜂鸣器不发声；当输出低电平时，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。
本实用新型与现有技术相比具有如下优点和有益效果：
本实用新型具有结构简单，安装方便，可靠性高，操作方便等优点，不仅可以实现普通游戏的功能，同时，在常规功能基础上又增加的无线遥控的功能，可以实现不同距离的游戏操作。
本实用新型利用无线游戏手柄，大大提高了游戏的娱乐和操控性能；采用FPGA开发设计，所有算法完全由硬件电路来实现，使得系统的工作可靠性大为提高。
本实用新型可快速实现不同难度的游戏，游戏的难度、功能都可以通过软件调整和设置；由于FPGA具有在系统可编程功能，当游戏功能需要更改时，只需更改FPGA中的控制和接口电路，利用EDA工具将更新后的设计下载到FPGA中即可，无需更改外部电路的设计，大大提高了设计的效率。
附图说明
图1为本实用新型装置的结构示意图。
图2为本实用新型装置的所实现的游戏软件实现流程图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本实用新型进行进一步的详细说明。
参见图1，本实用新型提供的一种基于FPGA的无线遥控系统装置，包括电源模块1、游戏手柄2、无线通讯模块3、FPGA控制器4、VGA显示器5和音乐播放模块6六个部分。其中，电源模块1为FPGA控制器、无线通讯模块和音乐播放模块提供工作电压。游戏手柄2为人机交互的输入终端，其通过上、下、左、右四个方向按键完成游戏的方向控制功能，同时通过其它按键实现游戏的游戏开始、游戏退出、音乐播放和音乐停止功能。无线通讯模块3接收游戏手柄2发出的无线控制信号，并将其转换为串口指令。FPGA控制器4通过其串口接受无线通讯模块3发出的串口指令进行采集和处理，并对图像信息进行保存和输出。VGA显示器5实时显示游戏的游戏界面，实现人和游戏的直接互动。音乐播放模块6实现游戏的音乐播放功能，通过游戏不同阶段播放相应的背景音乐，实现与游戏互动配合。
电源模块1采用TPS75003三路电源管理芯片，该芯片将外部输入的5V直流电压分别转换为1.2V、2.5V和3.3V电压分别为FPGA控制器、无线通讯模块和音乐播放模块提供工作电压。
游戏手柄2采用nRF2401单片射频收发芯片实现无线信号发送功能，该芯片工作在2.4～2.5GHz ISM频段，内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调节器；游戏手柄由内嵌的两块5V电池供电；该芯片功耗低，以-5dBm的功率发射时，工作电流只有10.5mA，接收时工作电流只有18mA。
无线通讯模块3采用nRF2401单片射频收发芯片实现无线控制信号接收，同时将无线控制信号转换为串口指令。
FPGA控制器4采用基于XC3S500E(Spartan-3e)芯片的FPGA实验板，该实验板提供232个用户I/O口、64个宏单元的XC2C64A CoolRunner CPLD、64MByte(512Mbit)of DDRSDRAM、4Mbit的Flash配置PROM、16MByte(128Mbit)of并行NOR Flash、PS/2鼠标或键盘接口、VGA显示接口、2个RS-232端口。
VGA显示器5采用平板LCD，通过标准的监视电缆连接到FPGA控制器VGA显示接口和LCD上，平板LCD显示图像有5个时序信号，其中3个颜色信号分别是VGA_RED、VGA_BLUE、VGA_GREEN，以及水平同步时序信号VGA_HSYNC和垂直同步时序信号VGA_VSYNC。
音乐播放模块6由一个无源蜂鸣器实现，蜂鸣器的正极接到VCC(+5V)电源上面，蜂鸣器的负极接到三极管的发射极E，三极管的基级B经过限流电阻后由FPGA控制器的引脚控制，当IO口输出高电平时，三极管截止，没有电流流过线圈，蜂鸣器不发声；当输出低电平时，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。
整个系统装置的工作过程：由游戏手柄2发出无线控制信号，通过无线通讯模块3接受控制信号并转化为串口指令。FPGA控制器4通过其串口接受到无线通讯模块3发出的串口指令后根据游戏逻辑改变图像信号，将改变后的图像信号通过VGA接口发送到VGA显示器5显示改变的图像，同时根据游戏逻辑生成对应场景的声音信号，并通过I/O接口将信号发送到音乐播放模块6进行音乐播放。
使用本实用新型提出的游戏平台系统可以实现多数常见的游戏。图2为本实用新型所实现的贪吃蛇游戏流程框图，实现的游戏功能为：系统开机后，经过游戏初始化，自动进出贪吃蛇游戏画面，蜂鸣器自动播放背景音乐，用户通过游戏手柄的四个方向按键，控制贪吃蛇的移动方向。若顺利吃掉食物，则贪吃蛇的身体长度加一，累计吃够三个食物后进入下一关卡，即贪吃蛇的移动速度变快，在三个关卡后最终通关，屏幕显示“YOU WON！”。如果中间有以下两种情况：贪吃蛇撞到边界或贪吃蛇的头部撞到自己的身体，则游戏结束，屏幕显示“GAME OVER”，蜂鸣器响起相应音效。该游戏系统模仿经典像素游戏贪吃蛇及其规则，可以使用无线游戏手柄进行游戏控制，VGA显示器进行画面显示，蜂鸣器作为音频输出，实现完整的游戏功能。
本实用采用无线游戏手柄，大大提高了游戏的娱乐和操控性能；采用FPGA开发设计，所有算法完全由硬件电路来实现，使得系统的工作可靠性大为提高。本实用新型可以快速实现不同难度的游戏，游戏的难度、功能可以通过软件调整和设置。由于FPGA具有在系统可编程功能，当游戏功能需要更改时，只需更改FPGA中的控制和接口电路，利用EDA工具将更新后的设计下载到FPGA中即可，无需更改外部电路的设计，大大提高了设计的效率。本实用新型装置结构简单，安装方便，可靠性高，操作方便等优点，不仅可以实现普通游戏的功能，同时，在常规功能基础上又增加的无线遥控的功能，可以实现不同距离的游戏操作。该装置适用于在家庭和商场等场所。
本实用新型采用的电子元器件均为已知产品，本领域技术人员根据本实用新型的技术方案即可知电子元器件的具体连接方式。
Claims (7)
1.一种基于FPGA的无线遥控系统装置，其特征在于，该装置包括电源模块、游戏手柄、无线通讯模块、FPGA控制器、VGA显示器和音乐播放模块六个部分；其中，电源模块为FPGA控制器、无线通讯模块和音乐播放模块提供工作电压；游戏手柄为人机交互的输入终端，其通过上、下、左、右四个方向按键完成游戏的方向控制功能，同时通过其它按键实现游戏的游戏开始、游戏退出、音乐播放和音乐停止功能；无线通讯模块接收游戏手柄发出的无线控制信号，并将其转换为串口指令；FPGA控制器通过其串口接受无线通讯模块发出的串口指令进行采集和处理，并对图像信息进行保存和输出；VGA显示器实时显示游戏的游戏界面，实现人和游戏的直接互动；音乐播放模块实现游戏的音乐播放功能，通过游戏不同阶段播放相应的背景音乐，实现与游戏互动配合。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的无线遥控系统装置，其特征在于，所述的电源模块采用TPS75003三路电源管理芯片，该芯片将外部输入的5V直流电压分别转换为1.2V、2.5V和3.3V电压分别为FPGA控制器、无线通讯模块和音乐播放模块提供工作电压。
3.根据权利要求1或2所述的基于FPGA的无线遥控系统装置，其特征在于，所述的游戏手柄采用nRF2401单片射频收发芯片实现无线信号发送功能，该芯片工作在2.4～2.5GHzISM频段，内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调节器；游戏手柄由内嵌的两块5V电池供电。
4.根据权利要求1或2所述的基于FPGA的无线遥控系统装置，其特征在于，所述的无线通讯模块采用nRF2401单片射频收发芯片实现无线控制信号接收，同时将无线控制信号转换为串口指令。
5.根据权利要求1或2所述的基于FPGA的无线遥控系统装置，其特征在于，所述的FPGA控制器采用基于XC3S500E Spartan-3e芯片的FPGA实验板，该实验板提供232个用户I/O口、64个宏单元的XC2C64A CoolRunner CPLD、64MByte 512Mbit of DDR SDRAM、4Mbit的Flash配置PROM、16MByte 128Mbit of并行NOR Flash、PS/2鼠标或键盘接口、VGA显示接口、2个RS－232端口。
6.根据权利要求1所述的基于FPGA的无线遥控系统装置，其特征在于，所述的VGA显示器采用平板LCD，通过标准的监视电缆连接到FPGA控制器VGA显示接口和LCD上，平板LCD显示图像有5个时序信号，其中3个颜色信号分别是VGA_RED、VGA_BLUE、VGA_GREEN，以及水平同步时序信号VGA_HSYNC和垂直同步时序信号VGA_VSYNC。
7.根据权利要求1所述的基于FPGA的无线遥控系统装置，其特征在于，所述的音乐播放模块由一个无源蜂鸣器实现，蜂鸣器的正极接到VCC+5V电源上面，蜂鸣器的负极接到三极管的发射极E，三极管的基级B经过限流电阻后由FPGA控制器的引脚控制，当IO口输出高电平时，三极管截止，没有电流流过线圈，蜂鸣器不发声；当输出低电平时，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。
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