摘 要： 体感游戏是视觉与本体感觉和动作控制的集合，伴随着虚拟现实技术的迅猛发展，正逐步走入市场。为了达到视觉、运动相结合的目的，采用加速度传感器与VGA显示器相结合的方法，通过戴有速度手套的手的运动来完成对游戏界面中的滑块控制，接住随机下落的方块而获得分数。最后进行了板级测试，实现了开机界面、模式切换、难度调节、计分、游戏暂停与重新开始等功能。通过验证，游戏获得了较好的互动性、参与感与沉浸感。
关键词： 加速度传感器； FPGA； VGA； 体感游戏
中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）06?0047?04
0 引 言
计算机游戏领域已经到了一个同质化相当严重的时代。职称论文发表http://www.400qikan.com机械性的重复相同的动作致使玩家的兴趣越来越低。而现在游戏产业迎来了一个转折点，开始向交互性、置入感等方向发展。而良好的沉浸感要求游戏必须在互动性上有创新[1]。过去，游戏大部分是通过键盘与鼠标来完成控制的，但随着传感器技术、微机视觉的进步，使得利用自己的行动来对机器发出指令的愿望得以实现。这种人机互动模式以更为自然性、直观性的运动、语音等摸式代替电脑的键盘和鼠标等外设。
现在已经有了很多创新成果，如三维摄像机、传感器球拍、数据手套等。一些公司也推出了各种平台，如日本任天堂公司的Wii、微软的Kinect、华硕的Xtion等。这些设备一般较为昂贵，本文设计目的是低成本来完成人机交互，利用FPGA作为主控制器，借助现代家庭较为普及的电脑的显示器，实现体感游戏的设计，提高游戏的沉浸感与趣味性[2]，同时保持了对于键盘操作的兼容性。
1 系统设计方案
该系统主要由两个部分组成，分别是数据采集单元、显示控制单元。数据采集单元主要实现对运动控制信息的采集、数据的修正与处理、上传到显示控制单元等功能。显示控制单元主要实现游戏的开始、难度设定、模式切换、显示等功能。整体框图如图1所示。
1.1 数据采集单元
数据采集单元主要包括从控制器、加速度传感器、LED显示、按键、串口四个硬件部分。各部分的选择和功能如下：
从控制器选用STC89C51单片机，此系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰、低功耗、高性价比的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，并且有LQFP封装，使得速度手套可以做到小型化。
加速度传感器选用的是ADXL345。它是一款完整的3 轴加速度测量系统。既能测量运动或冲击导致的动态加速度，也能测量静止加速度，例如重力加速度，使得器件可作为倾斜传感器使用。本设计中利用了其测静止加速度的功能，得到倾斜角度，从而产生控制指令。
采集单元中用了两个LED灯，用于显示当前速度手套的输出状态：当左侧灯亮说明发出的控制信号为向左运动。两个按键输入用于游戏的控制信号暂停和分数清零的信号的产生。
采集单元利用串口将控制信号上传到显示控制单元。RS232是由电子工业协会（Electronic Industries Association，EIA） 所制定的异步传输标准接口[3]。在低通信速率下，直接连接的最大物理距离为15 m，可以使得人能远离屏幕来操作游戏，防止眼睛疲劳[4]。后期会考虑采用315模块来实现无线的操作。
1.2 显示控制单元
此单元是整个系统的核心，完成了游戏的大部分功能设计，主要包括主控制器、VGA接口、PS/2接口、独立按键、数码管、串口等硬件部分。
主控制器采用Altera于2004年推出的CycloneⅡ的FPGA， 型号为EPC2C8208。其功耗较低，核电压只有1.2 V，片上RAM有162 Kb，可以用于配置为RAM，ROM，FIFO等，时钟利用50 MHz的有源晶体产生。
总控制单元负责接收数据采集单元的信号、两种游戏模式的切换和控制指令的产生、VGA显示控制、游戏初始化界面存储等。
2 系统软件实现
游戏主要实现的功能有：欢迎界面与游戏界面的切换以及VGA显示；速度手套模式与键盘模式的切换；计分系统，包含分数的显示、清零等；游戏的难度等级设置、游戏的开始界面设计、暂停、结束、重新开始等功能。软件设计包括单片机、FPGA的程序设计以及两者通信指令编码准则设定三个方面。
2.1 单片机程序设计
单片机部分主要功能为通过采集加速度传感器和按键的信号，根据两个单元间的编码准则产生相应的控制指令，通过串口上传到显示控制中心。程序设计流程图如图2所示。
2.2 FPGA程序设计
FPGA是游戏的主控制器，完成了游戏的大部分功能，顶层设计文件中主要包括输入显示类模块、VGA核心模块、存储模块三类模块。其中输入显示类模块主要有分频模块、PS/2接收模块、串口接收模块、指令处理模块、数码管显示模块；存储模块包括基于FPGA片上RAM的RAM和ROM模块。顶层设计框图如图3所示。
2.2.1 输入显示类模块
独立按键用于模式的选择、游戏难度的调节、由欢迎界面到游戏界面的切换；串口部分用于接收来自数据采集单元的控制指令，经过译码模块后送入模式选择模块；PS/2模块用于接收键盘信号输入并产生指令送入模式选择模块[5]；数码管用于显示当前的游戏模式、难度等级和获得分数。
显示器采用的分辨率为640×480的，刷新频率为60 Hz，根据VGA常见刷新频率时序表可知，需要时钟为25 MHz左右[6]，板子输入时钟为50 MHz，经过分频模块后可以提供25 MHz的时钟。
2.2.2 存储模块
设计中，由于采用的是FPGA的片上RAM作为存储介质，受到其162 Kb的约束，只能设计大小为256×256的单色界面。存储的数据位宽为32位，共2 048个，地址线为11位。
