基于ARM9嵌入式教学的打地鼠游戏设计.docx

龙源期刊网 基于 ARM9 嵌入式教学的打地鼠游戏设计作者：赵志欣 赵震 罗登月 洪升来源：现代电子技术2018 年第 20 期摘 要： 针对高校嵌入式课程的本科教学，设计并开发一款基于ARM9 的打地鼠游戏，并具体介绍此游戏的设计实现过程。通过整个过程让读者了解掌握基于ARM9 嵌入式系统的一般游戏的设计流程及硬件环境。实验平台以ARM9 微处理器 S3C2410A 硬件平台为控制核心，并扩展 LCD 触摸屏模块，利用 ADS 开发工具对其开发并调试。通过设计实践，提出一种创新型的教学方式，可以激发读者学习的兴趣，培养创新思维。关键词： ARM9； 打地鼠游戏； ADS 开发工具； S3C2410A； LCD； 嵌入式教学中图分类号： TN99 34； TP311 文献标识码： A 文章编号： 1004 373X（2018）20 0122 05Abstract： A whac a mole game based on the ARM9 is designed and developed forundergraduate teaching of embedded courses in colleges and universities. The design implementationprocess of the game is introduced detailly so that readers can learn and understand the design processand hardware environment of general games based on the ARM9 embedded system. In theexperimental platform， the ARM9 microprocessor S3C2410A is taken as the control core of thehardware platform， and the LCD touch screen module is extended， which is developed anddebugged by using the ADS development tool. An innovative teaching method is proposed by meansof the design practice， which can stimulate readers learning interest and cultivate their innovativethinking.Keywords： ARM9； whac a mole game； ADS development tool； S3C2410A； LCD；embedded teaching随着嵌入式系统在消费电子领域的发展，消费者对嵌入式系统的游戏娱乐功能也越来越关注。对于嵌入式系统而言，在硬件方面，ARM 微处理器体系结构被认为是较成熟的 32 位嵌入式 RISC 微处理器结构1，市场占有率较高。ADS2是 ARM 公司的集成开发软件；ADS 的编译器调试器较 SDT 都有了非常大的改观，ADS 1.2 提供完整的 Windows 界面開发环境。C 编译器效率极高，支持 C 以及 C+3，使工程师可以很方便地使用 C 语言进行开发；提供软件模拟仿真功能，使没有 Emulators 的学习者也能够熟悉 ARM 的指令系统。配合 FFT ICE 使用，ADS 1.2 提供强大的实时调试跟踪功能，片内运行情况尽在掌握。但ADS 1.2 需要硬件支持才能发挥强大功能，目前支持的硬件调试器有Multi ICE 以及兼容 Multi ICE 的调试工具，如 FFT ICE。 龙源期刊网 打地鼠游戏是一款实用性小游戏，娱乐性很强，现在网络上也出现了许多关于打地鼠游戏的设计4 5。本文在 ARM9 微处理器 S3C2410A 开发板和 ADS 开发工具下设计并实现了打地鼠游戏。打地鼠游戏整体由开始说明部分、游戏主部分、游戏进阶部分组成。首先运行进入游戏的开始说明部分来介绍游戏的规则；接着进入游戏的主要部分，在游戏的主要部分界面上随机出现 2 只动物（动物的种类为老鼠、野兔或者青蛙），其中打中1 次老鼠得 1 分，打中 1 次野兔得 2 分，打中 1 次青蛙减 1 分；游戏主界面循环出现 15 次动物后进入游戏的进阶部分界面来选择是否提升难度，玩家可以自主选择提升游戏难度、降低难度或者等待。整个游戏设计的流程图如图 1 所示。 龙源期刊网 图 1 中：游戏开始动画中的游戏说明部分向用户介绍游戏的玩法和注意事项；游戏的核心部分是游戏功能实现，程序的具体操作在此部分实现；游戏进阶部分是给玩家选择下一轮游戏的难度，同时还会有等待时间给玩家休息。 龙源期刊网 打地鼠游戏设计需要使用到控制芯片的内部定时器6；可以提供控制外部的 LCD 触摸屏蜂鸣器的端口及驱动；并且需要极高的工作频率等条件。S3C2410A 处理器集成了常用的接口，提供了丰富的内部设备，包含 8 通道 10 位 ADC 和触摸屏接口以及内部 PLL 倍频器，其时钟频率可以通过内部倍频最高达到 266 MHz。同时内部拥有 5 个独立的定时器并且提供 1 通道 LCD 专用 DMA 与触摸屏所需要的两路 ADC 通道，保障了系统的二次开发。因此使用S3C2410A 处理器7 8满足游戏设计的条件，同时还需要 LCD 及触摸屏、串行接口及蜂鸣器。嵌入式设备处理速度快，而且采用高速闪存进行存储，因此系统的整体处理速度得到保障。硬件结构如图 2 所示。2.1 S3C2410 最小系统设计最小系统是保证一款芯片正常工作的最简外围硬件电路，包括电源电路、晶振电路与复位电路。为了便于芯片程序下载，通常将 FLASH 擦写电路也设计到最小系统之中，本设计中擦写接口为 JTAG 电路9。2.1.1 电源电路S3C2410A 最小系统工作电压为 3.3 V，由于 LM117 具有短路保护功能的扩展及温度可调节线性稳压器，因此最小系统由外接的 USB 接口的 5 V 电源通过 LM117 3.3 芯片转化为 3.3V（见图 3）。电源电路中增加了滤波电容，使芯片工作更加稳定。2.1.2 复位电路S3C2410A 为低电平复位，因此电路连接如图 4 所示，电源通过开关、下拉电阻接地组成复位电路，当开关按下时，输入信号为低电平。2.1.3 JTAG 电路JTAG（Joint Test Action Group）接口用于实现程序的下载与调试，包含4 根控制数据线，分别为 TMS（模式选择），TCK（时钟），TDO（数据输出），TDI（数据输入），4 个引脚依次连接芯片如图 5 所示。2.2 S3C2410A与蜂鸣器接口电路 龙源期刊网 龙源期刊网 S3C2410A 处理器通过控制 PNP 三极管的导通与关断来使蜂鸣器发声，通过导通关断的时间不同来产生不同的音调，用来指示不同的情况，例如得分鸣高音减分鸣低音等。其电路图如图 6 所示。2.3 S3C2410 与 LCD 触摸屏接口电路2.3.1 S3C2410 与 LCD 液晶屏的连接本节设计采用 LCD 触摸屏来人机交互，选用的显示模块是夏普液晶模组LQ080V3DG01（TFT LCD 模块）。LQ080V3DG01由彩色 TFT LCD 面板、驱动电路、控制电路、供电电路及背光单元组成。支持最大分辨率为 640×480 的图形和文字显示，数据输入格式为 18 bit，绿色、红色及蓝色均为 6 bit，提供的颜色共有 26 万多种。其电路图如图 7 所示。2.3.2 S3C2410 与触摸屏的连接触摸屏采用四线式电阻式屏，S3C2410A 的 AIN7和 AIN5用于连接触摸屏的模拟信号输入。触摸屏接口电路一般由触摸屏、4 个外部晶体管和一个外部电压源组成，如图8 所示。触摸屏接口的控制和选择信号（nYPON，YMON，nXPON 和 XMON） 连接切换 X 坐标和 Y 坐标转换的外部晶体管。模拟输入引脚（AIN7，AIN5）则连接到触摸屏引脚。触摸屏控制接口包括一个外部晶体管控制逻辑和具有中断产生逻辑的ADC 接口逻辑。2.4 系统软件设计打地鼠游戏设计的软件部分10主要由同时在不同地点出现多只动物，出现不同种类的动物，判断是否击打中及提升击打难度等模块组成。2.5 程序主流程图打地鼠游戏设计的主程序工作流程如图9 所示。步骤 1：定义一些全局变量。数组 a2，b2随机选择动物出现的位置；pic 用于区分当前所展示的不同界面，以及在触摸中断中判断当前的触摸位置是什么功能；Num 用于记录动物出现的次数，满 15 次一轮；c 用于判断此时应该出现几只动物；d2用于判断此时刻出现哪一只动物。步骤 2：LCD 及触摸屏 ADC 等驱动初始化。步骤 3：显示开机界面，等待触摸中断使标志位 Flag 置 0，跳出 While 死循环。 龙源期刊网 步骤 4：跳出 While 循环后配置定时器后进入 While 死循环，等待定时器及触摸屏判断Num 来确定当前状态。2.6 程序的定时器中断流程图打地鼠游戏设计的定时器中断的工作流程如图10 所示。定时器的计数器减到零时，触发进入定时器中断。首先在定时器中断中判断Num 的大小，当出现动物的次数等于 15 次时进入界面 3，判断选择是否提升难度或者继续当前难度（通过触摸中断来选择）；当选择完后在触摸中断中将Num 置为 17，然后跳转到界面 2 的同时将 Num 置 0，开始新的一轮记录动物次数；c 通过获取 2 以内的随机数来选择当前要出现动物的数量，a，b通过获取 3 以内的随机数来确定在哪个位置显示，d通过或者 3 以内的随机数来选择要显示的动物种类，接着用 for 循环来在确定的位置画出 d选择的动物。总的来说，定时器的主要功能是通过获取随机数函数rand（）来选择动物种类地方等；接着在触摸中断中通过判断触摸点的坐标与d，a，b的大小比较来确定是否击中，这部分是本游戏设计的核心。2.7 程序的触摸屏中断流程图打地鼠游戏设计的触摸屏中断的工作流程如图11 所示。当游戏启动后停留在开始说明界面，首先判断Pic 的值，然后判断操作者触摸位置与开始界面的“开始新游戏”按钮位置的坐标是否匹配，如果匹配则清除标志位Flag 同时蜂鸣器鸣笛，接着配置定时器 0 进入界面 2（游戏主界面），同时 Pic 置为 2。进入界面 2（游戏主界面）后，定时器会根据设定的时间定时地刷新屏幕随机出现动物。操作者触摸屏幕，将触摸位置的坐标与 a，b，d相比较，如果 d等于 0 则打中老鼠，则记录分数增加 1 分；如果 d等于 1，则打中野兔，记录分数增加 2 分；如果 d等于 2，則打中青蛙，记录分数减 1 分；蜂鸣器分别根据频率不同发出不同的音量。击中后将a，b的值置4 来防止一只动物被点击多次，记录多次分数。当动物出现的次数达到 15 次即 Num 的值为 16，Pic 的值为 3，进入界面 3（进阶界面）后，触摸位置的坐标与界面 3 上的“提升难度”按钮和“再次挑战”按钮相比较来判断是否减少定时器的每次计时时间；接着通过配置定时器的寄存器来改变计时时间，同时将Num 置为 17，等到下次进入定时器后会将界面切换至界面2 重新开始游戏；如果无触摸则在界面 3（进阶界面）长时间等待。游戏设计通过编译器调试无误之后，将其下载至S3C2410A 处理器上，其部分效果图如图12图 14 所示。 龙源期刊网 图 12 为开始游戏界面。通过触摸屏为用户提供了人机交互界面，介绍了游戏规则并且让用户选择此时是否开始游戏或者退出游戏。图 13 为游戏中运行界面。通过触摸屏为用户提供了人机交互界面，用户通过击打动物所在的位置来完成游戏、获取分数。图 13a）是青蛙与兔子在一个界面上可以分别击打；图13b）与图 13d）是青蛙与地鼠同框且图 13d）是地鼠在时间周期到或者被击打消退的过程；图13c）是两只地鼠同框；图 14 为游戏结束进阶界面。通过触摸屏为用户提供了人机交互界面，用户选择“提升难度”来增快动物出现的频率或者“再次挑战”来降低游戏难度。本文基于 ARM9 嵌入式微控制器进行游戏设计，能够在游戏运行过程中进行游戏难度修改，并且能够通过多组随机函数产生多个击中后有不同效果的目标。由此增加游戏乐趣同时增加了游戏难度的可选择。以后的设计中可以在美化界面、多人机对战、分数排行榜等方面加以改善。本游戏可以为开发者提供指引，使开发者能够系统地制作，在程序设计过程当中熟练程度不断得到提升，具有借鉴与教学参考意义。参考文献1 徐英慧，马忠梅，王磊，等.ARM9 嵌入式系统设计：基于 S3C2410 与 LinuxM.北京：北京航空航天大学出版社，2007.XU Yinghui， MA Zhongmei， WANG Lei， et al. ARM9 embedded system design based onS3C2410 and Linux M. Beijing： Beihang University Press， 2007.2 李哲英，骆丽，刘元盛.ARM 核嵌入式系统的开发平台 ADSJ.半导体技术，2002，27（2）：13 16.LI Zheying， LUO Li， LIU Yuansheng. The development platform ADS based on ARM coreembedded system J. Semiconductor technology， 2002， 27（2）： 13 16.3 BARR M. C/C+嵌入式系统编程M.北京：中国电力出版社，2001.BARR M. C/C+ programming for embedded systems M. Beijing： China Electric PowerPress， 2001.4 李倩.基于 PLD 的打地鼠游戏的设计与实现J.中国现代教育装备，2015（7）：121 123.LI Qian. Design and implementation of whac a mole game based on PLD J. China moderneducational equipment， 2015（7）： 121 123. 龙源期刊网 5 毋玉芝，段向东.基于 Authorware 的打地鼠游戏设计J.科技信息，2008（4）：79.WU Yuzhi， DUAN Xiangdong. Design of whac a mole game based on Authorware J.Science & technology information， 2008（4）： 79.6 吴明晖.基于 ARM 的嵌入式系统开发与应用M.北京：人民邮电出版社，2004.WU Minghui. Development and application of embedded systems based on ARM M. Beijing：Posts & Telecom Press， 2004.7 马义德，汤书森，张北斗，等.嵌入式系统课程群建设与创新型人才培养J.高等理科教育，2008（2）：23 25.MA Yide， TANG Shusen， ZHANG Beidou， et al. Embedded system course groupconstruction and innovative talent cultivation J. Higher education of sciences， 2008（2）：23 25.8 俸皓.嵌入式系统教学体系改革的讨论J.科技信息，2007（30）：157.FENG Hao. Discussion on teaching system reform of embedded system J. Science &technology information， 2007（30）： 157.（上接第 126 頁）9 杨雪，罗贤全，马俊涛.基于嵌入式 Linux 的测试系统软件实现研究J.现代电子技术，2008，31（6）：117 119.YANG Xue， LUO Xianquan， MA Juntao. Research on realization of test system softwarebased on embedded Linux J. Modern electronics technique， 2008， 31（6）： 117 119.10 张舸，林世勇.基于嵌入式系统的游戏程序设计J.现代电子技术，2009，32（6）：86 90.ZHANG Ge， LIN Shiyong. Gobang design based on embedded system J. Modern electronicstechnique， 2009， 32（6）： 86 90.11 熊光泽，古幼鹏，桑楠.嵌入式应用软件设计方法学研究综述J.计算机应用，2004，24（4）：1 4.XIONG Guangze， GU Youpeng， SANG Nan. Overviews on design methodologies forembedded software J. Journal of computer applications， 2004， 24（4）： 1 4. 龙源期刊网