低成本人机交互设计：基于FPGA的体感游戏

计算机游戏领域已经到了一个同质化相当严重的时代。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。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，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。

图1 系统整体框图

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。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。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。

图2 单片机程序流程图

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。

图3 FPGA顶层设计框图

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;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，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。

游戏界面因为要不断修改，故存放在基于FPGA片上RAM的RAM模块中。其可同时有读写使能，因此可以同时读写，即使同时读写同一个地址也不会出错，而且还可以设置成读写地址线各自独立，不用考虑时分复用使用地址线的问题。这样在实际代码中就可以将RAM的读和写完全独立考虑，分别由扫描输出模块和数据处理模块完成，两者互不干扰。图4是RAM的读写时序图。

图4 配置RAM中读写数据时序图

开始界面由于是固定的，放入ROM 中，初始化ROM文件中的数据可通过Matlab处理得到。现在有一些字模软件虽然可以读取要显示的图片，但给出的数据格式并不能初始化ROM的，因此，利用Matlab编写了一段图片处理程序，可以读取图片，然后经过处理，生成一个可以直接复制到ROM初始化文件中的数组形式。这样，使得图片显示操作简单，图片替换更容易。

2.2.3 VGA控制模块

在游戏界面设计中，存在主要的难点：小方块随机间隔下落、难度等级设置等。

在游戏中，为了增加游戏的难度，在设计中，小方块的降落为两个，而且是有一定的间隔、在随机位置下落。小方块的动态显示是通过不断修改RAM中要显示图像的数据来实现的。游戏中方块的长为32 个像素(对应RAM中存储的数据位宽，方便修改)，则界面中有8条下落路线，小方块的下落是从界面顶端开始的，也就意味着RAM中的数据修改是从前8位的某一位开始的，因此实现随机下落只需要产生一个1~8范围的随机数。在设计中，通过设计了一个伪随机数产生器，生成一个9以内的随机数作为RAM修改数据的起始位。

第二个小方块的下落是通过设定一个标志位Num2，当第一个方块下落到游戏界面的中间位置时，置位Num2，从而触发了第二个小方块的下落进程，第二个方块开始下落。其中，两个小方块下落修改数据的操作都是在VGA扫描的消隐阶段完成的，因此每进行一次帧扫描，小方块下落1个像素。VGA刷新频率为60 Hz，因此小方块每秒会下落60个像素。

当游戏操作者漏接的方块数据到达一定数目m，游戏结束。难度等级是通过设置被控制方块左右移动灵敏度和漏接方块数目m 来实现的。灵敏度越高，m 越小，游戏等级越高。

2.3 通信编码准则

单片机从加速度传感器获得的数据中提取出y 轴的加速度值，由此可以判断出速度手套的此时的状态。它送往串口的数据不是加速度值，而是编码后的指令。具体的编码译码原则设定如表1所示。

表1 串口通信编码准则

表1 中FPGA 译码是FPGA 的串口接收模块获得后，解码之后送给VGA显示模块的指令。游戏中保持了传统键盘的兼容性，具体实现是通过PS/2模块根据键盘输入信号产生与表格1中FPGA译码相同的指令，送给VGA显示模块，完成对游戏的控制。

3 结语

本文设计了一款基于FGPA的体感游戏，通过利用人体的动作完成对游戏的操作，利用VGA显示技术来到达更好的类似虚拟现实的效果，同时系统也保持了对传统游戏键盘操作的兼容性。

游戏通过加入人体的互动，使得游戏者可以对游戏有一种身临其境的感觉，增加游戏趣味性、交互性、构想性，同时也使得参与者身体得到运动与锻炼。

游戏最后实现了常规游戏的基本功能，主要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、显示以及游戏的结束;游戏的暂停、重新开始等功能等。最后在硬件平台实现，表明游戏具有可玩性、趣味性，并能使游戏者获得较好的游戏体验。