余超劍 楊明 萬友銘

摘 要： 設(shè)計(jì)了一款基于MicroBlaze嵌入式平臺(tái)，利用無線藍(lán)牙通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)Android智能手機(jī)控制的五子棋對(duì)戰(zhàn)游戲系統(tǒng)，該系統(tǒng)由XC7A100T-1CSG324C芯片、HC-5藍(lán)牙模塊以及顯示器組成。結(jié)果表明：該系統(tǒng)操作方便和可靠性強(qiáng)，具有一定的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： MicroBlaze嵌入式平臺(tái)； 藍(lán)牙； Android； 五子棋

中圖分類號(hào)： TN 929.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1671-2153（2016）03-0086-04

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)和游戲產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和智能手機(jī)的不斷普及，目前工業(yè)和民用的很多串口設(shè)備連接上了手機(jī)，以便通過智能手機(jī)對(duì)串口設(shè)備實(shí)現(xiàn)高效的信息交互，然而傳統(tǒng)方式的構(gòu)建比較復(fù)雜，具有施工成本高、不易擴(kuò)展的缺點(diǎn)。本文提出一種基于MicroBlaze嵌入式平臺(tái)和藍(lán)牙無線通信技術(shù)的五子棋對(duì)戰(zhàn)游戲的設(shè)計(jì)方案，通過基于XC7A100T-1CSG324C芯片和Android智能手機(jī)的無線通信，再結(jié)合藍(lán)牙無線通信技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在顯示器上進(jìn)行五子棋對(duì)戰(zhàn)游戲。

1 總體設(shè)計(jì)

為了提高藍(lán)牙五子棋對(duì)戰(zhàn)系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性，使藍(lán)牙無線控制更加模塊化，本系統(tǒng)以XC7A100T-1CSG324C芯片為核心，將無線藍(lán)牙與串口融合，并與智能手機(jī)相連接，極大地拓寬了串口功能。

系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)中XC7A100T-1CSG324C芯片一方面通過HC-5藍(lán)牙模塊與Android智能手機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；另一方面，通過串口方式與HC-5藍(lán)牙模塊保持?jǐn)?shù)據(jù)通信。當(dāng)藍(lán)牙模塊建立與智能手機(jī)的連接后，帶有藍(lán)牙通信功能的控制終端加入通信網(wǎng)絡(luò)，這樣就保證了Android智能手機(jī)將五子棋的控制命令先由無線藍(lán)牙方式發(fā)送至HC-5藍(lán)牙模塊，然后通過XC7A100T-1CSG324C芯片所支持的無線藍(lán)牙與串口之間的透傳功能，將收到的數(shù)據(jù)通過串口傳輸至XC7A100T-1CSG324C芯片，并最終通過無線藍(lán)牙通信方式實(shí)現(xiàn)對(duì)五子棋對(duì)戰(zhàn)游戲系統(tǒng)的控制。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 Xilinx IP核的模塊硬件設(shè)計(jì)

MicroBlaze是由Xilinx公司推出的一款32位RISC微處理器 IP 核，具有很高的可配置度，可以將外部存儲(chǔ)器、液晶顯示屏、PS/2口、串口、以太網(wǎng)控制器等外部設(shè)備連接在一起并協(xié)調(diào)它們的工作，因此非常適合設(shè)計(jì)針對(duì)網(wǎng)絡(luò)、電信、數(shù)據(jù)通信等應(yīng)用背景的復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)[3-4]。

XC7A100T-1CSG324C是Artix-7系列中資源比較豐富的一款芯片。XC7A100T-1CSG324C采用了Chip scale封裝，板載的Artix-7 FPGA資源非常豐富。圖2為系統(tǒng)硬件電路原理。圖2中，HC-5藍(lán)牙模塊與XC7A100T-1CSG324C芯片擴(kuò)展接口相連實(shí)現(xiàn)串口通信，使用兩個(gè)Uart IP核，用于XC7A100T-1CSG324C芯片與智能手機(jī)藍(lán)牙連接，串口傳送數(shù)據(jù)；plb_v46_0 IP核，用于連接EMC顯存控制器及TFT IP核；EMC IP核，用于控制顯示數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)；AXI？鄄PLB Bridge IP核，用于連接AXI總線與PLB總線；TFT IP核，用于控制VGA接口，使顯示器顯示五子棋界面[1]。

2.2 HC-5藍(lán)牙模塊

HC-5是一款功能強(qiáng)大的串口藍(lán)牙模塊，藍(lán)牙芯片是CSR公司的主流芯片BC417143，支持藍(lán)牙的V2.0的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，藍(lán)牙芯片上提供UART接口、SPI接口、PCM接口、PIO接口，工作電壓為3.3 V，串口波特率支持多重選擇，默認(rèn)是9600位/s。藍(lán)牙芯片與藍(lán)牙主機(jī)通過串口進(jìn)行通信，同時(shí)藍(lán)牙芯片也可通過串口與PC機(jī)通信，PC機(jī)可通過AT指令對(duì)藍(lán)牙芯片進(jìn)行控制[5]。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖3所示。圖3中，主要包括硬件和軟件接口，棋盤邏輯與IO，以及盤面圖像繪制過程。

3.1 硬件和軟件接口的構(gòu)建

Bluetooth模塊每次通過HC-5發(fā)送一個(gè)字節(jié)，存入GPIO的緩沖中。Driver模塊在探測(cè)到中斷后，使用回調(diào)函數(shù)讀取其緩沖，并且翻譯成對(duì)應(yīng)輸入。以下為翻譯藍(lán)牙指令的關(guān)鍵代碼：

byte = XUartLite_RecvByte（XPAR_UARTLITE_0_BASEADDR）；

input = XParseByte（byte）；

當(dāng)Driver最終得到Painter返回的目標(biāo)圖形bit塊時(shí)，便會(huì)將其翻譯成對(duì)應(yīng)顏色，并且存入對(duì)應(yīng)的TFT緩沖。以下為存入緩沖區(qū)的關(guān)鍵代碼：

Xil_Out32（TFT_FRAME_ADDR + pixelOffset， color）；

系統(tǒng)并沒有高性能的要求，故無需采用緩沖切換技術(shù)。

3.2 棋局邏輯與IO的構(gòu)建

本棋局系統(tǒng)為全功能子系統(tǒng)，負(fù)責(zé)棋局IO、邏輯和繪制。本系統(tǒng)為上層提供了極為簡單的API，一切與棋局邏輯相關(guān)的操作均被封裝，故可以輕松將藍(lán)牙串口輸入直接導(dǎo)向本系統(tǒng)[2]。棋局系統(tǒng)API的關(guān)鍵代碼為

Gomoku_Initialize（）；

Gomoku_Tick（input）；

InputParse模塊負(fù)責(zé)將合法的輸入流通過表驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)化為控制標(biāo)識(shí)，導(dǎo)入內(nèi)部棋局邏輯模塊。Control模塊會(huì)根據(jù)控制標(biāo)識(shí)啟用不同的控制工作流。當(dāng)控制工作完成后，Logic模塊還會(huì)自動(dòng)檢查棋局是否已經(jīng)結(jié)束。以下為控制關(guān)鍵代碼：

validateInput（input）；

controlSignal = parseInput（input）；

doControl（controlSignal）；

checkWin（controlSignal）；

同時(shí)用Logic模塊的棋盤信息流引導(dǎo)Painter模塊進(jìn)行繪制。最后繪圖模塊向上層調(diào)用方輸出圖像緩存。以下為繪圖調(diào)用關(guān)鍵代碼：

paintBoard（graph， chessBoard）；

3.3 盤面圖像繪制過程的構(gòu)建

本繪圖子系統(tǒng)Painter適用于不含有著色器等硬件加速功能的硬件圖形系統(tǒng)，其采用單緩沖降低RAM消耗。繪圖系統(tǒng)與棋盤邏輯隔離，只提供繪圖接口，將傳入緩沖區(qū)繪制成目標(biāo)圖形。以下為繪制順序關(guān)鍵代碼：

paintGrid（pGraph）；

paintChessman（pGraph， pChessBoard）；

paintCursor（pGraph， pCursor）；

paintWinInidicator（pGraph）；

圖像像素為黑白二色，存儲(chǔ)為單個(gè)比特（bit）以減少資源需求。當(dāng)收到調(diào)用方的繪制指令時(shí)，系統(tǒng)首先清除盤面，隨后根據(jù)盤面>棋子>指針的順序繪制。如果棋局結(jié)束，則清除版面中部并且繪制棋局信息。

版面中所有特殊圖形，如棋子等均存儲(chǔ)為點(diǎn)陣圖，即二維單比特（bit）數(shù)組，需要時(shí)將其復(fù)制到棋盤上指定的位置。

4 測(cè)試方法及結(jié)果

驗(yàn)證智能手機(jī)能夠正常控制棋盤上棋子。

（I） 在智能手機(jī)客戶端安裝藍(lán)牙串口助手軟件，手機(jī)上控制界面如圖4所示，然后將HC-5藍(lán)牙模塊加電啟動(dòng)，將智能手機(jī)與藍(lán)牙模塊配對(duì)。

（II） XC7A100T-1CSG324C芯片VGA接口連上顯示器。

（III） 手機(jī)與藍(lán)牙模塊配對(duì)成功后，通過發(fā)送字符串（字符串及功能如表1所示），控制棋盤上的光標(biāo)上下左右移動(dòng)或放下棋子，雙方對(duì)戰(zhàn)。

（IV） 系統(tǒng)將自動(dòng)判斷黑白棋玩家的輸贏并加以顯示，如圖5所示。

5 結(jié) 論

本文基于MicroBlaze嵌入式平臺(tái)，提出了一種藍(lán)牙五子棋對(duì)戰(zhàn)游戲系統(tǒng)的解決方案，設(shè)計(jì)了以XC7A100T-1CSG324C芯片為核心，結(jié)合藍(lán)牙模塊之間的通信，實(shí)現(xiàn)了Android智能手機(jī)終端進(jìn)行無線控制五子棋對(duì)戰(zhàn)系統(tǒng)。運(yùn)行結(jié)果表明：基于MicroBlaze嵌入式平臺(tái)的藍(lán)牙五子棋對(duì)戰(zhàn)系統(tǒng)具有通信可靠、抗干擾性好等優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 左冬紅. 計(jì)算機(jī)組成原理與接口技術(shù)—實(shí)驗(yàn)教程[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2014：263-280.

[2] BJARNE S. C++程序設(shè)計(jì)語言[M]. 裘宗燕譯. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010：63-94.

[3] 龍霞飛，李仁發(fā). Microblaze微處理器IP Core的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用[J]. 微處理機(jī)，2004（6）：6-9.

[4] 阮芳，馮永新. 基于Xilinx MicroBlaze的嵌入式I/O系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電子器件，2008（2）：626-630.

[5] 張群，楊絮，張正言，等. 藍(lán)牙模塊串口通信的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012（3）：79-82.

Abstract： System is designed based on MicroBlaze embedded platform， realize the android smartphone controlusing by Bluetooth wireless communication technology. The system is composed of XC7A100T-1CSG324C chip，HC-5 Bluetooth module and standard output monitor. The experimental results demonstrated that system is easy to operateand， high reliability and has a good application prospect.

Keywords： MicroBlaze embedded platform； Bluetooth； Android； Gomoku

（責(zé)任編輯：徐興華）