基于MicroBlaze嵌入式平台的蓝牙五子棋对战游戏系统设计

余超剑 杨明 万友铭

摘 要： 设计了一款基于MicroBlaze嵌入式平台，利用无线蓝牙通信技术实现Android智能手机控制的五子棋对战游戏系统，该系统由XC7A100T-1CSG324C芯片、HC-5蓝牙模块以及显示器组成。结果表明：该系统操作方便和可靠性强，具有一定的应用前景。

关键词： MicroBlaze嵌入式平台； 蓝牙； Android； 五子棋

中图分类号： TN 929.5 文献标志码： A 文章编号： 1671-2153（2016）03-0086-04

0 引 言

随着物联网和游戏产业的快速发展和智能手机的不断普及，目前工业和民用的很多串口设备连接上了手机，以便通过智能手机对串口设备实现高效的信息交互，然而传统方式的构建比较复杂，具有施工成本高、不易扩展的缺点。本文提出一种基于MicroBlaze嵌入式平台和蓝牙无线通信技术的五子棋对战游戏的设计方案，通过基于XC7A100T-1CSG324C芯片和Android智能手机的无线通信，再结合蓝牙无线通信技术，可以实现在显示器上进行五子棋对战游戏。

1 总体设计

为了提高蓝牙五子棋对战系统的灵活性和可扩展性，使蓝牙无线控制更加模块化，本系统以XC7A100T-1CSG324C芯片为核心，将无线蓝牙与串口融合，并与智能手机相连接，极大地拓宽了串口功能。

系统的功能结构如图1所示。系统中XC7A100T-1CSG324C芯片一方面通过HC-5蓝牙模块与Android智能手机进行数据通信；另一方面，通过串口方式与HC-5蓝牙模块保持数据通信。当蓝牙模块建立与智能手机的连接后，带有蓝牙通信功能的控制终端加入通信网络，这样就保证了Android智能手机将五子棋的控制命令先由无线蓝牙方式发送至HC-5蓝牙模块，然后通过XC7A100T-1CSG324C芯片所支持的无线蓝牙与串口之间的透传功能，将收到的数据通过串口传输至XC7A100T-1CSG324C芯片，并最终通过无线蓝牙通信方式实现对五子棋对战游戏系统的控制。

2 系统的硬件设计

2.1 Xilinx IP核的模块硬件设计

MicroBlaze是由Xilinx公司推出的一款32位RISC微处理器 IP 核，具有很高的可配置度，可以将外部存储器、液晶显示屏、PS/2口、串口、以太网控制器等外部设备连接在一起并协调它们的工作，因此非常适合设计针对网络、电信、数据通信等应用背景的复杂嵌入式系统[3-4]。

XC7A100T-1CSG324C是Artix-7系列中资源比较丰富的一款芯片。XC7A100T-1CSG324C采用了Chip scale封装，板载的Artix-7 FPGA资源非常丰富。图2为系统硬件电路原理。图2中，HC-5蓝牙模块与XC7A100T-1CSG324C芯片扩展接口相连实现串口通信，使用两个Uart IP核，用于XC7A100T-1CSG324C芯片与智能手机蓝牙连接，串口传送数据；plb_v46_0 IP核，用于连接EMC显存控制器及TFT IP核；EMC IP核，用于控制显示数据的存储；AXI？鄄PLB Bridge IP核，用于连接AXI总线与PLB总线；TFT IP核，用于控制VGA接口，使显示器显示五子棋界面[1]。

2.2 HC-5蓝牙模块

HC-5是一款功能强大的串口蓝牙模块，蓝牙芯片是CSR公司的主流芯片BC417143，支持蓝牙的V2.0的协议标准，蓝牙芯片上提供UART接口、SPI接口、PCM接口、PIO接口，工作电压为3.3 V，串口波特率支持多重选择，默认是9600位/s。蓝牙芯片与蓝牙主机通过串口进行通信，同时蓝牙芯片也可通过串口与PC机通信，PC机可通过AT指令对蓝牙芯片进行控制[5]。

3 系统的软件设计

软件系统设计如图3所示。图3中，主要包括硬件和软件接口，棋盘逻辑与IO，以及盘面图像绘制过程。

3.1 硬件和软件接口的构建

Bluetooth模块每次通过HC-5发送一个字节，存入GPIO的缓冲中。Driver模块在探测到中断后，使用回调函数读取其缓冲，并且翻译成对应输入。以下为翻译蓝牙指令的关键代码：

byte = XUartLite_RecvByte（XPAR_UARTLITE_0_BASEADDR）；

input = XParseByte（byte）；

当Driver最终得到Painter返回的目标图形bit块时，便会将其翻译成对应颜色，并且存入对应的TFT缓冲。以下为存入缓冲区的关键代码：

Xil_Out32（TFT_FRAME_ADDR + pixelOffset， color）；

系统并没有高性能的要求，故无需采用缓冲切换技术。

3.2 棋局逻辑与IO的构建

本棋局系统为全功能子系统，负责棋局IO、逻辑和绘制。本系统为上层提供了极为简单的API，一切与棋局逻辑相关的操作均被封装，故可以轻松将蓝牙串口输入直接导向本系统[2]。棋局系统API的关键代码为

Gomoku_Initialize（）；

Gomoku_Tick（input）；

InputParse模块负责将合法的输入流通过表驱动转化为控制标识，导入内部棋局逻辑模块。Control模块会根据控制标识启用不同的控制工作流。当控制工作完成后，Logic模块还会自动检查棋局是否已经结束。以下为控制关键代码：

validateInput（input）；

controlSignal = parseInput（input）；

doControl（controlSignal）；

checkWin（controlSignal）；

同时用Logic模块的棋盘信息流引导Painter模块进行绘制。最后绘图模块向上层调用方输出图像缓存。以下为绘图调用关键代码：

paintBoard（graph， chessBoard）；

3.3 盘面图像绘制过程的构建

本绘图子系统Painter适用于不含有着色器等硬件加速功能的硬件图形系统，其采用单缓冲降低RAM消耗。绘图系统与棋盘逻辑隔离，只提供绘图接口，将传入缓冲区绘制成目标图形。以下为绘制顺序关键代码：

paintGrid（pGraph）；

paintChessman（pGraph， pChessBoard）；

paintCursor（pGraph， pCursor）；

paintWinInidicator（pGraph）；

图像像素为黑白二色，存储为单个比特（bit）以减少资源需求。当收到调用方的绘制指令时，系统首先清除盘面，随后根据盘面>棋子>指针的顺序绘制。如果棋局结束，则清除版面中部并且绘制棋局信息。

版面中所有特殊图形，如棋子等均存储为点阵图，即二维单比特（bit）数组，需要时将其复制到棋盘上指定的位置。

4 测试方法及结果

验证智能手机能够正常控制棋盘上棋子。

（I） 在智能手机客户端安装蓝牙串口助手软件，手机上控制界面如图4所示，然后将HC-5蓝牙模块加电启动，将智能手机与蓝牙模块配对。

（II） XC7A100T-1CSG324C芯片VGA接口连上显示器。

（III） 手机与蓝牙模块配对成功后，通过发送字符串（字符串及功能如表1所示），控制棋盘上的光标上下左右移动或放下棋子，双方对战。

（IV） 系统将自动判断黑白棋玩家的输赢并加以显示，如图5所示。

5 结 论

本文基于MicroBlaze嵌入式平台，提出了一种蓝牙五子棋对战游戏系统的解决方案，设计了以XC7A100T-1CSG324C芯片为核心，结合蓝牙模块之间的通信，实现了Android智能手机终端进行无线控制五子棋对战系统。运行结果表明：基于MicroBlaze嵌入式平台的蓝牙五子棋对战系统具有通信可靠、抗干扰性好等优点。

参考文献：

[1] 左冬红. 计算机组成原理与接口技术—实验教程[M]. 北京：清华大学出版社，2014：263-280.

[2] BJARNE S. C++程序设计语言[M]. 裘宗燕译. 北京：机械工业出版社，2010：63-94.

[3] 龙霞飞，李仁发. Microblaze微处理器IP Core的结构及应用[J]. 微处理机，2004（6）：6-9.

[4] 阮芳，冯永新. 基于Xilinx MicroBlaze的嵌入式I/O系统设计与实现[J]. 电子器件，2008（2）：626-630.

[5] 张群，杨絮，张正言，等. 蓝牙模块串口通信的设计与实现[J]. 实验室研究与探索，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

（责任编辑：徐兴华）