【正文】 研究和實現(xiàn)了基于8051+RTX51到Tiny平臺下的智能俄羅斯方塊游戲系統(tǒng)。主要研究內(nèi)容是實現(xiàn)智能俄羅斯方塊游戲系統(tǒng)軟硬件平臺的搭建；本系統(tǒng)以8051微處理器為核心來運(yùn)行RTX51 Tiny多任務(wù)實時操作系統(tǒng)，利用KEIL C51開發(fā)工具進(jìn)行軟件開發(fā)，通過LCD12864液晶屏顯示游戲界面。該設(shè)計能實現(xiàn)單人單機(jī)游、雙人單機(jī)對戰(zhàn)游戲、游戲背景音樂的播放和單人最高積分存儲等功能。在俄羅斯方塊游戲系統(tǒng)開發(fā)過程中，本文作者首先進(jìn)行硬件平臺的搭建，包括單片機(jī)最小系統(tǒng)的搭建、電源系統(tǒng)的搭建、串口下載器的設(shè)計、游戲手柄的設(shè)計、音效播放模塊的設(shè)計以及LCD液晶顯示接口的設(shè)計。然后，作者才開展軟件平臺的構(gòu)建，這也是本設(shè)計的重要部分，主要包括對RTX51 Tiny操作系統(tǒng)的配置、俄羅斯方塊模型的設(shè)計、模型圖塊的旋轉(zhuǎn)及坐標(biāo)變換設(shè)計、雙人單機(jī)對戰(zhàn)游戲設(shè)計和音效系統(tǒng)設(shè)計等。最后，從硬件和軟件兩方面對完成的智能俄羅斯方塊游戲系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試及運(yùn)行試驗。 課題的研究現(xiàn)狀及意義現(xiàn)今國內(nèi)外的俄羅斯方塊游戲設(shè)計主要有基于PC機(jī)上Windows平臺的俄羅斯方塊游戲、基于手機(jī)平臺的智能俄羅斯方塊游戲以及基于單片機(jī)平臺的俄羅斯方塊游戲等。前兩種屬于高端游機(jī)，性能優(yōu)越，但成本高，而且計算機(jī)編程已不是新命題，VB、VC、Delphi版本的俄羅斯方塊游戲都有發(fā)布[9]。從學(xué)術(shù)角度來看，針對俄羅斯方塊游戲的開發(fā)，國內(nèi)外也有不少學(xué)者展開過研究，比如Niko將進(jìn)化算法引入到俄羅斯方塊中并驗證了其有效性，Hoogeboom探討了俄羅斯方塊游戲的構(gòu)造問題，王宇等針對存在于俄羅斯方塊中的兩個數(shù)學(xué)問題提出解決方案，高凌琴探討游戲功能要求、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、圖形旋轉(zhuǎn)、坐標(biāo)變換等關(guān)鍵技術(shù)，胡代弟在SPCE061A單片機(jī)實現(xiàn)了俄羅斯方塊游戲[10]。綜上，國內(nèi)外的研究多著重于游戲數(shù)學(xué)原理的討論，也有部分文獻(xiàn)涉及游戲的具體實現(xiàn)，但多是在Windows操作系統(tǒng)下實現(xiàn)的，在單片機(jī)平臺下的開發(fā)俄羅斯方塊游戲鮮少有文獻(xiàn)刊載。而單片機(jī)由于具有體積小、性能突出、價格低廉等特點，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，除了工業(yè)控制、智能化儀表、家用電器外，在智能化高檔電子玩具產(chǎn)品也大量采用單片機(jī)芯片作為核心控制部件。曾經(jīng)80年代非常流行的掌上游戲機(jī)便是單片機(jī)在電子玩具中的應(yīng)用之一，其中的俄羅斯方塊游戲現(xiàn)已被我們所熟知。本文探討基于8051單片機(jī)硬件平臺和RTX51 Tiny多任務(wù)實時操作系統(tǒng)的俄羅斯方塊游戲的設(shè)計與實現(xiàn)，將理論與實踐相結(jié)合。其主要目標(biāo)是再現(xiàn)經(jīng)典的俄羅斯方塊游戲，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)雙人單機(jī)對戰(zhàn)游戲模式，以豐富產(chǎn)品功能，增強(qiáng)游戲的趣味性。2 系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計 STC12C5A60S2單片機(jī)概述STC12C5A60S2系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051系列單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍。用戶程序空間為60KB，片上集成1280字節(jié)RAM，具有EEPROM功能，能夠額外儲蓄1KB的數(shù)據(jù)。該單片機(jī)共有4個16位定時器，兩個與傳統(tǒng)8051兼容的定時器/計數(shù)器，即16位定時器T0和T1，沒有定時器2，但有獨立波特率發(fā)生器做串行通訊的波特率發(fā)生器，，此兩路可編程計數(shù)器陣列（PCA）可用來再實現(xiàn)2個定時器。此外，STC12C5A60S2內(nèi)部還集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速度10位A/D轉(zhuǎn)換（250K/S），針對電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場地合。綜上所述,STC12C5A605S2單片機(jī)具有許多強(qiáng)大的功能，能夠滿足大多數(shù)用戶對8位單片機(jī)的要求。 STC12C5A60S2最小系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng)主要由電源、振蕩、復(fù)位電路以及擴(kuò)展電路等部分組成。在本設(shè)計中，擴(kuò)展了液晶顯示接口。因此，本設(shè)計的最小系統(tǒng)如圖21所示。圖 21 STC12C5A60S2最小系統(tǒng)Fig 21 STC12C5A60S2 Minimum System 電源系統(tǒng)本設(shè)計的電源系統(tǒng)比較簡單，直接由LM7805穩(wěn)壓芯片輸出的+5V電源供電。具體電路如圖22所示。圖片22 電源系統(tǒng)Fig 22 Power System 振蕩電路單片機(jī)系統(tǒng)里都有振蕩電路，在單片機(jī)系統(tǒng)里晶振作用非常大，全稱叫晶體振蕩器，它結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機(jī)所需的時鐘頻率，單片機(jī)晶振提供的時鐘頻率趆高，那么單片機(jī)運(yùn)行速度就趆快，單片機(jī)的一切指令執(zhí)行都是依靠單片機(jī)晶振提供的時鐘頻率。[4]晶振通常與鎖相環(huán)電路配合使用，以提供系統(tǒng)所需的時鐘頻率。本設(shè)計中STC12C5A60S2使用12MHz的晶體振蕩器作為振蕩源，由于單片機(jī)內(nèi)部帶有振蕩電路，所以外部只要連接一個晶振和兩個電容即可，電容容量一般在15pF至50pF之間。如圖23所示即為本設(shè)計的振蕩電路。圖 23 振蕩電路Fig 23 oscillatory circuit 復(fù)位系統(tǒng) MCS51單片機(jī)通常采用上電自動復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。通常因為系統(tǒng)運(yùn)行等需要，常常需要人工復(fù)位，本設(shè)計采用按鈕復(fù)位的方式，即按下開關(guān)一定時間就能使RTS引腳端為高電平，從而使單片機(jī)復(fù)位。同時，簡單復(fù)位電路中，干擾信號易串入復(fù)位端，由此可能會引起內(nèi)部某些寄存器錯誤復(fù)位，這時可在RST引腳上接去耦電容。在STC12C5A60S2單片機(jī)中有兩個復(fù)位端口，即RST/、RST2/，當(dāng)晶振頻率小于或等于12MHz時，使用RST端口。由于本設(shè)計使用外接12MHz的晶振作為振蕩時鐘，所以采用如圖24所示的復(fù)位系統(tǒng)。圖 24 復(fù)位系統(tǒng)Fig 24 Rest System 程序下載系統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)的傳統(tǒng)編程方式是先將單片機(jī)從電路板上取下，放入專用的編程器進(jìn)行編程，再放入電路板進(jìn)行調(diào)試。其缺點是頻繁拔插器件容易損壞器件的引腳；如果頻繁的調(diào)試程序，必須重復(fù)拔插，大降低了開發(fā)效率。ISP（在線系統(tǒng)編程）技術(shù)是一種無需將存儲芯片從嵌入式設(shè)備上取出就能對其進(jìn)行編程的過程。其優(yōu)點是，即使器件焊接在電路板上，仍可對其進(jìn)行編程。在線系統(tǒng)可編程是Flash存儲器的固有特性（通常無需額外電路），F(xiàn)lash幾乎都采用這種方式編程。ISP的實現(xiàn)相對要簡單一些，一般通用做法是內(nèi)部的存儲器可以由上位機(jī)的軟件通過串口來進(jìn)行改寫。對于8051系列單片機(jī)來講可通過SPI接口或其它的串行接口接收上位機(jī)傳來的數(shù)據(jù)并寫入存儲器中。而上位機(jī)PC機(jī)與下位機(jī)單片機(jī)通過RS232串行接口總線進(jìn)行的串行通信。8051系列單片機(jī)帶有一個全雙工的串行接口，因此用RS232串行接口總線非常方便。PC機(jī)配置RS232標(biāo)準(zhǔn)接口，RS232信號電平為負(fù)邏輯（邏輯“0”為+12V ；邏輯“1”為12V），8051單片機(jī)輸入、輸出電平為TTL電平（邏輯“0”；邏輯“1”）。所以8051單片機(jī)與PC機(jī)間點對點異步通信需加電平轉(zhuǎn)換電路，否則將燒壞TTL電路。MAX232是MAXIM公司生產(chǎn)的電平轉(zhuǎn)換器件，只需在外部接入相應(yīng)的電解電容即可。因此，本設(shè)計采用直連串口線進(jìn)行串口通信，其中STC12C5A60S2的P3^0/RXD和P3^1/TXD分別和下載器的第10管腳/T和第9管腳/R相連，串口線的第5管腳接地，3管腳和下載器的8管腳相連。具體電路如圖25所示。圖 25 程序下載系統(tǒng)Fig 25 Program Download System 音樂播放系統(tǒng)在本設(shè)計中，音樂播放系統(tǒng)是通過三極管驅(qū)動有源蜂鳴器發(fā)聲，而具體的音符聲調(diào)則由程序控制。因此，音樂播放系統(tǒng)的硬件電路非常簡單。具體接法為有源蜂鳴器正極直接接+5V電源，負(fù)極與三極管8050的發(fā)射極相連，8050的集電極直接接地，其基極串一個1K的電阻連接到STC12C5A60S2單片機(jī)的P2^0端口。如圖26所示。圖片26 音樂播放系統(tǒng)Fig 26 Music Player System LCD液晶顯示接口電路 液晶顯示屏是整個系統(tǒng)硬件的重要組成部分，擔(dān)當(dāng)著人機(jī)交互的重要角色。本設(shè)計采用銘正同創(chuàng)公司生產(chǎn)的MzL02D12864液晶點陣屏作為顯示器件。它是一塊128*64點陣的LCD顯示模組，模組上的LCM采用COG技術(shù)將控制（包括顯存）、驅(qū)動器集成在LCM的玻璃上，接口簡單、操作方便。其特點為單電源供電，對比度編程可調(diào)，可采用并行接口為6800/8080時序或者串行SPI的MPU接口方式，美觀大方。其外部接口分為電源端口、數(shù)據(jù)端口和命令端口三部分組成。本設(shè)計中LCD的數(shù)據(jù)端口連接到STC12C5A60S2單片機(jī)的P0端口，LCD的命令端口連接到單片機(jī)的P2端口。具體硬件電路如圖27所示。圖 27 LCD液晶顯示接口電路Fig 27 Liquid Display Interface Circuit 操作控制接口操作控制模塊是智能俄羅斯方塊游戲系統(tǒng)的輸入器件。它包括主控制器和輔助控制器。主控制器包括七個按鍵，分別為：旋轉(zhuǎn)/確定、向左/返回上級菜、向右/下一個、快速下降、使用道具、暫停、退出。副控制器則包括五個按鍵，分別為：旋轉(zhuǎn)/確定、向左/返回上級菜、向右/下一個、快速下降、使用道具。在硬件電路方面輔控制器比主控制器少兩個按鍵的連接。如圖28所示為主控制器的接線圖。與單片機(jī)的具體接口可根據(jù)實際設(shè)定。圖片28 控制模塊接口Fig 28 Control Interface 3 系統(tǒng)軟件平臺構(gòu)建 μVision簡介μVision是德國Keil公司開發(fā)的單片機(jī)IDE軟件，最初主要用于8051系列單片機(jī)，目前也有支ARM系列單片機(jī)的專用版本MDKARM。本設(shè)計使用的是keil μVision3版本的開發(fā)軟件進(jìn)行程序開發(fā)。 LCD12864液晶屏顯示原理 LCD模塊總線選擇及時序 MzL02D模塊提供了兩個LCM的引腳（C86和PS引腳）供用戶選擇模塊的接口類型，分別可以選擇6800并行總線、8080并行總線或者SPI串行接口。模塊默認(rèn)情況下PS為高電平、C86為高電平，此時為6800總線接口類型，本設(shè)計采用6800總線模式。在此種接口模式下，WR 線為讀寫控制信號線，當(dāng)WR 為高電平時為讀狀態(tài)，WR為低電來時為寫入狀態(tài)。在6800總線接口模式下LCD的時序如圖31所示。圖 31 6800總線時序Fig 31 6800 Bus Timing LCD顯示RAM區(qū)映射概況驅(qū)動控制芯片的顯示RAM區(qū)中，每個byte的數(shù)據(jù)對應(yīng)屏上的點的排列方式為：縱向排列，低位在上高位在下；如圖32所示。MzL02D12864液晶顯示模組的顯示器上的顯示點與驅(qū)動控制芯片中的顯示緩存RAM是一一對應(yīng)的；共有65（8Page * 8bit + 1）*132個位的顯示RAM區(qū)。而顯示器的顯示點陣大小為64*128點，所以實際上在液晶顯示模塊中有用的顯示RAM區(qū)為64*128個位；按byte為單位劃分，共分為8個Page,每個Page為8行，而每一行為128個位。（即128列）。圖 32 字節(jié)數(shù)據(jù)排列情況Fig 32 Byte data arrangementMzL02D12864液晶顯示模塊的顯示屏上的每一個點都對應(yīng)有控制器片內(nèi)的顯示緩存RAM中的一個bit，顯示屏上64*128個點分別對應(yīng)著顯示RAM的8個Page，每一個Page有128個byte的空間。因此可知顯示RAM區(qū)中的一個Page空間對應(yīng)8行的點，而該P(yáng)age中的一個byte數(shù)據(jù)則對應(yīng)一列（8個點）。用戶如要點亮LCD屏上的某一個點時，實際上就是對該點所對應(yīng)的顯示RAM區(qū)中的某一個位進(jìn)行置1操作，所以就要確定該點所處的行地址、列地址。MzL0212864液晶顯示模組的行地址實際上就是Page的信息，每一個Page應(yīng)有8行；而列地址則表示該點的橫坐標(biāo)，在屏上為從左到右排列，Page中的一個Byte對應(yīng)的是一列（8行，即8個點），達(dá)128列?？梢愿鶕?jù)這樣的關(guān)系在程序中控制LCD顯示屏的顯示。 LCD的驅(qū)動方法在很多資料以及書籍當(dāng)中，通常介紹有兩種 LCD模塊的連接方法：直接控制和間接控制；直接控制實際指的是 LCD模塊的總線接口直接與MCU端口連接，然后 MCU 通過程序控制端口來模擬 LCD的總線時序來完成對其的控制操作；而間接控制指的是MCU本身就有外部總線拉出，與LCD的總線接口對應(yīng)的連接上，程序中直接操作總線以控制LCD。目前有很多MCU 都把總線密封起來了，都沒有引出外部總線；所以通常在用MCU控制LCD模塊時，時常會選擇直接控制的方式，即利用端口來模擬總線時序；當(dāng)然了，如果本身就有總線而且也與LCD模塊的總線配得上的話，肯定會使用總線連接的間控方式。本設(shè)計采用直接控制的方式，將MzL02D12864 LCD模塊的總配置為6800總線，這與絕大部分引出外部總線的MCU的時序是不一樣的。本設(shè)計的LCD12864模塊中，用戶程序?qū)ζ溥M(jìn)行顯示控制時，無非就是通過對LCD模塊內(nèi)部的驅(qū)動控制器當(dāng)中的寄存器進(jìn)行設(shè)置操作；最常用的如LCD的顯示開/關(guān)、操作顯存地址（行與列地址）的設(shè)置等。這些寄存器一般都在LCD模塊的驅(qū)動控制器文檔中有詳細(xì)介紹。 LCD驅(qū)動程序架構(gòu)LCD12864驅(qū)動程序主要由LCD底層驅(qū)動和LCD功能函數(shù)兩部分組成。用戶在應(yīng)用層直接使用功能函數(shù)即可。具體框架如圖33所示。功能函數(shù)層字庫驅(qū)動層函數(shù)聲明功能函數(shù)LCD配置驅(qū)動層傳輸模式及IO端口配置數(shù)據(jù)傳輸驅(qū)動應(yīng)用層用戶應(yīng)用程序功能函數(shù)聲明圖 33 LCD驅(qū)動程序架構(gòu)Fig 33 LCD Driver architectures 俄羅斯方塊游戲設(shè)計 俄羅斯方塊游戲功能簡介俄羅斯方塊游戲的規(guī)則很簡單，當(dāng)方塊從屏幕上方落下來時，玩家控制方塊的位置以及旋轉(zhuǎn)方塊，巧妙地安排布置達(dá)到充分利用屏幕空間的目的。每當(dāng)屏幕的一整行被方塊排滿時，作為獎賞，整行從屏幕上消失，剩余的方塊依次往下降一行。當(dāng)方塊堆積達(dá)到無法再落下方塊的時候，游戲結(jié)束。本設(shè)計中游戲主要的功能點包括：(1) 每4個小方塊可以組合成一組方塊群，游戲共有7種方塊群，每次隨機(jī)產(chǎn)生一種。玩家使用向左、向右、快速向下這些按鍵控制方塊的位置，旋轉(zhuǎn)按鍵控制方塊順時針旋轉(zhuǎn)。在主控制手柄上還有退出、暫停按鈕，可以實現(xiàn)隨時切換到啟動時的狀態(tài)和暫停游戲的功能。(2) 在本設(shè)計中，系統(tǒng)為玩家提供了背景音樂，玩家可以根據(jù)個人喜好開啟或關(guān)閉音效。(3) 單人模式下，玩家使用主控制器進(jìn)行操作。每消去一行，系統(tǒng)就給玩家加1分。在單人模式下，如果積分超過系統(tǒng)記錄的最高積分，系統(tǒng)將更新最高積分。(4) 本設(shè)計的亮點是實現(xiàn)雙人對戰(zhàn)游戲，通過主控制器在菜單選項中選擇雙人模式，第二玩家可以通過副控制器對第二游戲界面進(jìn)行操作。本游戲系統(tǒng)規(guī)定，雙人對戰(zhàn)游