基于VerilogHDL的自動(dòng)售貨機(jī)設(shè)計(jì).docVIP

密級(jí)： NANCHANG UNIVERSITY 學(xué) 士 學(xué) 位 論 文 THESIS OF BACHELOR（2012 2016年）題 目 基于Verilog HDL的自動(dòng)售貨機(jī)設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 信息工程學(xué)院 系 電子信息工程系 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 指導(dǎo)教師： 職稱(chēng)： 教授 起訖日期： 2016.3.142016.6.3 摘要基于Verilog HDL的自動(dòng)售貨機(jī)設(shè)計(jì) 專(zhuān) 業(yè)：電子信息工程 學(xué) 號(hào)：6100212164 學(xué)生姓名：田啟澤 指導(dǎo)教師：陶凌摘要自動(dòng)售貨機(jī)是商業(yè)自動(dòng)化的常用設(shè)備，它不受地點(diǎn)和時(shí)間的限制，能夠支持線(xiàn)上，線(xiàn)下多種支付方式，出貨迅速，并且操作簡(jiǎn)單方便，因此受到了社會(huì)各群體的歡迎?，F(xiàn)目前自動(dòng)售貨機(jī)多為單片機(jī)設(shè)計(jì)，常出現(xiàn)因功能單一不能滿(mǎn)足顧客需求，性能不穩(wěn)定帶來(lái)各種售貨出錯(cuò)等現(xiàn)象。 本文將論述采用EDA方法，以Quartus為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，使用Verilog HDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)仿真后，在FPGA器件中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)售貨機(jī)系統(tǒng)的詳細(xì)流程。經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)投幣計(jì)次，兩種售價(jià)均為兩元的商品選擇，購(gòu)物操作無(wú)條件取消，按鍵消抖，以及投幣退幣數(shù)量顯示功能。硬件電路用一個(gè)按鍵電路實(shí)現(xiàn)投幣功能，以led的點(diǎn)亮的數(shù)量指示投幣的數(shù)量和商品出貨情況，并以七段數(shù)碼管顯示退幣的數(shù)量。關(guān)鍵詞：自動(dòng)售貨機(jī)；Verilog HDL；FPGA；EDA；Quartus IIAbstractDesign of Vending Machine Based on VHDLAbstract Vending machines are commonly used as commercial automated equipment, it is not restricted some trouble aspects,such as place,time and so on. It support online, offline payment methods, fast shipping, and easy operation, therefore has been welcomed by all social groups. Vending machines are currently a mostly single-chip design, often due to a single function can not meet customer needs, bring a variety of sales performance problems due to unstable capability. This article will discusses the selling process of the vending machine by using Quartus as software development platform, with the EDA method and through Verilog HDL language designing, after simulating, complying vending machine system in FPGA devices. After simulation designed it can be achieved coin metering and selection of commodities both are priced at two yuan, unconditionally canceled, key debounce and coin-coin number display. Hardware circuit using a function key circuits replays coin-operated,the number of led lights indicates the number of shipments of goods and coin, and using seven-segment LED to display the number of coin return.Keywords: vending machine；Verilog HDL；FPGA；EDA；Quartus IV目錄目錄摘要Abstract第一章 緒論1 1.1 自動(dòng)售貨機(jī)設(shè)計(jì)的研究背景1 1.2 自動(dòng)售貨機(jī)設(shè)計(jì)的研究意義2 1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀2 1.4 自動(dòng)售貨機(jī)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容3第二章 相關(guān)技術(shù)簡(jiǎn)介5 2.1 EDA技術(shù)簡(jiǎn)介5 2.2 Verilog HDL語(yǔ)言介紹6 2.3 Quartus軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)7第三章 總體設(shè)計(jì)方案8 3.1設(shè)計(jì)要求8 3.2 總體設(shè)計(jì)8第四章 模塊設(shè)計(jì)及仿真測(cè)試10 4.1 投幣計(jì)次功能的實(shí)現(xiàn)10 4.2 led與數(shù)碼管顯示功能的實(shí)現(xiàn)11 4.3 無(wú)條件取消功能的實(shí)現(xiàn)14 4.4 商品選擇出貨功能的實(shí)現(xiàn)16 4.5 抖動(dòng)消除電路的實(shí)現(xiàn)18第五章 總體功能的仿真測(cè)試20結(jié)論23參考文獻(xiàn)（References）24致謝25附錄26VI第一章 緒論第1章 緒論1.1 自動(dòng)售貨機(jī)研究背景 中國(guó)產(chǎn)業(yè)調(diào)研網(wǎng)發(fā)布的2016年版中國(guó)自動(dòng)售貨機(jī)市場(chǎng)現(xiàn)狀調(diào)研與發(fā)展趨勢(shì)趨勢(shì)分析報(bào)告認(rèn)為,居民收入水平顯步攀升，自動(dòng)售貨機(jī)的迅猛發(fā)展得益于消費(fèi)群體追逐靈活、智能、高效以及自助式服務(wù)。現(xiàn)今自動(dòng)售貨機(jī)已經(jīng)成為了歐美發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的一個(gè)不可分割部分,特別是對(duì)青年一代,這種伴隨其成長(zhǎng)的前衛(wèi)零售方式更可謂是一種新的消費(fèi)時(shí)尚1。自動(dòng)售貨機(jī)具有技術(shù)含量高、銷(xiāo)售方式新、市場(chǎng)潛力大、商品貨真價(jià)實(shí)等優(yōu)點(diǎn),決定了它廣闊的發(fā)展。而且,它與電子購(gòu)物等新型消費(fèi)方式相通,能創(chuàng)造出巨大的商機(jī)。自動(dòng)售貨機(jī)在一些發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用非常普遍,1930年,美國(guó)研制出世界第一臺(tái)自動(dòng)售貨機(jī),主要販賣(mài)香煙。而自動(dòng)售貨機(jī)在我國(guó)的投入使用,也已經(jīng)有20多年的時(shí)間,但一直沒(méi)有全面普及。十九世紀(jì)三十年代，我國(guó)開(kāi)始引進(jìn)日韓等國(guó)的老舊機(jī)器投入市場(chǎng)，到如今的自主研發(fā)和生產(chǎn)販賣(mài)機(jī)，我國(guó)自動(dòng)售貨機(jī)生產(chǎn)工廠，運(yùn)營(yíng)商家蹣跚起步，攻克了一道道技術(shù)，市場(chǎng)難題，已經(jīng)在國(guó)內(nèi)零售行業(yè)內(nèi)打下了良好的基礎(chǔ)，開(kāi)辟了一條順暢的零售之路。目前我國(guó)的自動(dòng)售貨機(jī)發(fā)展趨勢(shì)已經(jīng)日漸清晰，自動(dòng)售貨機(jī)市場(chǎng)已經(jīng)慢慢由沿海發(fā)達(dá)地區(qū)向中西部欠發(fā)達(dá)地區(qū)拓展2。中國(guó)是世界上經(jīng)濟(jì)發(fā)展最快的國(guó)家之一,但是目前市場(chǎng)上僅置放了區(qū)區(qū)4萬(wàn)臺(tái)自動(dòng)售貨機(jī)。許多企業(yè)家開(kāi)始成立自動(dòng)售貨機(jī)公司,但還沒(méi)有找到有效的定價(jià)模式。在許多公司當(dāng)中,僅有一家是盈利的,因?yàn)樗鼈冋紦?jù)了有利的地點(diǎn)，售貨機(jī)功能齊全，商品的價(jià)位更容易讓廣大百姓接受，除了供應(yīng)日常的食品之外，還提供了其他許多物品。 由于中國(guó)自動(dòng)售貨機(jī)市場(chǎng)起步較晚，民眾對(duì)自動(dòng)售貨機(jī)的接受度低，對(duì)其安全性存在種種質(zhì)疑，這是中國(guó)自動(dòng)售貨機(jī)市場(chǎng)發(fā)展緩慢的主要原因。除此之外，販賣(mài)機(jī)的功能單一，價(jià)格不具備市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，貨幣識(shí)別能力也比較差，這些都是影響消費(fèi)者進(jìn)行選擇的重要因素。由于自動(dòng)售貨機(jī)在國(guó)內(nèi)屬于新鮮事物，民眾對(duì)其充滿(mǎn)了好奇之心，蓄意破壞者大有人在，自動(dòng)售貨機(jī)投入市場(chǎng)初期，在一些城市幾乎遭到滅頂之災(zāi)。曾經(jīng)有人將價(jià)值昂貴的自動(dòng)售貨機(jī)毀壞，只是為了拿去其中價(jià)格低廉的商品?？梢哉f(shuō)自動(dòng)售貨機(jī)在某種程度代表的是城市發(fā)達(dá)程度,同時(shí)也考驗(yàn)著人們的素質(zhì)與涵養(yǎng)?，F(xiàn)如今，伴隨著自動(dòng)售貨機(jī)技術(shù)的成熟和市民對(duì)自動(dòng)售貨機(jī)的加深了解，新的消費(fèi)方式也逐步促進(jìn)了人們更高的文明素質(zhì),自動(dòng)售貨機(jī)的發(fā)展命運(yùn)正在悄悄地發(fā)生著變化。原先,自動(dòng)售貨機(jī)由于不能識(shí)辨新幣和功能比較單一,錢(qián)幣有被卡的現(xiàn)象不時(shí)出現(xiàn),安全性也不如現(xiàn)在,造成自動(dòng)售貨機(jī)被損壞的情況時(shí)有發(fā)生。如今，自動(dòng)售貨機(jī)可以做到同時(shí)制冷與加熱，可以滿(mǎn)足不同人群的消費(fèi)需求3。安全，透明的展示窗可以起到良好的廣告效果。貨幣識(shí)別技術(shù)也日趨完善，能夠識(shí)別二十元以下（包括二十元）的所有幣種，并且還能夠識(shí)別貨幣的真假?？刂葡到y(tǒng)更是方便智能，可以根據(jù)市場(chǎng)需求設(shè)定營(yíng)業(yè)時(shí)間以及燈光的照明時(shí)間，節(jié)能效果極好。同時(shí),還具備了一般的公務(wù)能力，統(tǒng)計(jì)，盤(pán)點(diǎn)，打印等功能是樣樣具備。 1.2 自動(dòng)售貨機(jī)的研究意義隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷騰飛，居民收入顯著增加，消費(fèi)水平逐步攀升，社會(huì)智能化程度不斷加深，人們的消費(fèi)意識(shí)向智能高效，省時(shí)安全轉(zhuǎn)變，自動(dòng)售貨機(jī)將以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在經(jīng)濟(jì)騰飛浪潮中進(jìn)一步在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制中獲得更廣泛的支持與歡迎。就其目前在中國(guó)的現(xiàn)狀而言，自動(dòng)售貨機(jī)在中國(guó)的發(fā)展必然在未來(lái)幾年中取得舉足輕重的進(jìn)步。時(shí)代的發(fā)展為自動(dòng)售貨機(jī)的普及奠定了良好的背景，然而自動(dòng)售貨機(jī)在中國(guó)的現(xiàn)狀大大落后于歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家。究其原因，第一，我國(guó)自動(dòng)售貨機(jī)的研發(fā)與普及較歐美國(guó)家起步晚是一個(gè)比較重要的因素，第二，國(guó)內(nèi)自動(dòng)售貨機(jī)要普遍發(fā)展也有著相當(dāng)?shù)募夹g(shù)瓶頸。然而國(guó)內(nèi)企業(yè)普遍缺乏自主創(chuàng)新能力，無(wú)法攻克自動(dòng)售貨機(jī)研究技術(shù)難題。自動(dòng)售貨機(jī)市場(chǎng)在未來(lái)幾年將極度繁華，然而國(guó)內(nèi)的硬件設(shè)備還不具有迎接繁華時(shí)代到來(lái)的基礎(chǔ)。目前我國(guó)分布的自動(dòng)售貨機(jī)大都為國(guó)外引進(jìn)，外國(guó)技術(shù)容易遏制我國(guó)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。自動(dòng)售貨機(jī)作為一種集成度極高的高新產(chǎn)品，要想在國(guó)內(nèi)普及國(guó)產(chǎn)自動(dòng)售貨機(jī)，必須解決各類(lèi)技術(shù)問(wèn)題，才有可能趕超歐美，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)售貨機(jī)在中國(guó)的普及目標(biāo)4。1.3 自動(dòng)售貨機(jī)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)市場(chǎng)自動(dòng)售貨機(jī)僅僅引入不到十年，依然處于市場(chǎng)導(dǎo)入期，競(jìng)爭(zhēng)相對(duì)來(lái)不是很激烈。自動(dòng)售貨機(jī)在國(guó)內(nèi)處處充滿(mǎn)著無(wú)限商機(jī)。截至2016年，國(guó)內(nèi)自動(dòng)售貨機(jī)擁有量約為13萬(wàn)臺(tái)，相對(duì)于14億人口的國(guó)家，這個(gè)數(shù)字遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能夠滿(mǎn)足消費(fèi)者的需求。假如按中國(guó)現(xiàn)有的城市人口6.7億人計(jì)算,平均每10000人中才有一臺(tái)自動(dòng)售貨機(jī)。相對(duì)于東南亞，歐美西方發(fā)達(dá)國(guó)家擁有量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后的。在很多的發(fā)達(dá)國(guó)家中，自動(dòng)售貨機(jī)的營(yíng)業(yè)額可以占到零售業(yè)總額的百分之六十及以上，而且保持平均每年百分之五的增速。大好的市場(chǎng)趨勢(shì)，促使著自動(dòng)售貨機(jī)生產(chǎn)商和運(yùn)營(yíng)商不斷改革其生產(chǎn)技術(shù)和運(yùn)營(yíng)成本。目前國(guó)內(nèi)制造商共有一百家之多，運(yùn)營(yíng)商更是多達(dá)五十家之多。此外,國(guó)外巨頭企業(yè)也開(kāi)始進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)5。日本自動(dòng)售貨機(jī)市場(chǎng)已經(jīng)趨于飽和，其國(guó)內(nèi)自動(dòng)售貨機(jī)行業(yè)老大-富士電氣集團(tuán)，世界規(guī)模最大的日本自動(dòng)售貨機(jī)運(yùn)營(yíng)商-日本飲料公司，已經(jīng)開(kāi)始覬覦中國(guó)這片尚未完全被開(kāi)發(fā)的市場(chǎng)。無(wú)獨(dú)有偶,美國(guó)自動(dòng)售貨機(jī)行業(yè)巨頭De Amertek集團(tuán)、恒新集團(tuán)等行業(yè)巨頭也開(kāi)始在投放它們的產(chǎn)品，中國(guó)企業(yè)迎難而上，困難重重。截至目前，相關(guān)企業(yè)已經(jīng)開(kāi)拓了四種銷(xiāo)售模式。第一種是具有強(qiáng)大經(jīng)濟(jì)實(shí)力的專(zhuān)業(yè)運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行整體購(gòu)買(mǎi)。第二種是合資或合作的形式,雙方在某個(gè)市場(chǎng)上發(fā)掘出共同利益點(diǎn)，展開(kāi)合作或者合資。利用資源優(yōu)勢(shì)，共同開(kāi)拓市場(chǎng)。第三種是租賃給有意于自動(dòng)售貨機(jī)行業(yè)的創(chuàng)業(yè)者。第四種方式是生產(chǎn)廠家囊括生產(chǎn)，運(yùn)營(yíng)于一身。自動(dòng)售貨機(jī)的發(fā)展階段如圖1-1所示。圖1-1另外,國(guó)內(nèi)一些自動(dòng)售貨機(jī)企業(yè)為了提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力,已經(jīng)進(jìn)入了自主創(chuàng)新模式。2004年,天津和重慶出現(xiàn)了一種通過(guò)手機(jī)就可以購(gòu)物的自動(dòng)售貨機(jī)。用戶(hù)不必現(xiàn)場(chǎng)繳納現(xiàn)金，只需要在交話(huà)費(fèi)的同時(shí)將貨款一并結(jié)算即可，這種購(gòu)物方式雖說(shuō)不能夠顛覆傳統(tǒng)付費(fèi)模式，但也在一定程度上沖擊了傳統(tǒng)購(gòu)物模式的霸主地位。與此同時(shí)，中國(guó)自動(dòng)售貨機(jī)市場(chǎng)進(jìn)入全新的e時(shí)代購(gòu)物新模式。新平臺(tái)基于無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)庫(kù)存管理系統(tǒng)、電子結(jié)算、LCD大屏互動(dòng)廣告等幾大新型功能6。1.4 自動(dòng)售貨機(jī)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容本文主要研究利用自動(dòng)售貨機(jī)來(lái)完成商品選擇、投幣計(jì)次、出貨操作、led數(shù)碼管顯示等功能。主要完成了以下幾個(gè)方面的工作：1. 對(duì)自動(dòng)售貨機(jī)的研究背景及其研究意義做了簡(jiǎn)短的分析。2. 對(duì)設(shè)計(jì)中用的EDA技術(shù)以及Verilog HDL語(yǔ)言、Quarter軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)相關(guān)技術(shù)做了簡(jiǎn)單的介紹。3. 在對(duì)自動(dòng)售貨機(jī)的整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究梳理之后，提出了售貨機(jī)的整體設(shè)計(jì)方案。4，對(duì)各個(gè)子模塊功能的利用Verilog HDL語(yǔ)言程序的輸入的方式進(jìn)行了詳細(xì)的分析設(shè)計(jì)，并且對(duì)每一個(gè)子模塊進(jìn)行了仿真測(cè)試，對(duì)其相對(duì)應(yīng)的功能進(jìn)行了驗(yàn)證。5，最后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，對(duì)整個(gè)自動(dòng)售貨機(jī)的功能進(jìn)行了驗(yàn)證。4第二章 相關(guān)技術(shù)簡(jiǎn)介第二章 相關(guān)技術(shù)簡(jiǎn)介2.1 EDA技術(shù)簡(jiǎn)介 EDA（Electronic Design Automation）技術(shù)全稱(chēng)為電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)。這是一種高效的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具，是隨著集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展而應(yīng)運(yùn)而生的設(shè)計(jì)工具。它主要輔助設(shè)計(jì)以下三個(gè)方面的工作，一是集成電路設(shè)計(jì)，二是電子電路設(shè)計(jì)，三是印刷電路板設(shè)計(jì)。應(yīng)用EDA技術(shù)，可以在計(jì)算機(jī)環(huán)境下進(jìn)行模擬，檢驗(yàn)，布圖和測(cè)試。不僅可以節(jié)省開(kāi)發(fā)成本，還可以很大程度的提升各種設(shè)計(jì)的質(zhì)量。EDA技術(shù)的發(fā)展是與可編程邏輯器件，大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子設(shè)計(jì)技術(shù)同步的。EDA技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個(gè)階段，第一個(gè)階段是七十年代至八十年代的CAD（Computer Aided Design）階段，邏輯仿真，PCB設(shè)計(jì)以及IC版圖編輯均須設(shè)計(jì)人員手工進(jìn)行計(jì)算。第二階段是八十年代中后期的CAE(Computer Aided Engineering)階段6。較CAD 階段，增加了電路功能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且通過(guò)電氣連接將二者連接在一起，實(shí)現(xiàn)了工程設(shè)計(jì)。第三階段即九十年代的設(shè)計(jì)自動(dòng)化階段。此時(shí)的EDA技術(shù)已成一個(gè)完整的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)師僅需給出工程的性能指標(biāo)要求，EDA系統(tǒng)即可自動(dòng)給出相關(guān)設(shè)計(jì)方案。到了21世紀(jì)，EDA技術(shù)更是發(fā)生了翻天覆地的變化。各項(xiàng)技術(shù)均日益成熟。 現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)都需要借助計(jì)算機(jī)上的EDA相關(guān)軟件進(jìn)行，手工設(shè)計(jì)的時(shí)代已然被顛覆。EDA技術(shù)依賴(lài)性能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)。借助開(kāi)發(fā)平臺(tái)例如Quartus，輸入相應(yīng)的硬件描述語(yǔ)言程序，便能夠自動(dòng)的完成邏輯編譯，化簡(jiǎn)，分割，綜合，布局布線(xiàn)以及仿真測(cè)試，實(shí)現(xiàn)電子線(xiàn)路系統(tǒng)功能。EDA技術(shù)概括起來(lái)有以下幾個(gè)主要特點(diǎn)7。 一是硬件語(yǔ)言設(shè)計(jì)輸入。EDA系統(tǒng)輸入方式包含硬件描述語(yǔ)言輸入和原理圖輸入方式。而硬件語(yǔ)言輸入方式在工程設(shè)計(jì)中占比在百分之七十以上。硬件語(yǔ)言描述方式的突出優(yōu)點(diǎn)是:公開(kāi)可利用性，設(shè)計(jì)與工藝無(wú)關(guān)，描述能力強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的復(fù)用和繼承性好。二是自頂向下的設(shè)計(jì)方法。其突出優(yōu)點(diǎn)在于可以很大程度簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，有利于在早期發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤，提高設(shè)計(jì)的額一次成功率。三是邏輯綜合與優(yōu)化。其優(yōu)點(diǎn)在于將高層次的系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)的翻譯成門(mén)級(jí)電路描述，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)與工藝相互獨(dú)立。四是開(kāi)放性和標(biāo)準(zhǔn)性8。一個(gè)EDA系統(tǒng)只要建立了符合標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放式框架結(jié)構(gòu)，就可以與其他工廠的電子設(shè)計(jì)工具一起工作。這樣，設(shè)計(jì)者就可以充分利用相關(guān)資源，提高設(shè)計(jì)的質(zhì)量。五是豐富的庫(kù)。21世紀(jì)的EDA工具已經(jīng)形成了一個(gè)較完整的庫(kù)，包含了元器件圖形符號(hào)庫(kù)，元器件模型庫(kù)，工藝參數(shù)庫(kù)，標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)，可復(fù)用的電路模塊庫(kù)以及IP庫(kù)等等9。完整的庫(kù)文件可以很大程度的提高設(shè)計(jì)效率。2.2 Verilog HDL語(yǔ)言介紹 Verilog HDL和VHDL是目前世界上最流行的兩種硬件描述語(yǔ)言(HDL:Hardware Description Language),被廣泛地應(yīng)用于基于可編程邏輯器件的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)。二者都是在20世紀(jì)80年代中期開(kāi)發(fā)出來(lái)的,前者由Gateway Design Automation公司(該公司于1989年被Cadence公司收購(gòu))開(kāi)發(fā),后者由美國(guó)軍方研發(fā)10。Verilog HDL由C語(yǔ)言發(fā)展而來(lái)，繼承了C語(yǔ)言設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)介，高效和易用的特點(diǎn)。既可以用Verilog HDL語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行各種層次的邏輯設(shè)計(jì)，也可以進(jìn)行數(shù)字系統(tǒng)的仿真測(cè)試，時(shí)序分析和邏輯綜合。Verilog HDL語(yǔ)言已經(jīng)成為ASIC設(shè)計(jì)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)。適合于算法級(jí)，寄存器傳輸級(jí)，門(mén)級(jí)和版圖級(jí)燈各層次設(shè)計(jì)描述11。Verilog HDL語(yǔ)言主要功能有以下幾個(gè)：一是可描述順序執(zhí)行和并行執(zhí)行的程序結(jié)構(gòu)。二是使用延遲程序來(lái)清晰的表達(dá)控制過(guò)程的起止時(shí)間。三是提供了豐富的條件和循環(huán)程序結(jié)構(gòu)。四是提供了完整的一套表示組合邏輯基本原件的描述與。較之于VHDL語(yǔ)言，Verilog HDL語(yǔ)言屬于RTL硬件描述語(yǔ)言，只適合RTL級(jí)以及更低層次的門(mén)電路級(jí)設(shè)計(jì)。然而所有的硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)，最終都要轉(zhuǎn)換成門(mén)電路級(jí)才能夠?qū)崿F(xiàn)布局布線(xiàn)。所以Verilog HDL語(yǔ)言程序的綜合過(guò)程較VHDL簡(jiǎn)單12。2.3 Quartus軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái) Quartus是由Altera公司開(kāi)發(fā)的一種EDA工具，是經(jīng)過(guò)A+plus、然后到MAX+plus,再到MAX+plus發(fā)展而來(lái)的。Quartus支持多種輸入方式，例如原理圖輸入，硬件編程語(yǔ)言輸入等，在使用Quartus軟件時(shí)，它會(huì)將設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)好的硬件編程語(yǔ)言或者原理圖等自動(dòng)轉(zhuǎn)換目標(biāo)文件，最后將目標(biāo)文件下載到器件中。通過(guò)DSP Builder工具，Quartus能很好的跟Matlab、Simulink等結(jié)合起來(lái)，從而能夠方便快捷的實(shí)現(xiàn)不同的DSP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)13。因?yàn)橛兄?jiǎn)單直接的入口和很強(qiáng)的設(shè)計(jì)能力，以及使用靈活、方便快捷的優(yōu)點(diǎn)，所以很受廣大設(shè)計(jì)者的青睞14。Quartus軟件有以下特點(diǎn)：l 支持多平臺(tái)的設(shè)計(jì)輸入，結(jié)合其處理和驗(yàn)證功能使其成為一個(gè)全集化的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，讓開(kāi)發(fā)周期變短。l 是一個(gè)與結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的開(kāi)發(fā)工具，Quartus通過(guò)把Cyclone、APEX、Mercury等設(shè)計(jì)環(huán)境轉(zhuǎn)化為所需要的格式，真真正正的成為唯一一個(gè)與結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的開(kāi)發(fā)工具。l 具有很具有全面的可設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)資源，是一個(gè)集系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件開(kāi)發(fā)、邏輯設(shè)計(jì)于一體的綜合性開(kāi)發(fā)平臺(tái)。Quartus的編程設(shè)計(jì)流程圖所示： 圖2-17第三章 總體設(shè)計(jì)方案第三章 總體設(shè)計(jì)方案3.1 設(shè)計(jì)要求 1，自動(dòng)售貨機(jī)可售賣(mài)兩種飲料，包括cola型和diet型。 2，飲料價(jià)格均為兩元，顧客可投入兩個(gè)一元硬幣進(jìn)行購(gòu)買(mǎi)。 3，購(gòu)買(mǎi)途中，若按下取消鍵，自動(dòng)售貨機(jī)將無(wú)條件退幣。 4，選中飲料后，若投幣數(shù)量等于飲料價(jià)格，指示燈將被點(diǎn)亮。 5，退幣過(guò)程中以數(shù)碼管顯示的數(shù)字來(lái)指示退幣數(shù)量。 6，機(jī)器包含復(fù)位電路。3.2 總體方案設(shè)計(jì) 根據(jù)圖3-1功能流程圖，可具體將售貨機(jī)分成如下幾個(gè)模塊：投幣計(jì)次功能模塊，Led燈顯示功能模塊，無(wú)條件取消功能模塊以及貨品選擇出貨模塊。在此圖3-1方案中，自動(dòng)售貨機(jī)系統(tǒng)以FPGA作為處理和控制的核心，能夠完成貨物的信息存儲(chǔ)，進(jìn)程控制，硬幣處理和顯示等功能。系統(tǒng)根據(jù)用戶(hù)選擇的商品價(jià)格，并且能夠完成對(duì)用戶(hù)投入硬幣與貨物價(jià)格的數(shù)量比較，如用戶(hù)投入金額大于等于商品價(jià)格，則給出商品并計(jì)算找零，若金額不足則發(fā)出警告信號(hào)并退幣，取消本次操作。在購(gòu)買(mǎi)過(guò)程當(dāng)中，若用戶(hù)按下取消鍵，則系統(tǒng)無(wú)條件退幣并通過(guò)led顯示退幣數(shù)量。本設(shè)計(jì)包含兩個(gè)輸出口OUT與OUT1。OUT輸出口代表商品輸出情況。OUT1代表找零退幣情況，輸出產(chǎn)生上升沿脈沖即認(rèn)為輸出完成。用三位LED燈顯示商品輸出情況，位一位二分別代表cola與diet飲料的輸出狀態(tài)。9位3，4顯示投入的硬幣數(shù)量。a為硬幣輸入，系統(tǒng)通過(guò)信a產(chǎn)生的上升沿對(duì)硬幣金額進(jìn)行累加。由此根據(jù)金額總量輸出對(duì)應(yīng)商品。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的端口設(shè)置如下：1，輸入端口：1024Hz時(shí)鐘輸入，a硬幣輸入，reset取消，復(fù)位輸入端口，cola，die飲料選擇輸入端口。2，輸出端口：out飲料輸出端口，out1退幣指示端口，數(shù)碼管顯示端口，led商品指示輸出，投幣數(shù)量顯示。3，內(nèi)部可讀輸出端口：a1投幣計(jì)次信號(hào)。確定了系統(tǒng)的輸入輸出端口之后，以下詳細(xì)介紹系統(tǒng)內(nèi)部工作原理：當(dāng)系統(tǒng)受到reset信號(hào)之后，輸入輸出端口清零。當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始接受投幣之后，投幣計(jì)次電路開(kāi)始工作，系統(tǒng)每接受一個(gè)硬幣，a1累加一次，直至累加至2.當(dāng)投幣累加兩次之后，開(kāi)始選擇飲料類(lèi)別。在選擇一種飲料之后，等待下一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)上升沿，out輸出信號(hào)輸出為1.當(dāng)有飲料輸出時(shí)，led的低二位將顯示為何種飲料被售出，高二位將顯示投幣數(shù)量。在售賣(mài)過(guò)程中，若顧客中途取消交易，系統(tǒng)收到reset信號(hào)，七段數(shù)碼管將顯示應(yīng)退幣數(shù)量。輸出out也相應(yīng)的轉(zhuǎn)為零。11第四章 模塊設(shè)計(jì)及仿真測(cè)試第四章 模塊設(shè)計(jì)及仿真測(cè)試4.1投幣計(jì)次功能的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在1024Hz時(shí)鐘作用下對(duì)投幣信號(hào)a上升沿脈沖進(jìn)行累加寄存于a1當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)累加功能，流程圖如圖4-1所示。當(dāng)a等于1時(shí)，寄存器a1進(jìn)行加一操作，若a不等于1，則，不對(duì)a進(jìn)行任何操作。？圖4-1程序如下：if(a=1) /if語(yǔ)句判斷是否投入一元硬幣。a1=a1+1; /一元硬幣投入，a1在原來(lái)的值得基礎(chǔ)上加一。else a1=a1; /if語(yǔ)句不滿(mǎn)足，則對(duì)a1不進(jìn)行任何操作。仿真結(jié)果如圖4-2所示圖4-2由圖4-2可知當(dāng)a出現(xiàn)高電平時(shí)，a1在時(shí)鐘信號(hào)下一個(gè)clk上升沿到來(lái)時(shí)進(jìn)行加一操作，因?yàn)樗O(shè)計(jì)的商品價(jià)格均為兩元，故a1設(shè)為兩位寄存器類(lèi)型數(shù)據(jù)即可。由Quqrtus軟件內(nèi)部生成的RTL電路圖如圖4-3所示：圖4-34.2 led與數(shù)碼管顯示功能的實(shí)現(xiàn)顯示功能主要體現(xiàn)在對(duì)硬幣數(shù)量的顯示，以及售出商品對(duì)應(yīng)的商品led顯示。因開(kāi)發(fā)板至包含4位led。故改選用七段數(shù)碼管對(duì)退幣金額數(shù)量進(jìn)行顯示。若選擇cola型飲料，且金額滿(mǎn)足出貨條件，則led燈第一位及第四位被點(diǎn)亮。若選擇diet型飲料，則led第二位以及第四位被點(diǎn)亮。若輸入金額為零，則led 全滅。若輸入金額為一，則led第三位點(diǎn)亮。若購(gòu)買(mǎi)途中交易被取消，則一位七段數(shù)碼管顯示退幣金額。程序流程圖如圖4-4所示。顯示功能模塊程序如下:if(a1=2)/a1滿(mǎn)足商品價(jià)格，系統(tǒng)根據(jù)選擇的商品點(diǎn)亮不同的led燈begincase(cola,diet)2b01:led=4b1001;/選擇diet型飲料時(shí)，四位led顯示1001。2b10:led=4b1010;/選擇cola型飲料時(shí)，四位led顯示1010。default:led=4b1000;/其他不合法情況，四位led顯示1000。endcase？圖4-4 如果選擇cola型飲料，則當(dāng)a1滿(mǎn)足商品價(jià)格兩元時(shí)，led顯示10001；選擇diet型飲料則顯示1010。若不選擇飲料，投幣一元顯示0100，投幣兩元顯示1000。其他情況均顯示0000。 Cola型飲料仿真結(jié)果如圖4-5所示，四位led顯示1010。圖4-5 Diet型飲料仿真結(jié)果如圖4-6所示，四位led顯示1001。圖4-6 投幣不選擇飲料時(shí)的led顯示如圖4-7所示,當(dāng)a出現(xiàn)一個(gè)上升沿時(shí)，四位led顯示0100，當(dāng)a出現(xiàn)第二個(gè)上升沿時(shí)，四位led顯示1000。圖4-7由Quqrtus軟件內(nèi)部生成的RTL電路圖如圖4-8所示：圖4-84.3無(wú)條件取消功能的實(shí)現(xiàn)顧客在購(gòu)買(mǎi)商品的過(guò)程中，如果按下了reset按鍵，自動(dòng)售貨機(jī)系統(tǒng)將轉(zhuǎn)入無(wú)條件退幣程序。退幣過(guò)程中，七段數(shù)碼管將顯示應(yīng)退還的硬幣數(shù)量。若按下reset按鍵之前已投幣兩元，則在數(shù)碼管上顯示數(shù)字2。若在按下reset按鍵之前已投幣一元?jiǎng)t顯示數(shù)字1。其流程圖如圖4-9 所示。實(shí)現(xiàn)程序如下：if(reset)/檢測(cè)reset按鈕是否被按下，條件為真，執(zhí)行以下程序begincase(a1)0:duanxuan=8b11111100;/按下reset按鈕時(shí)，a1值為2，數(shù)碼管顯示數(shù)字21:duanxuan=8b01100000;/a1值為1，數(shù)碼管顯示數(shù)字12:duanxuan=8b11011010;/a1值為0，數(shù)碼管顯示數(shù)字0default:duanxuan=8b11111111;/其他不合法情況七段數(shù)碼管全亮endcase？圖4-9投幣兩元后按下reset按鈕的仿真波形如圖4-10所示，七段數(shù)碼管的值為11011010，其值為2:圖4-10 投幣一元后按下reset按鈕的仿真波形如圖4-11所示，數(shù)碼管顯示阿拉伯?dāng)?shù)字1，七段數(shù)碼管為01100000：圖4-11 不投幣按下reset按鈕后的仿真波形如圖4-12所示，七段數(shù)碼管的值為11111100，其值為0：圖4-12 其他不合法數(shù)值（例如a1值為3時(shí)）得顯示如圖4-13所示，七段數(shù)碼管的值為11111111：圖4-13由Quqrtus軟件內(nèi)部生成的RTL電路圖如圖4-14所示：圖4-144.4 貨品選擇出貨功能的實(shí)現(xiàn)當(dāng)a1滿(mǎn)足出貨條件時(shí)，若選擇diet型飲料，輸出口out輸出一個(gè)正脈沖。且四位led數(shù)值為1001。若選擇cola型飲料，輸出口out輸出一個(gè)正脈沖。四位led數(shù)值為1010。主體程序如下:if(a1=2)/若a1滿(mǎn)足出貨條件，則執(zhí)行下列程序begincase(cola,diet)01:begin out=1;led1:0=2b01;end/選擇diet型飲料，out=1，led1:0=01；10:begin out=1;led1:0=2b10;end/選擇cola型飲料。Out=1，led1:0=10default:begin out=0;led1:0=2b00;end/其他不合法情況，out=0，led1:0=00endcaseendelseout=0;led1:0=2b00;/a1不滿(mǎn)足出貨條件，out=0，led1:0=00 流程圖如圖4-15所示 圖4-15 選擇diet型飲料，當(dāng)a1滿(mǎn)足出貨條件時(shí)的仿真結(jié)果如圖4-16所示，out輸出一個(gè)正脈沖:圖4-16 選擇cola型飲料，當(dāng)a1滿(mǎn)足出貨條件時(shí)，out產(chǎn)生一個(gè)正脈沖，且led1:0=10，其仿真結(jié)果如圖4-17所示：圖4-17由Quqrtus軟件內(nèi)部生成的RTL電路圖如圖4-18所示：圖4-184.5 抖動(dòng)消除電路的實(shí)現(xiàn) 由于按鍵觸點(diǎn)存在彈性，當(dāng)按鍵被按下時(shí)，按鍵并不會(huì)馬上穩(wěn)定的接通，而是會(huì)出現(xiàn)一段時(shí)間的抖動(dòng)，在斷開(kāi)時(shí)也不會(huì)立即斷開(kāi)，情況也是如此。一般抖動(dòng)時(shí)間為5ms10ms，所以在做按鍵檢測(cè)時(shí)必須加入消抖程序15。一般按鍵消抖有兩種方案：一是延時(shí)重采樣，二是持續(xù)采樣。這里采用延時(shí)重采樣，當(dāng)檢測(cè)到key_in鍵被按下時(shí)，延時(shí)20ms后再次檢測(cè)該按鍵與20ms之前的結(jié)果相與之后若為1，則判定該按鍵被按下，相關(guān)程序?qū)⒃诟戒浿辛谐?6。23第五章 總體功能的設(shè)計(jì)與仿真第五章 總體功能的測(cè)試仿真 總體功能的實(shí)現(xiàn)是指當(dāng)所有部分功能綜合在一起構(gòu)成一個(gè)整體程序，總體實(shí)現(xiàn)所有設(shè)計(jì)目標(biāo)功能。在以下內(nèi)容中給出其仿真結(jié)果，總體程序見(jiàn)附頁(yè)。 選擇diet型飲料，a1=2滿(mǎn)足出貨條件，四位led燈顯示1001，其仿真結(jié)果如圖5-1所示。圖5-1 投入兩個(gè)硬幣之后按下reset按鍵后，數(shù)碼管顯示退幣兩元。仿真結(jié)果如圖5-2所示。圖5-2 投入一個(gè)硬幣之后按下reset按鍵，數(shù)碼管顯示退幣一元，輸出out為零，仿真結(jié)果如圖5-3所示。38第五章 總體功能的設(shè)計(jì)與仿真圖5-3 投入金額不足時(shí)，選擇cola型飲料，輸出out為零，led顯示0100。仿真波形如圖5-4所示。圖5-4 同時(shí)選擇兩種飲料時(shí)的仿真圖如圖5-5所示，有圖可知，當(dāng)同時(shí)選擇兩種飲料時(shí)，即使投入金額滿(mǎn)足出貨條件，輸出out依舊為零，且led顯示為1000，即無(wú)任何飲料杯售出，故滿(mǎn)足一次僅限購(gòu)買(mǎi)一種飲料的設(shè)計(jì)要求。圖5-5由Quqrtus軟件內(nèi)部生成的RTL電路圖如圖5-6所示：圖5-6結(jié)論結(jié)論 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)售貨機(jī)的發(fā)展方向也必將向著更加智能化和人性化轉(zhuǎn)化，從自動(dòng)售貨機(jī)基礎(chǔ)功能出發(fā)，本文在分析了自動(dòng)售貨機(jī)的功能特點(diǎn)后，以Quartus為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，通過(guò)EDA方法，使用Verilog HDL語(yǔ)言編程完成了自動(dòng)售貨機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在整個(gè)設(shè)計(jì)工作當(dāng)中，主要完成了以下兩個(gè)方面的工作；（1） 對(duì)自動(dòng)售貨機(jī)的發(fā)展背景及其現(xiàn)狀及研究意義進(jìn)行了總結(jié)和歸納,經(jīng)過(guò)總結(jié)可以發(fā)現(xiàn)高效智能,節(jié)能環(huán)保是現(xiàn)在起高科技設(shè)備發(fā)展的一個(gè)重要方向,而使用FPGA器件進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā),可以很大程度的節(jié)約開(kāi)發(fā)成本,運(yùn)營(yíng)成本,并且真正的實(shí)現(xiàn)了高效智能的系統(tǒng)效果,相比于單片機(jī)開(kāi)發(fā),FPGA器件在其器件集成度以及編程的高效性上明顯高于現(xiàn)目前的其他開(kāi)發(fā)方式,可以說(shuō),電子行業(yè)未來(lái)將向著FPGA開(kāi)發(fā)傾斜。完成了整個(gè)系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì),為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，特將系統(tǒng)劃分為五個(gè)模塊，在此基礎(chǔ)上分別對(duì)這五個(gè)模塊進(jìn)行了功能設(shè)計(jì)。（2） 利用Verilog HDL語(yǔ)言輸入的方式，對(duì)子模塊進(jìn)行了詳細(xì)的軟件的設(shè)計(jì)，并且分別完成了相應(yīng)的功能仿真測(cè)試，并且對(duì)每個(gè)功能模塊都進(jìn)行了仿真結(jié)果進(jìn)行分析。最后在綜合各個(gè)模塊的基礎(chǔ)上，對(duì)整個(gè)自動(dòng)售貨機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，通過(guò)各個(gè)模塊仿真測(cè)試以及整體系統(tǒng)的仿真測(cè)試結(jié)果可以看出，此次自動(dòng)售貨機(jī)的設(shè)計(jì)工作達(dá)到了最初的所有設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)功能要求。此次設(shè)計(jì)的自動(dòng)售貨機(jī)是初步具備售貨功能的簡(jiǎn)易售貨機(jī)，其功能較單一，只能對(duì)代之以按鍵的硬幣投入進(jìn)行識(shí)別，而且售賣(mài)的商品也只有兩種，但是這次設(shè)計(jì)也能收獲非常不錯(cuò)的影響，可以初步認(rèn)識(shí)自動(dòng)售貨機(jī)的工作流程，F(xiàn)PGA開(kāi)發(fā)的流程，為以后加入更加豐富的貨幣識(shí)別技術(shù)，豐富的商品售賣(mài)，創(chuàng)造更具吸引力的國(guó)產(chǎn)自動(dòng)售貨機(jī)打下良好基礎(chǔ)。 通過(guò)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的功能測(cè)試發(fā)現(xiàn)基于FPGA器件的自動(dòng)售貨機(jī)的工作性能是比較穩(wěn)定和可靠的，而且操作簡(jiǎn)單易掌握，實(shí)用性很強(qiáng)。由于經(jīng)驗(yàn)不足和時(shí)間原因，本文中對(duì)該自動(dòng)售貨機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也存在了一些不足之處。在本系統(tǒng)中，只設(shè)定了兩種商品，商品選擇功能不完善；購(gòu)買(mǎi)商品后的結(jié)算方式比較單一，只能現(xiàn)金支付，缺少例如IC卡支付，線(xiàn)上支付等智能支付方式。所有這些問(wèn)題會(huì)對(duì)在相關(guān)知識(shí)進(jìn)行更深入的學(xué)習(xí)后逐一解決，努力對(duì)該控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，使其更加完善。參考文獻(xiàn)（References）參考文獻(xiàn)（References）1 2016年版中國(guó)自動(dòng)售貨機(jī)市場(chǎng)現(xiàn)狀調(diào)研與發(fā)展趨勢(shì)分析報(bào)告J，1672385,20152 孔維東，邸國(guó)強(qiáng).利用VERILOG HDL實(shí)現(xiàn)自動(dòng)售貨功能J，中國(guó)科技投資，20133 張可兒.基于Verilog HDL自動(dòng)售貨機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)N，隴東學(xué)院學(xué)報(bào)，20124 王雯雋.基于Verilong-HDL自動(dòng)售貨機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)N，微型電腦應(yīng)用，20055 陳悅.自動(dòng)售貨機(jī)控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J，福建電腦，20156莊曉璐.全新E時(shí)代自助售貨機(jī)也可刷卡購(gòu)物J，上海信息化，2006,1672-8424，P84-P85.7 潘松等.EDA技術(shù)與VHDLM，北京：清華大學(xué)出版社8 黃智偉FPGA系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐M，北京：電子工業(yè)出版社，20049 孫涵芳.可編程邏輯器件M，北京：北京航空航天出版社10 潘松，黃繼業(yè).EDA技術(shù)實(shí)用教程（第二版）M，北京：科學(xué)出版社11 譚會(huì)生.EDA技術(shù)基礎(chǔ)M，湖南：湖南大學(xué)出版社12 張亦華. 數(shù)字電路EDA入門(mén)VHDL程序?qū)嵗疢，北京：北京郵電大學(xué)出版社13薛萍，陳海燕，裴樹(shù)軍.基于ISP芯片的可編程數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)J，電測(cè)與儀表，200214 盧毅，賴(lài)杰.VHDL與數(shù)字電路設(shè)計(jì)M，北京：科學(xué)技術(shù)出版社15馬俊興,呂寬州 .EDA技術(shù)的應(yīng)用J，河南教育學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)， 200116門(mén)良.基于FPGA的自動(dòng)售貨機(jī)N，中國(guó)科技博覽，201117鄒存名.基于DVI協(xié)議動(dòng)態(tài)全彩LED大屏幕發(fā)送卡設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，大連理工大學(xué)碩士論文，200718陳測(cè)庫(kù).高效Viterbi譯碼器