基于FPGA的自動售貨機畢業(yè)設(shè)計

1、摘要本系統(tǒng)采用了Altera的開發(fā)軟件的Quarts II。該軟件平臺進行數(shù)字電路設(shè)計和仿真的方法;闡述了VHDL(Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language語言的一些特點及語法結(jié)構(gòu);介紹了自動售貨機系統(tǒng)的基本原理、系統(tǒng)組成和主要功能;并分析討論了用VHDL語言開發(fā)自動售貨機系統(tǒng)的設(shè)計流程。本設(shè)計利用Altera公司的開發(fā)軟件Quartus II平臺,采用VHDL硬件描述語言編程的設(shè)計方法設(shè)計系統(tǒng)核心電路的硬件程序,在Quartus II軟件平臺上進行編譯和電路仿真,最后生成的目標(biāo)文件下載到實驗臺內(nèi)的FPGA

2、芯片以實現(xiàn)該系統(tǒng),并在實驗臺上對設(shè)計進行了驗證。最終完成的自動售貨機系統(tǒng)具有投幣處理、商品選擇、購貨撤銷、異常退幣、計算存貨等主要功能,整個系統(tǒng)的開發(fā)體現(xiàn)了在Quartus II軟件平臺上用VHDL設(shè)計數(shù)字控制系統(tǒng)的實用性。關(guān)鍵詞:FPGA,EDA,VHDL,Quarts II,Altera,自動售貨機AbstractThis system uses a Altera development software Quarts II .It explains the characters and program structure of VHDL(Very High Speed Integrate

3、d Circuit Hardware Description Language,the basic principle and main functions of the automat system,and the design scheme based on VHDL language.The core circuit of the automat system is implemented by VHDL program,compiled and emulate on Quarus II platform of Altera.Finally,through the object code

4、s of the core circuit are downloaded into test instrument,the automat system is realized completely,and the validity of system design is verafiwd by the test platform.The finished automat system has the main functions of processing the thrown coin,goods choice,purchases abolishing,drawing back the c

5、oin,calculating goods in stock and so on.The whole system development manifests the practicability of designing the numerical control system on the Quartus II software platform with VHDL.Key Words:FPGA,EDA,VHDL,Quarts II,Altera,Vedingmachine目錄1引言 (12硬件系統(tǒng)的設(shè)計 (12.1芯片的選擇 (12.2時鐘發(fā)生器 (12.3電源電路 (12.4鍵盤的設(shè)計

6、 (22.5顯示器設(shè)計 (23軟件系統(tǒng)設(shè)計 (23.1設(shè)計思想 (23.1.1功能要求 (23.1.2總體思想 (23.1.3控制狀態(tài)的設(shè)計 (33.1.4設(shè)計流程圖 (33.2模塊分類 (43.2.1投幣模塊 (43.2.2商品選擇模塊 (53.2.3分頻模塊 (63.2.4計數(shù)模塊 (73.2.5出貨模塊 (73.2.6顯示模塊 (83.2.7主控模塊 (94結(jié)果分析與討論 (11參考文獻 (12致謝 (13附錄1:硬件原理圖 (14附錄2:軟件程序 (151 引言自動售貨機是能根據(jù)投入的錢幣自動付貨的機器。自動售貨機是商業(yè)自動化的常用設(shè)備,它不受時間、地點的限制,能節(jié)省人力、方便交易。一

7、般的自動售貨機由錢幣裝置、指示裝置、貯藏售貨裝置等組成。錢幣裝置是售貨機的核心,其主要功能是確認(rèn)投入錢幣的真?zhèn)?分選錢幣的種類,計算金額。如果投入的金額達到購買物品的數(shù)值即發(fā)出售貨信號,并找出余錢。指示裝置用以指示顧客所選商品的品種。貯藏售貨裝置保存商品,接收出售指示信號,把顧客選擇的商品送至付貨口。一般售貨機的錢幣裝置由投幣口、選別裝置、確認(rèn)錢幣真?zhèn)蔚臋z查裝置、計算金額的計算裝置和找錢裝置組成。從西歐、北美、日本和韓國等地區(qū)和國家的情況來看,自動售貨機在人們?nèi)粘Ｉ钪邪缪菰絹碓街匾慕巧Ｆ洚a(chǎn)品特點是科技含量高;24 小時服務(wù),售貨便利;無需專人盯守,省人工,省成本;售貨范圍廣泛;此外還是一

8、種新穎獨特的廣告媒體。目前,隨著移動商務(wù)的發(fā)展,自動售貨機作為一種方便、直觀的移動商務(wù)工具,開始在全球各地迅速普及和發(fā)展1。2 硬件系統(tǒng)的設(shè)計本控制系統(tǒng)的硬件外圍設(shè)備分為:外部存儲器,外部電源,晶振信號發(fā)生器,以及FPGA芯片,LED外部顯示燈,出貨裝置。2.1 芯片的選擇本文所用到的FPGA芯片為,Altera生產(chǎn)的EPF10K10LC84 芯片, EPF10K10LC84-4是一種復(fù)雜可編程邏輯器件,另外還有其它類型的管腳和封裝,選擇性強2。2.2 時鐘發(fā)生器自動售貨機的控制系統(tǒng)需要一個時鐘信號,我們選用的是6MHz的時鐘信號。其中用兩個振蕩器以及兩個電阻可以完成我們所需要的設(shè)定。日常所用

9、到的電源為220V電壓的電源,但是本課題中自動售貨機所需要的電壓為5V,因此我們需要設(shè)定一個變壓電路來完成所需的電壓。在這部分電路我們用到了一個變壓器,一個整流橋,一個濾波電路,一個穩(wěn)壓器完成為5V電壓的電源。2.4 鍵盤的設(shè)計自動售貨機需要一個顯示燈,當(dāng)購物結(jié)束后顯示器顯示找零錢數(shù)額。對于顯示器的顯示數(shù)字情況,將在下文軟件系統(tǒng)中的顯示模塊進行闡述。3軟件系統(tǒng)設(shè)計軟件系統(tǒng)分為總體思想與模塊的分類。3.1.1 功能要求1.該系統(tǒng)能完成對貨物信息的存儲、進程控制、錢幣處理、余額計算和顯示功能。2.舉例說明:如果自動售貨機能夠銷售4種商品:熱狗(1元,漢堡包(4元,雙層漢堡包(8元,飲料(3元數(shù)量無

10、限。自動售貨機允許投入1元,2元,5元硬幣:當(dāng)總幣值等于顧客需要的商品單價時,機器送出需要的商品:若總幣值大于顧客需要的商品單價時,機器除提供所需商品外,并將余幣退出;若總幣值小于顧客需要的商品單價時,機器退出顧客投入的硬幣。設(shè)機器內(nèi)1元和2元的找零硬幣無限。3.每次投幣的時間有限制,不得超過30秒,在時間到時,總幣值不足顧客購買的商品單價時,自動售貨機按不足錢數(shù)處理,退還全部硬幣。或者在設(shè)定時間內(nèi),總幣值不足顧客購買的商品單價時,若需要取消交易則可按取消鍵,售貨機按不足錢數(shù)處理,退還全部硬幣。4.當(dāng)顧客完成一次購買后或按錯按鈕后,需要設(shè)置一個重新開始按鈕,使整個系統(tǒng)恢復(fù)到初始狀態(tài)。5.顧客一

11、次只能購買一種商品的一個,若需要更多商品,需要重復(fù)操作4。3.1.2 總體思想自動售貨機包括四個商品,依據(jù)四種商品分別設(shè)為四個按鈕,A1,A3,A4,A8。當(dāng)顧客選擇其中的一種商品時,售貨機發(fā)送出一個信號按鈕不再生效,用一個LED 燈顯示。設(shè)置三個按鈕:a1,a2,a5來表示投入的硬幣是1元、2元、5元。當(dāng)顧客投入的硬幣大于或等于售價時將不再接受硬幣,用一個LED 燈顯示。當(dāng)顧客確定某種商品且投入了足額的硬幣,投幣時限到時,投幣窗口找零,用七段顯示管顯示找零數(shù),同時送出商品,指示燈out 亮5。3.1.3 控制狀態(tài)的設(shè)計此售貨機分為三種狀態(tài):初始狀態(tài),投幣狀態(tài),找零狀態(tài)。1.初始狀態(tài):當(dāng)售貨機

12、通電后進入初始狀態(tài),顧客購買時,可根據(jù)選擇xuan_rg,xuan_yl,xuan_hb,xuan_schb 鍵購買商品,從而進入下一狀態(tài)。當(dāng)顧客購買錯誤或不再購買時按下start 重新進入初始狀態(tài)。2.投幣狀態(tài):在這個狀態(tài)時xuan_rg,xuan_yl,xuan_hb,xuan_schb 鍵失效。投入錢(1元,2元,5元,當(dāng)投入硬幣等于或者超過商品價格時進入下一狀態(tài)。投幣時間 為30秒超過30秒,售貨機拒絕接受錢幣。3.找零狀態(tài):投幣結(jié)束,售貨機自動判別總錢數(shù),若在時限到來之際,總錢數(shù)少于顧客所需商品的單價,則退出錢幣,用LED 顯示退錢數(shù)。若大于或等于商品數(shù)則通過控制系統(tǒng)找零,用LED

13、顯示找零數(shù),送出商品6。3.1.4 設(shè)計流程圖系統(tǒng)設(shè)計流程圖,如圖3-1所示。圖3-1 系統(tǒng)設(shè)計流程示意圖 是是否 否 否 是熱狗 飲料 漢堡 投幣計算金額 金額物價 繼續(xù)投幣確認(rèn)購買 出貨找零 退幣結(jié)束雙層漢堡開始3.2 模塊分類此售貨機模塊包括:投幣處理模塊,商品選擇模塊,投幣模塊,分頻模塊,控制器模塊,計時模塊,LED燈顯示模塊,找零模塊,出貨模塊,如圖3-2所示。 圖3-2 模塊示意圖3.2.1 投幣模塊自動售貨機能夠自動計算投入的錢幣數(shù)目,需要提供一個寄存器來記錄并保存投入的總幣值。此模塊有六個輸入信號以及兩個輸出信號:qian1,qian2,qian5為不同數(shù)額錢幣輸入信號;en1

14、為主控模塊所發(fā)出的信號,當(dāng)en1信號為1的時候,投幣模塊開始工作;reset為恢復(fù)初始信號,當(dāng)reset信號為1 的時候投幣模塊不進行工作;en 為給計時器的輸出信號,當(dāng)en為1的時候計時器開始工作;bi為輸出的錢幣數(shù)目。通過程序所得到的仿真圖如下所示7。1.當(dāng)reset輸入為0,輸入為5元2元1元時,輸出結(jié)果為7。仿真結(jié)果如圖3-3所示。 圖3-3 reset輸入為0時的仿真結(jié)果2.當(dāng)reset輸入為1時,輸入5元,2元,1元,bi輸出應(yīng)為0。仿真結(jié)果如圖3-4所示。 圖3-4 reset輸入為1時的仿真結(jié)果3.2.2 商品選擇模塊自動售貨機的商品選擇模塊,通過自動售貨機上的四個選擇按鍵完成

15、商品選擇,在接收到對應(yīng)四個商品之一的一個選擇信號時進行編譯,將被選擇的商品進行編碼,輸入到主控模塊中,在主控模塊中與所接受的錢幣進行對與計算。輸入信號為a1,a2, a3,a8。而xuan_rg,xuan_hb,xuan_yl,xuan_schb為四個輸出信號,與出貨模塊連接。reset 與en2信號來自主控模塊,當(dāng)reset為1時模塊進入初始狀態(tài),進行選擇。當(dāng)en2為1時,商品可以進行選擇,當(dāng)en2為0時,四個商品選擇鍵無效8。商品選擇模塊如圖3-5所示。 圖3-5 商品選擇模塊通過程序所得仿真結(jié)果如下:1.當(dāng)reset輸入為1,en2輸入為0,a8輸入為1時,d輸出應(yīng)當(dāng)為0,仿真結(jié)果如圖3

16、-6所示。 圖3-6 reset輸入為1,en2輸入為0,a8輸入為1時的仿真結(jié)果2.當(dāng)reset輸入為0,en2輸入為0,a8輸入為1時,d輸出為0,仿真結(jié)果如圖3-7所示。 圖3-7 reset輸入為0,en2輸入為0,a8輸入為1時的仿真結(jié)果3.當(dāng)reset輸入為0,en2輸入為1,a8輸入為1時,d輸出為8,xuan_schb輸出為1,仿真結(jié)果如圖3-8所示。 圖3-8 en2輸出為2時的仿真結(jié)果3.2.3 分頻模塊號,分頻后為6.0us為一周期的信號,時鐘輸入信號為clk,輸出信號為newclk,分頻模塊如圖3-9所示。 圖3-9 分頻模塊通過程序所得到的仿真結(jié)果如下:當(dāng)clk第15

17、輸出為上升沿時,newclk輸出為1,仿真結(jié)果如圖3-9所示。 圖3-10 newclk輸出為1時的仿真結(jié)果由于課題要求自動售貨機控制系統(tǒng)有定時系統(tǒng),并限定在30s內(nèi)完成投幣,30s 之后投幣無效,因此需要設(shè)定一個計數(shù)模塊對投幣時間進行限制。en為接受信號,當(dāng)投幣開始時投幣模塊發(fā)出信號,計數(shù)模塊開始工作,當(dāng)計數(shù)到30時向控制模塊發(fā)出t信號。Clr為控制器發(fā)送給計數(shù)模塊的一個信號,當(dāng)clr為1時,計數(shù)器歸零。Clk 為分頻模塊發(fā)送的時鐘信號。計數(shù)模塊如圖3-11所示。 圖3-11 計數(shù)模塊3.2.5 出貨模塊出貨模塊是自動售貨機給出相關(guān)貨物的信號,本課題要求貨物為四個商品,因此出貨模塊有5個輸入

18、信號,xuan_rg,xuan_sb,xuan_yl,xuan_schb,為所購商品的輸入信號,en為控制模塊所給的信號當(dāng)en=1時出貨模塊開始工作,然后對顧客所選擇貨物進行出貨10。出貨模塊有四個輸出信號為所選擇的貨物的輸出信號。出貨模塊如圖3.12所示。 圖3-12 出貨模塊出貨模塊的仿真結(jié)果如下:1.當(dāng)輸入信號en為1,xuan_rg信號為1時,chu_rg信號為1,仿真結(jié)果如圖3-13所示。 圖3-13 chu_rg信號為1時的仿真結(jié)果2.當(dāng)輸入信號en為0,xuan_rg信號為1時,chu_rg信號為0,仿真結(jié)果如圖3-14所示。 圖3-14 chu_rg信號為0時的仿真結(jié)果顯示模塊

19、的作用是對購物結(jié)束后的所需找零數(shù)目進行顯示。找零顯示模塊的輸入端接收來自控制模塊的輸入信號,輸出端外接LED顯示燈,由于找零的數(shù)目為范圍為0至8,因此只需要一個LED顯示燈,輸出信號為a,b,c,d,e,f,g。找零顯示模塊如圖3-15所示。 圖3-15 顯示模塊當(dāng)輸入信號di為2時,g輸出為1,f輸出為0,e輸出為1,d輸出為1,c輸出為0,b輸出為1,a輸出為1,仿真結(jié)果如圖3-16所示。 圖3-16 di輸入為2時的仿真結(jié)果3.2.7 主控模塊主控模塊為自動售貨機控制系統(tǒng)的核心部分,在主控模塊中將輸入的錢幣數(shù)目(b與商品的價格(d進行對比,然后進行找零并發(fā)出出貨信號。輸入信號t為計時信號

20、,當(dāng)時間超過30s時,商品不再接受貨幣。Clk為控制系統(tǒng)的時鐘信號。輸出信號di,c分別為找零顯示模塊的輸入信號與找零信號。en為控制出貨模塊的信號,當(dāng)en值為1時,確認(rèn)出貨模塊可以輸出商品。Start為復(fù)位信號,當(dāng)start值為1時,自動售貨機回到初始狀態(tài)。Clr為計數(shù)模塊的控制信號,當(dāng)收貨完成后,Clr輸出為1,計數(shù)模塊回到初始狀態(tài)歸零。en1與en2分別為投幣模塊與商品選擇模塊的控制信號,當(dāng)en1為0時,投幣模塊不工作,當(dāng)en2為0時商品選擇模塊不工作。主控模塊如圖3-17所示。 圖3-17 主控模塊主控模塊的仿真結(jié)果如下:1.當(dāng)start輸入為0,t輸入為0,b輸入為5,d輸入為4時,

21、c輸出為1,clr輸出為1,en輸出為1,en1輸出為1,reset輸出為1,仿真結(jié)果如圖3-18所示。 圖3-18c輸出為1,clr輸出為1,en輸出為1,en1輸出為1,reset輸出為1時的仿真結(jié)果。2.當(dāng)start輸入為0,t輸入為1時,b輸入為5,當(dāng)輸入為4時(b=d,c輸出為1,en輸出為0,en1輸出為0,clr輸出為1,en2輸出為0,仿真結(jié)果如圖3-19所示。 圖3-19 c輸出為1,en輸出為0,en1輸出為0,clr輸出為1,en2輸出為0 時的仿真結(jié)果。4 結(jié)果分析與討論通過設(shè)計簡單的自動售貨機,詳細(xì)了解了自動售貨機的投幣模塊,商品選擇模塊,主控模塊等模塊的軟件設(shè)計與實

22、現(xiàn)主要功能的模塊的仿真。經(jīng)過仿真與實踐,整個系統(tǒng)的工作穩(wěn)定可靠,具有較強的適應(yīng)性,當(dāng)需要增加商品時,此控制系統(tǒng)只需增加相對的輸入信號,硬件原有的電路不應(yīng)改變,因此在自動售貨機行業(yè)可以得到廣泛的應(yīng)用。不過缺點是只能完成相對比較簡單的自動售貨機功能,實現(xiàn)金額計算,發(fā)放商品,找零,退幣等功能。由于其中是商品存貨無限,找零無限,因此不會出現(xiàn)找零錢幣與商品存貨的不足的情況。解決辦法是通過增加模塊,與輸入信號來解決。仿真過程中遇到的問題主要有:1、在仿真過程中由于原有時鐘信號分頻模塊仿真時間過長,因此用頻率相對較小的晶振進行代替仿真。2、仿真過程中找零所得錢幣數(shù)目不能達到預(yù)期效果,通過調(diào)整主控模塊程序已得

23、到解決。參考文獻致謝本課題在選題及研究過程中得到朱永琴老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。她嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度,嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神,精益求精的工作作風(fēng),深深地感染和激勵著我。從課題的選擇到項目的最終完成,朱老師都始終給予我細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持。在此謹(jǐn)向朱老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。同時我要感謝同學(xué)們對我做畢業(yè)設(shè)計期間的幫助,由于他們的熱情幫助促使我能在規(guī)定時間內(nèi)完成我所做的課題,對于同學(xué)們的幫助我深懷感激之情。附錄1:硬件原理圖 附錄2:軟件程序投幣模塊主要程序如下:library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity toubi isport (a1,a

24、2,a5,en1,clk,reset:in std_logic;bi:out integer range 0 to 15;en:out std_logic;end toubi;architecture a of toubi issignal state:integer range 0 to 1;beginprocessvariable qian:integer range 0 to 15;beginwait until clk=1and clk event;if reset=1 then state=0;bi=0;qian:=0;enif en1=1 then if a1 =1 then st

25、ate=1;bi=1;qian:=1;en=1;elsif a2=1 then state=1;bi=2; qian:=2;en=1;elsif a5=1 then state=1;qian:=5;bi=5;enif en1=1 then if a1=1 then qian:=qian+1;bi=qian;en=1; elsif a2=1 then qian:=qian+2;bi=qian;en=1;elsif a5=1 then qian:=qian+5;bi=qian;en=1;end if;商選擇模塊主要程序如下:library ieee;USE ieee.std_logic_1164.

26、ALL;ENTITY yima ISPORT( a1,a3,a4,a8,en2,reset : IN STD_LOGIC;xuan_rg,xuan_yl,xuan_hb,xuan_schb:OUT STD_LOGIC;d: OUT integer range 0 to 8 ;END yima;ARCHITECTURE a OF yima ISBEGINprocess(a1,a3,a4,a8beginif reset=0 thenif a1=1 and en2=1 thend=1;xuan_rg=1;xuan_yl=0;xuan_hb=0;xuan_schb=0; elsif a3=1thend

27、=3;xuan_yl=1;xuan_rg=0;xuan_hb=0;xuan_schb=0; elsif a4=1 and en2=1 thend=4;xuan_hb=1;xuan_yl=0;xuan_schb=0;elsif a8=1 and en2=1 thend=8;xuan_schb=1;xuan_yl=0;xuan_rg=0;xuan_hb=0; else d=0;xuan_schb=0;xuan_yl=0;xuan_rg=0;xuan_hb=0; end if;else d=0;xuan_schb=0;xuan_yl=0;xuan_rg=0;xuan_hb=0;end if;end

28、process;END a;分頻模塊主要程序如下:LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY fenpi ISPORT(CLK:IN STD_LOGIC;NEWCLK:OUT STD_LOGIC;END fenpi;ARCHITECTURE a OF fenpi ISSIGNAL Q:INTEGER RANGE 0 TO 14;SIGNAL DIVCLK: STD_LOGIC;BEGINPROCESS(CLKBEGINIF CLKEVENT AND CLK=1 THENIF Q 14 THEN Q =Q+1;ELSE DIVCLK = NOT

29、 DIVCLK;Q =0;END IF;END PROCESS;NEWCLK = DIVCLK;END a;計數(shù)模塊主要程序如下:library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity jishu isport(clk,en,clr: in std_logic;t: out std_logic;end jishu;architecture a of jishu issignal bcd1n: std_logic_vector(3 downto 0;beginif (clr=1 thenbcd

30、1n=0000;elsif(clkevent and clk=1 thenif (en=1 thenif (bcd1n=1001 thenbcd1n=0000;elsebcd1n=bcd1n+1;end if;end process;process (clk,en,clrbeginif(clr=1 thencd10n=000;elsif (clkevent and clk=1 thenif (en=1 and bcd1n=1001 thenif (bcd10n=011 thenbcd10n=000;elseif (en=1 and bcd10n=011 thent=1;elset=0;end

31、if;end process;end a;此段程序為十位計數(shù)的情況,當(dāng)bcd為011(30時發(fā)生進位,然后bcd10n歸零。出貨模塊主要程序如下:library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;ENTITY chuhuo ISPORT(xuan_rg,xuan_hb,xuan_yl,xuan_schb,en3 : IN STD_LOGIC;chu_rg,chu_hb,chu_yl,chu_schb:OUT STD_LOGIC;END chuhuo;ARCHITECTURE a OF chuhuo ISBEGINprocessbeginif en3=0 then

32、chu_rg=0; chu_hb=0;chu_schb=0;chu_yl=0;elseif xuan_rg=1then chu_rg=1; chu_hb=0;chu_schb=0;chu_yl=0; elsif xuan_hb=1 then chu_rg=0; chu_hb=1;chu_schb=0;chu_yl=0; elsif xuan_schb=1 then chu_rg=0; chu_hb=0;chu_schb=1;chu_yl outp:=1111110; WHEN 1 = outp:=0110000; WHEN 2 = outp:=1101101; WHEN 3 = outp:=1111001; WHEN 4 = outp:=0110011; WHEN 5 = outp:=1011011; WHEN 6 = outp:=1111110; WHEN 7 = outp:=1011111; WHEN 8 = outp:=111