基于FPGA的自动售货机控制系统设计毕业论文.doc
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1、毕业设计(论文)题 目:基于FPGA的自动售货 机控制系统设计 专业:应用电子技术班级: 10222学 号: 39号姓 名: 指导老师: 成都工业学院二一三年五月论 文 摘 要随着电子技术的发展,当今数字系统的设计正朝着速度快,容量大,体积小,重量轻的方向发展,推动该潮流迅猛发展的引擎就是日趋进步和完善的ASIC设计技术,AISC芯片具有价格低,体积小,可靠性高等优点,目前在电子产品中已有广泛的应用,VHDL是一种用来描述数字逻辑系统的“编程语言”,它通过对硬件行为的直接描述来实现对硬件的物理实现,代表了当今硬件设计的发展方向。本文是在VHDL的基础上对自动售货机进行设计来实现其基本功能的,采
2、用了Altera的开发软件Quarts II。通过在该软件平台上进行数字电路设计和仿真的方法,阐述了VHDL(Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)超高速集成电路硬件描述语言的一些特点及语法结构,介绍了自动售货机的基本原理、系统组成和主要功能,并分析讨论了用VHDL语言开发自动售货机系统的设计流程。本设计采用VHDL硬件描述语言编程的设计方法设计系统核心电路的硬件程序,在Quartus II软件平台上进行编译和仿真。 文章首先简述了自动售货机系统的意义和发展现状以及VHDL语言的特点,然后介绍了自动售货
3、机的设计要求、设计思路,并给出了总体设计框图,通过分析设计写出VHDL程序源代码,将代码在Quartus II软件平台上进行编译仿真,波形基本符合设计要求。最终完成的自动售货机系统具有商品选择,投币处理、出货找零、异常退币等主要功能,整个系统的开发体现了在Quartus II软件平台上用VHDL设计数字控制系统的实用性。关键词:自动售货机,硬件描述语言VHDL, Quarts II,FPGAAbstractWith the development of electronic technology, todays digital system design is moving fast, lar
4、ge capacity, small size, light weight and direction of development, and promote the rapid development of the trend is increasingly the engine of progress and improvement of the ASIC design techniques, AISC chip has a low price, small size, high reliability, and is currently in electronic products ha
5、s been widely used, VHDL is a digital logic system used to describe the programming language, which acts by direct description of the hardware to the physical implementation of the hardware, the hardware design represents the current direction of development. This article is based on the VHDL design
6、 for vending machines to achieve its basic functions, using Alteras development software Quarts II. By the software platform for the digital circuit design and simulation method, elaborated VHDL (Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language) high-speed integrated circuit hardware
7、 description language, some characteristics and grammatical structures introduced the basic principles of automatic vending machine , system components and major functions, and analyzed and discussed using VHDL language development vending machine system design flow. The design uses VHDL hardware de
8、scription language design methods core of the system hardware circuit procedures, the Quartus II software platform to compile and simulation.The article first outlines the vending machine system development status as well as the meaning and characteristics of the VHDL language, then introduces the v
9、ending machine design requirements, design ideas, and gives the overall design diagram, through analysis and design to write VHDL source code , the code in the Quartus II software platforms compiled simulation, waveform basically meet the design requirements. The finished product selection system ha
10、s a vending machine, coin handling, shipping give change, unusual coin and other major features, reflects the development of the entire system in the Quartus II software platform design of digital control systems using VHDL practicality.Key Words: Vending machines, VHDL, FPGA, The Quartus II目录论 文 摘
11、要Abstract第1章 绪论11.1题目背景与选题意义:11.2设计方案比较与选择:21.3自动售货机控制电路的性能要求:2第二章 自动售货机控制电路总体设计3第三章 自动售货机控制电路各模块信号分析51.主分频器模块52.主控制器模块63.选择定时模块64.商品金额计算模块65.给钱处理模块76.找零出货模块7第四章 自动售货机控制电路的算法状态机图描述81.主控制器模块81.1商品种类选择控制状态机图81.2.商品数量选择控制状态机图81.3.启动/取消控制算法状态机图描述122. 选择定时模块12第五章 自动售货机控制电路各模块仿真结果及分析151.主分频器模块仿真波形:152.主控制
12、器模块仿真波形:153.选择的定时模块仿真波形:164.商品金额计算仿真波形:165.给钱处理模块仿真波形:166.找零出货模块仿真波形:177.顶层模块仿真波形:17第六章 自动售货机控制电路的具体VHDL描述181.主分频器模块182.主控制器模块193.选择的定时模块234,商品金额计算模块255,给钱处理模块276,找零出货模块287顶层文件29结束语32致谢33参考文献33第1章 绪论1.1题目背景与选题意义:随着电子技术的发展,当今数字系统的设计正朝着速度快,容量大,体积小,重量轻的方向发展,推动该潮流迅猛发展的引擎就是日趋进步和完善的ASIC设计技术。本数字系统的设计可以直接面向
13、用户需求,根据系统的行为和功能要求,自上至下地逐层完成相应的描述,综合,优化,仿真与验证,直到生成器件。上述设计过程除了系统行为和功能描述以外,其余所有的设计过程几乎都可以用计算机来自动地完成,也就是人们所谓的电子设计自动化,这样大大地缩短了系统的设计周期,以适应当今品种多,批量小的电子市场的需求,提高产品的竞争能力。VHDL是一种用来描述数字逻辑系统的“编程语言”,它通过对硬件行为的直接描述来实现对硬件的物理实现,代表了当今硬件设计的发展方向。第一,VHDL功能强大,灵活性强:VHDL具有功能强大的语言结构,可用简洁明确的代码描述来进行复杂控制逻辑的设计,并且它为了有效控制设计的实现,它还具
14、有多层次的设计描述功能,支持设计库和可重复使用的元件生成,它还支持阶层设计,并提供模块设计的创建,VHDL是一种设计,模拟,综合的标准硬件描述语言。第二,VHDL不依赖于器件设计:VHDL允许设计者生成一个设计,而并不需要首先选择一个用来实现设计的器件,对于同一个设计描述,可以采用多种不同的器件结构来实现其功能,若需要对设计进行资源利用和性能方面的优化,也并不是要求设计者非常熟悉器件的结构才行。第三,VHDL可移植性:VHDL的可移植性允许设计者对需要综合的设计描述进行模拟,在综合前对一个数千门的设计描述进行模拟,可以节约设计者可观的时间,在这时发现设计上的瑕疵,就能够在设计之前给予纠正,因为
15、VHDL是一个标准语言,故VHDL的设计 描述可以被不同的工具所支持,可以从一个模拟工具移植到另一个模拟工具,从一个综合工具移植到另一个综合工具,从一个工作平台移植到另一个工作平台去执行。第四,VHDL性能评估能力:非依赖器件的设计和可移植能力允许设计者采用不同的器件结构和不同的综合工具来评估设计,在设计者开始设计之前,无需了解将采用何种器件,设计者可以进行一个完整的设计描述,并且对其进行综合,生成选定的器件结构的逻辑功能,然后评估结果,选用最合适你设计需求的器件,为了衡量综合的质量,同样可以用不同的综合工具所得到的综合结果来进行分析和评估。第五,VHDL开发的产品上市时间快,成本低:VHDL
16、语言的设计将大大提高数字单片化的设计实现速度,它使设计描述快捷,方便,使设计的快速复制简便易行,VHDL和可编程逻辑的组合作为一类强有力的现场集成设计方式,将为设计者产品的上市带来创纪录的速度。鉴于VHDL具有以上诸多优点,只要开发者具备一定的高级语言程序设计基础,拥有Pascal、C等计算机高级语言的基础,同时又了解一些基本数字电路的设计方法,在此基础上来学习VHDL程序设计应该是比较容易的,可以轻松地掌握VHDL使硬件工作软件化。现代电子系统设计人员应该把VHDL语言作为一种基础知识来学习,并要求能够熟练地使用EDA的设计工具。1.2设计方案比较与选择:本文是在VHDL的基础上对自动售货机
17、进行设计来实现其基本功能的。由于以往的设计主要是通过两种方式:通过数字电路和模拟电路设计、基于单片机的设计。第一种方式的缺点既所设计的整体电路规模较大,所用的器件较多,造成故障率高,导致计价器不够准确;而基于单片机的设计,虽然其有着开发及制作成本低,能较大程度的利用资源,但其外围电路较多,且调试复杂,抗干扰能力差,且对设计者的要求比较高,设计者对软硬件都必须非常熟悉,由于主要是软件运作,容易出错,造成系统不稳定,可能会出现投入钱币却不出售货物的情况,导致计价器不够准确;而本文采用VHDL硬件描述语言将所有器件集成在一块芯片上,体积大大减小的同时还提高了稳定性,并且可应用EDA软件仿真,调试,易
18、于进行功能扩展,外围电路较少,采用硬件逻辑电路实现,其最大的优点是稳定性好,抗干扰能力强,非常适合作为自动售货机系统的控制核心,所以选择用VHDL来对自动售货机进行设计来实现其控制功能。1.3自动售货机控制电路的性能要求:1自动售货机能出售三种不同单价的货物,并且能对商品数量进行1,2,3个/瓶选择。2自动售货机给出30秒的选择时间,时间倒计时到系统进入停止状态,放弃购买操作。3系统上电复位后默认选择商品1,数量1,通过商品种类选择按键和商品数量选择按键来满足购买需要。每按一次按键转换一次,可多次进行循环选择。当购买结束后,自动返回初始设定状态,等待再次启动。4. 通过启动/取消复合按键,来启
19、动购买和取消购买,每按一次状态转换一次。5. 能识别1元,5元,10元纸币(本系统希望一次性投入大于选择商品金额的纸币,不给连续投币的机会)。第二章 自动售货机控制电路总体设计根据上述对自动售货机控制电路的性能要求,可以画出自动售货机总体结构框图和系统操作流程图,见下图。该控制器由六大模块组成:主分频器模块(sysclk_div):产生秒信号,用于选择的倒计时,当倒计时时间到,系统认为放弃选择操作,使系统能自动复位;只有在倒计时未到之内的选择有效。主控制器模块(main_control):它是自动售货机的主控制电路,控制商品种类选择,商品数量选择,启动/取消操作,和确认购买操作,以及对其它模块
20、的工作控制。选择的定时模块(timer_count):用于选择倒计时时间计算,当启动系统时,到计时开始计时,当取消或确认购买时,倒计时终止并且计时值清零,等待再次启动,又初始倒计时。商品金额计算模块(money_count):根据对商品的种类和数量的选择,计算出商品的总金额,它是在倒计时未到,系统启动并且确认购买的条件下工作的。给钱处理模块(give_money):处理顾客投入的金额,它也是在倒计时未到,系统启动并且确认购买的条件下工作的。找零出货模块(change_deliver):在对商品的实际金额和顾客投入的金额比较,判断投入金额是否大于商品实际金额后,若大于则出货并找零;若小于则推出顾
21、客投入的金额。自动售货机控制电路的结构框图:自动售货机总体结构框图自动售货机操作流程:系统先上电进入初始化状态,当顾客启动系统及开始购买时,系统进入倒计时选择商品状态,选择商品种类和商品数量,当对商品选择好了确认购买以后,系统进入投币状态,之后系统进入比较币价状态,及将顾客投入的金额与商品实际的金额进行比较,当大于商品价格时,系统进入出货商品状态,同时找零和退币;当小于商品价格时,系统直接进入找零,退币状态,退出顾客已投入的金额,之后系统结束自动购买等待系统再次启动。:系统操作流程图第三章 自动售货机控制电路各模块信号分析1.主分频器模块主分频器用来产生1秒的时钟供主控制器使用,本设计使用民用
22、的石英晶体,其振荡频率为76.8kHz。这样主分频器的分频系数为76800,现采用4个分频器构成主分频器的分频电路,分别是一个256分频器,2个10分频器和一个3分频器,主分频器结构如下:2.主控制器模块主控制器的功能是根据各输入按键的状态,输出对应的控制信号,控制选择定时模块,商品金额计算模块,给钱处理模块和找零出货模块的工作。主控制器的输入信号和输出信号如上述的结构框图,分别叙述如下:(1)输入信号: reset:上电复位输入; sysclk:系统时钟输入; start_cancel:启动与取消按键输入; quantity_sel:商品数量选择按键输入; type_sel:商品种类选择按键
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