【正文】 引進(jìn)和學(xué)習(xí) EDA 設(shè)計(jì)技術(shù)。 EDA 技術(shù)就是使用 VHDL 語言來進(jìn)行硬件描述完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與仿真 [4]。完成后在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行編譯、仿真、簡(jiǎn)化、優(yōu)化、布局等一系列的工作，直到對(duì)特定芯片進(jìn)行編譯、映射、仿真等工作。 EDA 技術(shù)的發(fā)展使得在電子設(shè)計(jì)中的使用范圍和頻率越來越高。同時(shí)在設(shè)計(jì)中使用 EDA 能夠帶來更高的效率，為開發(fā)者帶來極大的方便和支持。而在使用 EDA 進(jìn)行 VHDL 語言編程時(shí)，開發(fā)者可以根據(jù)自己的設(shè)計(jì)思想對(duì)硬件功能進(jìn)行賦予，在開發(fā)產(chǎn)品上有很大的自由性。而通過 EDA 設(shè)計(jì)，大 部分的 4 工作都由軟件來完成無需人工去解決，減少了設(shè)計(jì)中的不少工作量以及提高了工作的效率。 發(fā)展到現(xiàn)在 EDA 技術(shù)的適用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，在各大領(lǐng)域以及設(shè)計(jì)中都有所使用。主要集中在電子、通信、機(jī)械制造、工業(yè)控制等領(lǐng)域。 EDA 在各大高校、各大公司等都有所使用。例如，街頭常見的販賣機(jī)、售票機(jī)、售貨機(jī)等，都有 EDA 設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。在一個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、性能測(cè)試、設(shè)計(jì)成果仿真模擬都有可能用到 EDA 技術(shù)。EDA 技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)作為平臺(tái)，使用硬件語言來編程控制，最終實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的一門現(xiàn)代技術(shù)。使用 EDA 工具，開發(fā)者可以進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、測(cè)試 以及成果仿真。全程提高工作效率，開發(fā)過程中實(shí)現(xiàn)很多工作的智能化，由計(jì)算機(jī)來處理。這樣不僅使得效率有所提高，更重要的是通過計(jì)算機(jī)處理這樣準(zhǔn)確性也得到了保證。 VHDL 簡(jiǎn)介 VHDL 語言從功能上來說非常強(qiáng)大，作為硬件描述語言其在設(shè)計(jì)上可以完成對(duì)硬件的編程，同時(shí)使用起來不復(fù)雜易于使用。設(shè)計(jì)中模塊化結(jié)構(gòu)分明，簡(jiǎn)潔易讀易懂，絕對(duì)可以說是一門很成功的編程語言 [5]。 同時(shí)， VHDL 語言具有易于修改、支持范圍廣泛等特點(diǎn)，并且其已經(jīng)被 IEEE 定位為標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言。這使得 EDA 以及 VHDL 語言的未來一片光明，發(fā)展 前景非?？捎^。因其模塊化的編程結(jié)構(gòu)思想使得程序易于修改并且可讀性較強(qiáng)。在硬件控制能能力上來說， VHDL 語言能基本實(shí)現(xiàn)我們所能使用到的硬件控制功能。并且語言描述完成后，其支持很多的硬件結(jié)構(gòu)，可以通過選擇不同的硬件結(jié)構(gòu)來對(duì)其進(jìn)行仿真。從另一個(gè)側(cè)面來說，也就是該硬件描述語言 VHDL 的移植性較強(qiáng)，可以使用在不同的硬件結(jié)構(gòu)上。設(shè)計(jì)人員不同考慮設(shè)計(jì)后我們所要完成的器件，只要考慮設(shè)計(jì)即可進(jìn)行。這些都是得益于其超強(qiáng)的移植能力。而模塊化編程思想更是一大進(jìn)步和優(yōu)點(diǎn)，這使得設(shè)計(jì)模塊時(shí)我們可以使用之前設(shè)計(jì)好的模塊以及本次設(shè)計(jì)模塊也 可以供以后設(shè)計(jì)時(shí)使用。從而極大程度的來節(jié)省了重復(fù)開發(fā)的時(shí)間和精力。同時(shí)，模塊化的編程易于管理和日后修改 [67]。 在當(dāng)今的社會(huì)背景下，信息化、智能化是未來的發(fā)展方向，隨著科技水平的提高許多需要人力解決的事情逐漸的將會(huì)被及其所取代。而本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的售票機(jī)也是社會(huì)發(fā)展的產(chǎn)物，同樣也是人工轉(zhuǎn)變成機(jī)器化的體現(xiàn)。而在當(dāng)今時(shí)代下，使用售票機(jī)購票已經(jīng)成為當(dāng)今的一大時(shí)尚亮點(diǎn)。也是人們對(duì)于現(xiàn)代化購票機(jī)制以及設(shè)計(jì)人員開發(fā)成果的一種體驗(yàn)和享受。同時(shí)，使用售票機(jī)可以方便的購票，特別是不用人人都去車站排隊(duì)買票一樣。簡(jiǎn)單的操作即可獲得 ，逐漸的深受廣大人民的喜愛 [8]。 目前，在許多大城市，以及一些大型商場(chǎng)、學(xué)校、以及發(fā)達(dá)人多的地方都有售票機(jī)的擺放。解決人流量大，需求量大的購票問題。這些文明成果已經(jīng)成為城市的必需品和常用品了。而這些售票機(jī)方便大家，同時(shí)也提高了效率，目前已在全國(guó)各大城市 5 普及，尤其是在發(fā)達(dá)城市的地鐵站內(nèi)。在生活節(jié)奏快的時(shí)代里，解決了人多排隊(duì)長(zhǎng)、上班遲到、上學(xué)匆忙買票不方便等一系列的因素。 同時(shí)也減少了人工售票花費(fèi)的工作人力，提高了工作效率，也方便了人們。因?yàn)槭袌?chǎng)對(duì)這樣產(chǎn)品的極力需求，使得其市場(chǎng)一片廣闊，此設(shè)計(jì)的意義也就在此處。 VHDL 語言的各種有點(diǎn)使得我們不得不信VHDL 的前景很好，而各種基于 VHDL 的設(shè)計(jì)也必將得到廣泛的推廣和使用 [9]。 2 設(shè)計(jì)要求和分析 設(shè)計(jì)要求 此設(shè)計(jì)是使用 EDA技術(shù)設(shè)計(jì)地鐵售票機(jī)，完成其各種售票功能的仿真。按照預(yù)定功能使用 VHDL語言進(jìn)行設(shè)計(jì)，再使用 maxplusⅡ 軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)產(chǎn)品功能的仿真與驗(yàn)證。最后并進(jìn)行系統(tǒng)的語言描述組織，完成論文設(shè)計(jì)的編寫 [10]。 本設(shè)計(jì)要求售票機(jī)設(shè)計(jì)出兩個(gè)投幣口，其一為硬幣的投入口，其二為紙幣的識(shí)別口。而其中硬幣的識(shí)別范圍本設(shè)計(jì)中可以識(shí)別 5角和 1元硬幣的投入。而紙幣 的設(shè)計(jì)識(shí)別范圍為 1元、 5元、 10元。當(dāng)乘客按下開始購票按鈕進(jìn)行購票，此時(shí)只能選擇一個(gè)出站口，根據(jù)選站的不同票價(jià)不同。設(shè)計(jì)中共設(shè)有 16站，乘坐 18站為 2元票， 816站位4元票。乘客購票時(shí)可以一次夠幾張票，設(shè)計(jì)中最多可以支持 3張。投入錢幣時(shí)可以連續(xù)投入錢幣，也可以紙幣硬幣一起投入等。系統(tǒng)會(huì)計(jì)算投入錢幣的數(shù)量。 當(dāng)投入金額大于所需時(shí)，找出余額，結(jié)束本次交易，系統(tǒng)恢復(fù)初始狀態(tài)等待下次購票。在購票過程中乘客可以在出票之前按取消按鈕來對(duì)其進(jìn)行取消操作，取消購票后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)退出之前投入的錢幣，并且系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)到初始化狀 態(tài)等待再次使用。 設(shè)計(jì) 分析 經(jīng)過分析本自動(dòng)售票機(jī)，其主要實(shí)現(xiàn)以下功能：站位站點(diǎn)的選擇、購票數(shù)量的選取、投幣的處理、出票和余額找零的處理以及輸入出錯(cuò)時(shí)的取消返回和恢復(fù)初始狀態(tài)的處理。 售票簡(jiǎn)介：在購買車票時(shí)，乘客按 “開始選擇 ”按鈕，然后選擇出站口接著選擇購票的數(shù)量（根據(jù)提示，一次購票的票數(shù)限制在 3張以內(nèi)）；然后按 “開始投幣 ”按鈕，開始投入錢幣；當(dāng)投入錢幣到達(dá)所需錢幣時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)打開出票口進(jìn)行出票。如果需要找零此時(shí)系統(tǒng)也會(huì)自動(dòng)找零?？紤]到設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，本設(shè)計(jì)就不過多的去研究，在找零時(shí)全部以 5角硬幣形式給 出。 取消購票：在乘客進(jìn)行購票操作在未出票前，乘客按取消按鈕進(jìn)行購票的取消，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)退回投入錢幣并恢復(fù)系統(tǒng)等待下次操作。取消購票分取消的時(shí)間段有著不同的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)操作。但每次取消系統(tǒng)都會(huì)回到原始等待購票狀態(tài)。 票價(jià)計(jì)算：乘客購票只能選擇一個(gè)出站口，根據(jù)其選擇的出站口和當(dāng)前所在站來計(jì)算所需要的票價(jià)。本設(shè)計(jì)全程共有 16 個(gè)站位，即乘客最多可以乘坐 15 站。而這15 站使用 4 位二進(jìn)制來表示，即 1 站用 0001 表示， 15 站用 1111 表示。如果乘坐站 6 位在 8 站之內(nèi)則票價(jià)為 2 元。如果乘坐的站位超過 8 站，則票價(jià)為 4 元。 錢幣 設(shè)計(jì)表示方法：售票機(jī)有兩個(gè)投幣口，一個(gè)為硬幣口，一個(gè)為紙幣口。硬幣口可以使用 5 角和 1 元的硬幣而紙幣口可以識(shí)別 1 元、 5 元、 10 元的人民幣。硬幣采用兩位的二進(jìn)制表示即 10 表示 1 元硬幣， 01 表示 5 角硬幣。而紙幣采用 4 位二進(jìn)制表示，例如： 1 元使用 0001 表示， 5 元采用 0100 表示。 購票狀態(tài)的表示：別用 00、 0 10 表示。退幣時(shí)，拉開將乘客投入錢幣自動(dòng)給出。設(shè)計(jì)中暫存桿設(shè)計(jì)為 3 種狀態(tài)：即等待狀態(tài)、退幣狀態(tài)、進(jìn)幣狀態(tài)。暫存桿在不同狀態(tài)下有不同的作用。暫存桿一般情況下主要用來擋住緩存投入錢幣，只有在進(jìn)幣狀態(tài)下，暫存桿 才會(huì)將錢幣推入購票機(jī)內(nèi)部。 購票系統(tǒng)流程分析 首先當(dāng)對(duì)自動(dòng)售票機(jī)無操作時(shí)要在初始化狀態(tài)下，即為等待購票時(shí)售票機(jī)的狀態(tài)，在初始化狀態(tài)下按下 “開始購票 ”后系統(tǒng)開始進(jìn)入購票模式。在此模式下用戶可使用所有的購票功能。接著必須要選擇的是需要乘坐到達(dá)的站位，再選擇需要購票的數(shù)目。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)選擇的站位和購票的數(shù)目來判定所需要的投幣金額，根據(jù)系統(tǒng)提示所需的投幣金額進(jìn)行投幣。當(dāng)投入的錢幣達(dá)到所需的數(shù)目時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)從出票口出票，并將投入的錢幣入庫。當(dāng)投入金額大于所需金額時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)出票并及時(shí)找零。 購票過程中若有選 擇錯(cuò)誤，可選擇取消。如：在選擇目的地、選擇夠票數(shù)時(shí)出錯(cuò)，可選擇取消來恢復(fù)到初始化狀態(tài)；當(dāng)在投入錢幣但不到所需金額時(shí)如有特殊情況可選擇取消，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)退回投入的錢幣并恢復(fù)到初始化狀態(tài)等待下一次購票。具體的購票流程圖如圖 21。 圖 21 購票流程圖 初始狀態(tài) 開始 選擇目的地 選擇夠票數(shù) 開始投幣 投入錢幣 取消 取消 退回錢幣 投幣足 夠 出票 找零 7 3 自動(dòng)售票機(jī)設(shè)計(jì) maxplusⅡ 軟件工具介紹 Max+plusⅡ 是由 Altera公司開發(fā)，并提供集成開發(fā)環(huán)境的 EDA仿真軟件。其界面設(shè)計(jì)不僅友好，而且使用方便、對(duì)于初學(xué)者也是 易于使用的一種設(shè)計(jì)類軟件。而 Altera也是世界上有名的可編程器件的供應(yīng)商。在此軟件上可以完成很多操作，大大節(jié)約了人力的勞動(dòng)時(shí)間。是設(shè)計(jì)者更加易于進(jìn)行設(shè)計(jì)的輸入、處理和元器件編程。 設(shè)計(jì)處理操作簡(jiǎn)單且具有高效率，人機(jī)環(huán)境友善的開發(fā)工具，特別適合初學(xué)者使用 [12]。其軟件打開界面如圖 31所示。 圖 31 軟件打開界面 Max+plusⅡ 的特點(diǎn) : 界面開放 Max+plusⅡ 支持由其它公司提供的 EDA工具接口。如： Mentor Graphics， Cadence，Viewlogic， Synplicty[13]。 結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)無關(guān) Max+plusⅡ 設(shè)計(jì)中無需考慮設(shè)計(jì)后需要支持和使用何種硬件結(jié)構(gòu)，只需要設(shè)計(jì)好我們的產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及 VHDL語言的硬件描述即可。其支持很多的硬件結(jié)構(gòu)，故其可編程環(huán)境與硬件結(jié)構(gòu)無關(guān)。 高度集成化 在一個(gè)軟件的一個(gè)開發(fā)環(huán)境下，可以實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)、測(cè)試、功能仿真等操作，在一個(gè)環(huán)境下集成了很多功能。這樣可以使開發(fā)方便、便于使用，縮短開發(fā)的時(shí)間。 VHDL 硬件描述語言 此語言在使用上易于修改與編寫，且該語言支持的硬件環(huán)境廣泛。同時(shí)該語言還被 IEEE 批準(zhǔn)為標(biāo)準(zhǔn)的硬件描述語言。 模塊化工 具 設(shè)計(jì)中硬件描述語言的設(shè)計(jì)成模塊化設(shè)計(jì)，這樣設(shè)計(jì)可以使用之前的模塊。當(dāng)前的模塊也可供以后的設(shè)計(jì)使用。 8 課題 設(shè)計(jì)過程 設(shè)計(jì)流程簡(jiǎn)介 使用 Max+plusⅡ 來設(shè)計(jì)和仿真一個(gè)項(xiàng)目主要有幾個(gè)部分，本設(shè)計(jì)的流程圖如圖32所示。此圖即為此設(shè)計(jì)的整體流程與設(shè)計(jì)走向。下面的說明僅針對(duì)本論文設(shè)計(jì)所述。 設(shè)計(jì)輸入在本論文中主要使用 VHDL語言輸入。語言輸入正確完成，最后以其實(shí)體名來保存，編譯驗(yàn)證程序是否有問題。如沒有問題則可進(jìn)行波形時(shí)序仿真。如果其中有任何的不正確或者不適當(dāng)?shù)牡胤揭皶r(shí)加以修正。 圖 32 軟件設(shè)計(jì)流程 設(shè)計(jì)操作步驟 創(chuàng)建工程設(shè)計(jì)，打開軟件 Max+plusⅡ ，點(diǎn)擊菜單 “FILE”下拉菜單選中新建“NEW”，如下圖 33所示： 圖 33 新建工程文件 然后在新建的 HDL語言輸入框中輸入程序并保存起來，保存的文件名必須為程序中的實(shí)體名，此處則為 subway。此文中代碼可實(shí)現(xiàn)硬幣和紙幣等投入不同幣種的購票方式。其相應(yīng)的代碼分別為： coin:in std_logic_vector(1 downto 0)。 硬幣入口 entity subway is port( clk :in std_logic。 系統(tǒng)時(shí)鐘 select_start :in std_logic。 “開始選擇 ”按鈕 設(shè)計(jì)輸入 仿真 編譯 測(cè)試 編程 修改設(shè)計(jì) 9 insert_start :in std_logic。 “開始投幣 ”按鈕 note:in std_logic_vector(3 downto 0)。 紙幣入口 cancel:in std_logic。 “取消 ”按鈕 ticket_stop :in std_logic_vector(3 downto 0)。 出站口編號(hào) ticket_account :in std_logic_vector(1 downto 0)。 購票張數(shù) money_gate :out std_logic_vector(1 downto 0)。 錢幣 “暫存桿 ” ticket_out :out std_logic_vector(4 downto 0)。 購買的車票 ticket_gate:out std_logic。 出票口 change_gate:out std_logic 找零口 )。 end subway。 當(dāng)投入硬幣時(shí)其代碼為： case coin is 硬幣識(shí)別 when 01= total_insert:=total_insert+00000101。 5 角硬幣 when 10= total_insert:=total_insert+00001010。 1 元硬幣 when others= null。 end case。 當(dāng)投入紙幣時(shí)代碼為： case note is 紙幣識(shí)別 when 0001= 1 元紙幣 total_insert:=total_insert+00001010。 重新計(jì)算投幣總額 when 0010= total_insert:=total_insert+00010100。 2 元紙幣 when 0100= total_insert:=total_