【正文】 引進和學(xué)習 EDA 設(shè)計技術(shù)。 EDA 技術(shù)就是使用 VHDL 語言來進行硬件描述完成產(chǎn)品的設(shè)計與仿真 [4]。完成后在計算機上進行編譯、仿真、簡化、優(yōu)化、布局等一系列的工作，直到對特定芯片進行編譯、映射、仿真等工作。 EDA 技術(shù)的發(fā)展使得在電子設(shè)計中的使用范圍和頻率越來越高。同時在設(shè)計中使用 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 進行 VHDL 語言編程時，開發(fā)者可以根據(jù)自己的設(shè)計思想對硬件功能進行賦予，在開發(fā)產(chǎn)品上有很大的自由性。而通過 EDA 設(shè)計，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)的適用范圍進一步擴大，在各大領(lǐng)域以及設(shè)計中都有所使用。主要集中在電子、通信、機械制造、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、售票機、售貨機等，都有 EDA 設(shè)計的產(chǎn)品。在一個產(chǎn)品的設(shè)計、性能測試、設(shè)計成果仿真模擬都有可能用到 EDA 技術(shù)。EDA 技術(shù)是利用計算機作為平臺，使用硬件語言來編程控制，最終實現(xiàn)設(shè)計的一門現(xiàn)代技術(shù)。使用 EDA 工具，開發(fā)者可以進行產(chǎn)品的設(shè)計、測試 以及成果仿真。全程提高工作效率，開發(fā)過程中實現(xiàn)很多工作的智能化，由計算機來處理。這樣不僅使得效率有所提高，更重要的是通過計算機處理這樣準確性也得到了保證。 VHDL 簡介 VHDL 語言從功能上來說非常強大，作為硬件描述語言其在設(shè)計上可以完成對硬件的編程，同時使用起來不復(fù)雜易于使用。設(shè)計中模塊化結(jié)構(gòu)分明，簡潔易讀易懂，絕對可以說是一門很成功的編程語言 [5]。 同時， VHDL 語言具有易于修改、支持范圍廣泛等特點，并且其已經(jīng)被 IEEE 定位為標準硬件描述語言。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。在硬件控制能能力上來說， VHDL 語言能基本實現(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)來對其進行仿真。從另一個側(cè)面來說，也就是該硬件描述語言 VHDL 的移植性較強，可以使用在不同的硬件結(jié)構(gòu)上。設(shè)計人員不同考慮設(shè)計后我們所要完成的器件，只要考慮設(shè)計即可進行。這些都是得益于其超強的移植能力。而模塊化編程思想更是一大進步和優(yōu)點，這使得設(shè)計模塊時我們可以使用之前設(shè)計好的模塊以及本次設(shè)計模塊也 可以供以后設(shè)計時使用。從而極大程度的來節(jié)省了重復(fù)開發(fā)的時間和精力。同時，模塊化的編程易于管理和日后修改 [67]。 在當今的社會背景下，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被及其所取代。而本設(shè)計實現(xiàn)的售票機也是社會發(fā)展的產(chǎn)物，同樣也是人工轉(zhuǎn)變成機器化的體現(xiàn)。而在當今時代下，使用售票機購票已經(jīng)成為當今的一大時尚亮點。也是人們對于現(xiàn)代化購票機制以及設(shè)計人員開發(fā)成果的一種體驗和享受。同時，使用售票機可以方便的購票，特別是不用人人都去車站排隊買票一樣。簡單的操作即可獲得 ，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、學(xué)校、以及發(fā)達人多的地方都有售票機的擺放。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。而這些售票機方便大家，同時也提高了效率，目前已在全國各大城市 5 普及，尤其是在發(fā)達城市的地鐵站內(nèi)。在生活節(jié)奏快的時代里，解決了人多排隊長、上班遲到、上學(xué)匆忙買票不方便等一系列的因素。 同時也減少了人工售票花費的工作人力，提高了工作效率，也方便了人們。因為市場對這樣產(chǎn)品的極力需求，使得其市場一片廣闊，此設(shè)計的意義也就在此處。 VHDL 語言的各種有點使得我們不得不信VHDL 的前景很好，而各種基于 VHDL 的設(shè)計也必將得到廣泛的推廣和使用 [9]。 2 設(shè)計要求和分析 設(shè)計要求 此設(shè)計是使用 EDA技術(shù)設(shè)計地鐵售票機，完成其各種售票功能的仿真。按照預(yù)定功能使用 VHDL語言進行設(shè)計，再使用 maxplusⅡ 軟件進行設(shè)計產(chǎn)品功能的仿真與驗證。最后并進行系統(tǒng)的語言描述組織，完成論文設(shè)計的編寫 [10]。 本設(shè)計要求售票機設(shè)計出兩個投幣口，其一為硬幣的投入口，其二為紙幣的識別口。而其中硬幣的識別范圍本設(shè)計中可以識別 5角和 1元硬幣的投入。而紙幣 的設(shè)計識別范圍為 1元、 5元、 10元。當乘客按下開始購票按鈕進行購票，此時只能選擇一個出站口，根據(jù)選站的不同票價不同。設(shè)計中共設(shè)有 16站，乘坐 18站為 2元票， 816站位4元票。乘客購票時可以一次夠幾張票，設(shè)計中最多可以支持 3張。投入錢幣時可以連續(xù)投入錢幣，也可以紙幣硬幣一起投入等。系統(tǒng)會計算投入錢幣的數(shù)量。 當投入金額大于所需時，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其進行取消操作，取消購票后系統(tǒng)會自動退出之前投入的錢幣，并且系統(tǒng)自動恢復(fù)到初始化狀 態(tài)等待再次使用。 設(shè)計 分析 經(jīng)過分析本自動售票機，其主要實現(xiàn)以下功能：站位站點的選擇、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時的取消返回和恢復(fù)初始狀態(tài)的處理。 售票簡介：在購買車票時，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；當投入錢幣到達所需錢幣時系統(tǒng)會自動打開出票口進行出票。如果需要找零此時系統(tǒng)也會自動找零?？紤]到設(shè)計的復(fù)雜性，本設(shè)計就不過多的去研究，在找零時全部以 5角硬幣形式給 出。 取消購票：在乘客進行購票操作在未出票前，乘客按取消按鈕進行購票的取消，此時系統(tǒng)會自動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間段有著不同的設(shè)計和系統(tǒng)操作。但每次取消系統(tǒng)都會回到原始等待購票狀態(tài)。 票價計算：乘客購票只能選擇一個出站口，根據(jù)其選擇的出站口和當前所在站來計算所需要的票價。本設(shè)計全程共有 16 個站位，即乘客最多可以乘坐 15 站。而這15 站使用 4 位二進制來表示，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)則票價為 2 元。如果乘坐的站位超過 8 站，則票價為 4 元。 錢幣 設(shè)計表示方法：售票機有兩個投幣口，一個為硬幣口，一個為紙幣口。硬幣口可以使用 5 角和 1 元的硬幣而紙幣口可以識別 1 元、 5 元、 10 元的人民幣。硬幣采用兩位的二進制表示即 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，拉開將乘客投入錢幣自動給出。設(shè)計中暫存桿設(shè)計為 3 種狀態(tài)：即等待狀態(tài)、退幣狀態(tài)、進幣狀態(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，只有在進幣狀態(tài)下，暫存桿 才會將錢幣推入購票機內(nèi)部。 購票系統(tǒng)流程分析 首先當對自動售票機無操作時要在初始化狀態(tài)下，即為等待購票時售票機的狀態(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的站位，再選擇需要購票的數(shù)目。系統(tǒng)會根據(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行投幣。當投入的錢幣達到所需的數(shù)目時，系統(tǒng)會自動從出票口出票，并將投入的錢幣入庫。當投入金額大于所需金額時，系統(tǒng)會自動出票并及時找零。 購票過程中若有選 擇錯誤，可選擇取消。如：在選擇目的地、選擇夠票數(shù)時出錯，可選擇取消來恢復(fù)到初始化狀態(tài)；當在投入錢幣但不到所需金額時如有特殊情況可選擇取消，系統(tǒng)會自動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 自動售票機設(shè)計 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)計不僅友好，而且使用方便、對于初學(xué)者也是 易于使用的一種設(shè)計類軟件。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)約了人力的勞動時間。是設(shè)計者更加易于進行設(shè)計的輸入、處理和元器件編程。 設(shè)計處理操作簡單且具有高效率，人機環(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 : 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)計無關(guān) Max+plusⅡ 設(shè)計中無需考慮設(shè)計后需要支持和使用何種硬件結(jié)構(gòu)，只需要設(shè)計好我們的產(chǎn)品設(shè)計以及 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 在一個軟件的一個開發(fā)環(huán)境下，可以實現(xiàn)從設(shè)計、測試、功能仿真等操作，在一個環(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。同時該語言還被 IEEE 批準為標準的硬件描述語言。 模塊化工 具 設(shè)計中硬件描述語言的設(shè)計成模塊化設(shè)計，這樣設(shè)計可以使用之前的模塊。當前的模塊也可供以后的設(shè)計使用。 8 課題 設(shè)計過程 設(shè)計流程簡介 使用 Max+plusⅡ 來設(shè)計和仿真一個項目主要有幾個部分，本設(shè)計的流程圖如圖32所示。此圖即為此設(shè)計的整體流程與設(shè)計走向。下面的說明僅針對本論文設(shè)計所述。 設(shè)計輸入在本論文中主要使用 VHDL語言輸入。語言輸入正確完成，最后以其實體名來保存，編譯驗證程序是否有問題。如沒有問題則可進行波形時序仿真。如果其中有任何的不正確或者不適當?shù)牡胤揭皶r加以修正。 圖 32 軟件設(shè)計流程 設(shè)計操作步驟 創(chuàng)建工程設(shè)計，打開軟件 Max+plusⅡ ，點擊菜單 “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體名，此處則為 subway。此文中代碼可實現(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)時鐘 select_start :in std_logic。 “開始選擇 ”按鈕 設(shè)計輸入 仿真 編譯 測試 編程 修改設(shè)計 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 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。 當投入硬幣時其代碼為： case coin is 硬幣識別 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。 當投入紙幣時代碼為： case note is 紙幣識別 when 0001= 1 元紙幣 total_insert:=total_insert+00001010。 重新計算投幣總額 when 0010= total_insert:=total_insert+00010100。 2 元紙幣 when 0100= total_insert:=total_