【正文】 了通用的硬件描述語言。 VHDL 是一種無 關(guān)設(shè)計平臺、無關(guān)具體的硬件電路的語言。跟一般的高級語言類似，不過卻有著一般高級語言沒有的具有硬件特性的語句，能很好的描述數(shù)字電路的功能和結(jié)構(gòu)。 VHDL 的結(jié)構(gòu)特點是設(shè)計一項工程或?qū)嶓w，一個元件、一個系統(tǒng)或者一個電路模塊都可以設(shè)計成為一個實體，被設(shè)計好的實體可以很方便的被調(diào)用，這是 VHDL 很大的一個特點。 與其他的硬件描述語言相比， VHDL 有以下特點： ? 設(shè)計好的模塊可以任意無數(shù)次的被調(diào)用，很好的做到了資源共享和重復(fù)利用這一點，大大減少了設(shè)計人員的工作量和工作時間。 自動售貨機控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真 6 ? 語言的設(shè)計描述與器件無關(guān)，設(shè)計人員在進行電路的 設(shè)計的時候，可以把精力放在優(yōu)化電路上而不用先去考慮器件的選擇， VHDL 可以采用不同的器件來實現(xiàn)已經(jīng)描述好的電路設(shè)計。 ? 語言功能強大，設(shè)計方法靈活，支持各式各樣的設(shè)計方法，無論是自頂向下還是自底向上的設(shè)計方式在 VHDL 中都可以靈活的被運用。同時，模塊化設(shè)計，層次化設(shè)計等設(shè)計方法也是被支持的。 ? 具有很強的移植能力，對于同一個 VHDL 程序，它可以在不同的工作平臺、綜合器、模擬器之間相互移植。 一個完整的 VHDL 程序代碼結(jié)構(gòu)包括 4 個模塊，庫和程序包的模塊、實體模塊、結(jié)構(gòu)體模塊、配置結(jié)構(gòu)模塊。其結(jié)構(gòu)圖如 圖 所示： QuartusⅡ軟件 QuartusⅡ是由 Altera 公司開發(fā)的一種 EDA 工具，是經(jīng)過 A+plus、然后到 MAX+plus,再到 MAX+plusⅡ發(fā)展而來的。 QuartusⅡ支持多種輸入方式，例如原理圖輸入，硬件編程語言輸入等，在使用 QuartusⅡ軟件時，它會將設(shè)計人員設(shè)計好的硬件編程語言或者原理圖等自動轉(zhuǎn)換目標(biāo)文件，最后將目標(biāo)文件下載到器件中。通過 DSP Builder 工具，QuartusⅡ能很好的跟 Matlab、 Simulink 等結(jié)合起來，從而能夠方便快捷的實現(xiàn)不同的DSP 系統(tǒng)的設(shè)計。因為有 著簡單直接的入口和很強的設(shè)計能力，以及使用靈活、方便快捷的優(yōu)點，所以很受廣大設(shè)計者的青睞。 QuartusⅡ軟件有以下特點： 自動售貨機控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真 7 ? 支持多平臺的設(shè)計輸入，結(jié)合其處理和驗證功能使其成為一個全集化的開發(fā)平臺，讓開發(fā)周期變短。 ? 是一個 與結(jié)構(gòu)無關(guān)的開發(fā)工具， QuartusⅡ通過把 Cyclone、 APEX、 Mercury 等設(shè)計環(huán)境轉(zhuǎn)化為所需要的格式，真真正正的成為唯一一個與結(jié)構(gòu)無關(guān)的開發(fā)工具。 ? 具有很 具有全面的可設(shè)計開發(fā)資源，是一個集 系統(tǒng)設(shè)計、軟件開發(fā)、邏輯設(shè)計于一體的綜合性開發(fā)平臺。 QuartusⅡ的編程設(shè)計流程 圖 所示 ： Modelsim 仿真工具 Modelsim 提供了可以與其他 EDA 工具（如 QuartusⅡ）的接口工具。 Modelsim 支持Verilog、 vhdl 或者二者相結(jié)合的混合。針對不同的使用環(huán)境， Modeislm 分為不同的版本，常見的版本有： Modelsim AE、 Modelsim ASE、 Modelsim SE 等。在本文的設(shè)計的版本是 Modelsim 版本。 VHDL 的仿真流程如 圖 所示，首先在 VHDl 仿真器中對已設(shè)計好的 VHDL 源代碼進行編譯，等到代碼被編譯正確后就會被轉(zhuǎn)換為中間格式 ，中間數(shù)據(jù)的結(jié)果將會保存在仿真數(shù)據(jù)庫中，一般來說， VHDL 源代碼在編譯好的仿真庫就是 WORK庫。設(shè)計者通過編寫 TestBeach 文件來干預(yù)仿真的過程，在本文的設(shè)計中，計時通過編寫不同的 TestBeach 文件來對不同的模塊代碼進行仿真測試。 自動售貨機控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真 8 3 系統(tǒng)總體方案 設(shè)計要求 ? 本文設(shè)計的售貨機系統(tǒng)中只有一種，價格為 13 元； ? 可以投入三種不同的貨幣來購買商品，分別是 1 元、 5 元、 10 元； ? 每次只允許購買一個商品，若想要購買多個商品，則需要重復(fù)執(zhí)行購買操作； ? 售貨機的顯示器會實時更新顯示總共投入的貨幣的總額 ； ? 當(dāng)投入貨幣后，如果不想購買商品了則可以通過按取消鍵來退還投入的貨幣，否則就按確定鍵來獲取商品； ? 設(shè)置兩個指示燈，分別是購買指示燈和取消指示燈，當(dāng)顧客按下確定鍵后購買指示燈亮起；若顧客按下取消鍵，則取消指示燈亮起； 總體設(shè)計 通過分析系統(tǒng)的設(shè)計要求以及考慮到系統(tǒng)本身，本文對整個總動售貨機系統(tǒng)采用自頂向下的設(shè)計方法，自頂向下的設(shè)計方法如 圖 所示，采用自頂向下的設(shè)計方法的優(yōu)點是很明顯的。由于系統(tǒng)設(shè)計從頂層開始，所以在進行設(shè)計時就清楚實現(xiàn)整個系統(tǒng)的性能狀況。隨著設(shè)計向下一級進行，系統(tǒng)的性能就能進一步得到 細化和表達，并且可以根據(jù)個人需要隨時修改和調(diào)整，縮短了設(shè)計周期。 對整個系統(tǒng)的頂層文件進行如下端口設(shè)計： ? 輸入端口： clk,輸入時鐘信號； rst，復(fù)位信號； C1，投入一張 1 元貨幣； C5，投入一張 5 元貨幣； C10，投入一張 10 元貨幣； ok_in,確認(rèn)信號； cancel_in，取消信號。 ? 輸出端口： led_buy,確認(rèn)購買指示燈； led_cancel,取消購買指示燈； en_deliver,出貨信號； led1,投入貨幣總數(shù)的個位數(shù)（單位是元）； led10,投入貨幣總數(shù)的十位數(shù)（單位是元）。 ? 內(nèi)部可讀輸出端口： RC1,1 元退幣控制信號； RC5,5 元退幣控制信號； RC10,10元退幣控制信號。 自動售貨機控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真 9 端口原理圖如圖所示： 在確定了整個系統(tǒng)的輸入輸出端口后，給出自動售貨機的系統(tǒng)內(nèi)部的工作原理 : 當(dāng)系統(tǒng)接收到復(fù)位信號后，其他所有的控制信號和標(biāo)識信號都清空為零，系統(tǒng)處于等待指令的狀態(tài)。 當(dāng)系統(tǒng)接收到相關(guān)信號輸入時，系統(tǒng)開始工作。顧客確定購買商品時，開始投入貨幣，當(dāng)投入貨幣為 1 元、 5 元、 10 元時，將分別產(chǎn)生一個時鐘寬度的信號 C C C10。所投入的貨幣總額會實時計算并通過顯示器顯示出來。 當(dāng)顧客確定購買商品并按下確認(rèn)鍵的 時候，自動售貨機會產(chǎn)生一個時鐘信號 ok_in,而且由 led_buy 控制的代表確認(rèn)購買的指示燈會閃爍。如果投入貨幣的總額大于商品價格時，則送出商品并計算出余額操作退出余額，此時出貨指示燈閃爍。如果投入的貨幣不足以支付商品價格，自動售貨機會退還所有貨幣。 當(dāng)顧客投入貨幣又不想購買商品時，就可以通過按下取消鍵來取消購買，這時系統(tǒng)會產(chǎn)生一個時鐘信號 cancel_in，同時通過找零控制模塊來執(zhí)行相應(yīng)操作退還貨幣。如果確認(rèn)鍵或者取消鍵被按下后，自動售貨機會產(chǎn)生一個 lock_out_entry 內(nèi)部信號，當(dāng)發(fā)出信號后，所有 的操作都是無效的。 當(dāng)完成所有的操作后，將產(chǎn)生一個 clear 清除信號，此時所有的信號都會被清除，自動售貨機開始等待下一次操作。 整個系統(tǒng)的投幣購物流程如圖所示： 自動售貨機控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真 10 將整個系統(tǒng)劃分成六個模塊，分別是購買余額計算模塊、找零控制模塊、確認(rèn)取消模塊、總額加和模塊、鎖定模塊和顯示模塊。各模塊的功能： 余額計算模塊： 當(dāng)顧客確認(rèn)購買商品并按下了售貨機的確認(rèn)鍵后，找零模塊就開始計算出應(yīng)該退還的余額。 找零控制模塊： 在顧客確定購買商品后執(zhí)行找零操作，或者是在顧客取消購買后執(zhí)行退還原款操作。 確認(rèn)取消模塊： 顧客在選擇購買商品 或者取消購買商品后，將輸入的確認(rèn)信號或者取消信號分別轉(zhuǎn)換成單時鐘周期的控制信號，并且控制相對應(yīng)的信號燈的亮和不亮。 總額加和模塊： 不斷的更新并計算售貨機收到的總貨幣數(shù)量。 鎖定模塊： 可以按下確認(rèn)鍵或者取消鍵，當(dāng)其中任意一個鍵被按下后，整個自動售貨機系統(tǒng)的按鍵的輸入都是無效的。 顯示模塊： 通過控制兩個顯示器（ led1 和 led10）來顯示所投入貨幣的總額。 整個自動售貨機的內(nèi)部工作過程的總體框圖如圖所示： 對每一個子模塊進行 VHDL 設(shè)計，然后對其進行編譯，再編譯沒有錯誤后，通過編寫TestBeach 文件來 對其進行仿真測試來驗證每一個模塊的功能是否正確。 在頂層文件的 自動售貨機控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真 11 vhdl 程序設(shè)計中，通過特定的例化語句將已經(jīng)設(shè)計好的 6 個子模塊進行例化，然后直接對各個模塊進行調(diào)用，整個頂層程序的設(shè)計就是通過調(diào)用底層的 6 個模塊來實現(xiàn)的， 完成頂層設(shè)計后再對整個系統(tǒng)進行仿真測試。 自動售貨機控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真 12 4 軟件設(shè)計及仿真測試 （ ok_cancel 模塊） 設(shè)計思想及工作原理 在確認(rèn)取消模塊中，顧客可以在投幣之后選擇繼續(xù)購買商品或者取消購買商品，若確定購買則會產(chǎn)生一個確認(rèn)信號，而該模塊可以把該信號轉(zhuǎn)換成單時鐘的控制信號， 同時確定購買 led_buy 顯示燈會亮；同樣，若顧客按下取消健，則該模塊會將輸入的取消信號轉(zhuǎn)換單時鐘周期的控制信號，同時確定購買 cancel_buy 顯示燈會變亮。 確認(rèn)取消模塊有以下輸入端口： ? 輸入端口： clk,輸入時鐘信號； rst，復(fù)位信號； clear，清除信號；lock_out_entry，鎖定信號； ok_in,確認(rèn)信號； cancel_in，取消信號。 ? 輸出端口： ok,內(nèi)部時鐘確認(rèn)控制信號； cancel,內(nèi)部時鐘取消控制信號； led_buy,確認(rèn)購買指示燈控制信號； led_cancel,取消購買指示燈控制 信號。 電路原理圖如圖所示： 該模塊的工作過程如下：首先系統(tǒng)復(fù)位，等待確認(rèn)購買信號或者取消購買信號的輸入，當(dāng)收到信號后，系統(tǒng)會根據(jù)接收到的信號立即生成一個相對應(yīng)的內(nèi)部控制信號 ok信號或者 cancel 信號。同時，指示燈會根據(jù)接收到的控制信號 led_buy 或者 led_cancel來顯示燈的亮和滅。此過程中，當(dāng)系統(tǒng)第一次接收到確認(rèn)購買信號或者取消信號后，將會岸上產(chǎn)生一個鎖定信號 lock_out_entry，當(dāng)接收到此信號后，整個系統(tǒng)的所有操作都會無效，直到系統(tǒng)執(zhí)行完畢，模塊接收到清零信號后，所有信號都會被清空 歸零。 由 QuqrtusⅡ軟件內(nèi)部生成的 RTL 電路圖如圖所示： 自動售貨機控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真 13 仿真測試 對確認(rèn)取消模塊進行仿真測試后，得到如圖所示的仿真波形圖： 對所得到的仿真波形圖進行分析：在 15ns 前，系統(tǒng)復(fù)位；在 30ns 的時候，系統(tǒng)接收到一個確認(rèn)購買的信號，此時會生成 ok 信號，即一個時鐘的內(nèi)部控制信號，同一時間，會發(fā)出一個控制信號 led_buy,以此來控制購買指示燈亮。在時間為 31ns時，可以看到系統(tǒng)發(fā)出了一個鎖定信號 lock_out_entry,當(dāng)系統(tǒng)接收到該信號后，其他所有的按鍵操作都將被視為無效，所以在 40ns 時輸入的 cancel 信號不會被響應(yīng)；在 60ns 時操作執(zhí)行完畢，系統(tǒng)接收到一個 clear 的控制信號，此時鎖定信號歸零，同時 led_buy 控制信號歸零。 （ refund 模塊） 自動售貨機控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真 14 設(shè)計思想及工作原理 找零控制模塊有以下輸入端口： ? 輸入端口： clk,輸入時鐘信號； rst，復(fù)位信號； clear，清除信號； ok,接收到確認(rèn)信號； cancel，接收到取消信號； sum1,表示接收到的投入 1 元貨幣的信號；sum_5,接收到的投入 5 元貨幣的信號； sum10,表示接收到的投入 10 元貨幣的信號 ； sum,投入貨幣總和信號； Rsum1,退出 1 元貨幣的數(shù)量； Rsum5,退出 5 元貨幣的數(shù)量； Rsum10,退出 10 元貨幣的數(shù)量； ? 輸出端口： en_deliver,給貨控制信號； RC1,退幣 1 元的信號； RC5,退幣 5 元的信號； RC10,退幣 10 元的信號。 電路原理圖如圖所示： 當(dāng)系統(tǒng)接收到確認(rèn)取消模塊發(fā)來的確認(rèn)購買信號時，則該模塊開始執(zhí)行找零過程，同時發(fā)出給貨控制信號 en_deliver，當(dāng)找零操作完成后系統(tǒng)發(fā)出清零信號；當(dāng)系統(tǒng)接收到其他模塊發(fā)出的取消購買信號后，則該模塊開始執(zhí)行退幣操作，模塊會根據(jù)投入的 貨幣發(fā)出不同的退幣控制信號，從而完成所有貨幣的退還，操作完成后系統(tǒng)發(fā)出清零信號。 由 QuqrtusⅡ軟件內(nèi)部生成的 RTL 電路圖如圖所示： 自動售貨機控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真 15 仿真測試 對找零控制模塊的仿真有 2 種情況： 確認(rèn)購買操作； 系統(tǒng)執(zhí)行取消購買操作，得到如圖所示的仿真波形圖： 分析上圖中的波形圖可以看出：在 5ns