【正文】 型清涼飲料自動售貨機成為該行業(yè)的主流。在夏季電力消費高峰時，這種機型的自動售貨機即使在關(guān)掉冷卻器的狀況下也能保持低溫，與以往的自動售貨機相比，它能夠節(jié)約 10－ 15％的電力。進入 21世紀(jì)時，自動售貨機也將進一步向節(jié)省資源和能源以及高功能化的方向發(fā)展。 自動售貨咖啡機是一種既可以出冷熱咖啡也可以同時出奶茶果汁飲料的咖啡飲料自動售貨機，省時方便快捷。既可以作投資來使用，也可作為員工福利來使用。 未來發(fā)展和研究方向 隨著科技的發(fā)展及 人們生活水平的提高，自動售貨機市場的發(fā)展呈現(xiàn)出多元化及個性化的需求，通過自動售貨機進行自助購物正逐漸成為市民的一種新的消費時尚和追求高品質(zhì)生活的需要。傳統(tǒng)的自動售貨機控制系統(tǒng)采用單片機作為控制核心，不僅需要在輸入輸出接口上做大量的工作，而且系統(tǒng)的抗干擾性也比較差。 FPGA 具有可靠性高、編程簡單、維護方便等優(yōu)點，已在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。現(xiàn)如今長生了基于了一種用 FPGA 實現(xiàn)的自動售貨機主控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，通過此次畢業(yè)設(shè)計闡述了基于 FPGA的自動售貨機的控制系統(tǒng)設(shè)計并進行了軟件仿真和硬件設(shè)計 實驗，實驗表明該控制系統(tǒng)是可行的 [2] 。 現(xiàn)在，自動售貨機產(chǎn)業(yè)正在走向信息化并進一步實現(xiàn)合理化。例如實行聯(lián)機方式，通過電話線路將自動售貨機內(nèi)的庫存信息及時地傳送各營業(yè)點的電腦中，從而確保了商品的發(fā)送、補充以及商品選定的順利進行。并且，為防止地球暖化，自動售貨機的開發(fā)致力于能源的節(jié)省，節(jié)能型清涼飲料自動售貨機成為該行業(yè)的主流。在夏季電力消費高峰時，這種機型的自動售貨機即使在關(guān)掉冷卻器的狀況下也能保持低溫，與以往的自動售貨機相比，它能夠節(jié)約 10－ 15％的電力。進入 21世紀(jì)時，自動售貨機也將進一步向節(jié)省資源和能源以及高功能化的方向發(fā)展。 作為一種商務(wù)工具 ,自動售貨機在生活中應(yīng)用愈加廣泛 ,綜合分析現(xiàn)代自動售貨 7 機的研究現(xiàn)狀和研究重點 ,以及自動售貨機所處的市場現(xiàn)狀和對社會的影響，根據(jù)日本、美國等國家的經(jīng)驗 ,自動售貨機將在全球范圍內(nèi)得到更大的普及。自動售貨機的機體內(nèi)部結(jié)構(gòu)已經(jīng)相當(dāng)完善 ,影響其普及的關(guān)鍵因素為：如何在現(xiàn)有的各種通信網(wǎng)絡(luò)平臺上，讓自動售貨機形成一種銷售連鎖網(wǎng) ,為其提供更方便的營銷方式和管理機制 ,以其最大限度地降低生產(chǎn)、運營成本。 目前 ,無論是基于 Inter還 是基于移動通信網(wǎng)或其他網(wǎng)絡(luò)平臺 ,其運作的機制都不太成熟 ,不過這并不影響自動售貨機的發(fā)展?jié)摿?。因?,自動售貨機未來的發(fā)展趨勢是將其納入到一個更廣闊、更便利的移動商務(wù)網(wǎng)絡(luò)平臺 [1] 。 本文的章節(jié)安排 本文第一章為總體描述自動售貨機的歷史以及研究現(xiàn)狀等相關(guān)知識，第二章主要介紹本課題所應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，第三章主要描述本課題所設(shè)計的自動售貨機控制系統(tǒng)的相關(guān)硬件設(shè)計，第四章主要闡述本課題的軟件系統(tǒng)的各個模塊以及仿真。附錄將指出本課題所用到的相關(guān)文獻以及所需要的硬件 元器件。 8 2 關(guān)鍵技術(shù) 系統(tǒng)所應(yīng)用到的技術(shù)有可編程邏輯器件及 EDA技術(shù)，應(yīng)用 VHDL語言實現(xiàn)自動售貨機控制系統(tǒng)的設(shè)計，應(yīng)用 PROTEL軟件輔助完成硬件系統(tǒng)設(shè)計。 EDA 技術(shù) EDA 是電子設(shè)計自動化（ Electronic Design Automation）的縮寫， 是一種以計算機為基礎(chǔ)的工作平臺；是利用電子技術(shù)，計算機技術(shù)，智能化技術(shù)等多種應(yīng)用學(xué)科的最新成果，開發(fā)出的一整套電子 CAD（計算機輔助設(shè)計）軟件；是一種幫助電子設(shè)計工程師從事電子元件產(chǎn)品和系統(tǒng)設(shè)計的綜合 技術(shù) [3] 。 EDA 技術(shù)就是以計算機為工具，設(shè)計者在 EDA 軟件平臺上，用硬件描述語言 HDL 完成設(shè)計文件，然后由計算機自動地完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合、優(yōu)化、布局、布線和仿真，直至對于特定目標(biāo)芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作。 EDA 技術(shù)的出現(xiàn)，極大地提高了電路設(shè)計的效率和可操作性，減輕了設(shè)計者的勞動強度。 可編程邏輯器件 FPGA（ Field－ Programmable Gate Array），即現(xiàn)場可編程門陣列， 是實現(xiàn) EDA的主流器件，他的特 點是直接面向用戶，具有極大的靈活性和通用性，使用方便，硬件測試和實現(xiàn)快捷，開發(fā)效率高，成本低，上市時間短，技術(shù)維護簡單，工作可靠性強等 [3] 。 關(guān)于 FPGA 芯片的選擇將在下文進行介紹。 VHDL 描述語言 VHDL ( very high speed integrated circuit hard2ware descrip tion language)是指超高速集成電路硬件描述語言。 VHDL 主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為、功能和接口。除了含有許多具有 硬件特征的語句外 ,VHDL 的語言形式 ,以及描述風(fēng)格與句法 ,類似于一般的計算機高級語言 ,如 C語言。 VHDL 的程序結(jié)構(gòu)特點是 ,將一項工程設(shè)計或稱設(shè)計實體 (可以是一個元件、一個電路模塊或一個系統(tǒng) )分成外部 (或稱可視部分 ,即端口 )和內(nèi)部 (或稱不可視部分 ) 。在對一個設(shè)計實體定義了外部界面后 ,一旦 9 其內(nèi)部開發(fā)完成 ,其他的設(shè)計就可以直接調(diào)用這個實體。這種將設(shè)計實體分成內(nèi)外部分的概念是 VHDL 系統(tǒng)設(shè)計的基本點 [4] 。 相關(guān)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用情況 1） FPGA 的應(yīng)用 FPGA 的應(yīng)用可分為三個層面：電路設(shè)計，產(chǎn)品設(shè)計，系統(tǒng)設(shè)計 。 （ 1） 電路設(shè)計中 FPGA 的應(yīng)用 連接邏輯，控制邏輯是 FPGA 早期發(fā)揮作用比較大的領(lǐng)域也是 FPGA 應(yīng)用的基石 。事實上 ， 在電路設(shè)計中應(yīng)用 FPGA 的難度還是比較大的 ， 這要求開發(fā)者要具備相應(yīng)的硬件知識（電路知識）和軟件應(yīng)用能力（開發(fā)工具） 。 這方面的人才總是緊缺的，往往都從事新技術(shù)，新產(chǎn)品的開發(fā) 。 成功的產(chǎn)品將變成市場主流基礎(chǔ)產(chǎn)品 ，供產(chǎn)品 設(shè)計者 應(yīng)用。 在不遠的將來，通用和專用 IP 的設(shè)計將成為一個熱門行業(yè) 。 （ 2） 產(chǎn)品設(shè)計 把相對成熟的技術(shù)應(yīng)用到某些特定領(lǐng)域如通 訊，視頻，信息處理等等 ， 開發(fā)出滿足行業(yè)需要并能被行業(yè)客戶接受的產(chǎn)品 。 這方面主要是 FPGA 技術(shù) 和專業(yè)技術(shù)的結(jié)合問題， 此外，關(guān) 與專業(yè)客戶的界面問題 ， 產(chǎn)品設(shè)計 分為 專業(yè)工具類產(chǎn)品及民用產(chǎn)品，前者重點在性能，后者對價格敏感 ， 產(chǎn)品設(shè)計以實現(xiàn)產(chǎn)品功能為主要目的 。 在這個領(lǐng)域 FPGA 技術(shù)是一個實現(xiàn)手段， FPGA 因為具備接口，控制，功能 IP，內(nèi)嵌 CPU 等特點 ，有條件實現(xiàn)一個構(gòu)造簡單，固化程度高 ，功能全面的系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計 ，這 將是 FPGA 技術(shù)應(yīng)用最廣大的市場 。 （ 3） 系統(tǒng)級應(yīng)用 系統(tǒng)級的應(yīng)用是 FPGA與傳統(tǒng)的計算機技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)一種 FPGA版的計算機系統(tǒng) ：如用 Xilinx V4, V5系列的 FPGA，實現(xiàn)內(nèi)嵌 POWER PC CPU, 然后再配合各種外圍功能，實現(xiàn)一個基本環(huán)境，在這個平臺上跑 LINIX 等系統(tǒng) ， 這個系統(tǒng)也就支持各種標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)和功能接口（如 圖像 接口）了 。 這對于快速構(gòu)成 FPGA 大型系統(tǒng)來講是很有幫助的。 2） EDA 的應(yīng)用 利用 EDA 工具，電子設(shè)計師可以從概念、算法、協(xié)議等開始設(shè)計電子系統(tǒng) ，大量工作可以通過計算機完成，并可以將電子產(chǎn)品從電路設(shè)計、性能分析到設(shè)計出 IC 版圖或 PCB 版圖的整個過程 ，在 計算機上自動處理完成。 10 現(xiàn)在對 EDA 的概念或范疇用得很寬。在機械、電子、通信、航空航天、化工、礦產(chǎn)、生物、醫(yī)學(xué)、軍事等各個領(lǐng)域，都有 EDA 的應(yīng)用。目前 EDA 技術(shù)已在各大公司、企事業(yè)單位和科研教學(xué)部門廣泛使用。例如在飛機制造過程中，從設(shè)計、性能測試及特性分析直到飛行模擬，都可能涉及到 EDA 技術(shù)。 11 3 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。 芯片的選擇 本文所用到的 FPGA 芯片為， Altera 生產(chǎn)的 EPF10K10LC84 芯片， EPF10K10LC844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 。 FLEX10K 組成及特點 : FLEX10K 主要由嵌入式陣列塊、邏輯陣列塊、快速通道 （ FastTrack） 和 I/O 單元四部分組成。其中邏輯陣列塊由多個邏輯單元構(gòu)成。 FLEX10K 系列采用重復(fù)可構(gòu)造的 CMOS SRAM 工藝，把連續(xù)的快速通道互連與獨特的嵌入式陣列結(jié)構(gòu)相組合，同時也結(jié)合了眾多可編程器件的有點來完成普通門陣列的宏功能。每個 FLEX 10K 器件包括一個嵌入式陣列和一個邏輯陣列，它能讓設(shè)計人員輕松地開發(fā)出存儲器、數(shù)字信號處理器以及特殊邏輯等強大功能于一身的芯片。該芯片具有的多電壓功能可以全面支持以不同電壓工作的產(chǎn)品。 FLEX10K10 主要特點如下： （ 1）它是工業(yè)世界的第一種嵌入式可編程邏輯器件，提供了在單個器件中的系統(tǒng)集成，具有實現(xiàn)宏函數(shù)的嵌入式陣列和實現(xiàn)普通功能的邏輯陣列； （ 2）高密度，它具有 10000— 150000 個可用門，高達 40960位內(nèi)部 RAM； （ 3）系統(tǒng)支持多電壓 IO 接口； （ 4）低功耗，系統(tǒng)維持狀態(tài)小于 ； （ 5）靈活的內(nèi)部連接，快速、可預(yù)測連線延時的快速通道連續(xù)式分布結(jié)構(gòu)； （ 6）增強功能的 IO引腳，每個引腳都有一個獨立的三臺輸出使能控制和每個 IO引腳都有漏極開路選擇； FLEX10K 引腳簡介 EPF10K10 有 84I/O 口，其豐富的 IO 資源，適用于速度要求高或需要較多的 I/O引腳電路或系統(tǒng)中適用。其 I/O 引腳能夠兼容 5V 等接口標(biāo)準(zhǔn)，具體的 IO引腳與對應(yīng)的引腳序號如表 31 所示： 12 表 31 I/O 引腳對應(yīng)的引腳序號 引腳名稱 引腳編號 引腳名稱 引腳編號 引腳名稱 引腳編號 引腳名稱 引腳編號 I/O7 16 I/O17 28 I/O27 49 I/O37 62 I/O8 17 I/O18 29 I/O28 50 I/O38 64 I/O9 18 I/O19 30 I/O29 51 I/O39 65 I/O10 19 I/O20 35 I/O30 52 I/O40 66 I/O11 21 I/O21 36 I/O31 53 I/O41 67 I/O12 22 I/O22 37 I/O32 54 I/O43 71 I/O13 23 I/O23 38 I/O33 58 I/O44 72 I/O14 24 I/O24 39 I/O34 59 I/O15 25 I/O25 47 I/O35 60 I/O16 27 I/O26 48 I/O36 61 FLEX 10K10 主要由 84個引腳組成，各引腳對應(yīng)的引腳名如圖 所示： 圖 各引腳對應(yīng)的引腳名稱 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，時鐘發(fā)生器如圖 所示。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。 I / O 3254n S T A T U S55n T R S T56T M S57I / O 3358I / O 3459I / O 3560I / O 3661I / O 3762V C C I N T63I / O 3864I / O 3965I / O 4066I / O 4167G N D I N T68I N T I _ D O N E69I / O 42 / R D Y n B S Y70I / O 4371I / O 4472I / O 45 / C L K U S R73T D O74nCEO75CONF76TCK77I/O46/nCS78I/O47/CS79I/O48/nWS80I/O49/nRS81GND