【正文】 1 基于 VHDL 的 自動(dòng)售貨機(jī) 的設(shè)計(jì) 姓名 班級(jí)： 學(xué)號(hào) : 指導(dǎo)老師： 2 摘要： 1） EDA: EDA 技術(shù)就是以計(jì)算機(jī)為工具，設(shè)計(jì)者在 EDA 軟件平臺(tái)上，用硬件描述語言VHDL 完成設(shè)計(jì)文件，然后由計(jì)算機(jī)自動(dòng)地完成邏輯編譯、化簡(jiǎn)、分割、綜合、優(yōu)化、布局、布線和仿真，直至對(duì)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(jì)的效率和可操作性，減輕了設(shè)計(jì)者的勞動(dòng)強(qiáng)度。 利用 EDA 工具，電子 設(shè)計(jì)師 可以從概念、算法、協(xié)議等開始設(shè)計(jì) 電子系統(tǒng) ，大量工作可以通過計(jì)算機(jī)完成，并可以將電子產(chǎn)品從電路設(shè)計(jì)、性能分析到設(shè)計(jì)出 IC 版圖或 PCB 版圖的整個(gè)過程的計(jì)算機(jī)上自動(dòng)處理完成。 現(xiàn)在對(duì) EDA 的概念或范疇用得很寬。包括在機(jī)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(gè)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。 2）售貨機(jī)簡(jiǎn)介： 一般的自動(dòng)售貨機(jī)由錢幣裝置、指示裝置、貯藏售貨裝置等組成。錢幣裝置是售貨機(jī)的核心分選錢幣的種類，計(jì)算金額。如果投入的金額達(dá)到購買物品的數(shù)值即發(fā)出售貨信號(hào)，并找出余錢。指示裝置用以指示顧客所選商品的品種。 3）現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)： 從自動(dòng)售貨機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)來看，它的出現(xiàn)是由于勞動(dòng)密集型的產(chǎn)業(yè)構(gòu)造向技術(shù)密集型社會(huì)轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物。大量生產(chǎn)、大量消費(fèi)以及消費(fèi)模式和銷售環(huán)境的變化，要求出 現(xiàn)新的流通渠道；而相對(duì)的超市、百貨購物中心等新的流通渠道的產(chǎn)生，人工費(fèi)用也不斷上升；再加上場(chǎng)地的局限性以及購物的便利性等這些因素的制約，無人自動(dòng)售貨機(jī)作為一種必須的機(jī)器便應(yīng)運(yùn)而生了。 從廣義來講投入硬幣、紙幣、信用卡等后便可以銷售商品的機(jī)械，從狹義來講就是自動(dòng)銷售商品的機(jī)械。從供給的條件看，自動(dòng)售貨機(jī)可以充分補(bǔ)充人力資源的不足，適應(yīng)消費(fèi)環(huán)境和消費(fèi)模式的變化， 24 小時(shí)無人售貨的系統(tǒng)可以更省力，運(yùn)營時(shí)需要的資本少、面積小，有吸引人們購買好奇心的自身性能，可以很好地解決人工費(fèi)用上升的問題等各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。 現(xiàn)在，自動(dòng) 售貨機(jī)產(chǎn)業(yè)正在走向信息化并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)合理化。例如實(shí)行聯(lián)機(jī)方式，通過電話線路將自動(dòng)售貨機(jī)內(nèi)的庫存信息及時(shí)地傳送各營業(yè)點(diǎn)的電腦中，從而確保了商品的發(fā)送、補(bǔ)充以及商品選定的順利進(jìn)行。并且，為防止地球暖化，自動(dòng)售貨機(jī)的開發(fā)致力于能源的節(jié)省，節(jié)能型清涼飲料自動(dòng)售貨機(jī)成為該行業(yè)的主流。在夏季電力消費(fèi)高峰時(shí)，這種機(jī)型的自動(dòng)售貨機(jī)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(dòng)售貨機(jī)相比，它能夠節(jié)約 10－ 15%的電力。進(jìn)入 21 世紀(jì)時(shí)，自動(dòng)售貨機(jī)也將進(jìn)一步向節(jié)省資源和能源以及高功能化的方向發(fā)展。 關(guān)鍵字： EDA 技術(shù) 廣泛使用 自動(dòng)售貨機(jī) 3 目錄 引言 3 設(shè)計(jì)的目的 3 設(shè)計(jì)的 基本內(nèi)容 3 EDA 和 VHDL 簡(jiǎn)介 4 EDA 的簡(jiǎn)介 4 語言的特點(diǎn) 5 基于 VHDL 的智力競(jìng)賽搶答器的模塊設(shè)計(jì) 6 智力競(jìng)賽搶答器的組成原理 6 搶答器模塊的設(shè)計(jì) 6 搶答鑒別模塊的設(shè)計(jì) 7 倒計(jì)時(shí)模塊的設(shè)計(jì) 8 計(jì)分模塊的設(shè)計(jì) 10 數(shù)碼管顯示選擇模塊的設(shè)計(jì) 16 譯碼顯示模塊的設(shè)計(jì) 17 蜂鳴器控制模塊的設(shè)計(jì) 20 附表 22 參考文獻(xiàn) 23 4 引言 設(shè)計(jì)的目的 本次設(shè)計(jì)是基于“學(xué)以致用”四字。首先，在學(xué)習(xí)了 VHDL語言之后，必須有一個(gè)較為完整的設(shè)計(jì)才能更為深刻和透徹地了解學(xué)習(xí)這門語言的意義及使用方法，糾正在以往設(shè)計(jì)中存在的問題并大致對(duì)設(shè)計(jì)有一定的認(rèn)識(shí)， 逐步 建立 正確 設(shè)計(jì)思想。其次，本設(shè)計(jì)可以將所有的相關(guān)學(xué)科的知識(shí)，如模擬電路，數(shù)字電路，單片機(jī)原理等等課程融會(huì)貫通，由點(diǎn)及面得學(xué)習(xí)。 與此同時(shí) ，在題目的選擇上將其確定為“自動(dòng)售貨機(jī)”是因?yàn)檫@個(gè)題目的實(shí)際效益較為明顯，最貼近于生活。而我們?cè)O(shè)計(jì)者就應(yīng)該選擇那些和生活息息相關(guān)的題材來進(jìn)行學(xué)習(xí)和研究，這樣才能有助于專業(yè)知識(shí)的生活化 ，普及化。讓更多的人意識(shí)到自己的生活充滿了電子設(shè)計(jì)，也讓電子設(shè)計(jì)。最后，可以通過自動(dòng)售貨機(jī)的設(shè)計(jì) 鞏固和綜合運(yùn)用所學(xué)課程， 加強(qiáng)動(dòng)手 能力，提高分析、解決計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)際問題的獨(dú)立工作能力 ，本設(shè)計(jì) 以 撥碼開關(guān) 信號(hào)來控制 商品選擇及價(jià)格投入 ，應(yīng)用二極管和數(shù)碼顯 示管為主要部件來模擬真實(shí)的自動(dòng)售貨機(jī) 。 通過課程設(shè)計(jì)深入理解 VHDL語言的精髓 和掌握運(yùn)用所學(xué)的知識(shí) ，達(dá)到課程設(shè)計(jì)的目標(biāo)。 設(shè)計(jì)的 基本內(nèi)容 設(shè)計(jì)一個(gè)有四樣商品的自動(dòng)售貨機(jī)，其價(jià)格分別為 ,。利用撥碼開關(guān)對(duì)商品進(jìn)行任意選擇，小于等于四個(gè)即可。選擇完后，對(duì)應(yīng)貨品的燈亮，數(shù)碼管上會(huì)顯示出所選貨品總共的價(jià)格。同樣用四個(gè)撥碼開關(guān)代表投入的錢數(shù)，分別為 ,，撥碼選擇投入的錢數(shù)之后，數(shù)碼管上同時(shí)顯示所投錢數(shù)，而另外兩個(gè)數(shù)碼管則顯示出了應(yīng)該找回的錢。在交易成功之時(shí)（即投幣數(shù)大于購買價(jià)格）蜂鳴器響起，否則指示燈亮。 EDA 和 VHDL 簡(jiǎn)介 EDA 的簡(jiǎn)介 EDA 技術(shù)是在電子 CAD 技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，是指以計(jì)算機(jī)為工作平臺(tái)，融合了應(yīng)用電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理及智能化技術(shù)的最新成果，進(jìn)行電子產(chǎn)品的自動(dòng)設(shè)計(jì)。利用 EDA 工具，電子設(shè)計(jì)師可以從概念、算法、協(xié)議等開始設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)，大量工作可以通過計(jì)算機(jī)完成，并可以將電子產(chǎn)品從電路設(shè)計(jì)、性能分析到設(shè)計(jì)出 IC 版圖或 PCB 版圖的整個(gè)過程在計(jì)算機(jī)上 5 自動(dòng)處理完成?，F(xiàn)在對(duì) EDA 的概念或范疇用得很寬。包括在機(jī)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(gè)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(jī)制造過程中，從設(shè)計(jì)、性能測(cè)試及特性分析直到飛行模擬，都可能涉及到 EDA技術(shù)。本文所指的 EDA 技術(shù)，主要針對(duì)電子電路設(shè)計(jì)、 PCB 設(shè)計(jì)和 IC 設(shè)計(jì)。EDA 設(shè)計(jì)可分為系統(tǒng)級(jí)、電路級(jí)和物理實(shí)現(xiàn)級(jí)。 VHDL 的英文全名是 VeryHighSpeed Integrated Circuit HardwareDescription Language， 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 的語言形式和描述風(fēng)格與句法是十分類似于一般的 計(jì)算機(jī)高級(jí)語言 。 VHDL 的程序結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將一項(xiàng)工程設(shè)計(jì)，或稱設(shè)計(jì)實(shí)體（可以是一個(gè)元件，一個(gè)電路模塊或一個(gè)系統(tǒng)）分成外部（或稱可視部分，及端口）和內(nèi)部（或稱不可視部分），既涉及實(shí)體的內(nèi)部功能和算法完成部分。在對(duì)一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)體定義了外部界面后，一旦其 內(nèi)部開發(fā)完成后，其他的設(shè)計(jì)就可以直接調(diào)用這個(gè)實(shí)體。這種將設(shè)計(jì)實(shí)體分成內(nèi)外部分的概念是 VHDL 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本點(diǎn)。 語言的特點(diǎn) VHDL 語言能夠成為標(biāo)準(zhǔn)化的硬件描述語言并獲得廣泛應(yīng)用，它自身必然具有很多其他硬件描述語言所不具備的優(yōu)點(diǎn)。歸納起來， VHDL 語言主要具有以下優(yōu)點(diǎn)： （ 1） VHDL 語言功能強(qiáng)大，設(shè)計(jì)方式多樣 VHDL 語言具有強(qiáng)大的語言結(jié)構(gòu)，只需采用簡(jiǎn)單明確的 VHDL 語言程序就可以描述十分復(fù)雜的硬件電路。同時(shí)，它還具有多層次的電路設(shè)計(jì)描述功能。此外，VHDL 語言能夠同時(shí)支持同步電路、異步電路和隨機(jī)電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，這是其他硬件描述語言所不能比擬的。 VHDL 語言設(shè)計(jì)方法靈活多樣，既支持自頂向下的設(shè)計(jì)方式，也支持自底向上的設(shè)計(jì)方法；既支持模塊化設(shè)計(jì)方法，也支持層次化設(shè)計(jì)方法。 （ 2） VHDL 語言具有強(qiáng)大的硬件描述能力 VHDL 語言具有多層次的電路設(shè)計(jì)描述功能，既可描述系統(tǒng)級(jí)電路，也可以描述門級(jí)電路；描述方式既可以采用行為描述、寄存器傳輸描述或者結(jié)構(gòu)描述，也可以采用三者的混合描述方式。同時(shí)， VHDL 語言也支持慣性延遲和傳輸延遲，這樣可以準(zhǔn)確地建立硬件電路的模 型。 VHDL 語言的強(qiáng)大描述能力還體現(xiàn)在它具有豐富的數(shù)據(jù)類型。 VHDL 語言既支持標(biāo)準(zhǔn)定義的數(shù)據(jù)類型，也支持用戶定義的數(shù)據(jù)類型，這樣便會(huì)給硬件描述帶來較大的自由度。 （ 3） VHDL 語言具有很強(qiáng)的移植能力 VHDL 語言很強(qiáng)的移植能力主要體現(xiàn)在：對(duì)于同一個(gè)硬件電路的 VHDL 語言描述，它可以從一個(gè)模擬器移植到另一個(gè)模擬器上、從一個(gè)綜合器移植到另一個(gè)綜合器上或者從一個(gè)工作平臺(tái)移植到另一個(gè)工作平臺(tái)上去執(zhí)行。 （ 4） VHDL 語言的設(shè)計(jì)描述與器件無關(guān) 6 采用 VHDL 語言描述硬件電路時(shí)，設(shè)計(jì)人員并不需要首先 考慮選擇進(jìn)行設(shè)計(jì)的器件。這樣做的好處是可以使設(shè)計(jì)人員集中精力進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的優(yōu)化，而不需要考慮其他的問題。當(dāng)硬件電路的設(shè)計(jì)描述完成以后， VHDL 語言允許采用多種不同的器件結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。 （ 5） VHDL 語言程序易于共享和復(fù)用 VHDL 語言采用基于庫 ( library) 的設(shè)計(jì)方法。在設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員可以建立各種可再次利用的模塊，一個(gè)大規(guī)模的硬件電路的設(shè)計(jì)不可能從門級(jí)電路開始一步步地進(jìn)行設(shè)計(jì)，而是一些模塊的累加。這些模塊可以預(yù)先設(shè)計(jì)或者使用以前設(shè)計(jì)中的存檔模塊，將這些模塊存放在庫中，就可以在以后的設(shè)計(jì) 中進(jìn)行復(fù)用。 由于 VHDL 語言是一種描述、模擬、綜合、優(yōu)化和布線的標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言，因此它可以使設(shè)計(jì)成果在設(shè)計(jì)人員之間方便地進(jìn)行交流和共享，從而減小硬件電路設(shè)計(jì)的工作量，縮短開發(fā)周期。 基于 VHDL的 自動(dòng)售貨機(jī)的設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì) 1 原理圖： 2 設(shè)計(jì)思想： 投錢數(shù) 選商品 依次顯示：售價(jià) 投錢數(shù) 找零數(shù) 揚(yáng)聲器 交易是否成功 是 運(yùn)算電路 信號(hào)輸出 信號(hào)鑒別 ,鎖存 指示燈亮 否 7 [1]本次設(shè)計(jì)題目要求為 ： 可以對(duì) 4 種商品進(jìn)行售貨，價(jià)格分別為 元， 元， 元 , 元 ； 售貨機(jī)可以接受 1 元， 5 角硬幣 ； 根據(jù)入的硬幣出貨和找零 ； 需顯示狀態(tài)，以及金額 可通過撥碼開關(guān)或按鍵代表金額輸入 ； [2]根據(jù)題目要求可以將設(shè)計(jì)過程大概分為 商品的選擇，投幣以及數(shù)碼管顯示三塊。商品選擇利用撥碼開關(guān)實(shí)現(xiàn)，在選定商品的時(shí)候，代表對(duì)應(yīng)商品的提示燈亮起，且選擇的商品可以多余一樣而少于四樣；投幣可以設(shè)計(jì)兩個(gè)模塊，第一個(gè)是利用撥碼開關(guān)實(shí)現(xiàn)，另外一種則可以利用鍵盤實(shí)現(xiàn)；數(shù)碼管顯示要求可以同時(shí)、依次顯示選擇物品的總價(jià)格、所投錢數(shù)以及應(yīng)找零數(shù)；是內(nèi)容直觀可靠。 設(shè)計(jì)過程： 枚舉法設(shè)計(jì)： 本次要求的自動(dòng)售貨機(jī)所售物品的種類并不多，數(shù)值也并不大，數(shù)碼管的位數(shù)夠多，而所用的芯片引腳也夠多，所以設(shè)計(jì)者最先萌生出的念頭就是利用枚舉法將 運(yùn)算提前做好，整個(gè)程序只需負(fù)責(zé)數(shù)碼顯示，且運(yùn)用大規(guī)模的枚舉法。 大致 程序如下：