【正文】 1 自動售貨機的設(shè)計與實現(xiàn) 摘要： 本文介紹了 VHDL 的特點和應(yīng)用 ,以自動售貨機為例，詳細說明了其實現(xiàn)過程。本系統(tǒng)使用 VHDL語言編寫，用狀態(tài)基來實現(xiàn)各功能，使用 MAXPLUSⅡ進行仿真，模擬各模塊的實現(xiàn)。本文詳細介紹如何運用 VHDL 語言及 MAXPLUSⅡ進行仿真 ,本文設(shè)計的自動售貨機實現(xiàn)了選擇貨物，投幣，找零，顯示，多次交易，在一次購買中選擇多個貨物等自動售貨機的基本功能。本文給出了各個模塊的源程序、各模塊的連接圖以及各個模塊的仿真圖，并做出了詳細的分析。 關(guān)鍵詞： VHDL 語言， MAXPLUSⅡ，自動售貨機 Design and implementation of vending machine Electronics and Information Science and Technology Candidate:JiangHui Advisor： CaiJianhua Abstract: This article introduces the characteristics and application of VHDL, with a example of designing vending machines, describes detailedly the implementation process. The system uses the VHDL language, realizing every function uses state machines, applying MAXPLUS Ⅱ to simulate in order to realize the function every article describes the use of VHDL language and MAXPLUS Ⅱ simulation, to achieve the vending machine39。s basic functions , as choose good, coin, give change, buy good more than one time, choose more than one good in one time, display, and so on. This article gives the original program of every modules and the simulating diagram of every modules and the bination of all of the modules, gives detail analyse of every simulating diagram as well. Keywords:VHDL language， MAXPLUSⅡ ， Vending machine 引言 隨著科技的發(fā)展和社會的進步，自動化商業(yè)機械有了越來越廣泛的應(yīng)用，自動售貨機 2 作為自動化商業(yè)機械的代 表被廣泛用于公共場所自動售貨，給人們的生活帶來了極大的方便。特別在發(fā)達國家，自動售貨機已經(jīng)十分普及，自動售貨機可售出各種成型包裝小商品，各種袋裝，盒裝，軟瓶裝等小商品。因其無需專人值守而可以每天 24 小時售貨，被稱為“無人小超市”。在我國，由于多種原因，自動售貨機的市場推廣緩慢，處于培育階段，但可以預見，這種方便快捷的服務(wù)形式因其適合現(xiàn)代生活快節(jié)奏的需要，在不久的將來必會獲得大眾的喜愛。隨著商品市場的不斷繁榮，自動售貨機和自動服務(wù)設(shè)施必將逐步得到廣泛的應(yīng)用。 本文設(shè)計研究自動售貨機的主要功能模塊，主要包括貨幣 處理模塊、余額計算模塊、顯示模塊，延時和時控模塊，由于條件上的限制，對投幣模塊中的貨幣檢測未進行處理。相應(yīng)的主要功能有選擇貨物，多次購買，出貨找零，顯示，延時和時控功能。 本文是通過使用 VHDL 語言，基于 FPGA 可編程芯片，并通過使用 MAXPLUSⅡ軟件進行程序設(shè)計，模擬仿真，功能驗證，以更好的來 理解和掌握 自動售貨機控制系統(tǒng) 的工作原理和設(shè)計方法 ，以及 學習和掌握基于 EDA 的電子產(chǎn)品設(shè)計方法， 進一步加深對 VHDL 語言以及 MAXPLUSⅡ軟件、 FPGA 可編程芯片的認識與了解。更深入的學習 EDA技術(shù)，更好地掌握本專 業(yè)知識。 1 本論概述 本文設(shè)計的自動售貨機是基于 VHDL[1](Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language，超高速集成電路硬件描述語言 )語言，使用 MAXPLUSⅡ軟件進行模擬仿真，在 FPGA（ Field Programmable Gate Arry,現(xiàn)場可編程門陣列）可編程芯片上實現(xiàn)的一款 EDA(Electronic Design Automation，電子設(shè)計自動化）技術(shù)的產(chǎn)品。 系統(tǒng)的工作原理 本文設(shè)計的自動 售貨機有兩種飲料可以出售，售價分別為 2元和 3元。售貨機可以識別 1 元， 5 元兩種貨幣。如果投入金額總值等于或超過售價就可以將飲料放出，并具有相應(yīng)的找零錢功能。 （ 1）用戶可多次選擇購買的飲料種類，某次飲料種類選定后等待投幣。如等待時間超過 10 秒鐘，則認為用戶放棄選購，售貨機自動回到等待狀態(tài)，等待新的交易。若在 10秒內(nèi)，再次選中飲料，則再次等待。 3 （ 2）每次交易完成，售貨機自動回到等待狀態(tài)，等待新的交易。 （ 3）用按鍵模擬投入 1 元， 5 元兩種貨幣，可連續(xù)投幣，同時顯示投入的金額和還應(yīng)投入的金額。若某次投幣后金額不足 ，且一定時限內(nèi)不再投幣（ 10 秒左右），則交易失敗，并退幣，顯示退還金額。 （ 4）具有指示電路，分別指示購買成功、交易取消（交易失?。┖驼伊?。 （ 5）相應(yīng)顯示有延時和時控功能。 VHDL 語言介紹 VHDL[2](Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description 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 ,以及描述風格與句法 ,類 似于一般的計算機一個電路模塊或一高級語言 ,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。 VHDL 語言的發(fā)展背景 硬件描述語言的發(fā)展至今已經(jīng)有幾十年的歷史，并已成功應(yīng)用到系統(tǒng)的仿真、驗證和設(shè)計綜合等方面。其中比較著名的的有 VHDL 語言、 AHDL 語言、 Verilog HDL 語言等。而在七八十年代初期 VHDL 語言是為美國國防部工作的。它是以 ADA 語言為根源，就像將被看到的整體結(jié)構(gòu)的 VHDL 和其他的 VHDL 報表。 1986 年，有人提議 VHDL 語言作為 IEEE 標準。它經(jīng)歷了一些修改意見和修改，直至1987 年 12 月獲得通過，成為 IEEE 1076至 1987 標準。它的出現(xiàn)為電子設(shè)計自動化的普及和推廣奠定了堅實的基礎(chǔ)。之后 IEEE 對 87 版本進行了修訂，于 1933 年推出了較為完善的 93 版本（被定為 ANSI/IEEE std 10761993 標準），使得 VHDL 語言的編程更加靈活方便。此后，越來越多的人開始使用 VHDL語言進行數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計。而 VHDL 語言有不同于軟件編程語言，在編程結(jié)構(gòu)和規(guī)范上有自己的特點，在此，本文就從簡單介紹 VHDL語言基礎(chǔ)開始。 VHDL 語言的基本結(jié)構(gòu) 4 一個完整的 VHDL[3]語言程序通常包括實體 (Entity)、構(gòu)造體 (Architecture)、配置(Configuration)、包集合 (Package)和庫 (Library)5 個部分。前 4 種是可以分別編譯的源設(shè)計單元。下面分別介紹： 實體：實體是用于描述所設(shè) 計電路系統(tǒng)的外部接口信號，系統(tǒng)的輸入輸出端口及屬性都是在實體中定義的。一個實體是設(shè)計中最基本的。最上層水平的設(shè)計是最高層的實體。如果設(shè)計分層次，那么最高層的描述將有低層描述的說明附在它里面。 構(gòu)造體：構(gòu)造體用于描述系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和行為，系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能都是在構(gòu)造體內(nèi)用語言進行描述的。 所有實體可以有一個構(gòu)造體的說明來模擬。該構(gòu)造體描述的行為實體。一個單一的實體可以有多個構(gòu)造體。一個構(gòu)造體可能是行為而另一個可能是一個結(jié)構(gòu)描述的設(shè)計。 配置：配置用于從庫中選取所需單元來組成系統(tǒng)設(shè)計的不同版本。 配置聲明是用來約束一 個組件實例的一雙實體架構(gòu)。一個配置可以被視為像一個零件清單進行設(shè)計。它描述的使用的每一個實體的行為，就像零件列表說明哪一部分用于每一部分的設(shè)計。 包集合：包集合存放各種設(shè)計模塊都能共享的數(shù)據(jù)類型、常數(shù)和子程序等。 包集合是一個收集常用數(shù)據(jù)類型和子程序中使用的設(shè)計。想想包含使用的工具建立的設(shè)計的一個工具箱作為一個包。 庫：庫存放已經(jīng)編譯的實體、構(gòu)造體、包集合和配置。庫可由用戶生成或者是由 ASIC芯片制造商提供，以便在設(shè)計中為大家共享。這種功能可以通過特定語句來實現(xiàn)。 除了以上介紹的各種術(shù)語，其它術(shù)語還有： 驅(qū)動 程序：這是一個信號上的一個源。如果一個信號有兩個來源，那么當兩個來源是由兩個驅(qū)動程序來起作用的。 總線：這個詞，“巴士”通常使我想起一組信號或某個特定的通信方式，用于設(shè)計的硬件。在 VHDL語言，總線是一種特殊的信號，表明可能由驅(qū)動程序來完成。 屬性：一個關(guān)于 VHDL 對象連接到 VHDL 的物體或預先確定的數(shù)據(jù)的屬性數(shù)據(jù)。例如，電流驅(qū)動能力的一個緩沖區(qū)或最高工作溫度的裝置。 通用：泛指是 VHDL 語言傳遞信息實體參數(shù)的任期。例如，如果一個實體是一個門級模型的上升和下降延遲，上升和下降延誤的值才能通過成為實體與仿制。 進程：一個進程是執(zhí)行的 VHDL 中的一個基本單位。一切行動，是在模擬 VHDL 描述分 5 為單個或多個進程。 在 VHDL 語言程序中，最重要的就是實體和構(gòu)造體部分。它們是一個具體設(shè)計的核心。如果說實體是系統(tǒng)和外部交流的橋梁，那么構(gòu)造體就是處理內(nèi)外交流的信號加工廠。在構(gòu)造體中各種信號協(xié)調(diào)工作，最后得到所需的輸出，傳送到輸出端口和外部進行交流。下面具體說明實體和構(gòu)造體。 實體 一個 VHDL實體指定的實體名稱，實體的端口，以及實體相關(guān)的信息。所有設(shè)計創(chuàng)建使用一個或多個實體。讓我們來看看一個簡單的實體例子： ENTITY mux IS PORT ( a, b, c, d : IN BIT。s0, s1 : IN BIT。 x : OUT BIT)。 END mux。 關(guān)鍵字“實體”是開始一個實體聲明的標志，在整本文的說明中，標準封裝中關(guān)鍵字的語言和類型全部用大寫字母來顯示。例如，在前面的示例中，關(guān)鍵字是 ENTITY, IS, PORT, IN, INOUT,，等等。如果標準型是少量的。用戶創(chuàng)建像復用一樣的姓名，在上面的例子中，將以小寫顯示。 實體的名稱是多路復用，該實體有 7 個端口和端口條款。 6個端口，一個是輸入端口 ，另一個是輸出端口。 4 個數(shù)據(jù)輸入端口 (a, b, c, d)是位寬類型。這兩個多路選擇輸入是s0 和 s1，也都是位寬類型。輸出端口也是位寬類型。實體描述外界的接口。它規(guī)定了一些端口，端口方向和端口的類型。比起這里顯示的信息，實體可以存放更多的信息，但是這為我們提供了建立更復雜例子的基礎(chǔ)。 構(gòu)造體 實體是描述接口的 VHDL 模型。構(gòu)造體描述了實體的基本功能，并包含了模擬實體行為的陳述。構(gòu)造體始終是涉及實體和描述實體的行為。計數(shù)設(shè)備的構(gòu)造體更早的像這樣描述： ARCHITECTURE dataflow OF mux ISSIGNAL select : INTEGER。 BEGIN select = 0 WHEN s0 = ‘ 0’ AND s1 = ‘ 0’ ELSE1 WHEN s0 = ‘ 1’ AND s1= ‘ 0’ ELSE2 WHEN s0 = ‘ 0’ AND s1 = ‘ 1’ ELSE3。 6 x = a AFTER NS WHEN select = 0 ELSEb AFTER NS WHEN select = 1 ELSEc AFTER NS WHEN select = 2 ELSEd AFTER NS。 END dataflow。 關(guān)鍵字 ARCHITECTURE 本聲明描述了一個實體的構(gòu)架。該構(gòu)造體的名字是數(shù)據(jù)流。該實體的構(gòu)架是一種被稱為多路復用的描述。 實體和結(jié)構(gòu)連接之間的原因是一個實體可以有多個構(gòu)造體來描述實體的行為。例如，一個構(gòu)造可能是一個行為描述，另一個可能是結(jié)構(gòu)性的描述。 在關(guān)鍵字 ARCHITECTURE 和 BEGIN 的文字區(qū)域是本地信號和供日后使用的組件。在這個例子中的信號選擇被宣布為當?shù)氐男盘枴? 構(gòu)造體的申明區(qū)域是由關(guān)鍵字 BEGIN 開始的。所有在 BEGIN 和 END list statement之間的申明被稱為并列的申明 ，因為所有的申明同時執(zhí)行。 MAX+PLUSⅡ