【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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(wú)人售貨的系統(tǒng)可以更省力，運(yùn)營(yíng)時(shí)需要的資本少、面積小，有吸引人們購(gòu)買(mǎi)好奇心的自身性能，可以很好地解決人工費(fèi)用上升的問(wèn)題等各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。 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(guò)電話線路將自動(dòng)售貨機(jī)內(nèi)的庫(kù)存信息及時(shí)地傳送各營(yíng)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(kāi)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。 本文的研究目標(biāo)及章節(jié)安排 本文的研究目標(biāo) 本文研究目標(biāo)是設(shè)計(jì)一種自頂向下的分層自動(dòng)售貨機(jī)。使用 VHDL 硬件描述語(yǔ)言編寫(xiě)程序代碼用狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)功能并以 MAX+plusⅡ 軟件做為開(kāi)發(fā)環(huán)境，設(shè)計(jì)一個(gè)能實(shí)現(xiàn)選擇商品，投幣，找零，顯示狀態(tài)，多次交易的自動(dòng)售貨機(jī)。自動(dòng)售貨機(jī)模塊的設(shè)計(jì)具有相對(duì)獨(dú)立性，可以對(duì)各模塊進(jìn)行單獨(dú)燕山大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 設(shè)計(jì)、修改和調(diào)試，這樣減少了設(shè)計(jì)周期。最后通過(guò)模擬 仿真，功能驗(yàn)證來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 本文的章節(jié)安排 本篇論文一共分為四章，每章內(nèi)容安排如下： 第 1 章介紹了本文課題的研究背景，以及自動(dòng)售貨機(jī)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展及現(xiàn)狀。第 2 章對(duì) EDA 電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化 技術(shù)、 VHDL 標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語(yǔ)言及MAX+plusⅡ 軟件做了基本的介紹，第 3 章主要講述了自動(dòng)售貨機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求、系統(tǒng)需求分析、工作流程、狀態(tài)轉(zhuǎn)換及模塊劃分。第 4 章介紹了在Max+plusⅡ 軟件平臺(tái)上進(jìn)行波形模擬仿真并做出必要的功能驗(yàn)證與分析說(shuō)明。 第 2 章 相關(guān)技術(shù)與設(shè)計(jì)工具 7 第 2 章 相關(guān)技術(shù)與設(shè)計(jì)工具 EDA 技術(shù)介紹 EDA 技術(shù)概念與應(yīng)用 EDA 技術(shù)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(kāi) 始設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)，大量工作可以通過(guò)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(guò)程的計(jì)算機(jī)上自動(dòng)處理完成。 20 世紀(jì) 90 年代，國(guó)際上電子和 計(jì)算機(jī)技術(shù) 較為先進(jìn)的國(guó)家，一直在積極探索新的電子 電路 設(shè)計(jì)方法，并在設(shè)計(jì)方法、工具等方面進(jìn)行了徹底的變革，取得了巨大成功。在電子技術(shù)設(shè)計(jì)領(lǐng)域， 可編程邏輯器件 （如 CPLD、FPGA）的應(yīng)用 [7]，已得到廣泛的普及，這些器件為 數(shù)字系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的靈活性。這些器件可以通過(guò) 軟件 編程而對(duì)其硬件結(jié)構(gòu)和工作方式進(jìn)行重構(gòu)，從而使得硬件的設(shè)計(jì)可以如同軟件設(shè)計(jì)那樣方便快捷。這一切極大地改變了傳統(tǒng)的 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì) 方法、設(shè)計(jì)過(guò)程和設(shè)計(jì)觀念，促進(jìn)了 EDA 技術(shù)的迅速發(fā)展。 EDA 在教學(xué)、科研、產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造等各方面都發(fā)揮著巨大的作用。在教學(xué)方面，幾乎所有理工科（特別是電子信息）類(lèi)的高校都開(kāi)設(shè)了 EDA課程。主要是讓學(xué)生了解 EDA 的基本概 念和基本原理、掌握用 HDL 語(yǔ)言編寫(xiě)規(guī)范、掌握邏輯綜合的理論和算法、使用 EDA 工具進(jìn)行電子 電路 課程的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證并從事簡(jiǎn)單系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。一般學(xué)習(xí) 電路仿真 工具（如 Multisim、PSPICE）和 PLD 開(kāi) 發(fā)工具（如 Altera/Xilinx 的器件結(jié)構(gòu)及開(kāi)發(fā)系統(tǒng)），為今后工作打下基礎(chǔ)。 科研方面主要利用 電路仿真 工具（ Multisim 或 PSPICE）進(jìn)行 電路設(shè)計(jì)與仿真 ；利用 虛擬儀器 進(jìn)行產(chǎn)品測(cè)試；將 CPLD/FPGA 器件實(shí)際應(yīng)用到儀器設(shè)備中；從事 PCB 設(shè)計(jì)和 ASIC 設(shè)計(jì)等 [8]。 在產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造方面，包括 計(jì)算機(jī)仿真 ，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的 EDA 工具應(yīng)燕山大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 用、系統(tǒng)級(jí)模擬及 測(cè)試環(huán)境 的仿真，生產(chǎn)流水線的 EDA 技術(shù)應(yīng)用、產(chǎn)品測(cè)試等各個(gè)環(huán)節(jié)。如 PCB 的制作、電子設(shè)備的研制與生產(chǎn)、 電路 板的焊接、ASIC 的制作過(guò)程等 [9]。 從應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)看， EDA 技術(shù)已經(jīng)滲透到各行各業(yè)，如上文所說(shuō)，包括在機(jī)械、電子、通信、航空航航天、化工、礦產(chǎn)、生物、醫(yī)學(xué)、軍事等各個(gè)領(lǐng)域，都有 EDA 應(yīng)用。另外， EDA 軟件 的功能日益強(qiáng)大，原來(lái)功能比較單一的軟件，現(xiàn)在增加了很多新用途。如 AutoCAD 軟件 可用于機(jī)械及建筑設(shè)計(jì)，也擴(kuò)展到建筑裝璜及各類(lèi)效果圖、汽車(chē)和飛機(jī)的模型、電影特技等領(lǐng)域。 EDA 技術(shù)的歷史與發(fā)展趨勢(shì) 在電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（英語(yǔ)： Electronic design automation，縮寫(xiě)： EDA）出現(xiàn)之前，設(shè)計(jì)人員必須手工完成 集成電路 的設(shè)計(jì)、布線等工作，這是因?yàn)楫?dāng)時(shí)所謂集成電路的復(fù)雜程度遠(yuǎn)不及現(xiàn)在。工業(yè)界開(kāi)始使用幾何學(xué)方法來(lái)制造用于電路光繪（ photoplotter）的膠帶。到了 1970 年代中期，開(kāi)發(fā)人應(yīng)嘗試將整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程自動(dòng)化，而不僅僅滿(mǎn)足于自動(dòng)完成掩膜草圖。第一個(gè)電路布線、布局工具研發(fā)成功。設(shè)計(jì)自動(dòng)化會(huì)議（ Design Automation Conference）在這一時(shí)期被創(chuàng)立，旨在促進(jìn)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化的發(fā)展。 電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化發(fā)展的下一個(gè)重要階段以卡弗爾 米德（ Carver Mead）和琳 康維于 1980 年發(fā)表的論文《超大規(guī)模集成 電路系統(tǒng)導(dǎo)論》（ Introduction to VLSI Systems）為標(biāo)志。這一篇具有重大意義的論文提出了通過(guò)編程語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)的新思想。如果這一想法得到實(shí)現(xiàn)，芯片設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度可以得到顯著提升。這主要得益于用來(lái)進(jìn)行集成電路邏輯仿真、功能驗(yàn)證的工具的性能得到相當(dāng)?shù)母纳?。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)項(xiàng)目可以在構(gòu)建實(shí)際硬件電路之前進(jìn)行仿真，芯片布線布局對(duì)人工設(shè)計(jì)的要求降低，而且軟件錯(cuò)誤率不斷降低。直至今日，盡管所用的語(yǔ)言和工具仍然不斷在發(fā)展，但是通過(guò) 編程 語(yǔ)言來(lái)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證 電路 預(yù)期行為，利用工具軟件綜合得到低抽象級(jí)物理設(shè)計(jì)的這種途徑，仍然是 數(shù)字集成電路設(shè)計(jì) 的基礎(chǔ)。 從 1981 年開(kāi)始，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化逐漸開(kāi)始商業(yè)化。 1984 年的設(shè)計(jì)自動(dòng)化會(huì)議（ Design Automation Conference）上還舉辦了第一個(gè)以電子設(shè)計(jì)自動(dòng)第 2 章 相關(guān)技術(shù)與設(shè)計(jì)工具 9 化為主題的銷(xiāo)售展覽。 Gateway 設(shè)計(jì)自動(dòng)化在 1986 年推出了一種硬件描述語(yǔ)言 Verilog[10,11]，這種語(yǔ)言在現(xiàn)在是最流行的高級(jí)抽象設(shè)計(jì)語(yǔ)言。 1987 年，在美國(guó)國(guó)防部的資助下，另一種硬件描述語(yǔ)言 VHDL 被創(chuàng)造出來(lái)?，F(xiàn)代的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化設(shè)計(jì)工具可以識(shí)別、讀取不同類(lèi) 型的硬件描述。根據(jù)這些語(yǔ)言規(guī)范產(chǎn)生的各種仿真系統(tǒng)迅速被推出，使得設(shè)計(jì)人員可對(duì)設(shè)計(jì)的芯片進(jìn)行直接仿真。后來(lái)，技術(shù)的發(fā)展更側(cè)重于邏輯綜合。 目前的數(shù)字集成 電路 的設(shè)計(jì)都比較模塊化（參見(jiàn)集成電路設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)收斂（ Design closure）和設(shè)計(jì)流（ Design flow (EDA)））。 半導(dǎo)體器件 制造工藝需要標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)描述，高抽象級(jí)的描述將被編譯為信息單元（ cell）的形式。設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)時(shí)尚無(wú)需考慮信息單元的具體硬件工藝。利用特定的集成電路制造工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件電路，信息單元就會(huì)實(shí)施預(yù)定義的邏輯或其他電子功能。半導(dǎo)體硬件廠商大多會(huì)為它們制造的元件提供 “元件庫(kù) ”，并提供相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化仿真模型。相比數(shù)字的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具，模擬系統(tǒng)的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具大多并非模塊化的，這是因?yàn)槟M電路的功能更加復(fù)雜，而且不同部分的相互影響較強(qiáng)，而且作用規(guī)律復(fù)雜，電子元件大多沒(méi)有那么理想。 Verilog AMS 就是一種用于 模擬電子設(shè)計(jì)的硬件描述語(yǔ)言。此文，設(shè)計(jì)人員可以使用硬件驗(yàn)證語(yǔ)言來(lái)完成項(xiàng)目的驗(yàn)證工作目前最新的發(fā)展趨勢(shì)是將集描述語(yǔ)言、驗(yàn)證語(yǔ)言集成為一體，典型的例子有 SystemVerilog。 隨著集成電路規(guī)模的擴(kuò)大、 半導(dǎo)體技術(shù) 的發(fā)展，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化的重要性急劇增加。這些工具的使用者包括 半導(dǎo)體器件 制造中心的硬件技 術(shù)人員，他們的工作是操作半導(dǎo)體器件制造設(shè)備并管理整個(gè)工作車(chē)間。一些以設(shè)計(jì)為主要業(yè)務(wù)的公司，也會(huì)使用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件來(lái)評(píng)估制造部門(mén)是否能夠適應(yīng)新的設(shè)計(jì)任務(wù)。電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具還被用來(lái)將設(shè)計(jì)的功能導(dǎo)入到類(lèi)似現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列的半定制 可編程邏輯器件 ，或者生產(chǎn)全定制的專(zhuān)用集成電路。從目前的 EDA 技術(shù)來(lái)看，其發(fā)展趨勢(shì)是政府重視、使用普及、應(yīng)用廣泛、工具多樣、 軟件 功能強(qiáng)大。 中國(guó) EDA 市場(chǎng)已漸趨成熟，不過(guò)大部分設(shè)計(jì)工程師面向的是 PCB 制板和小型 ASIC 領(lǐng)域 [12]，僅有小部分（約 11%）的設(shè)計(jì)人員開(kāi)發(fā)復(fù)雜的 片上系統(tǒng) 器件。為了與 臺(tái)灣 和美國(guó)的設(shè)計(jì)工程師形成更有力的競(jìng)爭(zhēng)，中國(guó)的設(shè)計(jì)隊(duì)燕山大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 伍有必要引進(jìn)和學(xué)習(xí)一些最新的 EDA 技 術(shù)。 在信息通信領(lǐng)域，要優(yōu)先發(fā)展高速寬帶信息網(wǎng)、 深亞微米集成電路 、新型元器件、計(jì)算機(jī)及 軟件 技術(shù)、 第三代移動(dòng)通信技術(shù) 、信息管理、 信息安全技術(shù) ，積極開(kāi)拓以 數(shù)字技術(shù) 、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)的新一代信息產(chǎn)品，發(fā)展新興產(chǎn)業(yè)，培育新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。要大力推進(jìn) 制造業(yè)信息化 ，積極開(kāi)展 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) （ CAD）、 計(jì)算機(jī)輔助工程 （ CAE）、計(jì)算機(jī)輔助工藝（ CAPP）、計(jì)算機(jī)機(jī)輔助制造（ CAM）、 產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理 （ PDM）、 制造資源計(jì)劃 （ MRPII）及企業(yè)資源管理（ ERP）等。有條件的企業(yè)可開(kāi)展 “網(wǎng)絡(luò)制造 ”，便于合 作設(shè)計(jì)、合作制造，參與國(guó)內(nèi)和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)。開(kāi)展 “數(shù)控 化 ”工程和 “數(shù)字化 ”工程。自動(dòng)化儀表的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的測(cè)試技術(shù)、控制技術(shù)與 計(jì)算機(jī)技術(shù) 、通信技術(shù)進(jìn)一步融合，形成測(cè)量、控制、通信與計(jì)算機(jī)（ M3C）結(jié)構(gòu)。在 ASIC 和PLD 設(shè)計(jì)方面，向超高速、高密度、低功耗、低電壓方面發(fā)展。 外設(shè)技術(shù)與 EDA 工程相結(jié)合的市場(chǎng)前景看好，如組合超大屏幕的相關(guān)連接，多屏幕技術(shù)也有所發(fā)展。 中國(guó)自 1995 年以來(lái)加速開(kāi)發(fā)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，先后建立了幾所設(shè)計(jì)中心，推動(dòng)系列設(shè)計(jì)活動(dòng)以應(yīng)對(duì)亞太地區(qū)其它 EDA 市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)。 在 EDA 軟件開(kāi)發(fā)方面，目前主要集中在美國(guó)。但各國(guó)也正在努力開(kāi)發(fā)相應(yīng)的工具。日本、韓國(guó)都有 ASIC 設(shè)計(jì)工具，但不對(duì)外開(kāi)放。中國(guó)華大 集成 電路設(shè)計(jì) 中心，也提供 IC 設(shè)計(jì) 軟件 ，但性能不是很強(qiáng)。相信在不久的將來(lái)會(huì)有更多更好的設(shè)計(jì)工具在各地開(kāi)花并結(jié)果。據(jù)最新統(tǒng)計(jì)顯示，中國(guó)和印度正在成為 電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化 領(lǐng)域發(fā)展最快的兩個(gè)市場(chǎng)，年夏合增長(zhǎng)率分別達(dá)到了 50%和 30%。 VHDL 語(yǔ)言介紹 VHDL 語(yǔ)言概念、特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì) VHDL 語(yǔ)言 是一種用于電路設(shè)計(jì)的高級(jí)語(yǔ)言。它在 80 年代的后期出現(xiàn)。最初是由 美國(guó)國(guó)防部 開(kāi)發(fā)出來(lái)供美軍用來(lái)提高設(shè)計(jì)的可靠性和縮減開(kāi)發(fā)周期的一種使用范圍較小的設(shè)計(jì)語(yǔ)言。 VHDL 翻譯成中文就是 超高速集成電路 硬件描述語(yǔ)言， 主要是應(yīng)用在數(shù)第 2 章 相關(guān)技術(shù)與設(shè)計(jì)工具 11 字電路的設(shè)計(jì)中 [13]。目前，它在 中國(guó) 的應(yīng)用多數(shù)是用在 FPGA/CPLD/EPLD的設(shè)計(jì)中。當(dāng)然在一些實(shí)力較為雄厚的單位，它也被用來(lái)設(shè)計(jì) ASIC。 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(yǔ)句外， VHDL 的語(yǔ)言形式、描述風(fēng)格以及語(yǔ)法是十分類(lèi)似于一般 的 計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)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(chēng)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(chēng)可視部分 ,及端口 )和內(nèi)部（或稱(chēng)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(kāi)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)。 與其他硬件描述語(yǔ)言相比， VHDL 具有以下特點(diǎn)： 功能強(qiáng)大、設(shè)計(jì)靈活。 VHDL 具有功能強(qiáng)大的語(yǔ)言結(jié)構(gòu)，可以用簡(jiǎn)潔明確的源代碼來(lái)描述復(fù)雜的邏輯控制。它具有多層次的設(shè)計(jì)描述功能，層層細(xì)化，最后可直接生成電路級(jí)描述。 VHDL 支持同步電路、異步電路和隨機(jī)電路的設(shè)計(jì)，這是其他硬件描述語(yǔ)言雖不能比擬的。 支持廣泛、易于修改。由于 VHDL 已經(jīng)成為 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)范的硬件描述語(yǔ)言，目前大多數(shù) EDA 工具幾乎都支持 VHDL，這為 VHDL 的進(jìn)一步推廣和廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。在 硬件電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要的設(shè)計(jì)文件是用VHDL 編寫(xiě)的源代碼，因?yàn)?VHDL 易讀和結(jié)構(gòu)化，所以易于修改設(shè)計(jì)。 強(qiáng)大的系統(tǒng)硬件描述能力。 VHDL 具有多層次的設(shè)計(jì)描述功能，既可以描述系統(tǒng)級(jí)電路，又可以描述門(mén)級(jí)電路。而描述既可以采用行為描述、寄存器傳輸描述或結(jié)構(gòu)描述，也可以采用三者混合的混合級(jí)描述。另外， VHDL支持慣性延遲和傳輸延遲，還可以準(zhǔn)確地建立硬件電路模型。 獨(dú)立于器件的設(shè)計(jì)、與工藝無(wú)關(guān)。設(shè)計(jì)人員用 VHDL 進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，不需要首先考慮選擇完成設(shè)計(jì)的器件，就可以集中精力進(jìn)行設(shè)計(jì)的優(yōu)化。當(dāng)設(shè)計(jì)描述完成后，可以用多種 不同的器件結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能。 很強(qiáng)的移植能力。 VHDL 是一種標(biāo)準(zhǔn)化的硬件描述語(yǔ)言，同一個(gè)設(shè)計(jì)描述可以被不同的工具所支持，使得設(shè)計(jì)描述的移植成為