【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 Input Output Block）和內(nèi)部連線（Interconnect）三個(gè)部分。FPGA的基本特點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：一、FPGA設(shè)計(jì)ASIC電路，用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片。二、FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路中的試樣片。三、FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和I / O引腳。四、FPGA是ASIC電路中設(shè)計(jì)周期最短、開發(fā)費(fèi)用最低、風(fēng)險(xiǎn)最小的器件?？梢哉f，F(xiàn)PGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。目前FPGA的品種很多，有XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等。FPGA是由存放在片內(nèi)RAM中的程序來設(shè)置其工作狀態(tài)的，因此，工作時(shí)需要對(duì)片內(nèi)的RAM進(jìn)行編程。用戶可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。加電時(shí)，F(xiàn)PGA芯片將EPROM中的數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程RAM中，配置完成后，F(xiàn)PGA進(jìn)入工作狀態(tài)。掉電后，F(xiàn)PGA恢復(fù)成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此，F(xiàn)PGA能夠反復(fù)使用。FPGA的編程無須專用的FPGA編程器，只須用通用的EPROM、PROM編程即可。當(dāng)需要修改FPGA功能時(shí)，只須換一塊EPROM第8頁即可。這樣，同一片F(xiàn)PGA，不同的編程數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生不同的電路功能。因此，F(xiàn)PGA的使用非常靈活。FPGA的配置模式非常靈活，它可以有多種配置方式：平行主模式為一片F(xiàn)PGA加一片EPROM的方式；主從模式為多片F(xiàn)PGA加一片PROM；串行模式可以采用串行PROM 編程FPGA外設(shè)模式可以將FPGA作為微處理器的外設(shè)，由微處理器對(duì)其編程。第2章 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)設(shè)計(jì) (1)用四個(gè)發(fā)光二極管分別模擬售出價(jià)值為5角、1元、購買者可以通過開關(guān)選擇任意一種標(biāo)價(jià)中的小商品。(2)燈亮?xí)r表示該小商品售出。(3)用開關(guān)分別模擬5角、1元硬幣和5元紙幣投入，可以用幾只發(fā)光二極管(或數(shù)碼管)分別代表找回剩余的硬幣。(4)每次只能售出一種小商品，當(dāng)所投硬幣達(dá)到或超過購買者所選面值時(shí)，售出貨物并找回剩余的硬幣，回到初始狀態(tài)；(5)當(dāng)所投硬幣值不足面值時(shí)，可通過一個(gè)復(fù)位鍵退回所投硬幣，回到初始狀態(tài)。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案比較 總體設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)采用FPGA來設(shè)計(jì)的原理圖如圖11所示它由控制輸入電路、FPGA顯示電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)組成。圖11 采用FPGA設(shè)計(jì)的自動(dòng)售貨機(jī)原理方框圖控制輸入電路主要是為用戶設(shè)計(jì)的,起到一個(gè)輸入控制的作用。FPGA是現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件,也是本設(shè)計(jì)方案的核心內(nèi)容,它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)售貨機(jī)運(yùn)作的主要控制模塊。將編寫好的HDL程序燒制到現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件FPGA中,然后通過控制輸入電路把信號(hào)輸入到FPGA,由八個(gè)開關(guān)控制輸入信號(hào)即消費(fèi)者選擇商品和消費(fèi)者投幣及確認(rèn)消費(fèi)，動(dòng)態(tài)數(shù)碼管顯示輸出信號(hào)即找零環(huán)節(jié)和所選擇的商品、消費(fèi)者投幣。 總體設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)方案比較本設(shè)計(jì)可以通過多種方案來實(shí)現(xiàn)，下面就主要的三種方案進(jìn)行闡述和比較。方案一:采用數(shù)字邏輯電路制作，用IC 器件連接焊接外圍電路實(shí)現(xiàn)，這種電路很直觀，簡(jiǎn)單方便。但應(yīng)用數(shù)字邏輯電路制作，使用的器件較多，連接復(fù)雜，體積大，功耗大。電路中焊點(diǎn)和線路較多會(huì),使成品的穩(wěn)定度和精度大大降低。方案二:使用現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件（FPGA）制作，利用Verilog HDL硬件描述語言編程進(jìn)行控制，然后燒寫實(shí)現(xiàn)。方案三: 單片機(jī)現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到很成熟的階段了,它的應(yīng)用也十分廣泛。采用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)售貨機(jī),它的原理方框圖與用FPGA來實(shí)現(xiàn)的原理方框圖類似,。圖12 采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)售貨機(jī)的原理方框圖圖11和圖12的基本原理都相同,唯一不同的是一個(gè)是用FPGA來制作，一個(gè)是用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)。采用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)售貨機(jī),主要的核心是單片機(jī)程序的設(shè)計(jì)。方案比較：對(duì)于自動(dòng)售貨機(jī)的設(shè)計(jì),三個(gè)方案均可以實(shí)現(xiàn),但是第一個(gè)方案中采用的是數(shù)字邏輯電路來制作,該電路硬件所需的器材多,體積龐大,比較復(fù)雜,而且精度和穩(wěn)定度都不是很高。第二個(gè)方案采用的是現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件來實(shí)現(xiàn), 它的優(yōu)點(diǎn)是所有電路集成在一塊芯片上，此方案所需的外圍電路簡(jiǎn)單,這樣它的體積就減少了，同時(shí)還提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定度。還可以用軟件QuartusⅡ軟件進(jìn)行仿真和調(diào)試等。可以充分利用HDL硬件描述語言方便的編程，提高開發(fā)效率，縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本；而且易于進(jìn)行功能的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)方法靈活調(diào)試方便，,但同時(shí)也存在缺點(diǎn)。它對(duì)設(shè)計(jì)者的要求比較高,設(shè)計(jì)者對(duì)軟硬件必須十分熟悉。和方案二來比它的實(shí)驗(yàn)仿真沒有方案二簡(jiǎn)單直觀,調(diào)試也有一定的難度。在外界環(huán)境相同的條件下,方案三設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品精度和穩(wěn)定度要比方案二稍微差一些。因此,自動(dòng)售貨機(jī)的設(shè)計(jì)我們選擇方案二來實(shí)現(xiàn)。第3章 詳細(xì)設(shè)計(jì) 自動(dòng)售貨機(jī)主要功能自動(dòng)售貨機(jī)控制要求對(duì)機(jī)內(nèi)商品信息進(jìn)行識(shí)別，對(duì)投入的貨幣進(jìn)行運(yùn)算，并根據(jù)所投入的貨幣數(shù)值判斷是否能夠購買某種商品，并做出相應(yīng)的反應(yīng)。本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)售貨機(jī)控制系統(tǒng)主要可以實(shí)現(xiàn)投幣處理、計(jì)算投幣總額、輸出商品，輸出找零等功能，系統(tǒng)工作流程如圖31 所示圖31 自動(dòng)售貨機(jī)系統(tǒng)工作流程圖 設(shè)計(jì)思路及原理 模塊描述與實(shí)現(xiàn)自動(dòng)售貨機(jī)的問題實(shí)際上就是狀態(tài)轉(zhuǎn)換的問題，不同的狀態(tài)對(duì)應(yīng)不同的輸出，具體的來說就是輸入不同幣值的錢后對(duì)應(yīng)著不同的作用結(jié)果。因此將此問題分為兩部分來考慮，即輸入和輸出。 輸入部分包括時(shí)鐘信號(hào)、投幣信號(hào)、商品選擇信號(hào)、貨物信號(hào)、確定信號(hào)、復(fù)位信號(hào)。因?yàn)閹胖抵豢紤]5角、1元和5元的情況，因此可以分別用三個(gè)輸入端代替。同樣對(duì)于四種商品的選擇也可用四個(gè)輸入端代替。 輸出部分包括幣值顯示信號(hào)、輸出貨物信號(hào)、警告信號(hào)以及找零信號(hào)。綜上，給出如下輸入輸出變量：輸入變量：時(shí)鐘信號(hào)（clk）：每個(gè)時(shí)鐘的上升沿觸發(fā)系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。復(fù)位信號(hào)（reset）：上升沿觸發(fā)，按下后自動(dòng)回到初始狀態(tài)。投幣信號(hào)（btn_mon）：有5角、1元、5元高電平有效。貨物信號(hào)（btn_sell）：有四種，高電平有效確定信號(hào)（ok）：高電平有效。輸出變量：顯示信號(hào)（dis_mony）：顯示投入的幣額。貨物信號(hào)（led）：對(duì)應(yīng)賣出的貨物。顯示信號(hào)（dis_price）：貨物對(duì)應(yīng)的價(jià)錢。警告信號(hào)（led_warn）：錢不足時(shí)發(fā)出警告信號(hào)。 電路原理圖 圖322 電路仿真圖 自動(dòng)售貨機(jī)狀態(tài)描述判斷開關(guān)被按下的個(gè)數(shù)N。若N=2表示所選本次選擇無效，返回初始狀態(tài)；若N=1則顯示所選商品，并繼續(xù)執(zhí)行下面的流程。4個(gè)開關(guān)分別代表四種商品。