【正文】 vhdl 程序的設計， led 信號用字符串“ 1111001”來顯示 1，用字符串“ 0010010”來顯示數字 5，圖中的波形圖說明了顯示器顯示是正確的。 disp7 程序的端口原理圖如圖所示： 該元件設計的主要目的是具體定義了從 0~9 中每一個數值所對應的字符串賦值。在該模塊中， 調用了一個數碼管顯示的元件 disp7。 ? 輸出端口： led1,顯示貨幣的個位數； led10，顯示貨幣的十位數。 由 QuqrtusⅡ軟件內部生成的 RTL 電路圖如圖所示： 自動售貨機控制系統(tǒng)的設計與仿真 22 仿真測試 對鎖定模塊進行仿真測試，得到如圖所示波形： 對該波形圖進行分析：在 5ns 前，系統(tǒng)復位；在 20ns 時，系統(tǒng)接收到確認取消模塊發(fā)出的 cancel 控制信號，此時該模塊會 立即產生 lock_out_entry 信號，即按鍵鎖定信號；在 40ns 時，系統(tǒng)操作結束，發(fā)出清零信號。 ? 輸出端口： lock_out_entry,鎖定信號。 對于第 3 種情況，得到如圖所示的仿真波形： 自動售貨機控制系統(tǒng)的設計與仿真 21 對于上面的波形圖，可以看出在時間為 5ns 前，系 統(tǒng)復位；在 10ns 的時候，系統(tǒng)接收到投入 2 張貨幣的信號，接著在 20ns 的時候，系統(tǒng)接收到控制確認購買的信號 ok,經過計算最后得到投入的貨幣總額 20 元大于價格 13 元，所以系統(tǒng)將發(fā)出退款信號，Rsum Rsum Rsum1 分別被賦值為 0，表示要退還貨幣均為 2 張 1 元， 1 張 5元，當系統(tǒng)的找零控制模塊接收到此信號后會執(zhí)行相應操作；在時間 40ns 時，發(fā)出清零信號，清除系統(tǒng)內部信號。 由 QuqrtusⅡ軟件內部生成的 RTL 電路圖如圖所示： 仿真測試 對余額計算模塊的仿真有 3 種情況： 投入貨幣小于商品價格； 投入貨幣等于商品價格； 自動售貨機控制系統(tǒng)的設計與仿真 20 投入貨幣大于商品價格； 對于第 1 種情況，得到 如圖所示的仿真波形： 對于上面的波形圖，可以看出在時間為 5ns 前，系統(tǒng)復位；在 10ns 的時候，系統(tǒng)接收到投入一張 10 元貨幣的信號和一張 1 元貨幣，接著在 20ns 的時候，系統(tǒng)接收到控制確認購買的信號 ok,經過計算最后得到投入的貨幣總額 11元小于商品的設定價格 13元，所以系統(tǒng)將發(fā)出退款信號， Rsum10 和 Rsum1 均被賦值為 1，表示要退還 10 元貨幣和一元貨幣，當系統(tǒng)的找零控制模塊接收到此信號后會執(zhí)行相應操作；在時間 40ns 時，發(fā)出清零信號。 電路原理圖如圖所示： 自動售貨機控制系統(tǒng)的設計與仿真 19 余額計算模塊在收到其他模塊發(fā)出的確認購買信號后，就會開始執(zhí)行操作。 （ calculator 模塊） 設計思想及工作原理 余額計算模塊有以下輸入端口： ? 輸入端口： rst，復位信號； clear，清除信號； ok，確認購買信號；輸出端口：sum1,投入 1 元貨幣的信號； sum5,投入 5 元貨幣的信號； sum10,投入 10 元貨幣的信號； sum,投入貨幣總和信號。當貨幣投入完畢后，顧客會選擇確認購買商品或者取消購買，系統(tǒng)會根據接收到的不同的信號來執(zhí)行相應的操作，當找零模塊執(zhí)行完找零操作或者退幣操作后總數加和模塊就會收到系統(tǒng)的清零信號，所有的內部信號和表示都會被清除。 （ sum_cash 模塊） 設計思想及工作原理 總額加和模塊有以下輸入端口： ? 輸入端口： clk,輸入時鐘信號； rst，復位信號； clear，清除信號； C1，投入一元貨幣信號； C5，投入五元貨幣信號； C10，投入十元貨幣信號； RC1,退幣 1元的信號； RC5,退幣 5 元的信號； RC10,退幣 10 元的信號； lock_out_entry,鎖定信號。 取消購買操作； 對系統(tǒng)執(zhí)行取消購買操作，得到如圖所示的仿真波形圖： 對該波形圖進行分析可以看出：在 5ns 前，系統(tǒng)處于復位狀態(tài)；在 10ns 的時候，系統(tǒng)接收到其他模塊發(fā)出的投幣信號，分別投入了一張 5 元貨幣和一張 10 元貨幣，同時，接收到別的模塊發(fā)出的信號 sum。 電路原理圖如圖所示： 當系統(tǒng)接收到確認取消模塊發(fā)來的確認購買信號時，則該模塊開始執(zhí)行找零過程，同時發(fā)出給貨控制信號 en_deliver，當找零操作完成后系統(tǒng)發(fā)出清零信號；當系統(tǒng)接收到其他模塊發(fā)出的取消購買信號后，則該模塊開始執(zhí)行退幣操作，模塊會根據投入的 貨幣發(fā)出不同的退幣控制信號，從而完成所有貨幣的退還，操作完成后系統(tǒng)發(fā)出清零信號。在時間為 31ns時，可以看到系統(tǒng)發(fā)出了一個鎖定信號 lock_out_entry,當系統(tǒng)接收到該信號后，其他所有的按鍵操作都將被視為無效，所以在 40ns 時輸入的 cancel 信號不會被響應；在 60ns 時操作執(zhí)行完畢，系統(tǒng)接收到一個 clear 的控制信號，此時鎖定信號歸零，同時 led_buy 控制信號歸零。此過程中，當系統(tǒng)第一次接收到確認購買信號或者取消信號后，將會岸上產生一個鎖定信號 lock_out_entry，當接收到此信號后，整個系統(tǒng)的所有操作都會無效，直到系統(tǒng)執(zhí)行完畢，模塊接收到清零信號后，所有信號都會被清空 歸零。 電路原理圖如圖所示： 該模塊的工作過程如下：首先系統(tǒng)復位，等待確認購買信號或者取消購買信號的輸入，當收到信號后，系統(tǒng)會根據接收到的信號立即生成一個相對應的內部控制信號 ok信號或者 cancel 信號。 確認取消模塊有以下輸入端口： ? 輸入端口： clk,輸入時鐘信號； rst，復位信號； clear，清除信號；lock_out_entry，鎖定信號； ok_in,確認信號； cancel_in，取消信號。 在頂層文件的 自動售貨機控制系統(tǒng)的設計與仿真 11 vhdl 程序設計中，通過特定的例化語句將已經設計好的 6 個子模塊進行例化，然后直接對各個模塊進行調用，整個頂層程序的設計就是通過調用底層的 6 個模塊來實現(xiàn)的， 完成頂層設計后再對整個系統(tǒng)進行仿真測試。 顯示模塊： 通過控制兩個顯示器（ led1 和 led10）來顯示所投入貨幣的總額。 總額加和模塊： 不斷的更新并計算售貨機收到的總貨幣數量。 找零控制模塊： 在顧客確定購買商品后執(zhí)行找零操作，或者是在顧客取消購買后執(zhí)行退還原款操作。 整個系統(tǒng)的投幣購物流程如圖所示： 自動售貨機控制系統(tǒng)的設計與仿真 10 將整個系統(tǒng)劃分成六個模塊，分別是購買余額計算模塊、找零控制模塊、確認取消模塊、總額加和模塊、鎖定模塊和顯示模塊。如果確認鍵或者取消鍵被按下后，自動售貨機會產生一個 lock_out_entry 內部信號，當發(fā)出信號后，所有 的操作都是無效的。如果投入的貨幣不足以支付商品價格，自動售貨機會退還所有貨幣。 當顧客確定購買商品并按下確認鍵的 時候，自動售貨機會產生一個時鐘信號 ok_in,而且由 led_buy 控制的代表確認購買的指示燈會閃爍。顧客確定購買商品時，開始投入貨幣，當投入貨幣為 1 元、 5 元、 10 元時，將分別產生一個時鐘寬度的信號 C C C10。 自動售貨機控制系統(tǒng)的設計與仿真 9 端口原理圖如圖所示： 在確定了整個系統(tǒng)的輸入輸出端口后，給出自動售貨機的系統(tǒng)內部的工作原理 : 當系統(tǒng)接收到復位信號后，其他所有的控制信號和標識信號都清空為零，系統(tǒng)處于等待指令的狀態(tài)。 ? 輸出端口： led_buy,確認購買指示燈； led_cancel,取消購買指示燈； en_deliver,出貨信號； led1,投入貨幣總數的個位數（單位是元）； led10,投入貨幣總數的十位數（單位是元）。隨著設計向下一級進行，系統(tǒng)的性能就能進一步得到 細化和表達，并且可以根據個人需要隨時修改和調整，縮短了設計周期。 自動售貨機控制系統(tǒng)的設計與仿真 8 3 系統(tǒng)總體方案 設計要求 ? 本文設計的售貨機系統(tǒng)中只有一種，價格為 13 元； ? 可以投入三種不同的貨幣來購買商品，分別是 1 元、 5 元、 10 元； ? 每次只允許購買一個商品，若想要購買多個商品，則需要重復執(zhí)行購買操作； ? 售貨機的顯示器會實時更新顯示總共投入的貨幣的總額 ； ? 當投入貨幣后，如果不想購買商品了則可以通過按取消鍵來退還投入的貨幣，否則就按確定鍵來獲取商品； ? 設置兩個指示燈，分別是購買指示燈和取消指示燈，當顧客按下確定鍵后購買指示燈亮起；若顧客按下取消鍵，則取消指示燈亮起； 總體設計 通過分析系統(tǒng)的設計要求以及考慮到系統(tǒng)本身，本文對整個總動售貨機系統(tǒng)采用自頂向下的設計方法，自頂向下的設計方法如 圖 所示，采用自頂向下的設計方法的優(yōu)點是很明顯的。 VHDL 的仿真流程如 圖 所示，首先在 VHDl 仿真器中對已設計好的 VHDL 源代碼進行編譯，等到代碼被編譯正確后就會被轉換為中間格式 ，中間數據的結果將會保存在仿真數據庫中，一般來說， VHDL 源代碼在編譯好的仿真庫就是 WORK庫。針對不同的使用環(huán)境， Modeislm 分為不同的版本，常見的版本有： Modelsim AE、 Modelsim ASE、 Modelsim SE 等。 QuartusⅡ的編程設計流程 圖 所示 ： Modelsim 仿真工具 Modelsim 提供了可以與其他 EDA 工具（如 QuartusⅡ）的接口工具。 ? 是一個 與結構無關的開發(fā)工具， QuartusⅡ通過把 Cyclone、 APEX、 Mercury 等設計環(huán)境轉化為所需要的格式，真真正正的成為唯一一個與結構無關的開發(fā)工具。因為有 著簡單直接的入口和很強的設計能力，以及使用靈活、方便快捷的優(yōu)點，所以很受廣大設計者的青睞。 QuartusⅡ支持多種輸入方式，例如原理圖輸入，硬件編程語言輸入等，在使用 QuartusⅡ軟件時，它會將設計人員設計好的硬件編程語言或者原理圖等自動轉換目標文件，最后將目標文件下載到器件中。 一個完整的 VHDL 程序代碼結構包括 4 個模塊，庫和程序包的模塊、實體模塊、結構體模塊、配置結構模塊。同時，模塊化設計，層次化設計等設計方法也是被支持的。 自動售貨機控制系統(tǒng)的設計與仿真 6 ? 語言的設計描述與器件無關，設計人員在進行電路的 設計的時候，可以把精力放在優(yōu)化電路上而不用先去考慮器件的選擇， VHDL 可以采用不同的器件來實現(xiàn)已經描述好的電路設計。 VHDL 的結構特點是設計一項工程或實體，一個元件、一個系統(tǒng)或者一個電路模塊都可以設計成為一個實體，被設計好的實體可以很方便的被調用，這是 VHDL 很大的一個特點。 VHDL 是一種無 關設計平臺、無關具體的硬件電路的語言。 EDA 技術在現(xiàn)代社會的發(fā)展及應用范圍是非常廣泛的，不僅在農業(yè)、醫(yī)學、軍事等領域被應用，在通信、化學、交通、航天等領域更是有著不可替代的重要作用。 發(fā)展至現(xiàn)在的 EDA 技術， CPLD 和 FPGA 等可編程邏輯器件是被應用得最多的，這些器件是利用硬件編程語言來進行軟件設計以完成功能設計，這樣的設計方式簡單方便，有著非常大的靈活性。 ? 上世紀 90 年代， CAD、 CAE 等技術已經被廣泛應用在電子領域方面。就近 30 多年來其發(fā)展可分為以下階段： ? 上世紀 70 年代可編程邏輯器件開始問世，集成電路得到廣泛應用， CAD 技術也開始發(fā)展， EDA 技術也就是在這個時候開始出現(xiàn)。 EDA 技術以強大的計算機為依賴，在相應的軟件開發(fā)平臺上，利用硬件描述語言（ HDL）來完成系統(tǒng)的各項功能的邏輯描述。最后對整個系統(tǒng)進行頂層設計，同時也對整個系統(tǒng)進行了仿真，對整個自動售貨機的功能進行了驗證。 ，提出了整體設計方案。完成的工作主要包括以下幾個方面： 。而且自動售貨機的發(fā)展為了適應社會的發(fā)展也將會更加合理化人性化，它已不僅僅是一臺用來銷售商品的機器，隨著科技的發(fā)展，通信的發(fā)展，互聯(lián)網的發(fā)展，它也必將向著相互連通的信息生態(tài)圈的方向發(fā)展，必將發(fā)展成為一種集商品銷售、信息流通等于一體的高科技的終端設備。由于社會的消費方式、銷售環(huán)境等的變化，自動售貨機的售貨方式作為一種新的流通渠道，自然而然自動售貨機也就應時代發(fā)展而生了。除此之外還有青島澳柯瑪自動商用設備有限公司、天津奧萊特自動售貨機有限公司等公司生產的自動售貨機也是比較常見的。隨著科技的不斷發(fā)展，如今的自動售貨機也越來越先進，其中設備的科技含量也日漸增高 。 自動售貨機控制系統(tǒng)的設計與仿真 4 國內外研究現(xiàn)狀及趨勢 目前，自動售貨機已經在發(fā)達國家