【正文】 20 學(xué)年第 一 學(xué)期 19~20 周 學(xué)生姓名 指導(dǎo)老師 題 目 基于 VHDL 的模擬地鐵售票控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 主要內(nèi)容： 利用 VHDL 語言設(shè)計(jì)地鐵售票系統(tǒng)的核心功能 MAXPLUS II 軟件作為發(fā)平臺，設(shè)計(jì)城市地鐵售票系統(tǒng)程序并進(jìn)行仿真。使其實(shí)現(xiàn)選站、選擇張數(shù)、出票、找零等功能。 （ 2）學(xué)生按要求編寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告書，能正確闡述設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 （ 4）學(xué)生應(yīng)抱著嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的態(tài)度積極投入到課程設(shè)計(jì)過程中，認(rèn)真查閱相應(yīng)文獻(xiàn)以及實(shí)現(xiàn)，給出個(gè)人分析、設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)。 （ 2）課程設(shè)計(jì)附件（源程序、各類圖紙、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、仿真截圖等實(shí)證材料）。它的硬件描述能力強(qiáng)，能輕易的描述出硬件的結(jié)構(gòu)和功能。隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，這種語言的效益與作用日益明顯，每年均能夠以超過 30 的速度快速成長。使其實(shí)現(xiàn)選站、選擇張數(shù)、出票、找零等功能。 功能要求：售票機(jī)有兩個(gè)進(jìn)幣孔，一個(gè)是輸入硬幣，一個(gè)是輸入紙幣， 硬幣的識別范圍是 5角和 1 元的硬幣，紙幣的識別范圍是 1 元、 2 元， 5 元， 10 元。乘客可以選擇的種類為 2 元和 4 元，乘客一次只能選擇一個(gè)出站口。在投幣期間，乘客可以按取消鍵取消本次操作，錢幣自動退出?？紤]到控制整個(gè)售票機(jī)的物理體積，余額將全部采用 5 角硬幣的形式找出。選擇出站口的過程中，若按“取消”，則售票機(jī)直接回到初始狀態(tài)；投幣過程中，若按“取消”，則售票機(jī)將乘客已經(jīng)投入的錢幣全部退出，再回到初始狀態(tài)。假設(shè)乘客購票所在站到終點(diǎn)站共有 15站。 16 個(gè)站用長度位 4的二進(jìn)制向量編碼表示，即 0001 表示乘坐 1 站，0010 表示乘坐 2 站，依次類推， 1111 表示乘坐 15 站（到終點(diǎn)站）。硬幣口可識別 5角和 1元 2種硬幣，擬用長度為 2 的一比特?zé)嵛唬?onehot）編碼方式表示，即 01 表示 5角， 10 表示 1 元。乘客可以連續(xù)多次投入錢幣，并且可以以任意順序投入硬幣和紙幣?；?EDA 技術(shù)開發(fā)的實(shí)現(xiàn)三層電梯自動控制與目前主流的利用可編程 邏輯控制器實(shí)現(xiàn)電梯控制緊密相連。使用 VHDL 語言進(jìn)行程序的設(shè)計(jì)，在 MAX +plusⅡ 軟件上對程序進(jìn)行編譯、仿真。 EDA 技術(shù)介紹 20世紀(jì) 90 年代，國際上電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)較先進(jìn)的國家，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。這些器件可以通過軟件編程而對其硬件結(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。 EDA 是電子設(shè)計(jì)自動化（ Electronic Design Automation）的縮寫，在 20 世紀(jì) 90年代初從計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（ CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（ CAM）、計(jì)算機(jī)輔助測試（ CAT）和計(jì)算機(jī)輔助工 程（ CAE）的概念發(fā)展而來的。 EDA 技術(shù)的出現(xiàn)，極大地提高了電路設(shè)計(jì)的效率和可靠性，減輕了設(shè)計(jì)者的勞動強(qiáng)度。因此它的應(yīng)用主要是應(yīng)用在數(shù)字電路的設(shè)計(jì)中。自 IEEE 公布了 VHDL 的標(biāo)準(zhǔn)版本， IEEE1076（簡稱 87 版 )之后，各EDA 公司相繼推出了自己的 VHDL 設(shè)計(jì)環(huán)境，或宣布自己的設(shè)計(jì)工具可以和 VHDL 接口。 1993 年， IEEE 對 VHDL 進(jìn)行了修訂，從更高的抽象層次和系統(tǒng)描述能力上擴(kuò)展 VHDL 的內(nèi)容，公布了新版本的 VHDL，即 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)的 10761993 版本，（簡稱93 版）。有專家認(rèn)為，在新的世紀(jì)中， VHDL 于 Verilog 語言將承擔(dān)起大部分的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)。強(qiáng)大的行為描述能力是避開具體的器件結(jié)構(gòu)，從邏輯行為上描述和設(shè)計(jì)大規(guī)模電子系統(tǒng)的重要保證。 （ 3） VHDL 語句的行為描述能力和程序結(jié)構(gòu)決定了他具有支持大規(guī)模設(shè)計(jì)的分解和已有設(shè)計(jì)的再利用功能。 （ 4） 對于用 VHDL 完成的一個(gè)確定的設(shè)計(jì)，可以利用 EDA 工具進(jìn)行邏輯綜合和優(yōu)化，并自動的把 VHDL 描述設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變成門級網(wǎng)表。 VHDL 的設(shè)計(jì)流程 （ 1） 設(shè)計(jì)規(guī)范的定義 明確設(shè)計(jì)的目的，進(jìn)行設(shè)計(jì)的總體規(guī)劃。 （ 2） 采用 VHDL 進(jìn)行設(shè)計(jì)描述 這部分包括設(shè)計(jì)規(guī)劃和程序的編寫。設(shè)計(jì)方式一般包括直接設(shè)計(jì)，自頂向下和自底向下設(shè)計(jì)。但是對于一個(gè)可靠的設(shè)計(jì)而言，任何設(shè)計(jì)最好都進(jìn)行仿真，以保證設(shè)計(jì)的可靠性。 （ 4） 綜合、優(yōu)化和布局布線 綜合指的是將設(shè)計(jì)描述轉(zhuǎn)化成底層電路的表示形式，其結(jié)果是一個(gè)網(wǎng)表或者是一組邏輯方程；優(yōu)化，這個(gè)主要是為了提高程序的執(zhí)行效率及減少資源的利用；布局布線，指的是將邏輯關(guān)系轉(zhuǎn)化成電路連接的方式。 袁俊 基于 VHDL的模擬地鐵售票控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與 實(shí)現(xiàn) 第 5頁 共 23 頁 3 設(shè)計(jì)步驟 系 統(tǒng)流程圖 圖 系統(tǒng) 流程圖 初始狀態(tài) 按“開始選擇” 選擇出站口 按“開始投幣” 投入錢幣 錢幣足夠 找零口找零 出票口出票 按“取消” 按“取消” 退回錢幣 錢幣入庫 選擇購票數(shù) 袁俊 基于 VHDL的模擬地鐵售票控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與 實(shí)現(xiàn) 第 6頁 共 23 頁 系統(tǒng)狀態(tài)圖 圖 系統(tǒng)狀態(tài)圖 袁俊 基于 VHDL的模擬地鐵售票控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與 實(shí)現(xiàn) 第 7頁 共 23 頁 編寫 VHDL 程序代碼 if((ticket_stop=0001)and(ticket_stop=1000))then 乘坐站數(shù)不超過 8站 由于整個(gè)系統(tǒng)中涉及的最小金額為 5角，為表示方便，有關(guān)金額的量統(tǒng)一以“角”為單位 即 5角為“ 5”， 1元為“ 10”， 2元為“ 20”， 5 元為“ 50”， 10元為“ 100” price:=00010100。 表示 2 元票 type_temp:=39。 記錄已選擇出站口 elsif((ticket_stop=1001)and(ticket_stop=1111))then 乘坐站數(shù)超過 8 站 price:=00101000。 表示 4 元票 type_temp:=39。 記錄已選擇出站口 end if。 if((account_temp=39。)and(type_temp=39。)) then 表示已選擇出站口但尚未選擇購票張數(shù) case ticket_account is when 11= 選擇 3張票 temp_account:=00100。 購票張數(shù)為 3 total_price:=price+price+price。139。 number:=10。 account_temp:=39。 when 01= 選擇 1 張票 temp_account:=00001。 total_price:=price。139。 end case。 程序調(diào)試 （ 1） 建立好工作庫目錄，以便設(shè)計(jì)工程項(xiàng)目的存儲，打開 MAX +plusⅡ 軟件，其初始界面如圖 所示 ： 圖 MAX +plusⅡ 軟件初始界面 袁俊 基于 VHDL的模擬地鐵售票控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與 實(shí)現(xiàn) 第 9頁 共 23 頁 （ 2） 在工具欄中選擇 “新建 ”按鈕。文件名和實(shí)體定義的符號必須保持一致，即文件名為 flift。在編譯前，需要把文件設(shè)置為頂層文件，或稱工程文件 Project。詳見圖 所示 ： 圖 設(shè)置頂層文件 （ 6） 在 “MAX +plusⅡ ”下拉按鈕里選擇 “Compiler”，對程序進(jìn)行編譯，此時(shí)， MAX +plusⅡ 軟件會對程序進(jìn)行糾錯等處理。第一次編譯時(shí)由于實(shí)體名和保存時(shí)的名字不相符，所以出現(xiàn)了一個(gè)錯誤，改正后無誤。 End Time設(shè)定為 ，時(shí)鐘周期設(shè)定為 100ns，模擬完成乘客 5次購票的過程，以期測試系統(tǒng)的所有功能是否正常。139。 （ 2）乘客選擇出站口為第 6 站，系統(tǒng)得出單張票價(jià) price 為 20（ 2元）；選擇購買數(shù)量為 2 張，系統(tǒng)得出票數(shù) number 為 2。 （ 3）乘客按下“取消”按鈕（ cancel=39。），系統(tǒng)回到初始狀態(tài)（ state= initialize_state），錢幣“暫存桿”推出（此刻無暫存錢幣，僅表示初始化過程中的一個(gè)動作），然后再歸為等待狀態(tài)；其余變量全部清零。 系統(tǒng)全部恢復(fù)初始狀態(tài)的時(shí)間在 左右（如圖） 圖 選擇狀態(tài)時(shí)“取消” 袁俊 基于 VHDL 的模擬地鐵售票控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與 實(shí)現(xiàn) 第 14 頁 共 23 頁 2 ．（ 1）乘客在約 時(shí)按下“開始選擇”按鈕，系統(tǒng)進(jìn)入選擇狀態(tài) 。進(jìn)而得出總票價(jià)為 12元。139。 （ 4）乘客投入 5 元