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1、毕 业 设 计（论 文）（ 2015 届）题 目： 基于FPGA的地铁自动售票系统设计 学 院： 物理科学与技术学院 专 业： 姓 名： 学 号： 指导教师： 目录摘要2ABSTRACT31 绪论41.1 研究背景41.2 选题的意义51.3 论文主要研究内容61.4 论文结构62 理论基础62.1 EDA技术62.2 FPGA技术72.2.1 FPGA简介72.2.2 FPGA的优点72.2.3 FPGA的主流产品82.3 VHDL语言82.3.1 VHDL语言简介82.3.2 VHDL语言的优点82.3.3 VHDL语言设计的基本单元92.4 Quarters II103 系统模块设计分析
2、103.1 系统整体机构103.1.1 系统流程图103.1.2系统功能模块介绍123.2 系统各功能模块的设计及仿真123.2.1 车票选择模块的设计123.2.2 投币处理模块133.2.3 金额处理模块143.2.4 显示模块153.2.5 模块顶层实现184 设计总结20参考文献21致谢22摘要近年来，人口增长，交通拥挤，资源短缺，地铁逐渐成为人们出行交通的主要较交通工具。地铁系统中，自动售检票系统（AFC）作用最为重要，主要完成旅客自动购票，检票进站，计费，检票出站的等功能。其中，自动售票系统又是尤为重要的，旅客自动完成购票，大大的节约了人力，减少了人工售票带来的错误，极大地提高了工
3、作效率。另外，随着EDA技术、FPGA技术的飞速发展，因为其操作简单，资源利用率高，性能优等特点，也逐渐成为电子信息中的主流技术。本设计就是根据基于EDA技术，使用FPGA芯片，设计一个地铁自动售票系统。本设计采用自顶向下的设计理念，划分为几个功能模块分析设计。在Quarters II软件环境下，使用VHDL语言，编写车票选择模块、投币处理模块、金额处理模块、显示模块的程序，并进行软件仿真，最后下载到FPGA芯片中进行硬件仿真。关键词：地铁自动售票系统，EDA, FPGA, VHDL, Quarter II, 仿真ABSTRACTRecentlypopulationgrowth,traffic
4、jamandscarcityofresourcehasmadesubwayamainpartoftransportation.Asanintegralpartofsubwaysystem,AFCisdesignedforpassengersticketpurchasingandcheckinginandout.Thesubway automatic ticketingsystemplaysthemostimportantroleinAFCsystembecauseitshelptodecreasemistakesofmanualticketssellingandimprovementonwor
5、kingefficiency.Furthermore,thedevelopmentofEDAandFPGAleadtoatrendofelectronicinformationtechnologybecauseoftheirsimplicityofoperation,highrateofresourceutilizationandexceptionalfunction.This design is an subway automatic ticketing system on basis of EDA technology through application of FPGA chip.By
6、 top-down approach,it is divided into several function modules.with VHDL language,we design module of choice,module of coin,module of change,module of display.We use Quarters II to simulate and then download to the FPGA chip to hardware emulation.Keywords: subway automatic ticketing system,EDA,FPGA,
7、VHDL,Quarters II,simulation1 绪论1.1 研究背景近30年来，中国经济迅速发展，并且在2010年，已经超于日本成为世界第二大经济体。但是，在中国庞大的人口基数下，伴随着经济发展出现的一系列问题也日趋严重：资源的严重短缺，环境的加速恶化，交通出行不便利等，其中城市人口与车辆增加速度过快而已发的交通拥堵问题困扰着我们每一个人。因此，地铁应运而生，因为其减少占用地面空间、一次性运输乘客数量巨大、能源消耗率较少，安全性能高，速度快，价格优惠等特点，受到各大城市的青睐，越来越多的城市已经将地铁作为城市的主要公共交通工具。12000年以前，中国只有5座城市拥有地铁，然而截止到2
8、014年，已经有26座城市开通了地铁，地铁线路的总数量成井喷式增长。现在地铁系统中广泛使用的自动售检票系统（AFC），是1967年在法国巴黎地铁第一次启用的。在之后几十年的发展中，AFC系统在各国地铁系统中广泛使用，并且得到了进一步的发展。现在的AFC系统，是基于计算机网络通信技术、人机交互技术、机电一体化技术、钱币识别技术、介质感应技术等技术，实现了旅客进站购票、检票进站、根据里程计费，票务服务、检票出站等功能的全自动系统。减少了人工售检票的工作人员使用量，减轻了人工的负担，同时减少了旅客售检票进站出站的时间，也增加票务收入的安全性与可统计性。23在AFC系统中，最重要的系统是自动售票系统，
9、它的AFC系统完成一系列服务的基础，它的主要功能就是根据旅客的需求，和旅客有交互性的自动完成线路的选择，乘坐站数量的选择，购买车票数量的选择，投币与找零等功能。此系统大大减少了购票时由于人工原因造成的票据错误意义钱款错误，保证了旅客在最短的时间内选择购买正确的车票。4近年来， EDA技术发展速度惊人，它以大规模可编程逻辑器件为设计载体，主要采用硬件描述语言来描述系统逻辑，采用自顶向下的设计理念，使复杂的数字系统设计自动化成为可能，硬件系统的行为描述完全取决于硬件描述语言的正确性，可以随时方便的修改，极大地降低了成本并且提高了效率。因此，我们最终采用EDA技术基于FPGA设计课题要求的地铁自动售
10、票系统。51.2 选题的意义我国地铁系统发展较晚，虽然今年来发展迅速，但仍和一些国家有着较大差距。通知，我国的AFC系统也在不断的探索前进当中，其中最为重要的地铁自动售票系统也需要更加方便，功能更加完善，更加人性化，在这些方面我们要在现有的基础上不断创新发展，才能达到更好的服务大众的要求。另外，之前的地铁自动售票系统由于技术的发展限制，大多数采用的是单片机+DSP来设计的，然而现在迅猛发展的FPGA技术已经在功能和性能上大大超越了单片机和DSP的组合。一个FPGA芯片上往往集成了上百万们的逻辑块，具有极高的密度和容量，它的输入输出端口的数量也显著增多。FPGA内部器件的延时很小，大大提高了工作
11、效率，用硬件逻辑模块实现控制的机制，也让我们的设计更加具有灵活性和可操作性。FPGA技术已经成为一个大的趋势与潮流，因此，本课题的研究选择FPGA来实现地铁售票系统也能跟好的掌握主流的技术，具有相当强的实际意义。61.3 论文主要研究内容本论文所研究的自动售票机的售票系统，所要实现的工能主要概括如下1） 对1号、2号两条地铁线售票，每条线均有2、3、4元三种票，可以设置固定价位的票进行购买，也可由系统根据起点和目的地自动判别票价（论文中假设乘坐1-5站票价为2元，乘坐6-10站票价为3元，乘坐11到15站票价为4元）。2） 能选择购买票的张数（论文中假设可以购买1张、2张、3张）。3） 有1元
12、、5元和10元三个投币口，当投入钱币与选择的票款相等时，送出车票；若投入的钱币不够，提示继续投票，或者选择退出钱币，无票送出；若投入的钱币超过票款，能自动找赎。1.4 论文结构本文主要探讨地铁发展过程以及AFC系统重要性，并对其中地铁自动售票系统进行设计，设计采用EDA技术基于FPGA。本文整体结构布局如下：第一章：绪论。介绍课题研究背景，阐述地铁自动售检票系统的功能已经重要性，阐述选择本课题进行研究的意义，描述本课题需要实现的系统功能，介绍本文的主要研究内容以及章节安排。第二章：理论基础。介绍本课题中主要涉及的EDA技术、FPGA技术、VHDL语言、使用的Quarters II软件，分析他们
13、的优势、目前市场上的现状以及发展趋势。第三章：系统具体模块的设计分析以及软件仿真。主要介绍系统四大功能模块：车票选择模块、投币处理模块、金额计算模块、显示模块的设计思路以及设计过程，通过Quarters II仿真的结果。第四章：总结与展望。对系统完成的情况进行总结月评价，介绍系统不足及改进方向。2 理论基础2.1 EDA技术 EDA简称电子设计自动化，是Electronic Design Automation的缩写。在20世纪90年代初期，EDA是从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）等概念一点一点演变而来的。7现在电子设计技术
14、的潮流就是EDA技术，它的特点是它将整个要完成的系统要求根据其功能划分为各个功能模块，采用的是“自顶向下”的设计理念，这样可以在设计的初级就发现系统存在的一些错误并加以改正，每一个功能模块单独设计，采用硬件描述语言表述系统行为，从而实现需要的功能。在设计的过程中，系统的逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局布线、仿真及特定目标芯片的适配编译和编程下载都是有quarters II自动完成的，节省了很多的人力物力。通过这样的机制，当发现程序错误或者设计者需要对已经编写好的程序功能做出修改的时候，就和修改软件一样简单，修改后也很同意通过仿真了解设计结果，使设计更有主动性和目的性，极大地提高了效率，并且减少了重复劳动，也节约了资金。8EDA技术现在已经越来越广泛的深入到我们的日常生活中来，电子、机械、医学、军事等等等等都因为EDA技术得到了极大地发展和便利。我们通过EDA技术利用电路仿真提前检测设计电路的性能；通过EDA技术对原有的设备进行技术升级从而提高性能减小体积；应用EDA技术在大批量生产前先进性小规模试验等，这一系列的改变都证明着EDA技术已经成为电子工业技术的支柱，基于芯片的自顶而下的设计理念已经取代了固定
