自动售货机

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1、目录1引言12 设计软件简介 22.1 关于 QuartusII 设计软件22.2 QuartusII 软件设计界面32.2.1 程序编写界面 32.2.2 波形仿真界面 33 关于 VHDL 的介绍 43.1 硬件描述语言 VHDL43.2 VHDL 语言的特点54 设计原理及时序仿真 64.1 硬件电路设计 64.2 自动售货机设计状态转换 74.3 软件仿真波形 95 引脚锁定及硬件调试135.1 引脚锁定135.2 结果分析146 设计总结16参考文献17附录181 引言近年来，随着我国商品市场的不断繁荣和城市现代化程度的不断提高，自动售货机 也已悄然步入了我国的大中城市。如今自动售货

2、机已成为年轻人时髦的购物选择。在国 家相关政府部门的大力支持下，中国的自动售货机产业也以超常的速度迅猛发展，并带 动了一批新的服务业、物流运输配送业的快速发展，丰富了中国的商业产业结构，开创 了一个全新的自动销售和自助服务时代。随着EDA技术的高速发展，电子系统的设计技术和工具发生了深刻的变化，大规模 可编程逻辑器件CPLD/FPGA的出现，给设计人员带来了诸多方便。利用它进行产品开 发，不仅成本低、周期短、可靠性高，而且具有完全的知识产权。利用VHDL语言设计 自动售货机，使其实现自动售货、找零钱等功能，突出了其作为硬件描述语言的良好的 可读性、可移植性和易读性等优点。此程序通过下载到特定芯

3、片后，可应用于实际的自 动售货机系统中。本设计要实现自动售货机的基本功能，如投币处理、商品选择、异常退币、计算存 货，金额累计等功能。采用VHDL硬件描述语言编程的设计方法设计系统核心电路的硬 件程序，通过硬件上基本功能的实现，突出了其作为硬件描述语言的良好的可能性、可 移植性和易理解等优点。2 设计软件简介2.1 关于 QuartusII 设计软件Quartus II是Altera公司的综合性PLD/FPGA开发软件，支持原理图、VHDL、Verilog HDL以及AHDL(Altera Hardware Description Language)等多种设计输入形式，内嵌自有 的综合器以及仿

4、真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程。Quartus II可以在XP、Linux以及Unix上使用，除了可以使用Tc 1脚本完成设计流程 外，提供了完善的用户图形界面设计方式外，它还具有运行速度快、界面统一、功能集 中、易学易用等特点。Quartus II支持Altera的IP核，包含了 LPM/MegaFunction宏功能模块库，使用户可 以充分利用成熟的模块，简化了设计的复杂性、加快了设计速度，并且对第三方EDA工 具的良好支持也使用户可以在设计流程的各个阶段使用熟悉的第三方EDA工具。Quartus II提供了完全集成且与电路结构无关的开发包环境，具有数字逻辑设 计的

5、全部特性，包括：可利用原理图、结构框图、Verilog HDL、AHDL和VHDL完成电路描述，并将其保存为设计实体文件。此外，Quartus II通过和DSP Builder工具与Matlab/Simulink相结合，可以方便地实 现各种DSP应用系统，支持Altera的片上可编程系统(SOPC)开发，集系统级设计、嵌入 式软件开发、可编程逻辑设计于一体，是一种综合性的开发平台。Maxplus II作为Altera的上一代PLD设计软件，由于其出色的易用性而得到了广泛 的应用，目前Altera已经停止了对Maxplus II的更新支持。Quartus II与之相比不仅仅是 支持器件类型的丰富

6、和图形界面的改变,Altera在Quartus II中包含了许多诸如SignalTap II、Chip Editor和RTL Viewer的设计辅助工具，集成了 SOPC和HardCopy设计流程，并 且继承了 Maxplus II友好的图形界面及简便的使用方法。Altera的Quartus II可编程逻辑软件属于第四代PLD开发平台，该平台支持一 个工作组环境下的设计要求，其中包括支持基于Internet的协作设计。Quartus平台与 Cadence、 ExemplarLogic 、 MentorGraphics 、 Synopsys 和 Synplicity 等 EDA 供应 商的开发工

7、具相兼容，改进了软件的LogicLock模块设计功能，增添 了 FastFit编译选项，推进了网络编辑性能，而且提升了调试能力。Altera Quartus II作为一种可编程逻辑的设计环境，由于其强大的设计能力和直观 易用的接口，越来越受到数字系统设计者的欢迎。2.2 QuartusII 软件设计界面2.2.1 程序编写界面编写程序界面如图2-1所示:图2-1程序编写界面2.2.2 波形仿真界面波形仿真界面如图2-2所示:S j i agege 1 j i ageshi聆0聆1衬2衬3聆4聆516聆T8101111121318衬23衬24衬2526273237参42IT:iiri eValu

8、e15. S5elk0 1rst0 0al arm0 XOP0 Xsm_e0 0gocidsl0 0goods20 0goodsb0 0goods 100 0i nputl0 0inputs0 0i npu0 0i nput100 0outputl0 XoutputE0 Xoutputs0 Xcnitpu 1100 XB putge0 XX1 putshi0 XK田 EUITll0 XK田 EUITlS0 XX图2-2波形仿真界面3 关于 VHDL 的介绍3.1 硬件描述语言 VHDLVHDL 的英文全名是 VHSIC(Very High Speed Integrated Circuit)Ha

9、rdware Descriptiong Language,诞生于1982年。1987年底，VHDL被美国国防部确认为标准硬件描述语言。 自IEEE公布了 VHDL的标准版本，IEEE-1076之后，各EDA公司相继推出了自己的 VHDL设计环境，或宣布自己的设计工具可以和VHDL接口。1993年，IEEE对VHDL 进行了修订，从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展VHDL的内容，公布了新版本的 VHDL，即IEEE标准的1076-1993版本。现在，VHDL和Verilog作为IEEE的工业标准 硬件描述语言，又得到众多EDA公司的支持，在电子工程领域，已成为事实上的通用硬 件描述语言。有专家

10、认为，在新的世纪中，VHDL于Verilog语言将承担起大部分的数字 系统设计任务。VHDL是一种全方位的硬件描述语言，包括系统行为级。寄存器传输级和逻辑门多 个设计层次，支持结构、数据流和行为三种描述形式的混合描述，因此VHDL几乎覆盖 了以往各种硬件俄语言的功能，整个自顶向下或由下向上的电路设计过程都可以用 VHDL来完成，VHDL还具有以下优点：(1) VHDL的宽范围描述能力使它成为高层进设计的核心，将设计人员的工作重心提 高到了系统功能的实现与调试，而花较少的精力于物理实现。(2) VHDL可以用简洁明确的代码描述来进行复杂控制逻辑设计，灵活且方便，而且 也便于设计结果的交流、保存和

11、重用。(3) VHDL的设计不依赖于特定的器件，方便了工艺的转换。(4) VHDL是一个标准语言，为众多的EDA厂商支持，因此移植性好。传统的硬件电路设计方法是采用自下而上的设计方法，即根据系统对硬件的要求， 详细编制技术规格书，并画出系统控制流图；然后根据技术规格书和系统控制流图，对 系统的功能进行细化，合理地划分功能模块，并画出系统的功能框图；接着就进行各功 能模块的细化和电路设计；各功能模块电路设计、调试完成后，将各功能模块的硬件电 路连接起来再进行系统的调试，最后完成整个系统的硬件设计。采用传统方法设计数字 系统，特别是当电路系统非常庞大时，设计者必须具备较好的设计经验，而且繁杂多样

12、的原理图的阅读和修改也给设计者带来诸多的不便。为了提高开发的效率，增加已有开 发成果的可继承性以及缩短开发周期，各ASIC研制和生产厂家相继开发了具有自己特 色的电路硬件描述语言(Hardware Description Language，简称HDL)。但这些硬件描述语 言差异很大，各自只能在自己的特定设计环境中使用，这给设计者之间的相互交流带来 了极大的困难。因此，开发一种强大的、标准化的硬件描述语言作为可相互交流的设计 环境已势在必行。于是，美国于1981年提出了一种新的、标准化的 HDL，称之为 VHSIC(Very High Speed Integrated Circuit) Hard

13、ware Description Language,简称 VHDL。 这是一种用形式化方法来描述数字电路和设计数字逻辑系统的语言。设计者可以利用这 种语言来描述自己的设计思想，然后利用电子设计自动化工具进行仿真，再自动综合到 门电路，最后用PLD实现其功能。3.2 VHDL语言的特点VHDL语言能够成为标准化的硬件描述语言并获得广泛应用，它自身必然具有很多其他硬件描述语言所不具备的优点。归纳起来，VHDL语言主要具有以下优点：(1) VHDL语言功能强大，设计方式多样。VHDL语言具有强大的语言结构， 只需采用简单明确的VHDL语言程序就可以描述十分复杂的硬件电路。同时，它还 具有多层次的电路

14、设计描述功能。此外，VHDL语言能够同时支持同步电路、异步 电路和随机电路的设计实现，这是其他硬件描述语言所不能比拟的。VHDL语言设 计方法灵活多样，既支持自顶向下的设计方式，也支持自底向上的设计方法；既支 持模块化设计方法，也支持层次化设计方法。(2) VHDL语言具有强大的硬件描述能力。VHDL语言具有多层次的电路设计 描述功能，既可描述系统级电路，也可以描述门级电路；描述方式既可以采用行为 描述、寄存器传输描述或者结构描述，也可以采用三者的混合描述方式。同时，VHDL 语言也支持惯性延迟和传输延迟， 这样可以准确地建立硬件电路的模型。VHDL语 言的强大描述能力还体现在它具有丰富的数据

15、类型。VHDL语言既支持标准定义的 数据类型，也支持用户定义的数据类型，这样便会给硬件描述带来较大的自由度。(3) VHDL语言具有很强的移植能力。VHDL语言很强的移植能力主要体现 在：对于同一个硬件电路的 VHDL语言描述，它可以从一个模拟器移植到另一个 模拟器上、从一个综合器移植到另一个综合器上或者从一个工作平台移植到另一个 工作平台上去执行。(4) VHDL语言的设计描述与器件无关采用 VHDL语言描述硬件电路时，设 计人员并不需要首先考虑选择进行设计的器件。这样做的好处是可以使设计人员集 中精力进行电路设计的优化，而不需要考虑其他的问题。当硬件电路的设计描述完 成以后，VHDL语言允许采用多种不同的器件结构来实现。(5) VHDL语言程序易于共享和复用。(6) VHDL语言采用基于库(library)的设计方法。在设计过程中，设计人员可以建立各种可再次利用的模块，一个大规模的硬件 电路的设计不可能从门级电路开始一步步地进行设计，而是一些模块的累加。这些 模块可以预先设计或者使用以前设计中的存档模块，将这些模块存放在库中，就可 以在以后的设计