基于VHDL +FPGA 的自動(dòng)售貨機控制模塊的設計與實(shí)現

EDA技術(shù)是以計算機為工具完成數字系統的邏輯綜合、布局布線(xiàn)和設計仿真等工作。電路設計者只需要完成對系統功能的描述,就可以由計算機軟件進(jìn)行系統處理,最后得到設計結果,并且修改設計方案如同修改軟件一樣方便。利用EDA工具可以極大地提高設計效率。

利用硬件描述語(yǔ)言編程來(lái)表示邏輯器件及系統硬件的功能和行為，是EDA設計方法的一個(gè)重要特征。VHDL(Very High Speed Integrated Circuit Hardware DescripTION Language,超高速集成電路硬件描述語(yǔ)言)是硬件描述語(yǔ)言的一種，對系統硬件的描述功能很強而語(yǔ)法又比較簡(jiǎn)單。VHDL具有強大的行為描述能力，設計者可以不懂硬件的結構，只需集中精力進(jìn)行電子系統的設計和性能優(yōu)化；具有方便的邏輯仿真與調試功能，在設計早期就能查驗系統的功能，方便地比較各種方案的可行性及其優(yōu)劣。目前，VHDL作為IEEE的工業(yè)標準硬件描述語(yǔ)言，得到眾多EDA公司的支持，在電子工程領(lǐng)域已經(jīng)成為事實(shí)上通用硬件描述語(yǔ)言。

本文采用VHDL作為工具描述了自動(dòng)售貨機控制模塊的邏輯控制電路，并在FPGA上實(shí)現。該自動(dòng)售貨機能夠根據投入硬幣額度，按預定的要求在投入硬幣大于規定值時(shí)送出飲料并找零。

設計方案

本文所設計的簡(jiǎn)易自動(dòng)售貨機可銷(xiāo)售礦泉水，假設每瓶1.5元。設兩個(gè)投幣孔，分別接收1元和5角兩種硬幣，兩個(gè)輸出口，分別輸出購買(mǎi)的商品和找零。假設每次只能投入一枚1元或5角硬幣，投入1元5角硬幣后機器自動(dòng)給出一瓶礦泉水；投入2元硬幣后，在給出一瓶礦泉水的同時(shí)找回一枚5角的硬幣。另外設置一復位按鈕，當復位按鈕按下時(shí)，自動(dòng)售貨機回到初始狀態(tài)。

開(kāi)發(fā)軟件選用功能強大的Altera公司的最新可編程邏輯器件開(kāi)發(fā)工具Quartus II 8.0，實(shí)現芯片選用Altera公司FLEX10K系列的EPF10K10LC84-4；首先在計算機上完成程序設計、編譯及時(shí)序仿真，然后將經(jīng)過(guò)驗證的設計文件下載到選擇的可編程邏輯器件中，并在電子設計自動(dòng)化實(shí)驗系統中進(jìn)行硬件模擬和測試。

狀態(tài)機VHDL程序設計

有限狀態(tài)機FSM(Finite STate Machine)及其設計技術(shù)是實(shí)用數字系統設計中實(shí)現高效率、高可靠邏輯控制的重要途徑。傳統的狀態(tài)機設計方法需進(jìn)行繁瑣的狀態(tài)分配、繪制狀態(tài)表、簡(jiǎn)化次態(tài)方程等，而利用VHDL可以避免這些煩瑣的過(guò)程，直接利用狀態(tài)轉換圖進(jìn)行狀態(tài)機的描述。此外，與VHDL的其他描述方式相比，狀態(tài)機的VHDL表述豐富多樣，程序層次分明，結構清晰，易讀易懂；在排錯、修改和模塊移植方面也有其獨到的特點(diǎn)。

狀態(tài)機有摩爾（Moore）型和米立（Mealy）型兩種。Moore型狀態(tài)機的輸出信號只與當前狀態(tài)有關(guān)；Mealy型狀態(tài)機的輸出信號不僅與當前狀態(tài)有關(guān)，還與輸入信號有關(guān)。結合本文設計，由于輸出僅與狀態(tài)有關(guān)，選用了Moore型狀態(tài)機設計自動(dòng)售貨機控制模塊，狀態(tài)轉換圖如圖1所示。

圖1 自動(dòng)售貨機狀態(tài)轉換圖

1)狀態(tài)定義：S0表示初態(tài)，S1表示投入5角硬幣，S2表示投入1元硬幣，S3表示投入1元5角硬幣，S4表示投入2元硬幣。

2）輸入信號：取投幣信號為輸入邏輯變量，用兩位的矢量state_inputs表示。state_inputs(0)表示投入1元硬幣，state_inputs(1)表示投入5角硬幣。輸入信號為1表示投入硬幣，輸入信號為0表示未投入硬幣。

3）輸出信號：給出礦泉水和找零為兩個(gè)輸出變量，用兩位的矢量comb_outputs表示。comb_outputs(0)表示輸出貨物，comb_outputs(1)表示找5角零錢(qián)。輸出信號為1表示輸出貨物或找零，輸出信號為0表示不輸出貨物或不找零。