基于VHDL +FPGA 的自動售貨機控制模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

EDA技術(shù)是以計算機為工具完成數(shù)字系統(tǒng)的邏輯綜合、布局布線和設(shè)計仿真等工作。電路設(shè)計者只需要完成對系統(tǒng)功能的描述,就可以由計算機軟件進行系統(tǒng)處理,最后得到設(shè)計結(jié)果,并且修改設(shè)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(shè)計效率。

利用硬件描述語言編程來表示邏輯器件及系統(tǒng)硬件的功能和行為，是EDA設(shè)計方法的一個重要特征。VHDL(Very High Speed Integrated Circuit Hardware DescripTION Language,超高速集成電路硬件描述語言)是硬件描述語言的一種，對系統(tǒng)硬件的描述功能很強而語法又比較簡單。VHDL具有強大的行為描述能力，設(shè)計者可以不懂硬件的結(jié)構(gòu)，只需集中精力進行電子系統(tǒng)的設(shè)計和性能優(yōu)化；具有方便的邏輯仿真與調(diào)試功能，在設(shè)計早期就能查驗系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言，得到眾多EDA公司的支持，在電子工程領(lǐng)域已經(jīng)成為事實上通用硬件描述語言。

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

設(shè)計方案

本文所設(shè)計的簡易自動售貨機可銷售礦泉水，假設(shè)每瓶1.5元。設(shè)兩個投幣孔，分別接收1元和5角兩種硬幣，兩個輸出口，分別輸出購買的商品和找零。假設(shè)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找回一枚5角的硬幣。另外設(shè)置一復(fù)位按鈕，當(dāng)復(fù)位按鈕按下時，自動售貨機回到初始狀態(tài)。

開發(fā)軟件選用功能強大的Altera公司的最新可編程邏輯器件開發(fā)工具Quartus II 8.0，實現(xiàn)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(shè)計、編譯及時序仿真，然后將經(jīng)過驗證的設(shè)計文件下載到選擇的可編程邏輯器件中，并在電子設(shè)計自動化實驗系統(tǒng)中進行硬件模擬和測試。

狀態(tài)機VHDL程序設(shè)計

有限狀態(tài)機FSM(Finite STate Machine)及其設(shè)計技術(shù)是實用數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中實現(xiàn)高效率、高可靠邏輯控制的重要途徑。傳統(tǒng)的狀態(tài)機設(shè)計方法需進行繁瑣的狀態(tài)分配、繪制狀態(tài)表、簡化次態(tài)方程等，而利用VHDL可以避免這些煩瑣的過程，直接利用狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖進行狀態(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?qū)哟畏置鳎Y(jié)構(gòu)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。

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(dāng)前狀態(tài)有關(guān)；Mealy型狀態(tài)機的輸出信號不僅與當(dāng)前狀態(tài)有關(guān)，還與輸入信號有關(guān)。結(jié)合本文設(shè)計，由于輸出僅與狀態(tài)有關(guān)，選用了Moore型狀態(tài)機設(shè)計自動售貨機控制模塊，狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖1所示。

圖1 自動售貨機狀態(tài)轉(zhuǎn)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。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。