基于VHDL的自动售货机设计.doc

1、 本科毕业设计（论文） 基于 VHDL的自动售货机设计 燕 山 大 学 年 月 本科毕业设计（论文） 基于 VHDL的自动售货机设计 学院（系）： 专 业： 学生 姓名： 学 号： 指导 教师： 答辩 日期： 燕山大学毕业设计（论文）任务书 学院：信息科学与工 程学院 系级教学单位：光电子工程系 学 号 学生 姓名 专 业 班 级 0 题 目 题目名称 基于 VHDL 的自动售货机设计 题目性质 1.理工类：工程设计 （ ）；工程技术实验研究型（ ）； 理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；综合型（ ） 2.文管理类（ ）； 3.外语类（ ）； 4.艺术类（ ） 题目类型 1.毕业设计（ ）

2、2.论文（ ） 题目来源 科研 课题 （ ） 生产实际 （ ） 自选题目 （ ） 主 要 内 容 分析自动售货机的功能，完成相关功能模块的划分，用 VHDL 语言对各个底层模块的功能进行描述最后生成顶层模块，最后用 MAX+plus II 对各个模块进行编译及波形仿真分析。 基 本 要 求 1.能够独立检索相关文献并且能综合分析文献； 2.查阅相关书籍和资料，学习相关设计方案并通过对自动售货机的功能分析掌握其组成原理的分析方法和设计方法。 3.掌握 VHDL 硬件描述语言，按照设计方案完成各模块的程序设计，并进行波形仿真正确阐述仿 真结果。 4.独立撰写论文，能根据要求和内容编写出合格的毕业论

3、文。 参 考 资 料 1 姜立东 . VHDL 语言程序设计及应用 . 北京：北京邮电大学出版社， 2004 2 李洋 . 现代电子设计与创新 . 北京：中国电力出版社， 2007 3 王金明，周顺 . 数字系统设计与 VHDL. 北京：电子工业出版社， 2010 4 (美 )James R, Armstrong F, Gail Gray.VHDL Design Representation and Synthesis. 北京：机械工业出版社， 2003 周 次 第 1 3 周 第 4 6 周 第 7 10 周 第 11 13 周 第 14 16 周 应 完 成 的 内 容 课题选定，调研、收

4、集资料，形成初步思路。 建立系统基本结构，对整个程序流程进行规划。 用 VHDL 语言对各个模块进行程序编写与调试工作。 仿真结果归纳整理，撰写毕业设计论文初稿。 完成论文，准备答辩。 指导教师： 职称： 讲师 2013 年 3 月 22 日 系级教学单位审批： 年 月 日 摘要 I 摘要 随着科学技术的飞速发展和市场的不断繁荣，各种投币式自动售货及服务机具已经风靡世界发达国家。这些采用现代电子技术和机电技术的自动服务设施，给人们的日常生活 带来了极大的方便。 VHDL 语言最初是由 美国国防部 开发出来用来提高设计的可靠性和缩减开发周期的一种设计语言。目前大多数 EDA 工具几乎都支持 VH

5、DL，这为 VHDL 的进一步推广和广泛应用奠定了基础。 本文介绍了 VHDL 的特点和应用 ,以自动售货机为例，详细说明了其实现过程。 本文使用 VHDL 描述自动售货机各模块 的结构、行为、功能和接口并用 MAX+plus II 仿真。通过定义售货过程的各个状态以及各个状态之间的转换从而实现了自动售后机的选择多个商品，投掷钱币，找零退币，显示状态，多次交易等功能。给出了各个模块的源程序以及模块之间连接图，并通过仿真验证做出必要的分析。仿真结果说明本次设计能满足自动售货机所要求的功能，从而实现了电路设计的自动化和智能化。 关键词 自动售货机； VHDL； EDA； MAX+plus II 燕

6、山大学本科生毕业设计（论文） II Abstract With the rapid development of science and technology and the increasing flourish of the market, all kinds of coin-operated vending and service equipment has swept the developed countries of the world. The automatic service witch use modern technology, electronic technology

7、 and electromechanical facilities has brought great convenience to the peoples daily lives. VHDL language originally developed by the U.S. Department of Defense for the U.S. military to improve design reliability and reduce the development cycle using a smaller range of design language. Most EDA too

8、ls support almost all VHDL, VHDL which is widely used in the further promotion and laid the foundation. This article introduces the characteristics and application of VHDL, with a example of designing vending machines, describes detailedly the implementation process.This article uses VHDL langague d

9、escribed the structure, behavior, functions and interfaces of each modules with MAX + plus II and its simulation. By defining the respective states of the process and the transitions between the various states in order to achieve the functions of the vending machine that is select multiple items, th

10、rowing coins, coins giveback, display state, multiple transactions and others. Provided the code of each module and connection diagram between the modules, and make the necessary analysis by simulation and verifing. Simulation results show that this design accords with the required functions of the

11、veding machines, whitch achieved automation and intelligenta of the circuit design. Keywords vending machine;VHDL;EDA;MAX+plus II III 目 录 摘要 .I Abstract . II 第 1章 绪论 . 1 1.1 课题背景 . 1 1.2 课题的目的与意义 . 2 1.3 自动售货机的国内外发展及现状 . 3 1.4 本文的研究目标及章节安排 . 5 1.4.1 本文的研究目标 . 5 1.4.2 本文的章节安排 . 6 第 2章 相关技术与设计工具 . 7 2

12、.1 EDA 技术介绍 . 7 2.1.1 EDA 技术概念与应用 . 7 2.1.2 EDA 技术的历史与发展趋势 . 8 2.2 VHDL 语言介绍 . 10 2.2.1 VHDL 语言概念、特点与优势 . 10 2.2.2 VHDL 语言结构 . 12 2.3 MAX+PLUS 软件介绍 . 14 2.3.1 软件概述 . 14 2.3.2 MAX+PLUS 开发系统的特点 . 15 2.3.3 软件功能使用及设计流程 . 15 2.4 本章小结 . 20 第 3章 自动售货机系统设计分析 . 21 3.1 自动售货机的设计任务与要求 . 21 3.2 自动售货机的设计需求分析 . 21

13、 3.3 自动售货机的系统工作流程 . 21 IV 3.4 自动售货机模块的划分 . 22 3.5 自动售货机各工作状态之间转换 . 24 3.6 本章小结 . 24 第 4章 自动售货机 各功能模块 的仿真分析 . 25 4.1 总控模块的仿真分析 . 25 4.2 二进制译码模块的仿真分析 . 28 4.3 BCD 译码模块的仿真分析 . 29 4.4 顶层模块的仿真分析 . 29 4.5 本章小结 . 30 结论 . 31 参考文献 . 32 致谢 . 34 附录 1. 35 附录 2. 40 附录 3. 46 附录 4. 48 附录 5. 73 第 1 章 绪论 1 第 1章 绪论 1

14、.1 课题背景 自动售货机是能根据投入的钱币自动付货的机器。自动售货机是商业自动化的常用设备，它不受时间、地点的限制 ，能节省人力、方便交易。是一种全新的商业零售形式，又被称为 24 小时营业的微型超市。能分为三种：饮料自动售货机、食品自动售货机、综合自动售货机。随着科技的发展以及人民生活水平的提高，人们需求一种全新的购物方式，这种方式不受人力时间的限制可随时随地更快捷方便地购买商品，自动售货机正能满足人们的这种需求。如今，在机场、地铁、商场、公园等客流较大的场所，不难发现自动售货机的身影。顾客只要插人几元的纸币或硬币，就可以方便地买到诸如饮料、口香糖等小东西。作为一种前卫的零售方式，自动售货

15、机受到了喜欢追逐时尚的年轻人的欢迎 。自动售货机具有技术含量高、销售方式新、 市场潜力 大、商品货真价实等优点，决定了它广阔的发展前景。而且，它与电子购物等新型消费方式相通，能创造巨大的商机，研究自动售货机是非常有价值的。 随着科技的发展和社会的进步，自动化商业机械有了越来越广泛的应用，自动售货机作为自动化商业机械的代表被广泛用于公共场所自动售货，给人们的生活带来了极大的方便。特别在发达国家，自动售货机已经十分普及，自动售货机可售出各种成型包装小商品，各种 袋装，盒装，软瓶装等小商品。在我国，由于多种原因，自动售货机的市场推广缓慢，处于培育阶段，但可以预见，这种方便快捷的服务形式因其适合现代生

16、活快节奏的需要，在不久的将来必会获得大众的喜爱。随着商品市场的不断繁荣，自动售货机和自动服务设施必将逐步得到广泛的应用。 随着科技的迅猛发展，信息技术，电子技术，自动化技术及计算机技术日渐融合，成为当今社会科技领域的重要支柱技术。由于 VHDL 已经成为IEEE标准所规范的硬件描述语言，目前大多数 EDA工具几乎都支持 VHDL，这为 VHDL 的进一步推广和广泛应用奠定了基础 1。在硬件电路设计过程中，主要的设计文件是用 VHDL 编写的 源代码 ，因为 VHDL 易读和结构化，所以易于修改设计。 燕山大学本科毕业设计（论文） 2 1.2 课题的目的与意义 人类社会已进入到高度发达的信息化社

17、会，信息社会的发展离不开电子产品的进步。现代电子产品在性能提高、复杂度增大的同时，价格却一直呈下降趋势，而且产品更新换代的步伐也越来越快 ，实现这种进步的主要原因就是生产制造技术和电子设计技术的发展。前者以微细加工技术为代表，目前已进展到深亚微米阶段，可以在几平方厘米的芯片上集成数千万个晶体管；后者的核心就是 EDA 技术 2。 EDA 是指以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成的电子 CAD 通用软件包，主要能辅助进行三方面的设计工作： IC 设计，电子电路设计以及 PCB 设计。没有 EDA 技术的支持，想要完成上述超大规模集成电路的设计制造是不可想

18、象的，反过来，生产制造技术的不断进步又必将对 EDA 技术提出新的要求。 自 动售货机作为一种先进的消费方式，已经成为城市现代文明发达程度的重要标志，其新颖、时尚的购物方式， 24 小时营业的特点给人们生活带来了便利，美化了城市环境，受到消费者的欢迎。但是在我国自动售货机的普及还不及发达国家，主要原因是我国 EDA 技术的应用水平长期落后于发达国家。 本设计要实现自动售货机的基本功能，如选择货物，投币，找零，显示，多次交易等功能。利用软件 MAX+plus 平台，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，与一般的软件开发不同，VHDL 编程更需要熟悉一些底层的硬件知

19、识，特 别是数字逻辑电路的设计，因此 VHDL 编程的方法、思路都要更多的与硬件电路联系起来 3。完成系统各个功能模块的硬件程序设计后，在软件平台上进行编译和电路仿真。 通过本课题的研究，可以掌握电子控制系统的基本原理与其实现，通过对各个模块的编程及其仿真，对 MAX+plus 软件的使用有所了解。每个波形模块的 VHDL 实现加深了硬件描述语言的学习。最终的顶层文件的调试，更是体现了综合知识的运用。本课题的研究是对本专业所学知识的较系统综合的理解与应用，是理论知识与实践结合的体现。设计综合了本专业所学几门重要专业课程的内 容，包括 EDA 技术、数字电子技术等的学习，较为符第 1 章 绪论

20、3 合电气工程及其自动化专业的培养要求，有助于实践能力、创新能力、设计能力的提高。 1.3 自动售货机的国内外发展及现状 公元 1 世纪 ,希腊人希罗制造的自动出售圣水的装置是世界上最早的自动售货机。 17 世纪， 英国 的小酒吧里设有了香烟的自动售货机。在自动售货机历史的长河中，日本开发出实用型的自动售货机，那是在进入本世纪后的事。自动售货机的真正普及是在 第二次世界大战 以后。 50 年代， “喷水型果汁自动售货机 ”大受欢迎，果汁被注入在纸杯里出售。后来，由于美国的饮料大公司进入日本市场， 1962 年，出现了以自动售货机为主体的流通领域的革命。 1967 年， 100 日元单位以下的货

21、币全部改为 硬币 ，从而促进了自动售货机产业的发展。 1925 年美国研制出售香烟的自动售货机，此后又出现了出售邮票、车 票的各种现代自动售货机。在日本全国各地，共设有 550万台自动售货机（据 1998 年的统计），销售额达 6 兆 8969 亿 4887 万 日元 ，为世界第一。在售货机的显示屏幕上进行操作，输入商品号码和购买数量，并投入钱币后，商品就会从取货口出来，甚至从食品自动售货机上还能买到热呼呼的面条和米饭团。虽然日本的自动售货机总台数低于美国（据 1997年的统计为 689 万台），但是，从人口占有数来看却是世界上最高的，美国平均 35 人占有一台，而日本 为 23 人占有一台。

22、 1999 年，它开始进人中国市场。如今，在机场、地铁、商场、公园等客流较大的场所，不难发现自动售货机的身影。 自动售货机在中国的发展状况： 1993 年，日本、美国、韩国的二手自动售货机进入中国，只能识别人民币硬币。 1995 年，可口可乐、百事可乐开始小量布放使用硬币的自动售冷饮机。 1997 年，南开戈德开发出 “GD人民币智能识别系统 ”。 1998 年，南开戈德自行研制成功 “GD自动售货机 ”，成为我国第一家规模生产同时识别纸硬币自动售货机的公司。 1998 年 ,加拿大 “科汇 ”公司在广州开始销售、摆放 “Vendo”等进口机器 4。 1998 年 10 月，南开戈德组建 “天津戈德微超贸易有限公司 ”（现 “天津戈德移动商务有限公司 ”前身），成为国内第一家规模经营自动售货机的单位。 2000 2001 年，