基于FPGA的自动售货机控制单元设计.doc

1、 图 书 分类号： 密 级： 毕业设计 (论文 ) 基于 FPGA 的自动售货机控制单元设计 学生学号 学生姓名 学院名称 专业名称 指导教师 年 月 日 I 摘要 近年来在随着我国各种大小商品市场快速发展以及城市化不同程度的不断提高，自动售货机已经越来越受到大中城市的青睐，自动售货机在这些大中城市中已经获得了越来越广泛的应用，因此自动售货机的快速发展已经得到了不断的提高和认可，同时自动售货机也极大地丰富了我国的商业产业的结构，是商 业结构有了更加丰富的拓展，这样在商业结构中开辟了一种全新的自动自主销售和自动自主服务的时代。本文将结合大学期间所学的EDA 技术实现自动售货机控制系统的设计，应用

2、这种技术实现设计的自动售货机控制系统，将会有效的减小系统的开发周期，同时降低了很多开发成本，因此是一种可行的设计方案和趋势。 该设计在整体设计架构中主要包含两个部分：主要有硬件系统设计部分和 FPGA 内部电路的编程设计部分。在 FPGA 内部电路的编程设计部分主要采用硬件描述语言（ Vhdl）对自动售货机的控制系统进行功能描述以及各状态之间的设计。该设计 FPGA 硬件部分主要是目前最通用的 FPGA 之一即 ALTERA 公司的 FPGA 芯片为设计目标器件。该设计中硬件系统设计是围绕系统设计所选合适的 FPGA 器件的硬件电路进行设计。本文中将详细介绍了基于 FPGA 的自动售货机的整体

3、设计方案流程与工作原理及工作状态，在功能叙述中详细阐述了投币选择模块，物品选择模块，主控模块等模块的软件系统设计与实现，在前期设计完成之后对所设计的 FPGA 内部功能进行功能仿真验证，在确定设计正确无误之后进行下板子测试验证。 关键词 FPGA ； EDA； 自动售货机 ； VHDL II Abstract With the continuously prosperity of chinas commodity market and with the rapid develepment of modernization level , vending machines has enterd

4、into large and medium-sized cities quietly ,it enriches chinas commercial industrial structure and creates a new era of automatic selling and self-service.This subject will accomplish the control system of vending machine with EDA technology.Since it has the advantages of shortening product developm

5、ent cycle,reducing product develepment cost , increasing the possibility of first-time success and so on,it can enhence the exploitability of aotomatic machinea and lower the costs. The issue consists of two parts： hardware system design and fpga internal circuit design. Fpga internal circuit design

6、 uses hardware describe language （ vhdl ） to describe the fuction of vending machine； and fpga chip of ALTERA Corporation is choosen for the target device. Hardware system design is a hardware circuit design that center on the selected appropriate fpga device. and the design of the internal function

7、s of FPGA is simulated. Keywords FPGA EDA Vending Machine VHDLI 目 录 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 自动售货机的历史 . 1 1.2 自动售货机的研究现状 . 1 1.3 未来发展和研究方向 . 2 1.4 本文的章节安排 . 2 第 2 章 关键技术介绍 . 4 2.1 EDA 技术 . 错误 !未定义书签。 2.2 可编程逻辑器件 . 错误 !未定义书签。 2.3 VHDL描述语言 . 错误 !未定义书签。 2.4 相关技术的发展与应用情况 . 错误 !未定义书签。 第 3 章 系统设计方案 . 6 3.1 饮料自动提

8、取机总体设计方案 . 6 3.2 时钟发生器 . 6 3.3 电源电路 . 7 3.4 键盘的设计 . 7 3.6 显示器设计 . 8 3.2 芯片的选择 . 8 第 4 章 基本原理 . 10 4.1 饮料自动提取机功能 . 10 4.2 饮料自动提取机的基本组成 . 10 4.3 设计思想 . 10 4.3.1 功能要求 . 10 4.3.2 总体思想 . 11 4.3.3 控制状态的设计 . 11 4.3.4 设计流程图 . 12 4.4 设计思想 . 12 4.4.1 投币模块 . 13 4.4.2 商品选择模块 . 14 4.4.3 分频模块 . 15 4.4.4 计数模块 . 错误

9、 !未定义书签。 4.4.5 出货模块 . 16 4.4.6 显示模块 . 17 4.4.7 主控模块 . 17 II 4.4.8 顶层模块 . 18 4.4.9 主控模块状态转换图 . 18 第 5 章 设计结论 . 19 5.1 设计所完成的工作内容 . 19 5.2 设计结论总结 . 19 致 谢 . 20 参考文献 . 21 附 录 . 22 1 第 1 章 绪 论 自动售货机近年来成为各种商业场合自动化的一种常用设备，这种设备不会受到时间、地点等各种条件的限制，其主要的优点是节省人力、方便交易。 目前一般比较通用的自动售货机都是由以下主要模块来构成：钱币识别装置、钱币指示装置、贮藏售

10、货装置、货物指示装置等组成。钱币识别装置一般是售货机的核心，该模块的主要功能是识别投入钱币的真伪，接下来进行分选钱币的种类，统计计算金额。当购物进行投入的金额到达所购买商品的额定值之后将会给出一个开始售货信号，当购物完成之后若有多余钱币时则会进行找出余钱操作状态。这里指示装置主要用 来指示购买者所选购买商品的品种已经指示投入钱币的指示。这里贮藏售货装置一般也比较关键，主要用来保存商品的数量信息，在接收到出售指示信号后，把购买者选择的商品送至付货口，这里该装置则有进行一次更新即更新库存操作。目前市面上常见的售货机的钱币装置由投币口、选别装置、确认钱币真伪的检查装置、计算金额的计算装置和找钱装置组

11、成。以自动售货机为主体的流通领域革命出现 1962 年， 70 年开始，其主要设计是应用微处理器及单片机等来控制的各种应用新型的自动售货机 。 1.1 自动售货机的历史 自动售货机 在很早以前开始在一些西方 国家已经 是一种 很通用 的商业 自主自动化的零售形式， 大约在二十世纪 世纪 七十 年代 的时候在日本和欧美的一些国家首先发展起来。它也可以称为是一种二十四小时营业工作的微型超市。据统计在日本有百分之七十左右的罐装饮料则是通过自动售货机售出的。家喻户晓在全球著名的饮料商可口可乐公司在全世界就分布有五十万台饮料自动售货机，这将是一个很庞大的数目。 在二十世纪九十年代末，据统计 在日本 的

12、全国各地， 总共 设有 五百五十 万台 的 自动售货机， 这样的数目每年的销售额也是一个很巨大的数目 。 自动 售货机 在几年来随着不断的发展在 显示屏幕上进行操作， 顾客可以 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， 这种自动售货机 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。 这样的现象在国内也有类似案例，前不久在网上有这样一条消息，大连理工大学大二的学校自己设计的自动早饭售卖机，在校园内实行了一个月时间的测试，进行早饭的额自主购买，在一个月时间内没有出现任何差错，其购买过程以及金额计算过程均没有出现任何错误，同时这也是一个非常便利、非常环保的方式，这也是今后自

13、动化、自主化、环保化的一种发展趋势 。 1.2 自动售货机的研究现状 现在，自动售货 机产业正在走向信息化并进一步实现合理化。例如实行联机方式，通过电话线路将自动售货机内的库存信息及时地传送各营业点的电脑中，从而确保了商品的发送、补充以及商品选定的顺利进行。并且，为防止地球暖化，自动售货机的开发致力于2 能源的节省，节能型清凉饮料自动售货机成为该行业的主流。在夏季电力消费高峰时，这种机型的自动售货机即使在关掉冷却器的状况下也能保持低温，与以往的自动售货机相比，它能够节约 10 15的电力。进入 21 世纪时，自动售货机也将进一步向节省资源和能源以及高功能化的方向发展。 自动售货咖啡机是一种既可

14、以出 冷热咖啡也可以同时出奶茶果汁饮料的咖啡饮料自动售货机，省时方便快捷。既可以作投资来使用，也可作为员工福利来使用。 1.3 未来发展和研究方向 随着科技的发展及人们生活水平的提高，自动售货机市场的发展呈现出多元化及个性化的需求，通过自动售货机进行自助购物正逐渐成为市民的一种新的消费时尚和追求高品质生活的需要。传统的自动售货机控制系统采用单片机作为控制核心，不仅需要在输入输出接口上做大量的工作，而且系统的抗干扰性也比较差。 FPGA 具有可靠性高、编程简单、维护方便等优点，已在工业控制领域得到广泛应用。现如今长 生了基于了一种用 FPGA 实现的自动售货机主控制系统的硬件设计和软件设计，通过

15、此次毕业设计阐述了基于 FPGA的自动售货机的控制系统设计并进行了软件仿真和硬件设计实验，实验表明该控制系统是可行的。 现在，自动售货机产业正在走向信息化并进一步实现合理化。例如实行联机方式，通过电话线路将自动售货机内的库存信息及时地传送各营业点的电脑中，从而确保了商品的发送、补充以及商品选定的顺利进行。并且，为防止地球暖化，自动售货机的开发致力于能源的节省，节能型清凉饮料自动售货机成为该行业的主流。在夏季电力消费高峰时，这种机型的 自动售货机即使在关掉冷却器的状况下也能保持低温，与以往的自动售货机相比，它能够节约 10 15的电力。进入 21 世纪时，自动售货机也将进一步向节省资源和能源以及

16、高功能化的方向发展。 作为一种商务工具 ,自动售货机在生活中应用愈加广泛 ,综合分析现代自动售货机的研究现状和研究重点 ,以及自动售货机所处的市场现状和对社会的影响，根据日本、美国等国家的经验 ,自动售货机将在全球范围内得到更大的普及。自动售货机的机体内部结构已经相当完善 ,影响其普及的关键因素为：如何在现有的各种通信网络平台上，让自动售货机形成一种销售连锁网 ,为其提供更方便的营销方式和管理机制 ,以其最大限度地降低生产、运营成本。 目前 ,无论是基于 Internet还是基于移动通信网或其他网络平台 ,其运作的机制都不太成熟 ,不过这并不影响自动售货机的发展潜力。因此 ,自动售货机未来的发

17、展趋势是将其纳入到一个更广阔、更便利的移动商务网络平台。 1.4 本文的章节安排 该章中主要 为总体描述自动售货机的 发展历程 以及 未来的 研究现状 和趋势 等相关知识 做了一个详细的介绍 ， 在接下来一章中将会详细介绍在该课题中所应用到底额相关知3 识以及相关的关键技术 ， 在后面几章将会详细介绍 本课题所设计的 自动售货机控制系统的相关 总体 硬件设计， 并且 主要阐述本课题的软件系统 的设计以及每个 模块 的设计和 仿真 部分 。 在 附录 中 将指出本课题所用到的 所有 相关文献以及所需要的硬件元器件 和实物展示等内容 。 4 第 2 章 关键技术介绍 2.1 EDA 技术 系统所应

18、用到的技术有可编程逻辑器件及 EDA 技术，应用 Vhdl础的工作平台；是利用电子技术，计算机技术，智能化技术等多种应用学科的最新成果，开发出的一整套电子CAD（计算机辅助设计）软件；是一种帮助电子设计工程师从事电子元件产品和系统设计的综合技术 。 EDA 技术主要是以计算机作为主要 开发工具，设计者可以在 EDA 设计软件平台上，用各种硬件描述语言规划完成设计内容，在整体设计完成之后则由计算机进行完成设计逻辑的编译、简化、前期设计综合、设计优化、设计布局、设计布线和逻辑功能仿真等，最后完成对设计目标芯片的合适编译、逻辑映射和编程下载等工作。 EDA 这种技术的出现，在很大程度上极大地提高了电

19、路设计的效率和可操作性，很大程度上缩短了设计周期。 2.2 可编程逻辑器件 FPGA 其英文全称为 Field Programmable Gate Array，全称为现场可编程门阵列，这中器件是当今芯片设计中能 够实现 EDA 设计的主流器件，这种器件的很大特点是直接可以面向用户，同时它具有很大的灵活性和通用性，使用非常方便，在硬件测试方面和硬件实现快捷方面非常方便，开发效率高，成本低，上市时间短，技术维护简单，工作可靠性强等特点。 2.3 Vhdl描述语言 Vhdl HDL是硬件描述语言中的一种，英文全称即 HDL:Hardware Description Language，这种语言主要是一

20、种以编辑文本的形式来描述数字系统设计中硬件的设计结构和行为描述的语言，用这种语言主要可以完成对逻辑电路图等设计的表示，这种语 言还可以表示数字逻辑系统设计所完成的整体逻辑功能。 Vhdl HDL和 VHDL是目前硬件描述语言中最流行的两种硬件描述语言，已经成为 IEEE的一种协议标准，早在 20 世纪 80 年代中期开发出来的。 Vhdl 是由 Gateway Design Automation 公司开发。这两种硬件描述语言均成为 IEEE的标准。 2.4 相关技术的发展与应用情况 1） FPGA 的应用 有关 FPGA 的设计应用在设计过程中主要分成三个设计层面：电路设计，产品设计，系统设计

21、。 （ 1）电路设计中 FPGA 的应用 在电路设计中 FPGA 的应用只要 是对逻辑设计部分进行链接，对逻辑部分的控制是5 FPGA 设计很早开始发挥作用比较大的设计范围同时也是 FPGA 设计应用的一个基础。在实际设计过程中，在电路设计应用中应用 FPGA 设计的难度还是比较大的，在这里对初级开发者提出了很高的要求，要求初级开发者应该具有相应的硬件知识电路知识和响应的开发软件应用能力掌握响应的开发工具。现在现如今的社会行业中这方面的人才总是紧缺的，这个领域往往都从事新技术，新产品的开发。 （ 2）产品设计 能够将这些相对比较成熟的技术应用到一些特定领域如通讯，视频，信息处理等各个领域当中，

22、开发出 满足行业需要并能被行业客户接受的产品。在这方面主要是 FPGA 技术和专业技术的互相结合的一个问题，除此之外，还有是关于专业客户的界面处理问题，产品设计分很多种类，主要为专业工具类产品及民用生活产品，专业工具类产品其重点是在性能等各方面有严格的要求，生活民用方面则是对价格比较感兴趣，不管怎么说这些产品的设计主要还是以实现产品功能为首要目的。在这些设计领域当中 FPGA 技术则是一个主要的实现手段， FPGA 因为具备各种接口，各种控制器，各种功能的 IP，各种内嵌的 CPU等很多特点，并且有条件实现一个构造简单，固化程度高 ，性能给非常稳定，并行效果特别明显，功能非常全面的一个系统产品

23、设计，这将成为 FPGA 技术应用最广大的市场，一个今后发展的一个趋势。 （ 3）系统级应用 在系统级方面的应用则是 FPGA 与传统的计算机技术相结合的一个很大特点，主要是实现了一种 FPGA 的计算机体系系统：如用 Xilinx、 Altera 等一系列系列的 FPGA，都可以实现内嵌的 POWER PC CPU, 然后再配合各种外围功能 ，实现一个最基本环境，在这个平台上跑 LINIX 等系统，这个系统也就支持各种标准外设和功能接口了。这对于快速构成 FPGA 大型系统来讲是很有帮助的。 2） EDA 的应用 电子设计工程师们可以利用 EDA 工具，从概念设计、算法设计、协议标准等方面开始设计一个电子系统，在这器件大量的工作都可以通过计算机来辅助完成，并且在这期间可以将电子产品从电路设计、电路仿真、电路的布局布线、电路的测试、电路性能的分析到设计出 IC 版图或 PCB版图的整个过程，都可以在一台计算机上自动辅助处理来实现完成。 在现在发展的阶段对 EDA 的概念或 应用范畴用得很宽。主要在机械领域、电力电子领域、通信电子领域、航空航天领域、化工生产领域、矿产生产领域、生物和医学制造领域、军事制造领域等各个领域中都可以看到有 EDA 的应用。目前 EDA 技术已在各大公司、企事业单位和科研教学部门广泛使用 。