1、 毕业设计说明书 自动售货机控制系统的设计与仿真 自动售货机控制系统的设计与仿真 2 摘 要 随着社会的进步，科学的发展，生活水平的提高，单一传统的生活方式已经不能满足现代居民对高品质生活的追求，在这种现象下，许多自动化设备应时代应潮流而生。自动售货机作为自动化设备中的最常见的设备之一，由于其众多的优点，已经在世界各地得到了普遍的发展并且还在不断地发展。自动售货机掀起了继百货商店和超市之后的又一零售狂潮，这种智能售货系统在车站、教学楼、办公楼等公共场所有着广阔的发展前景。 本文在对自动售货机的背景 历史和发展趋势进行了研究介绍之后，对课题中的自动售货机系统进行了整体的设计及规划。该自动售货机控
2、制系统是基于 EDA技术来实现的，同时，利用 Altera 公司的 Quartus 14.0 作为其软件开发平台，利用 VHDL 编程语言输入的方式完成了软件设计。本设计方案对整个控制系统进行了层次化的编写。把整个系统划分为 6 个子模块，分别是找零计算模块、确认取消控制模块、找零控制模块、总钱数加和模块、显示模块、锁定模块，并且对每一个子模块进行了详细的软件设计。在顶层文件中通过调用各个子模块来完成 vhdl 程序的设计。 最后在 对 每一个子模块完成了功能仿真测试验证，同时也对整个系统进行顶层设计和仿真测试，测试结果表明了整个控制系统的合理性以及正确性。整个控制系统设计简单合理，操作简单，
3、满足售货机的基本要求，具有一 定的实用意义。 关键词 ： 自动售货机、 VHDL、 EDA、 Quartus 自动售货机控制系统的设计与仿真 3 Abstract Abstract: With the progress of the society, the development of the scientific, and the improvement of living standards, single traditional way of life has not meet modern residents pursuit of high quality life, under t
4、his kind of phenomenon, a number of automation equipment should come into being. Vending machine as one of the most common equipment in the automation equipment, has been develop all over the world and develop constantly because it has many advantages .Vending machines set off after department store
5、s and supermarkets in another retail frenzy, this intelligent vending system has broad prospec ts for development in the station, school buildings, office buildings and other public places. Based on the background of the vending machine, the article designs and plans the project of vending machine s
6、ystem after introducing the history and development trend.The vending machine control system is based on the EDA technology to realize, at the same time, it used Quarter 14.0 of the Altera corporation as the software development platform, taking advantage of VHDL programming language input completed
7、 the software design. The design scheme is hierarchical write for the whole hierarchical control system.The whole system is divided into six sub modules, change calculation module, confirming cancellation control module, the change control module, total amount module, display module, locking module,
8、 and each child module software design is design in detail.On the top floor file by calling each module to complete the VHDL program design. Finally, The design scheme completed the function simulation test to verify for each child modules, and conducts Top-level design and simulation test for the w
9、hole system, the test results show the rationality and validity of the whole control system. The design of the whole control system is simple and reasonable, the operation is simple, it meets the basic requirement of the vending machine and has certain practical significance. keywords :The vending m
10、achine、 EDA、 VHDL、 Quqrtus 自动售货机控制系统的设计与仿真 4 1 绪论 1.1 课题研究背景 早在 20世纪 30年代，出售香烟的自动售货机就在美国被研制出来了，此后，各类自动售货机也相继被研究出来。到了 20世纪的 70年代，自动售货机在欧美地区和日本的发展已经相当的普遍。早在 1998的数据统计中，日本就已经有了 550万台各式各样各种功能的自动售货机，而美国所拥有的自动售货机的数量更是高达 700万台，也就是说在上个世纪末在日本平均 23个人就拥有一台自动售货机，而美国则是平均 35个人就拥有一台。 自动售货机的优点之一就是无需人工看守 ，这点在当今世界人工劳
11、动力成本普遍急剧上升的年代成为了各商家最看重的一点，它可以 24小时不断的进行自动售货操作，在为商家降低成本的同时大大的增加了收益。同时，其操作方便简单、占地面积小、全自动化等优点使其迅速在全世界各地普及开来。日本作为使用自动售货机最普遍的国家，其国内的罐装饮料有大约 70%是通过自动售货机来出售的，销售额为世界第一；在西班牙，全国零售业的销售额一半以上是由自动售货机来完成的，并且每年的速度都在不断增长。从这些数据可以看出自动售货机所涉及的行业在零售行业中占据着不可替代的重要作用。 1.2 课题研究的目的与 意义 随着社会的不断发展与进步，城镇居民的收入日渐增多，生活条件也越来越好，城镇居民的
12、消费方式和消费心理也正慢慢发生改变。快捷自动化的生活方式正是快节奏生活下人们所追求的一种高品质的生活方式。而自动售货机作为商业自动化的一种常见设备，无论是在国内还是国外，都深受消费者的喜爱，时代的发展为自动售货机提供了良好的发展条件。然而，我国的自动售货机行业的发展却远远及不上欧美和日本等国家，究其原因一个方面是因为我国的自动售货机行业发展比较晚，另外一方面是因为我国要普遍发展自动售货机也有着技术的瓶颈。自 动售货机是一种内部集成度高、技术复杂的高科技设备，而现在我国多数企业都缺乏自主研发自主创新的精神，使得自动售货机的很多关键零件都要从国外进口，因此想要在国内发展这一行业，解决相关技术问题自
13、主开发自动售货机是最重要的。 我国引进自动售货机已有差不多二十年的时间，然而至今在国内运营和自主研发制造自动售货机的企业少之又少，国外的自动售货机还毫无疑问的占据着我国绝大部分的的市场。这种现象严重阻碍了我国发展自动售货机行业。因此，加快脚步和加大力度去自主研制自动售货机是很有必要的，同时，更要时时关注最先进的科学技术，尽 可能的把这些高科运用到自动售货机行业中去，只有这样才能让该行业在我国得到更好更快的的发展。 自动售货机控制系统的设计与仿真 5 1.3 国内外研究现状及趋势 目前，自动售货机已经在发达国家得到了广泛的运用，而我国由于行业起步较晚的原因使得各方面技术还不够成熟，还需要加大力度
14、去积极发展这一行业。在 2012 六月份，我国各式各类的自动售货机的总量只有三万台，而在 2013 六月份，该数量已经上升至五万台，增长幅度高达差不多 50%，当然由自动售货机带来的营业额也是非常庞大的。随着科技的不断发展，如今的自动售货机也越来越先进，其中设备的科技含量也日渐增高 。自动售货机的发展历程如 图 所示： 目前我国生产自动售货机主要有以下几家比较知名的厂家：上海艾丝明自动售货机有限公司，主要生产咖啡机；天津歌德公司，主要生产咖啡机；大连富士冰山公司，主要生产饮料机。除此之外还有青岛澳柯玛自动商用设备有限公司、天津奥莱特自动售货机有限公司等公司生产的自动售货机也是比较常见的。 自动
15、售货机的发展趋势是由于社会的产业结构发生变化的产物。由于社会的消费方式、销售环境等的变化，自动售货机的售货方式作为一种新的流通渠道，自然而然自动售货机也就应时代发展而生了。自动售货机从一开始的功能单一 结构单一发展到现在的功能多元化个性化，该行业也成为信息化的一种表现。而且自动售货机的发展为了适应社会的发展也将会更加合理化人性化，它已不仅仅是一台用来销售商品的机器，随着科技的发展，通信的发展，互联网的发展，它也必将向着相互连通的信息生态圈的方向发展，必将发展成为一种集商品销售、信息流通等于一体的高科技的终端设备。 1.4 课题研究的主要内容 本文主要研究利用自动售货机来完成商品处理、货币找零、
16、出货操作、 led 显示等功能。完成的工作主要包括以下几个方面： 1.对自动售货机的历史及发展前景做了简单的陈述。 2.对课题中用的比较多的 EDA 技术以及 VHDL 语言、 Quarter软件开发平台的相关知识做了简单的介绍。 3.在对自动售货机的整个控制系统进行了一定的研究和分析之后，提出了整体设计方案。 4.对各个子模块功能的利用 vhdl 语言程序的输入的方式进行了详细的分析设计，并且对每一个子模块进行了仿真测试，对其相对应的功能进行了验证。最后对整个系统进行顶层设计，同时也对整个系统进行了仿真，对整个自动售货机的功能进行了验证。 自动售货机控制系统的设计与仿真 6 2 相关技术简介
17、 2.1 EDA 技术 电子设计自动化技术就是常见的 EDA 技术的简称，这种技术在现代电 子设计中有着非常重要的作用。 EDA 技术以强大的计算机为依赖，在相应的软件开发平台上，利用硬件描述语言（ HDL）来完成系统的各项功能的逻辑描述。 EDA 技术有着丰富的内容，与电子技术很多领域有着密不可分的联系，所以其发展同计算机辅助工程、电子设计技术以及集成电路的大规模设计技术等都是同步发展的。就近 30 多年来其发展可分为以下阶段： 上世纪 70 年代可编程逻辑器件开始问世，集成电路得到广泛应用， CAD 技术也开始发展， EDA 技术也就是在这个时候开始出现。 上世纪 80 年代进入商用的复杂
18、可编程逻辑器件、 FPGA 器件的出 现、 CAD 技术广泛的应用、各类硬件描述语言的相继出现，这些解决 EDA 技术要广泛运用过程中所遇到的各种问题，为其规范应用奠定了基础。 上世纪 90 年代， CAD、 CAE 等技术已经被广泛应用在电子领域方面。同时，通信技术的发展、计算机技术的发展使得 EDA 技术有了更大的发展空间。 发展至现在的 EDA 技术， CPLD 和 FPGA 等可编程逻辑器件是被应用得最多的，这些器件是利用硬件编程语言来进行软件设计以完成功能设计，这样的设计方式简单方便，有着非常大的灵活性。可编程逻辑器件和可编程语言的发展改变了传统的电子设计的设计方法和 设计理念，同时
19、也让 EDA 技术有了更快的发展。 EDA 技术在现代社会的发展及应用范围是非常广泛的，不仅在农业、医学、军事等领域被应用，在通信、化学、交通、航天等领域更是有着不可替代的重要作用。（ EDA 技术与 VHDL P1） 2.2 VHDL VHDL 的全称是 Very High Speed Circuit Language，与另一种 VerilogHDL 语言是现在电子设计自动化中用的最多的两种硬件描述语言 ,现在用的比较多的 EDA 工具基本都支持这两种语言，在电子领域中已经成为了通用的硬件描述语言。 VHDL 是一种无 关设计平台、无关具体的硬件电路的语言。跟一般的高级语言类似，不过却有着一
20、般高级语言没有的具有硬件特性的语句，能很好的描述数字电路的功能和结构。 VHDL 的结构特点是设计一项工程或实体，一个元件、一个系统或者一个电路模块都可以设计成为一个实体，被设计好的实体可以很方便的被调用，这是 VHDL 很大的一个特点。 与其他的硬件描述语言相比， VHDL 有以下特点： 设计好的模块可以任意无数次的被调用，很好的做到了资源共享和重复利用这一点，大大减少了设计人员的工作量和工作时间。 自动售货机控制系统的设计与仿真 7 语言的设计描述与器件无关，设计人员在进行电路的 设计的时候，可以把精力放在优化电路上而不用先去考虑器件的选择， VHDL 可以采用不同的器件来实现已经描述好的
21、电路设计。 语言功能强大，设计方法灵活，支持各式各样的设计方法，无论是自顶向下还是自底向上的设计方式在 VHDL 中都可以灵活的被运用。同时，模块化设计，层次化设计等设计方法也是被支持的。 具有很强的移植能力，对于同一个 VHDL 程序，它可以在不同的工作平台、综合器、模拟器之间相互移植。 一个完整的 VHDL 程序代码结构包括 4 个模块，库和程序包的模块、实体模块、结构体模块、配置结构模块。其结构图如 图 所示： 2.3 Quartus软件 Quartus是由 Altera 公司开发的一种 EDA 工具，是经过 A+plus、然后到 MAX+plus,再到 MAX+plus发展而来的。 Q
22、uartus支持多种输入方式，例如原理图输入，硬件编程语言输入等，在使用 Quartus软件时，它会将设计人员设计好的硬件编程语言或者原理图等自动转换目标文件，最后将目标文件下载到器件中。通过 DSP Builder 工具，Quartus能很好的跟 Matlab、 Simulink 等结合起来，从而能够方便快捷的实现不同的DSP 系统的设计。因为有 着简单直接的入口和很强的设计能力，以及使用灵活、方便快捷的优点，所以很受广大设计者的青睐。 Quartus软件有以下特点： 自动售货机控制系统的设计与仿真 8 支持多平台的设计输入，结合其处理和验证功能使其成为一个全集化的开发平台，让开发周期变短。
23、 是一个 与结构无关的开发工具， Quartus通过把 Cyclone、 APEX、 Mercury 等设计环境转化为所需要的格式，真真正正的成为唯一一个与结构无关的开发工具。 具有很 具有全面的可设计开发资源，是一个集 系统设计、软件开发、逻辑设计于一体的综合性开发平台。 Quartus的编程设计流程 图 所示 ： 2.4 Modelsim 仿真工具 Modelsim 提供了可以与其他 EDA 工具（如 Quartus）的接口工具。 Modelsim 支持Verilog、 vhdl 或者二者相结合的混合。针对不同的使用环境， Modeislm 分为不同的版本，常见的版本有： Modelsim
24、 AE、 Modelsim ASE、 Modelsim SE 等。在本文的设计的版本是 Modelsim ASE10.1 版本。 VHDL 的仿真流程如 图 所示，首先在 VHDl 仿真器中对已设计好的 VHDL 源代码进行编译，等到代码被编译正确后就会被转换为中间格式 ，中间数据的结果将会保存在仿真数据库中，一般来说， VHDL 源代码在编译好的仿真库就是 WORK库。设计者通过编写 TestBeach 文件来干预仿真的过程，在本文的设计中，计时通过编写不同的 TestBeach 文件来对不同的模块代码进行仿真测试。 自动售货机控制系统的设计与仿真 9 3 系统总体方案 3.1 设计要求 本
25、文设计的售货机系统中只有一种，价格为 13 元； 可以投入三种不同的货币来购买商品，分别是 1 元、 5 元、 10 元； 每次只允许购买一个商品，若想要购买多个商品，则需要重复执行购买操作； 售货机的显示器会实时更新显示总共投入的货币的总额 ； 当投入货币后，如果不想购买商品了则可以通过按取消键来退还投入的货币，否则就按确定键来获取商品； 设置两个指示灯，分别是购买指示灯和取消指示灯，当顾客按下确定键后购买指示灯亮起；若顾客按下取消键，则取消指示灯亮起； 3.2 总体设计 通过分析系统的设计要求以及考虑到系统本身，本文对整个总动售货机系统采用自顶向下的设计方法，自顶向下的设计方法如 图 所示
26、，采用自顶向下的设计方法的优点是很明显的。由于系统设计从顶层开始，所以在进行设计时就清楚实现整个系统的性能状况。随着设计向下一级进行，系统的性能就能进一步得到 细化和表达，并且可以根据个人需要随时修改和调整，缩短了设计周期。 对整个系统的顶层文件进行如下端口设计： 输入端口： clk,输入时钟信号； rst，复位信号； C1，投入一张 1 元货币； C5，投入一张 5 元货币； C10，投入一张 10 元货币； ok_in,确认信号； cancel_in，取消信号。 输出端口： led_buy,确认购买指示灯； led_cancel,取消购买指示灯； en_deliver,出货信号； led1
27、,投入货币总数的个位数（单位是元）； led10,投入货币总数的十位数（单位是元）。 内部可读输出端口： RC1,1 元退币控制信号； RC5,5 元退币控制信号； RC10,10元退币控制信号。 自动售货机控制系统的设计与仿真 10 端口原理图如图所示： 在确定了整个系统的输入输出端口后，给出自动售货机的系统内部的工作原理 : 当系统接收到复位信号后，其他所有的控制信号和标识信号都清空为零，系统处于等待指令的状态。 当系统接收到相关信号输入时，系统开始工作。顾客确定购买商品时，开始投入货币，当投入货币为 1 元、 5 元、 10 元时，将分别产生一个时钟宽度的信号 C1、 C5、 C10。所
28、投入的货币总额会实时计算并通过显示器显示出来。 当顾客确定购买商品并按下确认键的 时候，自动售货机会产生一个时钟信号 ok_in,而且由 led_buy 控制的代表确认购买的指示灯会闪烁。如果投入货币的总额大于商品价格时，则送出商品并计算出余额操作退出余额，此时出货指示灯闪烁。如果投入的货币不足以支付商品价格，自动售货机会退还所有货币。 当顾客投入货币又不想购买商品时，就可以通过按下取消键来取消购买，这时系统会产生一个时钟信号 cancel_in，同时通过找零控制模块来执行相应操作退还货币。如果确认键或者取消键被按下后，自动售货机会产生一个 lock_out_entry 内部信号，当发出信号后，所有 的操作都是无效的。 当完成所有的操作后，将产生一个 clear 清除信号，此时所有的信号都会被清除，自动售货机开始等待下一次操作。 整个系统的投币购物流程如图所示：
