fpga的自动售货机设计(附件)【字数：11245】
摘 要摘 要目前市场上各式各样的自动售货机因为其便利性而受到广大消费者的青睐。本课题采用Quartus IIEDA开发平台，以FPGA为主控芯片，通过Verilog HDL硬件描述语言进行程序设计，并在Quartus II软件上进行编译与仿真，最终下载到FPGA实验箱中验证该系统的实用性。通过EDA设计方法中的状态机对自动售货机各模块按照顺序进行操作设计。各模块主要有分频模块、投币模块、显示模块和找零模块。自动售货机能够提供四种商品供顾客选择，并能接受三类钱币，出货阶段的找零余额在七段数码管上显示。当投币金额小于商品单价LED灯亮发出警告，并直接退出钱币。基于FPGA的设计，具有开发周期短、成本低廉、硬件运行速度快及稳定性高的优势。本系统最终实现功能有接受投币、商品选择、显示余额、送出商品、找出零钱。整个系统的开发体现了EDA技术开发数字系统的灵活性及实用性。关键词EDA；FPGA； Quartus II；自动售货机
目 录
第一章 绪论 1
1.1概述 1
1.2 发展现状 2
1.2.1 自动售货机的发展现状 2
1.2.2 EDA发展及应用趋势 3
1.3 课题设计任务 4
第二章 总体方案设计 5
2.1 总体框图设计 5
2.2 方案选择 5
2.3 EDA技术 7
2.4 可编程逻辑器件FPGA 7
2.5 Verilog HDL硬件描述语言 8
2.6 Quartus II简介 9
第三章 硬件设计 11
3.1 硬件设计结构图 11
3.2 芯片的选择 11
3.3 按键输入电路的设计 12
3.4 显示模块的设计 13
3.5 时钟电路的设计 13
第四章 软件设计 15
4.1 软件设计总流程 15
4.2 自动售货机的主要功能 15
4.3 设计要求 16
4.3.1 设计思路及原理 16
4.3.2 模块实现与描述 17
4.4 自动售货机状态描述 17
4. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
5 详细状态描述 18
4.5.1 初始状态 18
4.5.2 商品选择状态 18
4.5.3 投币状态 19
4.5.4 找零状态 19
4.6 自动售货机总体及各模块图 19
4.6.1 商品选择模块 20
4.6.2 分频模块 20
4.6.3 出货模块 21
4.6.4 显示模块 21
4.6.5 主控模块 22
第五章 实验调试与结果 23
5.1 实验调试步骤 23
5.2模块仿真图 24
5.3 程序总体仿真图 26
5.4结果与分析 27
结 语 30
致 谢 31
参 考 文 献 32
第一章 绪论
1.1概述
随着电子科技的快速发展以及现场可编程逻辑器件FPGA与复杂编程逻辑器件CPLD的出现，设计电子系统的人员利用与器件相应的CAD软件，在实验室就能够自主设计出来专用集成电路ASIC器件。这种可编程ASIC器件有着用户可编程的特性，能够缩短设计的周期，减少设计的费用，降低设计的风险，而且它还能使设计的产品达到小型化、集成化并具有高可靠性。目前在此类数字系统的设计中可以直接地面向用户需求，并且根据系统的行为和功能要求，能够自上而下地逐层完成相应的描述、综合、优化、仿真和验证，一直到生成器件，从而实现电子设计自动化。其中电子设计自动化技术（EDA）的关键技术之一就是利用硬件描述语言（HDL）来描述硬件电路[1]。
EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写，它是以计算机辅助测试（CAT）、计算机辅助工程（CAE）、计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）的概念为基础在20世纪60年代中期发展而来的。Verilog HDL是众多EDA软件中的一个，结合在查阅资料期间的学习,本次毕业设计将要采用的是Verilog公司推出的Verilog HDL硬件描述语言[2]。
随着现代科学技术的飞速发展，人们对于利用电子技术让生活变得更加便利重视了起来，例如火车站的自动售票机，电影院的自动取票机，家中的智能家具，日常生活中的智能手表等，这些通过电子技术创造出来的设备便利了人们的生活，同时也将各方面的社会资源整合起来，对于社会经济发展起到了一定的促进作用。自动售货机作为一个商业自动化的设备，因其不受时间与地点的限制，同时节省了大量人力、方便交易，从而备受社会的青睐，也被称为全天营业的微型超市。
在公元一世纪的时候，自动售货机的概念就已经出现了，希腊人制造出了能够自动出售圣水的售货设备。在这之后到现在，自动售货的装置屡屡出现，美国在1925年出现了香烟自动售卖机，之后又出现了出售邮票、车票的各种自动售货装置。目前自动售货机的种类大概有出售食品，报纸和饮料的自动售货机，它们的种类、功能和结构因出售商品而异。自动售货机大都具有投币装置、指示装置、储藏出货装置这几个装置。其中投币装置是自动售货机的核心，这个装置的主要作用是来确认顾客投入金钱的真伪，分辨顾客投入金钱的种类，并计算顾客投入的总金额。当顾客投入的总金额大于等于顾客所选商品的单价即发出售货信号，并计算需要找回的余钱。一般自动售货机的投币装置由投币口，辨别装置，确认钱币真伪检测装置、计算投入总金额的计算装置和余钱找回装置这几部分组成。指示装置的作用是引导顾客选择商品，并发出顾客选择商品种类的信号。储藏售货装置则是用来保存商品，当接收到主控系统发出的售货信号的时候，把顾客选择的商品通过出货口送出。在20世纪70年代，出现了一种通过微型计算机控制的各类自动售货机和采用银行卡取代用钱币付款并与终端网络连接的巨大规模的无人售货系统，经过这些年的发展，形成了无人商场、火车站、高铁站的自动售票、检票系统、各个银行ATM机等用途各异但原理相同的便捷装置。
1.2 发展现状
1.2.1 自动售货机的发展现状
我国目前在自动售货机的研究制造方面取得了十分可喜的成就，但是在整体上来说，由于推广不够广泛，因此并没有形成一条真正的产业链。国内外在与自动售货机有关的所有研究领域中，尤其将研究重点集中在系统内部销售动作的实现方式、金额计算、以及销售信息统计管理实现方式研究、功能消耗节省模式等方面上。许多关于自动售货机的研究资料显示，目前系统内部销售动作的实现方式的研究已经成熟，国内外现在都渐渐地在金额计算以及销售信息统计管理的实现方式和节省功能消耗模式等方面上投入了更多的精力。以可编程逻辑器件FPGA为基础，采用Verilog HDL硬件描述语言来完成自动售货机系统的所有动作，完成系统的所有其他相关功能。由于现代自动售货机的机内结构已经相当成熟完善，这时候能够对整个自动售货机研究以及对其推广有影响的重要因素是如何在现有的移动、Internet网络平台上使得自动售货机的销售能够形成一个销售连锁网，使得这个销售网能够为自动售货机的盈利与推广提供更加便捷的营销方式和管理机制，并且能够把生产和运营成本最大限度的降低。而目前，虽然这些通信网络平台发展运作的机制还不够成熟，但是这并不能让人类生活便捷化进程中至关重要的自动售货机的发展潜力受到影响。因此，自动售货机的未来仍然是不可限量，一个基于自动售货机的移动商务网络平台是必不可少的。
目 录
第一章 绪论 1
1.1概述 1
1.2 发展现状 2
1.2.1 自动售货机的发展现状 2
1.2.2 EDA发展及应用趋势 3
1.3 课题设计任务 4
第二章 总体方案设计 5
2.1 总体框图设计 5
2.2 方案选择 5
2.3 EDA技术 7
2.4 可编程逻辑器件FPGA 7
2.5 Verilog HDL硬件描述语言 8
2.6 Quartus II简介 9
第三章 硬件设计 11
3.1 硬件设计结构图 11
3.2 芯片的选择 11
3.3 按键输入电路的设计 12
3.4 显示模块的设计 13
3.5 时钟电路的设计 13
第四章 软件设计 15
4.1 软件设计总流程 15
4.2 自动售货机的主要功能 15
4.3 设计要求 16
4.3.1 设计思路及原理 16
4.3.2 模块实现与描述 17
4.4 自动售货机状态描述 17
4. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
5 详细状态描述 18
4.5.1 初始状态 18
4.5.2 商品选择状态 18
4.5.3 投币状态 19
4.5.4 找零状态 19
4.6 自动售货机总体及各模块图 19
4.6.1 商品选择模块 20
4.6.2 分频模块 20
4.6.3 出货模块 21
4.6.4 显示模块 21
4.6.5 主控模块 22
第五章 实验调试与结果 23
5.1 实验调试步骤 23
5.2模块仿真图 24
5.3 程序总体仿真图 26
5.4结果与分析 27
结 语 30
致 谢 31
参 考 文 献 32
第一章 绪论
1.1概述
随着电子科技的快速发展以及现场可编程逻辑器件FPGA与复杂编程逻辑器件CPLD的出现，设计电子系统的人员利用与器件相应的CAD软件，在实验室就能够自主设计出来专用集成电路ASIC器件。这种可编程ASIC器件有着用户可编程的特性，能够缩短设计的周期，减少设计的费用，降低设计的风险，而且它还能使设计的产品达到小型化、集成化并具有高可靠性。目前在此类数字系统的设计中可以直接地面向用户需求，并且根据系统的行为和功能要求，能够自上而下地逐层完成相应的描述、综合、优化、仿真和验证，一直到生成器件，从而实现电子设计自动化。其中电子设计自动化技术（EDA）的关键技术之一就是利用硬件描述语言（HDL）来描述硬件电路[1]。
EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写，它是以计算机辅助测试（CAT）、计算机辅助工程（CAE）、计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）的概念为基础在20世纪60年代中期发展而来的。Verilog HDL是众多EDA软件中的一个，结合在查阅资料期间的学习,本次毕业设计将要采用的是Verilog公司推出的Verilog HDL硬件描述语言[2]。
随着现代科学技术的飞速发展，人们对于利用电子技术让生活变得更加便利重视了起来，例如火车站的自动售票机，电影院的自动取票机，家中的智能家具，日常生活中的智能手表等，这些通过电子技术创造出来的设备便利了人们的生活，同时也将各方面的社会资源整合起来，对于社会经济发展起到了一定的促进作用。自动售货机作为一个商业自动化的设备，因其不受时间与地点的限制，同时节省了大量人力、方便交易，从而备受社会的青睐，也被称为全天营业的微型超市。
在公元一世纪的时候，自动售货机的概念就已经出现了，希腊人制造出了能够自动出售圣水的售货设备。在这之后到现在，自动售货的装置屡屡出现，美国在1925年出现了香烟自动售卖机，之后又出现了出售邮票、车票的各种自动售货装置。目前自动售货机的种类大概有出售食品，报纸和饮料的自动售货机，它们的种类、功能和结构因出售商品而异。自动售货机大都具有投币装置、指示装置、储藏出货装置这几个装置。其中投币装置是自动售货机的核心，这个装置的主要作用是来确认顾客投入金钱的真伪，分辨顾客投入金钱的种类，并计算顾客投入的总金额。当顾客投入的总金额大于等于顾客所选商品的单价即发出售货信号，并计算需要找回的余钱。一般自动售货机的投币装置由投币口，辨别装置，确认钱币真伪检测装置、计算投入总金额的计算装置和余钱找回装置这几部分组成。指示装置的作用是引导顾客选择商品，并发出顾客选择商品种类的信号。储藏售货装置则是用来保存商品，当接收到主控系统发出的售货信号的时候，把顾客选择的商品通过出货口送出。在20世纪70年代，出现了一种通过微型计算机控制的各类自动售货机和采用银行卡取代用钱币付款并与终端网络连接的巨大规模的无人售货系统，经过这些年的发展，形成了无人商场、火车站、高铁站的自动售票、检票系统、各个银行ATM机等用途各异但原理相同的便捷装置。
1.2 发展现状
1.2.1 自动售货机的发展现状
我国目前在自动售货机的研究制造方面取得了十分可喜的成就，但是在整体上来说，由于推广不够广泛，因此并没有形成一条真正的产业链。国内外在与自动售货机有关的所有研究领域中，尤其将研究重点集中在系统内部销售动作的实现方式、金额计算、以及销售信息统计管理实现方式研究、功能消耗节省模式等方面上。许多关于自动售货机的研究资料显示，目前系统内部销售动作的实现方式的研究已经成熟，国内外现在都渐渐地在金额计算以及销售信息统计管理的实现方式和节省功能消耗模式等方面上投入了更多的精力。以可编程逻辑器件FPGA为基础，采用Verilog HDL硬件描述语言来完成自动售货机系统的所有动作，完成系统的所有其他相关功能。由于现代自动售货机的机内结构已经相当成熟完善，这时候能够对整个自动售货机研究以及对其推广有影响的重要因素是如何在现有的移动、Internet网络平台上使得自动售货机的销售能够形成一个销售连锁网，使得这个销售网能够为自动售货机的盈利与推广提供更加便捷的营销方式和管理机制，并且能够把生产和运营成本最大限度的降低。而目前，虽然这些通信网络平台发展运作的机制还不够成熟，但是这并不能让人类生活便捷化进程中至关重要的自动售货机的发展潜力受到影响。因此，自动售货机的未来仍然是不可限量，一个基于自动售货机的移动商务网络平台是必不可少的。
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