fpga的自动售货机系统的设计
摘 要本次的课题是向大家展示了一个基于FPGA的自动售货机系统设计，我们将对自动售货机系统进行完整的系统性地剖析，将此设计内容划分成一定的模块通过VHDL语言程序完成对应功能，利用QuartusⅡ软件环境对程序进行仿真，验证各模块电路功能的时序，最后通过元件例化程序将各模块电路进行综合，构成自动售货机系统的硬件电路。接下来，将程序下载到FPGA芯片中进行硬件电路调试，同时设计系统外围电路，包括货币检测电路，数据显示电路、按键输入电路等，使系统结构完整。本论文在课题研究的基础上完成了系统设计相关技术及原理的介绍，对FPGA硬件电路的内部设计电路进行详细的分析，以及用VHDL语言为开发语言来做出本次系统的设计流程。完成了在Quartus II软件平台上进行编译和电路仿真，并在实验台上对设计进行了验证。最后对系统整体进行了调试，并对调试结果进行分析，基本能够实现系统要求的功能。
Key words: FPGA; VHDL; Vending Machine 目 录
1 绪论 1
1.1 选题的目的和意义 1
1.2 国内外关于该论题的研究现状和发展趋势 1
1.3 主要研究内容及方法 2
2 相关技术概述 4
2.1 FPGA技术 4
2.2 VHDL语言 4
2.3 EDA技术 5
3 FPGA系统设计 6
3.1 总体结构的设计 6
3.2 FPGA的设计与芯片的选择 7
3.2 主控电路 8
3.4 商品选择电路的设计 10
3.5 计数电路 12
3.6 比价电路 13
3.6.1 比价电路总功能描述 14
3.6.2 比价电路组成元件 14
3.7 购物电路 16
3.8 显示电路 18
4 外围电路的设计 20
4.1 电源电路的设计 20
4.2 开关电路的设计 20
4.3 按键电路的设计 21
4.4 系统JTAG接口电路的设计 22
4.5 显示电路 23
5 软件流程的设计 24 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
5.1 系统总体流程图设计 24
5.2 投币流程设计 25
6 基于FPGA的自动售货机的调试 28
6.1 系统电路测试 28
6.2程序调试 29
6.3自动售货机成品测试图 31
7 总结 32
参考文献 33
致谢 35
附录 36
1 绪论
1.1 选题的目的和意义
当下社会就是那里有需求，哪里就有市场。而本文所涉及的自动系统，就是基于人们需求而开发设计的。虽然，在市场中已经有投入使用的自动系统了，但是还是存在许多的问题，在设备维修以及相关维护上需要花费大量的财务以及劳动力。而且，投放的场地及时间都比较局限。因此，本系统开发研究的系统极大减少这方面的问题。本款FPGA的自动售货机系统的设计（Vending Machine，VEM）与传统的产品有相同之处，但又优于传统的，是当下快节奏市场发展的趋势，它不受时间、地点的限制，能大量节省劳动，对于人们的生活是非常方便的。我相信此系统将会以其创新、突破传统的优势快速在市场推广，收到人们的欢迎。
内部控制系统是该自动系统的主要核心，其主要配置包含有三部分，其一是芯片采用了CPLD芯片，其二是使用了PLC可编程逻辑控制器，其三VHDL语言实现硬件的控制等。通过编程实现自动售货机的数字化控制，其基本功能的实现是依靠FPGA。与此同时，以VHDL语言主要作为该系统的内部数据描述。而且，在通电复位之后，系统会收到进行相关的初始化的信号，在接受到非内部的传入的信号后，能根据接收的名利进行相关转换，根据使用者的需求转换为不同的状态，主要分为自动投币、商品销售、信息显示以及进行找零等状态。此款自动售货机与其他的售货机不同之处在于，它是利用系统编程语言进行电路控制的，而且各个系统之间相互独立，出现问题时能快速进行排除，各电路系统之间的兼容性能也比较好，不存在不兼容的问题。所以，各个电路系统之间可以相互移动、具有一定的可移植性。
1.2 国内外关于该论题的研究现状和发展趋势
在国内，由于用户需求量大，市场前景好。很多投资者及商家对这方面的研究开发产生浓厚的兴趣，也加大了相关投入。在借鉴国外先进技术的同时自己在进行自主创新、自主研发，同很多产业一样，关于通过编程设计来直接控制电路达到系统实现的相关技术发展十分可观。继传统售卖、实体店售卖之后的第三次零售业革命将由自动售卖系统机掀起，在有人活动的地方就有自动售卖机，其将广泛应用于人们的日常生活中。在注重经济效益和便面服务的同时，此款研发的产品将会响应国家号召，注重节能为构建人类命运共同体贡献力量。此款自动售货机也将以其独特优势占据该行业的主流。其在零售行业的所占比例也是相当可观的，在服务质量方面也有所提升，得到了大众的认可。因此，在市场推广方面不需要花费过多的利益就可轻松获取消费人群。特别是在各种人流量大的聚集地，其在投入使用后将产生不可估计的商场价值。与此同时，在喜欢追逐潮流、时尚的年轻人中这也将作为一种前卫的零售办法收到年轻人的追捧。因为，他们对零食以及饮品是毫无抵抗力的，极大的拉动消费，促进自动售货机的投入使用。
总体来说，西方国家在自动售货系统研制方面的技术是比较成熟的，它们都是世界上经济、科技最发达的地区之一。美国就是一个典型国家，因为它是一个非常注重科技发展的国家，在很多国家还不清楚FPGA技术的时候，美国已经有很多企业在开发和研究。迄今为止美国使用这项技术的地方很普遍。而且，由于其的投入成本低而可应用范围广，许多的发达国家非常重视此技术相关产品的研发及投入。
总体来说，随着人口老龄化的出现，将会出现劳动力不足的问题，在未来的自动化、智能化将会成为一种势不可挡的趋势。自动化的产品很大程度上能减少劳动力的使用，同时自动售货系统根据国家定价标准严格执行明码标价，不会出现欺诈消费者的行为，也避免了由此带来的社会矛盾问题，给百姓生活提供了的巨大的便利，同时商家的综合销售成本也在降低，由此可获取更多的利润。
1.3 主要研究内容及方法
本课题核心研究是在FPGA的基础进行的，核心设计是由FPGA为主导的。在自动售货机的主控电路及时序逻辑电路是通过硬件的描述语言进行完成的，而且，其具有借助外围电路来实现相关数据的输入、通过在终端进行显示，完成系统执行命令等功能。各功能部分相互配合，共同完成用户的发出的执行命令[1]。主要功能包括以下几方面：
1.售货机的的主要功能售货和找零是以使用FPGA作为主要器件完成的；
Key words: FPGA; VHDL; Vending Machine 目 录
1 绪论 1
1.1 选题的目的和意义 1
1.2 国内外关于该论题的研究现状和发展趋势 1
1.3 主要研究内容及方法 2
2 相关技术概述 4
2.1 FPGA技术 4
2.2 VHDL语言 4
2.3 EDA技术 5
3 FPGA系统设计 6
3.1 总体结构的设计 6
3.2 FPGA的设计与芯片的选择 7
3.2 主控电路 8
3.4 商品选择电路的设计 10
3.5 计数电路 12
3.6 比价电路 13
3.6.1 比价电路总功能描述 14
3.6.2 比价电路组成元件 14
3.7 购物电路 16
3.8 显示电路 18
4 外围电路的设计 20
4.1 电源电路的设计 20
4.2 开关电路的设计 20
4.3 按键电路的设计 21
4.4 系统JTAG接口电路的设计 22
4.5 显示电路 23
5 软件流程的设计 24 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
5.1 系统总体流程图设计 24
5.2 投币流程设计 25
6 基于FPGA的自动售货机的调试 28
6.1 系统电路测试 28
6.2程序调试 29
6.3自动售货机成品测试图 31
7 总结 32
参考文献 33
致谢 35
附录 36
1 绪论
1.1 选题的目的和意义
当下社会就是那里有需求，哪里就有市场。而本文所涉及的自动系统，就是基于人们需求而开发设计的。虽然，在市场中已经有投入使用的自动系统了，但是还是存在许多的问题，在设备维修以及相关维护上需要花费大量的财务以及劳动力。而且，投放的场地及时间都比较局限。因此，本系统开发研究的系统极大减少这方面的问题。本款FPGA的自动售货机系统的设计（Vending Machine，VEM）与传统的产品有相同之处，但又优于传统的，是当下快节奏市场发展的趋势，它不受时间、地点的限制，能大量节省劳动，对于人们的生活是非常方便的。我相信此系统将会以其创新、突破传统的优势快速在市场推广，收到人们的欢迎。
内部控制系统是该自动系统的主要核心，其主要配置包含有三部分，其一是芯片采用了CPLD芯片，其二是使用了PLC可编程逻辑控制器，其三VHDL语言实现硬件的控制等。通过编程实现自动售货机的数字化控制，其基本功能的实现是依靠FPGA。与此同时，以VHDL语言主要作为该系统的内部数据描述。而且，在通电复位之后，系统会收到进行相关的初始化的信号，在接受到非内部的传入的信号后，能根据接收的名利进行相关转换，根据使用者的需求转换为不同的状态，主要分为自动投币、商品销售、信息显示以及进行找零等状态。此款自动售货机与其他的售货机不同之处在于，它是利用系统编程语言进行电路控制的，而且各个系统之间相互独立，出现问题时能快速进行排除，各电路系统之间的兼容性能也比较好，不存在不兼容的问题。所以，各个电路系统之间可以相互移动、具有一定的可移植性。
1.2 国内外关于该论题的研究现状和发展趋势
在国内，由于用户需求量大，市场前景好。很多投资者及商家对这方面的研究开发产生浓厚的兴趣，也加大了相关投入。在借鉴国外先进技术的同时自己在进行自主创新、自主研发，同很多产业一样，关于通过编程设计来直接控制电路达到系统实现的相关技术发展十分可观。继传统售卖、实体店售卖之后的第三次零售业革命将由自动售卖系统机掀起，在有人活动的地方就有自动售卖机，其将广泛应用于人们的日常生活中。在注重经济效益和便面服务的同时，此款研发的产品将会响应国家号召，注重节能为构建人类命运共同体贡献力量。此款自动售货机也将以其独特优势占据该行业的主流。其在零售行业的所占比例也是相当可观的，在服务质量方面也有所提升，得到了大众的认可。因此，在市场推广方面不需要花费过多的利益就可轻松获取消费人群。特别是在各种人流量大的聚集地，其在投入使用后将产生不可估计的商场价值。与此同时，在喜欢追逐潮流、时尚的年轻人中这也将作为一种前卫的零售办法收到年轻人的追捧。因为，他们对零食以及饮品是毫无抵抗力的，极大的拉动消费，促进自动售货机的投入使用。
总体来说，西方国家在自动售货系统研制方面的技术是比较成熟的，它们都是世界上经济、科技最发达的地区之一。美国就是一个典型国家，因为它是一个非常注重科技发展的国家，在很多国家还不清楚FPGA技术的时候，美国已经有很多企业在开发和研究。迄今为止美国使用这项技术的地方很普遍。而且，由于其的投入成本低而可应用范围广，许多的发达国家非常重视此技术相关产品的研发及投入。
总体来说，随着人口老龄化的出现，将会出现劳动力不足的问题，在未来的自动化、智能化将会成为一种势不可挡的趋势。自动化的产品很大程度上能减少劳动力的使用，同时自动售货系统根据国家定价标准严格执行明码标价，不会出现欺诈消费者的行为，也避免了由此带来的社会矛盾问题，给百姓生活提供了的巨大的便利，同时商家的综合销售成本也在降低，由此可获取更多的利润。
1.3 主要研究内容及方法
本课题核心研究是在FPGA的基础进行的，核心设计是由FPGA为主导的。在自动售货机的主控电路及时序逻辑电路是通过硬件的描述语言进行完成的，而且，其具有借助外围电路来实现相关数据的输入、通过在终端进行显示，完成系统执行命令等功能。各功能部分相互配合，共同完成用户的发出的执行命令[1]。主要功能包括以下几方面：
1.售货机的的主要功能售货和找零是以使用FPGA作为主要器件完成的；
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