hdl(verilog)的自动售货机设计
摘 要在现代社会中，自动售货机以其方便快捷的特点广受欢迎。本设计旨在设计一个自动售货机系统，模拟一个简单的商品交易情况[1]。通过使用HDL语言来编程，用Quartus II软件来完成程序的编写，利用传感器来识别货币，并将信号发送到FPGA电路板当中。本次设计的系统由四个部分组成，分别是识别模块、传输模块、软件模块、电路模块。识别模块是由一个传感器构成，用来检测鉴别货币，并得到一个信号。传输模块负责将识别到的信号传输到FPGA电路板，软件模块是本次设计的重点，负责掌控系统的逻辑运算和信息处理[2]。电路模块是一个FPGA电路开发板，计算机将程序写到FPGA中，通过电路板来实现系统功能，用数码管来反映商品交易情况。最终成功模拟一个商品交易情况。
目录
摘 要 I
ABSTRACT II
目录 1
第一章 绪论 1
1.1 设计背景及研究意义 1
1.1.1 自动售货机的背景资料 1
第二章 自动售货机的总体系统设计 6
2.1自动售货机的系统设计 6
2.2 系统状态 9
第三章 自动售货机系统的具体设计 12
3.1 识别模块 12
3.2 传输模块 16
3.3 软件模块 20
3.4 电路模块 24
第四章 总结与展望 31
总结 31
展望 32
致谢 33
参考文献 34
附录 37
第一章 绪论
1.1 设计背景及研究意义
1.1.1 自动售货机的背景资料
自动售货机是一种崭新的商业销售方式，然而自动售货机的历史，却可以远远探究到远古时代的古埃及。亚历山大里亚的一名科学家希罗在他所编写的著作《气体装置》中描述，大概在公元前215年左右，在古埃及的寺院里，有一种设备，只需要把钱币投到该设备中，设备里的“神圣之水”就会自动流出来，当地人也称它为“圣水”。 这就是最早的“自动售货机”。到了20世纪的初期，真正意义上的自动售货机才出现在西方社会，在1925年，美
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国人研制出了用来售卖香烟的自动售货机。
第二次世界大战结束后，自动售货机迎来了它的“黄金时代”，各国的经济开始复兴。1957年，日本人率先开发出了贩卖饮料的自动售货机。人们仅需要在自动售货机中投入10日元，机器就会把一定量的果汁饮料注入到纸杯中。因为在这种售卖饮料的机器的上方装配了喷水装置，所以这种样式的自动售货机也被日本人称作“喷水型果汁自动售货机”[3]。自此，自动售货机开始流行了起来。到了上个世纪的六十年代中期，一种崭新的自动售货机出现了，它被用来售卖一种新式的饮料—灌装饮料。与此同时，美国的可口可乐等饮料大公司正式进入了日本市场，正是由于这种自动售货机的出现，可乐这种新兴的饮料，也随着新兴的机器获得了巨大的销量增长。同时，自动售货机市场的日益壮大也成为了整个日本的自动售货机行业发展的推进器。到了1962年，以自动售货机为主体，引领一种全新的销售方式，改变了传统流通领域的限制，拉开了自动售货机时代的序幕。到了1967年，日本政府将100日元单位以下的货币，全部都改成了硬币，进一步推动了整个自动售货机产业的发展[4]。
在日本，自动售货机也被人们地称为“24小时营业的微型超市”。“微型超市”出售的商品，从邮票、香烟、口香糖等已经发展到一些常见的日用品，甚至包括毛巾、邮票、明信片、衣物等也可以自动出售。现在，自动售货机飞速发展，已进入学校、公园、医院、商场、步行街、电影院等公共场所。日本是现在世界上最大的自动售货市场，日本已有五百五十万台自动售货机[5]，年营业额6兆8969亿4887万日元，自动售货机出售的商品种类多达6000余种。每年，仅饮料的销售额就高达31138亿日元，按人口计算的话，相当于平均每23人中就拥有1台自动售货机，平均每一个人在自动售货机上的消费就达到了约2867元人民币。
自动售货机拥有许多的优点，一方面，它能够充分改善劳动力稀缺的问题，节约掉很大一部分的劳动力，并能够适应新颖的社会需求，24小时持续工作，耗电低，工作稳定，另一方面，自动售货机运营时所需的占地较小，空间利用率高，投资成本低，占有资源低，能够很好地节省一大笔的人工开支。随着经济的发展，人们对富裕生活的不断追求，自动售货机依靠着自身得天独厚的优势开始快速普及起来。由于经济的飞速发展，消费需求也越来越大，需要与之相适应的大规模物流方式，自动售货机的出现满足了这一需求。在自动售货机主要销售的饮料领域中，伴随着罐装咖啡的问世，世界第一款既可以出售冷饮又可以出售热饮的自动售货机应运而生，这对普及自动售货机做出了巨大的贡献。流通产业也因此提高了设备的空间利用率，进而能在全年均衡销售冷热灌装饮料。而在纸杯式自动售货机领域中，出现了各种牛奶咖啡机、意式咖啡机等，快速应对着消费者嗜好的变化。从上个世纪70年代开始，自动售货机迅速发展起来。在日本，自动售货机卖出的罐装饮料数量，达到了总额的70%，全球饮料厂商巨头可口可乐公司在全世界就设有数十万台饮料自动售货机[6]。中国的自动售货机时代来的却比较晚，在1999年,自动售货机才首次进入中国市场，之后飞速发展，现如今，在电影院、步行街、商场、公园、学校等人流较大的公共场所，已经处处都配有了自动售货机[7]。
自动售货机的销售范围很大，包括了各种零售商品。在发达国家，它已经成为最常见的一种销售方式。随着经济的飞速发展，现代的人们追求更为方便快捷的自主服务，追求更有品质的生活水准，自动售货机因此得以飞速发展。它的出现和普及，方便了人民群众的生活，提高了大众的生活水平。所以，在了解了自动售货机的发展历史后，对于这个课题的研究意义，我们就有了更进一步的理解和体会。
1.1.2 HDL的发展背景与概述
在现代科学技术的飞速发展下，电子工业界也经历了一次大飞跃[8]。集成电路的设计也取得显著进步，它的性能高、容量大；同时又兼有操作速度快、体积小和微功耗的优点。正如电脑的发展历程一样，集成电路的设计规模也必然跟着技术的进步变得越来越大，复杂程度变得越来越高。在这种背景之下，可编程逻辑器件的出现了，它的发展大大改变了传统的系统设计方法。传统的电子系统设计方法采用的是手工设计方法。手工设计方法一般是根据功能设计需求，首先绘制一个整体的设计思路图，再依照其作用不同，将系统设计成不同的模块。这种设计一般自下而上，先购置好设计所需要的具体的电子器材，用所购置的电子器材组成各功能模块，手工画出原理图，再依照设计图制作PCB板。每个功能模块都独立测试成功后，再把各独立的功能模块联系起来，进行一个总的系统的测试。对整个系统的仿真与测试只能在完成硬件部分的设计以后才能进行，针对硬件显示结果进行调试，因此只有到了调试的中后期，才能发现系统设计中的问题。如果这时候出现设计中没有考虑到的问题，又无法再去修改，就只有从头再来，所以设计周期较长。而在现代的数字系统设计中，现场可编程门阵列的出现，完成了任何数字器件的功能，它的应用变得越来越广。同时，基于大规模可编程逻辑器件的电子设计自动化（Electronic Design Automation, ）[9]硬件解决方案也被广泛采用。从第二代EDA软件开始，就可以通过硬件描述语言输入生成设计，它包括逻辑综合、仿真等。电子设计自动化技术利用计算机完成电子系统设计，是一种既能够节省时间又兼顾高效率的现代设计理念，现在已经逐渐成为电子系统的主要设计手段。这种方法使得电子系统设计变得更加快捷简便，因此，作为一名当代大学生，掌握好可编程逻辑器件和相应的设计极速，就成为一项不可或缺的手段和技能。
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摘 要 I
ABSTRACT II
目录 1
第一章 绪论 1
1.1 设计背景及研究意义 1
1.1.1 自动售货机的背景资料 1
第二章 自动售货机的总体系统设计 6
2.1自动售货机的系统设计 6
2.2 系统状态 9
第三章 自动售货机系统的具体设计 12
3.1 识别模块 12
3.2 传输模块 16
3.3 软件模块 20
3.4 电路模块 24
第四章 总结与展望 31
总结 31
展望 32
致谢 33
参考文献 34
附录 37
第一章 绪论
1.1 设计背景及研究意义
1.1.1 自动售货机的背景资料
自动售货机是一种崭新的商业销售方式，然而自动售货机的历史，却可以远远探究到远古时代的古埃及。亚历山大里亚的一名科学家希罗在他所编写的著作《气体装置》中描述，大概在公元前215年左右，在古埃及的寺院里，有一种设备，只需要把钱币投到该设备中，设备里的“神圣之水”就会自动流出来，当地人也称它为“圣水”。 这就是最早的“自动售货机”。到了20世纪的初期，真正意义上的自动售货机才出现在西方社会，在1925年，美
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国人研制出了用来售卖香烟的自动售货机。
第二次世界大战结束后，自动售货机迎来了它的“黄金时代”，各国的经济开始复兴。1957年，日本人率先开发出了贩卖饮料的自动售货机。人们仅需要在自动售货机中投入10日元，机器就会把一定量的果汁饮料注入到纸杯中。因为在这种售卖饮料的机器的上方装配了喷水装置，所以这种样式的自动售货机也被日本人称作“喷水型果汁自动售货机”[3]。自此，自动售货机开始流行了起来。到了上个世纪的六十年代中期，一种崭新的自动售货机出现了，它被用来售卖一种新式的饮料—灌装饮料。与此同时，美国的可口可乐等饮料大公司正式进入了日本市场，正是由于这种自动售货机的出现，可乐这种新兴的饮料，也随着新兴的机器获得了巨大的销量增长。同时，自动售货机市场的日益壮大也成为了整个日本的自动售货机行业发展的推进器。到了1962年，以自动售货机为主体，引领一种全新的销售方式，改变了传统流通领域的限制，拉开了自动售货机时代的序幕。到了1967年，日本政府将100日元单位以下的货币，全部都改成了硬币，进一步推动了整个自动售货机产业的发展[4]。
在日本，自动售货机也被人们地称为“24小时营业的微型超市”。“微型超市”出售的商品，从邮票、香烟、口香糖等已经发展到一些常见的日用品，甚至包括毛巾、邮票、明信片、衣物等也可以自动出售。现在，自动售货机飞速发展，已进入学校、公园、医院、商场、步行街、电影院等公共场所。日本是现在世界上最大的自动售货市场，日本已有五百五十万台自动售货机[5]，年营业额6兆8969亿4887万日元，自动售货机出售的商品种类多达6000余种。每年，仅饮料的销售额就高达31138亿日元，按人口计算的话，相当于平均每23人中就拥有1台自动售货机，平均每一个人在自动售货机上的消费就达到了约2867元人民币。
自动售货机拥有许多的优点，一方面，它能够充分改善劳动力稀缺的问题，节约掉很大一部分的劳动力，并能够适应新颖的社会需求，24小时持续工作，耗电低，工作稳定，另一方面，自动售货机运营时所需的占地较小，空间利用率高，投资成本低，占有资源低，能够很好地节省一大笔的人工开支。随着经济的发展，人们对富裕生活的不断追求，自动售货机依靠着自身得天独厚的优势开始快速普及起来。由于经济的飞速发展，消费需求也越来越大，需要与之相适应的大规模物流方式，自动售货机的出现满足了这一需求。在自动售货机主要销售的饮料领域中，伴随着罐装咖啡的问世，世界第一款既可以出售冷饮又可以出售热饮的自动售货机应运而生，这对普及自动售货机做出了巨大的贡献。流通产业也因此提高了设备的空间利用率，进而能在全年均衡销售冷热灌装饮料。而在纸杯式自动售货机领域中，出现了各种牛奶咖啡机、意式咖啡机等，快速应对着消费者嗜好的变化。从上个世纪70年代开始，自动售货机迅速发展起来。在日本，自动售货机卖出的罐装饮料数量，达到了总额的70%，全球饮料厂商巨头可口可乐公司在全世界就设有数十万台饮料自动售货机[6]。中国的自动售货机时代来的却比较晚，在1999年,自动售货机才首次进入中国市场，之后飞速发展，现如今，在电影院、步行街、商场、公园、学校等人流较大的公共场所，已经处处都配有了自动售货机[7]。
自动售货机的销售范围很大，包括了各种零售商品。在发达国家，它已经成为最常见的一种销售方式。随着经济的飞速发展，现代的人们追求更为方便快捷的自主服务，追求更有品质的生活水准，自动售货机因此得以飞速发展。它的出现和普及，方便了人民群众的生活，提高了大众的生活水平。所以，在了解了自动售货机的发展历史后，对于这个课题的研究意义，我们就有了更进一步的理解和体会。
1.1.2 HDL的发展背景与概述
在现代科学技术的飞速发展下，电子工业界也经历了一次大飞跃[8]。集成电路的设计也取得显著进步，它的性能高、容量大；同时又兼有操作速度快、体积小和微功耗的优点。正如电脑的发展历程一样，集成电路的设计规模也必然跟着技术的进步变得越来越大，复杂程度变得越来越高。在这种背景之下，可编程逻辑器件的出现了，它的发展大大改变了传统的系统设计方法。传统的电子系统设计方法采用的是手工设计方法。手工设计方法一般是根据功能设计需求，首先绘制一个整体的设计思路图，再依照其作用不同，将系统设计成不同的模块。这种设计一般自下而上，先购置好设计所需要的具体的电子器材，用所购置的电子器材组成各功能模块，手工画出原理图，再依照设计图制作PCB板。每个功能模块都独立测试成功后，再把各独立的功能模块联系起来，进行一个总的系统的测试。对整个系统的仿真与测试只能在完成硬件部分的设计以后才能进行，针对硬件显示结果进行调试，因此只有到了调试的中后期，才能发现系统设计中的问题。如果这时候出现设计中没有考虑到的问题，又无法再去修改，就只有从头再来，所以设计周期较长。而在现代的数字系统设计中，现场可编程门阵列的出现，完成了任何数字器件的功能，它的应用变得越来越广。同时，基于大规模可编程逻辑器件的电子设计自动化（Electronic Design Automation, ）[9]硬件解决方案也被广泛采用。从第二代EDA软件开始，就可以通过硬件描述语言输入生成设计，它包括逻辑综合、仿真等。电子设计自动化技术利用计算机完成电子系统设计，是一种既能够节省时间又兼顾高效率的现代设计理念，现在已经逐渐成为电子系统的主要设计手段。这种方法使得电子系统设计变得更加快捷简便，因此，作为一名当代大学生，掌握好可编程逻辑器件和相应的设计极速，就成为一项不可或缺的手段和技能。
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