基于VHDL的自动售货机控制模块FPGA实现

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本文采用VHDL作为工具描述了自动售货机控制模块的逻辑控制电路，并在FPGA上实现。该自动售货机能够根据投入硬币额度，按预定的要求在投入硬币大于规定值时送出饮料并找零。
　　设计方案
　　本文所设计的简易自动售货机可销售矿泉水，假设每瓶1.5元。设两个投币孔，分别接收1元和5角两种硬币，两个输出口，分别输出购买的商品和找零。假设每次只能投入一枚1元或5角硬币，投入1元5角硬币后机器自动给出一瓶矿泉水;投入2元硬币后，在给出一瓶矿泉水的同时找回一枚5角的硬币。另外设置一复位按钮，当复位按钮按下时，自动售货机回到初始状态。
　　开发软件选用功能强大的Altera公司的最新可编程逻辑器件开发工具Quartus II 8.0，实现芯片选用Altera公司FLEX10K系列的EPF10K10LC84-4;首先在计算机上完成程序设计、编译及时序仿真，然后将经过验证的设计文件下载到选择的可编程逻辑器件中，并在电子设计自动化实验系统中进行硬件模拟和测试。
　　状态机VHDL程序设计
　　有限状态机FSM(Finite State Machine)及其设计技术是实用数字系统设计中实现高效率、高可靠逻辑控制的重要途径。传统的状态机设计方法需进行繁琐的状态分配、绘制状态表、简化次态方程等，而利用VHDL可以避免这些烦琐的过程，直接利用状态转换图进行状态机的描述。此外，与VHDL的其他描述方式相比，状态机的VHDL表述丰富多样，程序层次分明，结构清晰，易读易懂;在排错、修改和模块移植方面也有其独到的特点。
　　状态机有摩尔(Moore)型和米立(Mealy)型两种。Moore型状态机的输出信号只与当前状态有关;Mealy型状态机的输出信号不仅与当前状态有关，还与输入信号有关。结合本文设计，由于输出仅与状态有关，选用了Moore型状态机设计自动售货机控制模块，状态转换图如图1所示。
　　




　　图1 自动售货机状态转换图
　　1)状态定义：S0表示初态，S1表示投入5角硬币，S2表示投入1元硬币，S3表示投入1元5角硬币，S4表示投入2元硬币。
　　2)输入信号：取投币信号为输入逻辑变量，用两位的矢量state_inputs表示。state_inputs(0)表示投入1元硬币，state_inputs(1)表示投入5角硬币。输入信号为1表示投入硬币，输入信号为0表示未投入硬币。
　　3)输出信号：给出矿泉水和找零为两个输出变量，用两位的矢量comb_outputs表示。comb_outputs(0)表示输出货物，comb_outputs(1)表示找5角零钱。输出信号为1表示输出货物或找零，输出信号为0表示不输出货物或不找零。
　　根据图1所示的状态转换图，用VHDL中的CASE_WHEN结构和IF_THEN_ELSE语句实现控制功能，源程序如下：
　　




　　




　　编译、仿真及FPGA实现
　　在Altera公司的可编程逻辑器件集成开发平台Quartus II 8.0下完成程序的编辑、编译并进行时序仿真。
　　1)编译：编译是EDA设计中的核心环节。软件将对设计输入文件进行逻辑化简、综合和优化， 适当地用一片或多片器件进行适配，最后产生编程用的编程文件。主要包括设计编译和检查、逻辑优化和综合、适配和分割、布局和布线、生成编程数据文件等过程。自动售货机控制模块VHDL文件编译报告如图2所示。
　　




　　图2 编译报告
　　报告中给出了进行编译的时间、采用的开发软件的版本、顶层设计实体名、选用器件的系列和型号、时序分析情况、占用资源情况及引脚使用情况等信息。
　　2)时序仿真：编译后对系统和各模块进行时序仿真，分析其时序关系，估计设计的性能及检查和消除竞争冒险是非常有必要的。仿真前，先利用波形编辑器建立波形文件，仿真结果将会生成报告文件和输出信号波形，从中便可以观察到各个节点的信号变化。若发现错误，则返回设计输入中修改设计逻辑。自动售货机控制模块仿真波形如图3所示。
　　




　　图3 时序仿真波形
　　3) FPGA实现：将编译阶段生成的编程数据文件通过Quartus II 下载到芯片EPF10K10LC84-4中，并在电子设计自动化实验系统中进行测试得到了正确的结果。