基于VHDL的自動售貨機系統設計

趙 杰

(商洛學院電子信息與電氣工程學院，陜西商洛726000)

1 引 言

自動售貨機是能按照投入的貨幣自動售貨的機器，它是貿易自動化的常用設備，受時間、地點的限制少，能節約人力、便利交易，是一種全新的貿易零售方式，又被稱為24小時業務的小型超市［1］。在自動售貨機的控制方面，常采用單片機或PLC(可編程邏輯控制器)作為控制核心，完成整個系統的基本功能［2－5］。然而，實際中主控芯片需和眾多外圍芯片或接口相連，或者需要進行功能擴展［6］。用傳統方式來應對日益復雜的要求顯得力不從心。而使用硬件描述語言在FPGA(現場可編程門陣列)上實現電路系統的現代EDA(電子設計自動化)技術，具有明顯的優勢［7－8］。本文主要利用VHDL硬件描述語言編寫程序代碼，用狀態機實現功能轉換，以Quartus II軟件作為運行平臺，實現一個能夠實現貨物選擇、投幣、找零、多次購買等功能的自動售貨機。自動售貨機采用模塊化設計，可以對各模塊實行獨自設計、修訂和調試，最終通過模擬仿真進行驗證。

2 自動售貨機設計

為方便起見，設定自動售貨機可以出售兩種商品，標價分別為2元和3元。售貨機可以分別識別1元和5元兩種貨幣。

(1)購買者可選擇購買多種商品種類，選定商品種類后處于等待投幣狀態。如果超時等待時間，則認定購買者放棄選購，此后售貨機自動返回初始狀態，等待新的交易。如果在規定時間內，再次選中物品，就進入再次等待狀態。

(2)每次交易完成，售貨機自動返回初始狀態，等待下一次交易。

(3)使用按鍵信號來模擬1元，5元兩種貨幣的投入，可以持續投幣，同時顯示投入的金錢和還應投入的金錢。如果某次投幣后金額不夠，且一定時間內不再投幣，則購買失敗，退幣，并顯示應退還金額。

(4)指示電路，分別指示購買成功、購買失敗和正在找零三種狀態。

聯系自動售貨機的運行過程，采用有限狀態機來實現主控部分的功能，將實際的交易操作過程，轉換為狀態機各狀態的切換，使得整體設計變得簡潔。為方便起見，這里用LED(發光二極管)燈和數碼管進行相應顯示。因此，可將自動售貨機系統分為多個模塊:主控模塊、二進制譯碼模塊、顯示譯碼模塊、分頻模塊等。采用VHDL語言對各個模塊功能進行描寫，最后把各模塊整合生成頂層設計實體。整體結構框圖如圖1所示。

圖1 整體結構框圖Fig．1 Whole structure diagram

主控模塊:此模塊是整個設計的最主要的主控模塊，控制著整個設計的商品選擇、投幣、找零等功能。此模塊總體據有5個輸入端口和6個輸出端口。其輸入端口包含 clk、coin1(識別1元貨幣)、coin5(識別5元貨幣)、price2(價值2元的物品)、price3(價值3元的物品)，輸出端口有paid(已投入多少貨幣)、needed(還需要多少貨幣)、moneyout(找多少貨幣)、success(燈亮示意交易成功)、failure(燈亮示意交易失敗)、showmoneyout(燈亮示意正在找錢)。此模塊體現了此系統最主要的交易過程，包含商品選擇、投入貨幣、金額計算、找錢出貨等。其后接二進制譯碼模塊。

二進制譯碼模塊:具有一個輸入端和兩個輸出端。從b端口輸入一個4位的二進制數，從bcd0和bcd1端口輸出兩個4位的BCD(二－十進制碼)碼。此模塊的功能目的是為了把總控模塊輸出的二進制數(paid，needed，moneyout)轉換為BCD碼，以至于輸出到數碼管模塊動態掃描。此模塊的原理是將一個4位的二進制數轉換成2個4位的BCD碼，分別為高4位和低4位。其后接顯示譯碼模塊。

顯示譯碼模塊:此模塊具有7個輸入端口和2個輸出端口。輸入端dain是一個4位的BCD碼，clk接收q1的時鐘，sel范圍為000～111，判斷選擇八個數碼管中的哪個，daout輸出到num進行顯示譯碼，該模塊的功能是將4位二進制碼轉換為7位二進制數代表a—g從led輸出，以便能用7段顯示數碼管顯示。

分頻器模塊:此模塊具有一個輸入端口和兩個輸出端口。輸入一個clk時鐘經過分頻器輸出較高頻率時鐘給數碼管掃描模塊和低頻率時鐘給主控模塊的狀態機。

3 主要仿真結果

3.1 主控模塊

如圖2所示，客戶先選擇了一個2元物品隨后選擇了一個3元物品，needed表示為5即需要貨幣為5元，隨后投入一個1元貨幣之后再沒有投入貨幣，paid端口為1，needed端口為4，即已投入1元貨幣還需要投入4元貨幣，超出限時后failure變成高電平表明本次交易失敗，隨后回到初始狀態。圖3是連續兩次選擇商品投幣并找零的仿真結果，圖4為多次交易的仿真結果。

圖2 選擇兩次但投幣不足仿真結果Fig．2 Simulation result of selected twice with insufficient coins

圖3 連續兩次選擇商品投幣找零仿真結果Fig．3 Simulation result of selected twice and given charge

圖4 多次交易投幣仿真Fig．4 Simulation result of multiple coins

3.2 頂層電路仿真

譯碼、顯示等模塊仿真結果這里不再詳述。對頂層電路進行仿真，當連續選擇2元和3元的商品，連續投入一張1元和一張5元，LED指示仿真success為高電平表示成功，showmoneyout為高電平表示正在找零，并由數碼管顯示相應的金額，結果如圖5所示。圖6為連續選擇商品只投幣一次，交易失敗的仿真結果。

圖5 連續選擇商品連續投幣Fig．5 Simulation result of continuous selection for coins

圖6 連續選擇商品投幣一次Fig．6 Simulation result of continuous selection with coin-operated once

4 總 結

該自動售貨機可以按照設計的目的進行多次購買、出貨找零;可在數碼管上顯示出已投貨幣、還需投入貨幣、找零金額，同時有代表交易成功、交易失敗、正在找零的三個LED燈來指示狀態。設計中采用的自頂向下的設計方法，實現了模塊化的設計思想。各個模塊所具有的相對獨立性更好地保證了系統的穩定性，節約了系統資源。由于FPGA/CPLD(復雜可編程邏輯器件)具有良好的可擴展性，可以方便地對系統進行功能擴充和修改，因此，本設計具有一定實用性。

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