自动售货机控制模块 VHDL 程序设计及 FPGA 实现

近年来,随着集成电路技术的迅猛发展,特别是可编程逻辑器件的高速发展, EDA（Electronic Design Automation,电子设计自动化）技术成为电子设计工程师的新宠。EDA技术以计算机为工具完成数字系统的逻辑综合、布局布线和设计仿真等工作。电路设计者只需要完成对系统功能的描述,就可以由计算机软件进行系统处理,最后得到设计结果,并且修改设计方案如同修改软件一样方便。利用EDA工具可以极大地提高设计效率。

利用硬件描述语言编程来表示逻辑器件及系统硬件的功能和行为，是EDA设计方法的一个重要特征。VHDL(Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language,超高速集成电路硬件描述语言)是硬件描述语言的一种，对系统硬件的描述功能很强而语法又比较简单。VHDL具有强大的行为描述能力，设计者可以不懂硬件的结构，只需集中精力进行电子系统的设计和性能优化；具有方便的逻辑仿真与调试功能，在设计早期就能查验系统的功能，方便地比较各种方案的可行性及其优劣。目前，VHDL作为IEEE的工业标准硬件描述语言，得到众多EDA公司的支持，在电子工程领域已经成为事实上通用硬件描述语言。

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：
LIBRARY IEEE;                   --库和程序包的使用说明
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY sellmachine IS                     --实体定义
PORT(clk,reset:   IN  std_logic;
state_inputs:IN  std_logic_vector(0 TO 1);
comb_outputs:OUT std_logic_vector(0 TO 1));
END sellmachine;
ARCHITECTURE state OF sellmachine IS      --结构体
TYPE fsm_st IS (S0,S1,S2,S3,S4);        --状态枚举类型定义
SIGNAL current_state,next_state:fsm_st;   --状态信号的定义
BEGIN
reg:PROCESS(reset,clk)                --时序进程
BEGIN
IF reset='1' THEN current_state<=S0;  --异步复位
ELSIF rising_edge(clk) THEN
current_state<=next_state;       --状态转换
END IF;
END PROCESS;
corn:PROCESS(current_state,state_inputs)   --组合进程
BEGIN
CASE current_state IS
WHEN S0=>comb_outputs<="00";                   --现态S0
IF    state_inputs<="00" THEN next_state<=S0;  --输入不同，次态不同
ELSIF state_inputs<="01" THEN next_state<=S1;
ELSIF state_inputs<="10" THEN next_state<=S2;
END IF;
WHEN S1=>comb_outputs<="00";                   --现态S1
IF    state_inputs<="00" THEN next_state<=S1;  --输入不同，次态不同
ELSIF state_inputs<="01" THEN next_state<=S2;
ELSIF state_inputs<="10" THEN next_state<=S3;
END IF;
WHEN S2=>comb_outputs<="00";                   --现态S2
IF    state_inputs<="00" THEN next_state<=S2;  --输入不同，次态不同
ELSIF state_inputs<="01" THEN next_state<=S3;
ELSIF state_inputs<="10" THEN next_state<=S4;
END IF;
WHEN S3=>comb_outputs<="10";                   --现态S3
IF    state_inputs<="00" THEN next_state<=S0;  --输入不同，次态不同
ELSIF state_inputs<="01" THEN next_state<=S1;
ELSIF state_inputs<="10" THEN next_state<=S2;
END IF;
WHEN S4=>comb_outputs<="11";                   --现态S4
IF    state_inputs<="00" THEN next_state<=S0;  --输入不同，次态不同
ELSIF state_inputs<="01" THEN next_state<=S1;
ELSIF state_inputs<="10" THEN next_state<=S2;
END IF;
END CASE;
END PROCESS;
 END state;

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。