趙 杰

(商洛學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)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(mào)易自動化的常用設(shè)備，受時間、地點的限制少，能節(jié)約人力、便利交易，是一種全新的貿(mào)易零售方式，又被稱為24小時業(yè)務(wù)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(tǒng)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(tǒng)方式來應(yīng)對日益復(fù)雜的要求顯得力不從心。而使用硬件描述語言在FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)上實現(xiàn)電路系統(tǒng)的現(xiàn)代EDA(電子設(shè)計自動化)技術(shù)，具有明顯的優(yōu)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(tài)機實現(xiàn)功能轉(zhuǎn)換，以Quartus II軟件作為運行平臺，實現(xiàn)一個能夠?qū)崿F(xiàn)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(shè)計，可以對各模塊實行獨自設(shè)計、修訂和調(diào)試，最終通過模擬仿真進行驗證。

2 自動售貨機設(shè)計

為方便起見，設(shè)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(tài)。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(tài)，等待新的交易。如果在規(guī)定時間內(nèi)，再次選中物品，就進入再次等待狀態(tài)。

(2)每次交易完成，售貨機自動返回初始狀態(tài)，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(xù)投幣，同時顯示投入的金錢和還應(yīng)投入的金錢。如果某次投幣后金額不夠，且一定時間內(nèi)不再投幣，則購買失敗，退幣，并顯示應(yīng)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(tài)。

聯(lián)系自動售貨機的運行過程，采用有限狀態(tài)機來實現(xiàn)主控部分的功能，將實際的交易操作過程，轉(zhuǎn)換為狀態(tài)機各狀態(tài)的切換，使得整體設(shè)計變得簡潔。為方便起見，這里用LED(發(fā)光二極管)燈和數(shù)碼管進行相應(yīng)顯示。因此，可將自動售貨機系統(tǒng)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(shè)計實體。整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)框圖Fig．1 Whole structure diagram

主控模塊:此模塊是整個設(shè)計的最主要的主控模塊，控制著整個設(shè)計的商品選擇、投幣、找零等功能。此模塊總體據(jù)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(xiàn)了此系統(tǒng)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(shù)，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(shù)(paid，needed，moneyout)轉(zhuǎn)換為BCD碼，以至于輸出到數(shù)碼管模塊動態(tài)掃描。此模塊的原理是將一個4位的二進制數(shù)轉(zhuǎn)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(shù)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(zhuǎn)換為7位二進制數(shù)代表a—g從led輸出，以便能用7段顯示數(shù)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(jīng)過分頻器輸出較高頻率時鐘給數(shù)碼管掃描模塊和低頻率時鐘給主控模塊的狀態(tài)機。

3 主要仿真結(jié)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(tài)。圖3是連續(xù)兩次選擇商品投幣并找零的仿真結(jié)果，圖4為多次交易的仿真結(jié)果。

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

圖3 連續(xù)兩次選擇商品投幣找零仿真結(jié)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(jié)果這里不再詳述。對頂層電路進行仿真，當(dāng)連續(xù)選擇2元和3元的商品，連續(xù)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(shù)碼管顯示相應(yīng)的金額，結(jié)果如圖5所示。圖6為連續(xù)選擇商品只投幣一次，交易失敗的仿真結(jié)果。

圖5 連續(xù)選擇商品連續(xù)投幣Fig．5 Simulation result of continuous selection for coins

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

4 總 結(jié)

該自動售貨機可以按照設(shè)計的目的進行多次購買、出貨找零;可在數(shù)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(tài)。設(shè)計中采用的自頂向下的設(shè)計方法，實現(xiàn)了模塊化的設(shè)計思想。各個模塊所具有的相對獨立性更好地保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，節(jié)約了系統(tǒng)資源。由于FPGA/CPLD(復(fù)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(tǒng)進行功能擴充和修改，因此，本設(shè)計具有一定實用性。

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