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