近年來,隨著集成電路技術的迅猛發展,特別是可編程邏輯器件的高速發展, EDA(Electronic Design Automation,電子設計自動化)技術成為電子設計工程師的新寵。EDA技術以計算機為工具完成數字系統的邏輯綜合、布局布線和設計仿真等工作。電路設計者只需要完成對系統功能的描述,就可以由計算機軟件進行系統處理,最后得到設計結果,并且修改設計方案如同修改軟件一樣方便。利用EDA工具可以極大地提高設計效率。

　　利用硬件描述語言編程來表示邏輯器件及系統硬件的功能和行為，是EDA設計方法的一個重要特征。VHDL(Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language,超高速集成電路硬件描述語言)是硬件描述語言的一種，對系統硬件的描述功能很強而語法又比較簡單。VHDL具有強大的行為描述能力，設計者可以不懂硬件的結構，只需集中精力進行電子系統的設計和性能優化;具有方便的邏輯仿真與調試功能，在設計早期就能查驗系統的功能，方便地比較各種方案的可行性及其優劣。目前，VHDL作為IEEE的工業標準硬件描述語言，得到眾多EDA公司的支持，在電子工程領域已經成為事實上通用硬件描述語言。

　　本文采用VHDL作為工具描述了自動售貨機控制模塊的邏輯控制電路，并在FPGA上實現。該自動售貨機能夠根據投入硬幣額度，按預定的要求在投入硬幣大于規定值時送出飲料并找零。

　　1? 設計方案

　　本文所設計的簡易自動售貨機可銷售礦泉水，假設每瓶1.5元。設兩個投幣孔，分別接收1元和5角兩種硬幣，兩個輸出口，分別輸出購買的商品和找零。假設每次只能投入一枚1元或5角硬幣，投入1元5角硬幣后機器自動給出一瓶礦泉水;投入2元硬幣后，在給出一瓶礦泉水的同時找回一枚5角的硬幣。另外設置一復位按鈕，當復位按鈕按下時，自動售貨機回到初始狀態。

　　開發軟件選用功能強大的Altera公司的可編程邏輯器件開發工具Quartus II 8.0，實現芯片選用Altera公司FLEX10K系列的EPF10K10LC84-4;首先在計算機上完成程序設計、編譯及時序仿真，然后將經過驗證的設計文件下載到選擇的可編程邏輯器件中，并在電子設計自動化實驗系統中進行硬件模擬和測試。

　　2 狀態機VHDL程序設計

　　有限狀態機FSM(Finite State Machine)及其設計技術是實用數字系統設計中實現高效率、高可靠邏輯控制的重要途徑。傳統的狀態機設計方法需進行繁瑣的狀態分配、繪制狀態表、簡化次態方程等，而利用VHDL可以避免這些煩瑣的過程，直接利用狀態轉換圖進行狀態機的描述。此外，與VHDL的其他描述方式相比，狀態機的VHDL表述豐富多樣，程序層次分明，結構清晰，易讀易懂;在排錯、修改和模塊移植方面也有其獨到的特點。

　　狀態機有摩爾(Moore)型和米立(Mealy)型兩種。Moore型狀態機的輸出信號只與當前狀態有關;Mealy型狀態機的輸出信號不僅與當前狀態有關，還與輸入信號有關。結合本文設計，由于輸出僅與狀態有關，選用了Moore型狀態機設計自動售貨機控制模塊，狀態轉換圖如圖1所示。

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　　圖1 自動售貨機狀態轉換圖

　　1)狀態定義：S0表示初態，S1表示投入5角硬幣，S2表示投入1元硬幣，S3表示投入1元5角硬幣，S4表示投入2元硬幣。

　　2)輸入信號：取投幣信號為輸入邏輯變量，用兩位的矢量state_inputs表示。state_inputs(0)表示投入1元硬幣，state_inputs(1)表示投入5角硬幣。輸入信號為1表示投入硬幣，輸入信號為0表示未投入硬幣。

　　3)輸出信號：給出礦泉水和找零為兩個輸出變量，用兩位的矢量comb_outputs表示。comb_outputs(0)表示輸出貨物，comb_outputs(1)表示找5角零錢。輸出信號為1表示輸出貨物或找零，輸出信號為0表示不輸出貨物或不找零。

　　根據圖1所示的狀態轉換圖，用VHDL中的CASE_WHEN結構和IF_THEN_ELSE語句實現控制功能，源程序如下：

　　LIBRARY IEEE; --庫和程序包的使用說明

　　USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

　　ENTITY sellmachine IS --實體定義

　　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 --結構體

　　TYPE fsm_st IS (S0，S1，S2，S3，S4); --狀態枚舉類型定義

　　SIGNAL current_state，next_state:fsm_st; --狀態信號的定義

　　BEGIN

　　reg:PROCESS(reset，clk) --時序進程

　　BEGIN

　　IF reset=‘1’ THEN current_state《=S0; --異步復位

　　ELSIF rising_edge(clk) THEN

　　current_state《=next_state; --狀態轉換

　　END IF;

　　END PROCESS;

　　corn:PROCESS(current_state，state_inputs) --組合進程

　　BEGIN

　　CASE current_state IS

　　WHEN S0=》comb_outputs《=“00”; --現態S0

　　IF state_inputs《=“00” THEN next_state《=S0; --輸入不同，次態不同

　　ELSIF state_inputs《=“01” THEN next_state《=S1;

　　ELSIF state_inputs《=“10” THEN next_state《=S2;

　　END IF;

　　WHEN S1=》comb_outputs《=“00”; --現態S1

　　IF state_inputs《=“00” THEN next_state《=S1; --輸入不同，次態不同

　　ELSIF state_inputs《=“01” THEN next_state《=S2;

　　ELSIF state_inputs《=“10” THEN next_state《=S3;

　　END IF;

　　WHEN S2=》comb_outputs《=“00”; --現態S2

　　IF state_inputs《=“00” THEN next_state《=S2; --輸入不同，次態不同

　　ELSIF state_inputs《=“01” THEN next_state《=S3;

　　ELSIF state_inputs《=“10” THEN next_state《=S4;

　　END IF;

　　WHEN S3=》comb_outputs《=“10”; --現態S3

　　IF state_inputs《=“00” THEN next_state《=S0; --輸入不同，次態不同

　　ELSIF state_inputs《=“01” THEN next_state《=S1;

　　ELSIF state_inputs《=“10” THEN next_state《=S2;

　　END IF;

　　WHEN S4=》comb_outputs《=“11”; --現態S4

　　IF state_inputs《=“00” THEN next_state《=S0; --輸入不同，次態不同

　　ELSIF state_inputs《=“01” THEN next_state《=S1;

　　ELSIF state_inputs《=“10” THEN next_state《=S2;

　　END IF;

　　END CASE;

　　END PROCESS;

　　END state;

　　編譯、仿真及FPGA實現

編譯：編譯是EDA設計中的核心環節。軟件將對設計輸入文件進行邏輯化簡、綜合和優化，適當地用一片或多片器件進行適配，最后產生編程用的編程文件。主要包括設計編譯和檢查、邏輯優化和綜合、適配和分割、布局和布線、生成編程數據文件等過程。自動售貨機控制模塊VHDL文件編譯報告如圖2所示。

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　　圖2 編譯報告

　　報告中給出了進行編譯的時間、采用的開發軟件的版本、頂層設計實體名、選用器件的系列和型號、時序分析情況、占用資源情況及引腳使用情況等信息。

　　2)時序仿真：編譯后對系統和各模塊進行時序仿真，分析其時序關系，估計設計的性能及檢查和消除競爭冒險是非常有必要的。仿真前，先利用波形編輯器建立波形文件，仿真結果將會生成報告文件和輸出信號波形，從中便可以觀察到各個節點的信號變化。若發現錯誤，則返回設計輸入中修改設計邏輯。自動售貨機控制模塊仿真波形如圖3所示。

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　　圖3 時序仿真波形

　　3) FPGA實現：將編譯階段生成的編程數據文件通過Quartus II 下載到芯片EPF10K10LC84-4中，并在電子設計自動化實驗系統中進行測試得到了正確的結果。