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基于VHDL语言的地铁自动售票系统设计与实现

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摘要本文主要介绍了利用VHDL设计语言和Altera公司的MAX+PLUS II软件开发平台, 来设计实现地铁自动售票系统的核心控制部分的功能:站点选择,票数选择,投币处理,余额计算,自动出票等功能。

在本设计中采用了有限状态机的设计方法,将整个售票系统的控制部分化分为五个状态: 选站状态,选票状态,投币状态,出票状态和余额找零状态。

最后通过对程序的调试以及相应部分功能的仿真,验证了整个系统的原理和本设计方案的正确性。

由于采用了有限状态机的设计方法,使得本系统运行可靠性高,非法状态易控制。

关键词： FPGA,CPLD, VHDL语言,MAX+PLUS II 软件,有限状态机, ,地铁自动售票系统目录第一章绪论 (1)1.1 电子器件的发展和现状 (1)1.2 设计方法的发展 (3)1.3 层次化的设计与VHDL的应用 (5)1.4 本课题的提出与意义 (8)1.5 本课题研究内容 (8)第二章 VHDL语言介绍 (10)2.1什么是VHDL (10)2.2 VHDL语言的特点 (10)2.3 VHDL的设计流程 (11)2.4 VHDL程序的基本结构 (13)第三章 MAX+PLUS II软件介绍 (14)3.1 MAX+PLUS II简介 (14)3.2Max+PlusⅡ开发系统的特点 (15)3.3 Max+PlusⅡ功能简介 (16)3.4 Max+plusⅡ设计过程 (20)第四章地铁售票系统的设计与实现 (23)4.1 课题要求 (23)4.2设计分析 (23)4.3状态机设计 (25)第五章结束语 (32)附录 (33)参考文献 (40)致谢 (41)第一章绪论1.1 电子器件的发展和现状电子技术的发展总是同电子器件的发展密切相关的，由于电子器件的不断更新换代，电子技术得到了飞速发展，当今信息技术被广泛应用在国民经济的方方面面。

多媒体技术的普及、高速宽带网络的建设、数字电视的出现以及与我们日常生活息息相关的各种家用电器，都离不开微处理器、存储器和一些采用行业标准的专用芯片。

这些电子器件的发展经历了从电子管、晶体管、小规模集成电路、中规模集成电路到大规模集成电路和超大规模集成电路几个阶段，其发展趋势是体积越来越小，集成度越来越高。

随着半导体技术的迅速发展，设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承担，系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路（ASIC）芯片，而且希望ASIC的设计周期尽可能短，最好在自己的实验室里就能设计并制造出适用的ASIC芯片，并且能够得到实际的应用。

使用ASIC完成电子系统的设计，其优点是集成度高、保密性强、可大幅度地减少印刷电路板的面积和接插件、电路性能好并能降低装配和调试费用、更适合较大规模批量生产、降低生产成本。

例如，现在微机中使用的显卡、网卡、数字电视等都是专用的ASIC芯片。

采用ASIC设计的不足之处是一次性的投资大，设计周期一般比较长，不便于以后修改设计，因而近几年在ASIC领域出现了一种半定制电路，即现场可编程逻辑器件FPLD。

目前使用较多的可编程逻辑器是现场可编程门阵列FPGA （field programmable gate array）和复杂可编程逻辑器件CPLD（complex programmable gate array）。

早期使用的可编程器件有PROM、EPROM、E2PROM、PAL、GAL等，这些芯片的容量一般比较小，只能完成简单的数字逻辑功能，这些器件基本上是使用专用的编程器进行装载。

CPLD和FPGA的芯片是在早期使用的PAL和GAL基础上发展起来的，相比早期的可编程器件，现场可编程逻辑器件FPLD的容量大，器件的容量远远大于PAL和GAL，更适合做时序和组合逻辑电路的设计，不但集成度高，而且逐渐向低功耗发展，芯片的使用电压有+5V、+3.3V和+2.5 V几种，有的芯片外部是+5V而内部的工作电压则是+3.3V或+2.5V。

现在市场上FPLD的品种很多，使用较多的是Altera、Xilinx和Lattice这3个公司的产品，各公司都有不同型号的CPLD和FPGA产品，例如，Xilinx的XC系列；Altera的EPLD系列、FPGA 系列；Lattice的ispLSI、ispGAL等。

由于各个公司的 FPLD结构不同，使用的装载电缆线是不一样的，设计软件也不同，但共同的特点是：现场可编程逻辑器件FPLD都可以在系统进行编程加载程序，不需要使用专用的编程器，它们都是直接将实验系统和计算机的并行口连接，通过运行软件对芯片进行装载，在实验室中就可将大量的数字电路设计集成到一个大芯片中，实现系统的微型化和可靠性。

目前工程设计人员通常都采用这种方法进行电路设计。

1．CPLD或EPLD芯片这类器件的使用特点是：芯片一经上电加载即已完成编程，不必在每次上电时重新进行加载，也就是当程序烧入芯片后，只有下一次需要再修改程序时才需要对芯片重新进行加载，否则将不会改变先前所烧入的代码，类似于大的GAL芯片。

例如，Lattice的ispGAL芯片可以在系统进行编程加载程序，也可以与该公司的ispLSI芯片在同一个电路中加载程序。

CPLD在结构上主要由可编程逻辑宏单元LMC（logic macro cell）围绕中心的可编程互连矩阵单元组成，其中LMC的逻辑结构比较复杂，并具有复杂的I/O单元互连结构，可以由用户根据设计的需要生成特定的电路结构，完成一定的功能。

2．FPGA芯片这类器件不像CPLD或EPLD，每次上电使用时不管是否改变程序都要对芯片进行加载。

现在FPGA芯片的容量一般比CPLD或EPLD的容量要大得多，更适合于做较大系统的复杂设计。

FPGA芯片通常包含3类可编程资源：可编程的逻辑功能块、可编程I/O块和可编程的内部互连。

可编程的逻辑功能块是实现用户功能的基本单元，它们通常排成一个阵列，遍布于整个芯片中；可编程I/O块完成芯片上的逻辑与外部封装管脚的接口，常围绕着阵列排列于芯片四周；可编程的内部互连包括各种长度的连接线段和一些可编程连接开关，它们将各个可编程逻辑块或I/O块连接起来，构成特定功能的电路。

Xilinx的XC系列器件采用的是现场可编程门阵列FPGA，现场可编程门阵列是一种类似门阵列的结构，它的基本单元以阵列的形式排列在芯片上，但它不像门阵列那样由连线掩膜确定其最终的逻辑功能，而是将规则的连线阵列也已做好，其逻辑功能由各连线节点的控制开关的通断来确定。

这些节点的控制开关的值有各种不同的控制方法，如静态随机存储器控制（SRAM）、反熔丝（antifuse based）控制以及由快闪烁存储器（Flash）控制等几大类。

SRAM控制的FPGA器件是用静态随机存储器中存储的数值来控制芯片中可编程节点的通断，以实现芯片的设计功能。

这种FPGA在使用时，需要在系统加电时首先进行功能初始化，将存储器的内容加载到芯片的控制器中。

反熔丝控制的FPGA器件是用反熔丝单元来控制可编程器件内的可编程节点的通断，使芯片中每一部分具有应有的逻辑功能，以实现器件的设计功能。

反熔丝单元是一个被动的两端器件，通常情况下处于开路状态，在施加充足的电压后，能够永久地导通。

用于现场可编程器件的反熔丝其占用芯片面积非常小，速度也很高，这方面的性能几乎可以与门阵列相比。

但这种FPGA在编程时需要专用的编程设备，而且芯片功能一经编程确定后，不能再修改，反熔丝控制的FPGA器件价格最低。

Flash控制的FPGA器件是用快闪烁存储器的数值来控制FPGA节点的通断，实现现场可编程目的。

这种FPGA的工作特性与SRAM-FPGA相似，但与SRAM-FPGA 相比，它的单元面积小。

由于Flash具有不挥发性，使用时不必在每次上电时都重新进行功能加载，所以使用是很方便的。

1.2 设计方法的发展传统的手工设计方法一般是根据系统的要求，首先画出系统的硬件流程图，再根据功能划分成不同的模块，设计过程一般从底层开始，先要选择具体的元器件，用所选择的元器件进行各功能模块的逻辑电路设计，手工画出一张张的电路原理图，根据原理图制作印刷电路板，每个功能模块都调试通过后，再把各个模块连接起来进行系统的调试。

对整个系统的仿真、调试只能在完成硬件设计以后才能进行，系统设计中的问题在调试的后期才能发现，如果出现设计中没有考虑到的问题，就要再从底层重新设计，这样的设计周期一般较长。

设计结果是若干张的电路原理图和信号的连接表，如果是一个大的系统，将是一大摞图纸，以后系统出现问题，查找修改起来都不直观。

上述过程是从底层开始，并在已有的功能模块的基础上来搭建高层次的模块直至整个系统。

因此这种电子系统的传统的设计方法称为是自底至上（bottom-up）的设计。

这里的底指的是设计树的末枝，设计过程必须从存在的基本单元模块出发，基本单元模块必须是已经设计成熟的单元，也可采用其他项目已开发好的标准单元。

由于电子器件的更新换代，在现代数字系统设计中，现场可编程器件FPGA和CPLD的使用越来越广泛，与此同时基于大规模可编程逻辑器件的EDA （electronic design automation）硬件解决方案（EDA solution）也被广泛采用。

这使得电子电路的设计方法也发生了根本性的变化，出现了电子电路设计自动化。

计算机应用的普及，自然产生了计算机辅助设计（CAD）。

最早的电子CAD软件仅仅是一些绘图软件，包括绘制电路原理图、绘制印刷电路板图、绘制集成电路芯片板图以及一些简单的数值计算等。

当出现了自动设计、验证和自动布局布线工具后，这类软件称之为第一代的EDA软件。

后来又出现了第二代的EDA软件，它包括逻辑综合、仿真以及“自顶向下”的设计等。

近年来又出现了第三代的EDA软件，称为电子系统设计自动化EsDA，可以通过概念输入（框图、公式等）自动生成各种设计结果，包括ASIC芯片设计结果、电路原理图、PCB板图以及软件等，并且可以进行机电一体化设计。

与传统的设计方法不同，现代电子工程师们设计系统的过程是首先描述系统，然后用EDA工具在计算机上进行系统级仿真，设计适合自己用的ASIC芯片，用通用和专用芯片构成系统，进行功能模拟和带时延的仿真，布PCB板，对PCB板进行仿真，最终生产调试成功。

EDA，即电子设计自动化。

所谓自动化是指利用计算机完成电子系统设计，现在已经逐渐成为电子系统的主要设计手段，尤其是采用可编程器件和软件仿真模拟方法的使用，给传统的电路设计方法带来了重大的变革，它使得设计工程师们从繁杂而零乱的工作中解放出来，而把着眼点放在电路的设计上，是一种节省时间而又高效率的现代设计理念。

EDA技术以计算机为工具，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处理，代替人来完成数字系统的逻辑综合、仿真模拟和布局布线等工作。

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基于VHDL语言自动售货机设计实验报告-绝对原创

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自动售货机设计实验报告一设计题目：g) 自动售货机设计FPGA模块模拟自动售货机的工作过程，要求如下（1）售货机有两个进币孔，可以输入硬币和纸币，售货机有两个进币孔，一个是输入硬币，一个是输入纸币，硬币的识别范围是5角和1 元的硬币，纸币的识别范围是1 元、5 元，10 元，20元，50元，100元。

乘客可以连续多次投入钱币。

（2）顾客可以选择的商品种类有16种，价格分别为1-16元，顾客可以通过输入商品的编号来实现商品的选择。

即有一个小键盘（0-9按键）来完成，比如输入15时要先输入1，再输入5。

（3）顾客选择完商品后，可以选择需要的数量。

然后可以继续选择商品及其数量，每次可以选择最多三个商品。

然后显示出所需金额。

顾客此时可以投币，并且显示已经投币的总币值。

当投币值达到或超过所需币值后，售货机出货，并扣除所需金额，并找出多余金额。

在投币期间，顾客可以按取消键取消本次操作，钱币自动退出。

二程序代码：三程序实现功能：FPGA模块模拟自动售货机：（1）售货机有两个进币孔，分别输入硬币和纸币，硬币的识别范围是5角和1 元的硬币，纸币的识别范围是1 元、5 元，10 元，20元，50元，100元。

乘客可以连续多次投入钱币。

（2）顾客可以选择的商品种类有16种，价格分别为1-16元，顾客可以通过输入商品的编号来实现商品的选择。

（3）顾客选择完商品后，可以选择需要的数量。

然后可以继续选择商品及其数量，每次最多选择最种商品，每种商品最多购买三个。

然后显示出所需金额。

顾客此时可以投币，并且显示已经投币的总币值。

当投币值达到或超过所需币值后，售货机出货，并扣除所需金额，并找出多余金额。

在投币期间，顾客可以按取消键取消本次操作，钱币自动退出。

四程序功能模块分析：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_arith.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;实体说明：entity sellor isport ( clk:in std_logic; --系统时钟sel,cancel,reset: in std_logic; --选择、取消、开始（用于进入初始状态）变量定义：coin: in std_logic_vector(1 downto 0); --5角硬币、1元硬币crash:in std_logic_vector(5 downto 0); --100元、50元、20元、10元、5元、一元纸币item: in std_logic_vector(3 downto 0); --16种商品quantity:in std_logic_vector(1 downto 0); --商品数量（一次最多购买3件）change_out :out std_logic_vector(10 downto 0); --找零item_out :out std_logic_vector(3 downto 0); --是否购买了商品（1表示有商品出来、0表示没有商品出来）change :out std_logic ); --是否有找零end sellor;结构体说明：architecture behave of sellor issignal price:std_logic_vector(7 downto 0);signal counter: std_logic_vector(10 downto 0); --币数计数器signal total_price:std_logic_vector(10 downto 0); --控制系统的时钟信号type state_type is (initial_state,item1_state,quantity_state,money_state,sell_state,change_state);signal state:state_type;signal temp:std_logic_vector(1 downto 0);signal quan:std_logic_vector(3 downto 0);begincom:process(reset,sel,clk)beginif (clk'event and clk='1')thenif reset='1' then state<=initial_state;temp<="00";quan<="0000";end if;case state iswhen initial_state=>item_out<="0000"; --出票口关闭change_out<="00000000000"; --找零口关闭total_price<="00000000000"; --票价总额记录清零counter<="00000000000";--投入钱币总额记录清零change<='0';state<=item1_state; 设定initial_state选择物品程序：when item1_state=>if temp<"11" thenelse state<=money_state;end if;when quantity_state=>if(cancel='1')then --按下“取消”按钮state<=initial_state;else 取消操作程序if quantity="00" thenitem_out<="0000";change<='0';change_out<="00000000000";state<=initial_state;else 当选择0个商品total_price<=total_price+price*quantity;temp<=temp+1;quan<=quan+quantity;if (sel='1') then state<=item1_state;elsestate<=money_state;end if;end if;end if;货币识别：when money_state=>if(cancel='1')then --按下“取消”按钮state<=initial_state;end if;case crash is --纸币识别end case;case coin is --硬币识别end case;if counter>=total_price thenstate<=sell_state;--系统进入出票状态end if;购物操作程序：when sell_state =>if(cancel='1')thenitem_out<="0000";change<='1';change_out<=counter; --按下“取消”按钮state<=initial_state;elseif counter>=total_price thenitem_out<=quan; --判断是否还有找零state<=change_state; --系统进入找零状态elseitem_out<="0000";state<=initial_state;end if;end if;when change_state=>if(cancel='1')thenitem_out<="0000";change<='1';change_out<=counter; --按下“取消”按钮state<=initial_state;elseif counter>total_price thenchange<='1';change_out<=counter-total_price;item_out<=quan;elsechange<='0';change_out<="00000000000";state<=initial_state;end if;end if;end case;end if;end process;end behave;五、仿真波形六、个人总结与感想：良好的沟通与分工是十分重要的，这对程序的实现和质量具有至关重要的作用。

基于VHDL的地铁售票控制系统设计

基于VHDL的地铁售票控制系统设计

长沙理工大学《通信电路EDA 》课程项目报告系 别 水利计通系 专 业 通信工程 班 级 通信1003班 指导教师 单树明 项目组组长 陈希超 学 号 201085250327 项目组成员 黄诗扬 学 号 201085250319 项目组成员 刘明睿 学 号 201085250332 项目组成员 李 明 学 号 201085250334完成日期2012年11月8日地铁售票控制系统设计1 引言1.项目描述：用于模仿地铁售票的自动售票，完成地铁售票的核心控制功能。

2.项目要求：售票机有两个进币孔，一个是输入硬币，一个是输入纸币，硬币的识别范围是5角和1 元的硬币，纸币的识别范围是1 元、2 元，5 元，10 元。

乘客可以连续多次投入钱币。

乘客可以选择的种类为2 元和4 元，乘客一次只能选择一个出站口。

购买车票时，乘客先选择出站名，然后选择所需的票数，再进行投币，投入的钱币达到所需金额时，售票机自动出票，并找出余额，本次交易结束，等待下一次的交易。

在投币期间，乘客可以按取消键取消本次操作，钱币自动退出。

2 设计思想1.买车票时，乘客按“开始选择”按钮，接着选择出站口接着选择购票数量（根据提示，一次购票数限制在3张以内）；然后按“开始投币”按钮，投入钱币；当投入的钱币达到所需金额时，售票机自动出票，并找出余额。

考虑到控制整个售票机的物理体积，余额将全部采用5角硬币的形式找出。

2.选择出站口或投币过程中，乘客都可以按“取消”按钮取消该次交易。

选择出站口的过程中，若按“取消”，则售票机直接回到初始状态；投币过程中，若按“取消”，则售票机将乘客已经投入的钱币全部退出，再回到初始状态。

3.乘客一次只能选择一个出站口，根据乘坐的站数确定票价。

假设乘客购票所在站到终点站共有15站。

若乘坐1-8站，则票价为2元／张；若乘坐9-16站，则票价为4元／张。

16个站用长度位4的二进制向量编码表示，即0001表示乘坐1站，0010表示乘坐2站，依次类推，1111表示乘坐15站（到终点站）。

基于VHDL的自动售货机的设计和实现论文

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《计算机组成原理》课程设计报告基于VHDL的自动售货机设计与实现课程设计任务书计算机与通信工程学院网络工程专业指导教师对学生在课程设计中的评价指导教师对课程设计的评定意见基于VHDL的自动售货机设计与实现摘要：本设计运用VHDL语言编写一个自动售货机的控制系统，该系统具有货物信息存储，进程控制，硬币处理，余额计算，显示等功能。

商品的种类、单价和数量在初始化时输入，然后存储。

可以识别的币种为硬币，五毛和一元的面额。

用户投入硬币，系统累计数量，然后对比物品的单价和数量，扣除价格，最后计算余额，可以找零。

设计没有考虑硬件的实现，只进行功能的相应仿真，性质为实验性质的课程设计。

关键词：VHDL、自动售货机、课程设计、MXAPLUSⅡ、系统仿真Abstract: This design use of VHDL language design a vending machine control system, the system have the functions to storagethe goods information, process control, coin handling, balance calculation, display and other functions. The type of goods, unit price and quantity in the initialization to be input, and then stored. Currency for the coins can be identified, fifty cents and one dollar denomination. User input coins, the system account sum, and then comparing the unit price and quantity of goods, net price, the final calculation of the balance, you can give change.Design did not consider the hardware implementation, only the corresponding functional simulation, experimental nature of the curriculum design.Keywords: VHDL, vending machines, curriculum design, MXAPLUS Ⅱ, system simulation目录1.引言 (7)1.1自动售货机系统概述 (7)1.2设计任务和主要容 (8)2.系统设计过程 (9)2.1自动售货机系统总体框图 (9)2.2系统功能模块 (9)2.3程序源代码 (11)3.系统仿真 (15)3.1系统仿真全图 (15)3.2系统分步仿真图 (16)4.总结 (20)参考文献 (21)1 引言随着现在生活节奏越来越快，自动售货机的出现大大方便了人们的日常生活。

基于VHDL的自动售货机设计_毕业设计论文

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本科生毕业论文（设计）基于VHDL的自动售货机设计目录中文摘要 (2)英文摘要 (3)引言……………………………………………………………………………………41.介绍及设计任务 (5)1.1EDA技术 (5)1.1.1EDA的介绍与发展 (5)1.1.2EDA的设计流程 (5)1.1.3VHDL介绍 (5)1.2自动售货机的应用与设计背景 (6)1.2.1自动售货机的应用介绍 (6)1.2.2自动售货机的设计要求 (6)2.系统分析与设计方案 (7)2.1系统分析 (7)2.2系统设计方案 (7)3.Max+PlusⅡ设计过程 (9)3.1Max+PlusⅡ的介绍 (9)3.2各模块的VHDL设计 (11)3.2.1货物信息的存储模块的设计 (12)3.2.2进程控制模块的设计 (12)3.2.3硬币处理模块的设计 (13)3.2.4余额计算模块的设计 (14)3.2.5显示功能模块的设计 (15)3.3顶层电路的设计流程 (16)3.4仿真功能与测试 (17)3.4.1 编译及仿真 (17)结束语 (21)参考文献 (22)致谢 (23)基于VHDL的自动售货机设计*****指导老师：****（****信息工程学院，*******）摘要：在当今社会随着电子技术获得了飞速发展的情况下，现在电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力的推动了社会生产里的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。

首先EDA技术在进入21世纪后，得到了很大的发展，其基本特征是采用高级语言描述，具有系统级仿真和综合能力。

VHDL 硬件描述语言是涉及源文件可以采用类似与C语言的书写形式，并采用结构设计方法。

通过VHDL为基础设计了一种自动售货机的设计。

整个设计以两个计数器为核心，30秒计数器通过与按键联合控制整个购买过程；8秒计数控制饮料出口开关的自动开关，从而达到控制输出流量。