自动售货机控制系统VHDL有限状态机实现

weibode01 · 发表于 2010-11-9 11:50:39

本帖最后由 fpgaw 于 2010-11-18 15:58 编辑

自动售货机控制系统VHDL有限状态机实现

1 引言
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、化简次态方程等，而利用VHDL可以避免这些繁琐的过程，直接利用状态转换图进行状态机的描述，所有的状态均可表达为CASE_WHEN结构中的一条CASE语句，而状态的转移则通过IF_THEN_ELsE语句实现。此外，与VHDL的其它描述方式相比，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。

2 自动售货机控制系统的实现
2.1 自动售货机功能描述及控制系统组成
设计一个自动售货机的逻辑控制电路。它有两个投币口分别为一元投币口和五角投币口，假设每次只能投入一枚一元或五角硬币，投入一元五角硬币后机器自动给出一瓶矿泉水，投入两元硬币后，在给出一瓶矿泉水的同时找回一枚五角的硬币。图1为自动售货机控制系统方框图，由投币信号处理模块和功能控制模块组成。

2.2 自动售货机控制功能的状态描述
取投币信号为输入逻辑变量，投入一枚一元硬币时用A=1表示，未投入时A=0。投入一枚五角硬币用B=1表示，未投入时B=0。给出矿泉水和找钱为两个输出变量，分别用Z和Y表示，给出矿泉水时Z=1，不给时Z=0，找回一枚五角硬币时Y=1，不找时Y=0。
根据上面的功能描述，可用三个状态S0，S1，S2表示，未投币前的初始状态为S0，投入五角硬币以后为S1，投入一元硬币后(包括投入一枚一元硬币和投入两枚五角硬币的情况)为S2，再投入一枚五角硬币后电路返回S0，同时输出为Z=1，Y=0；如果投入的是一枚一元硬币，则电路也应能返回S0，同时输出为Z=1，Y=1。根据上面的分析可得到状态转换图如图2所示。

2.3 自动售货机功能控制模块的VHDL实现
根据图2所示的状态转换图，用VHDL语言中的CASE_WHEN结构和IF_THEN_ELSE语句实现控制功能，源程序如下：
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY shj_ctrl IS
PORT(A,B:IN STD_LOGIC;
clk:IN STD_LOGIC;
Z,Y:OUT STD_LOGIC);
END shj_ctrl
ARCHITECTURE beha OF shi_ctrl IS
TYPE states IS(S0,S1,S2);
SIGNAL state:states;
SIGNAL X:STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0);
BEGIN
X<=A&B;
PROCESS(x,state)
BEGIN
IF rising_edge(clk) THEN
CASE state IS
WHEN S0=>Z<='0';Y<='0';
IF(X="01")THEN
state<=s1;
ELSIF(X="10")THEN
state<=s2;
ELSE
state<=s0;
END IF;
WHEN S1=>Z<='0';Y<='0';
IF(X="01")THEN
state<=s2;
ELSIF(X="10")THEN
state<=S0;
Z<='1';Y<='0';
ELSE
state<=s1;
END IF;
WHEN S2=>Z<='0';Y<='0';
IF(X="01")THEN
state<=S0;
Z<='1';Y<='0';
ELSIF(X="10")THEN
state<=s0;
Z<='1';Y<='1';
ELSE
state<=s2;
END IF;
END CASE;
END IF;
END PROCESS;
END beha;
上面程序中，A、B分别为一元硬币和五角硬币驱动信号，Z为矿泉水输出信号，Y为找钱输出信号。通过对程序分析和仿真可以看出，A和B的驱动信号的持续时间必须控制在clk时钟周期内，如果驱动信号时间太短，系统检测不到投币信号，时间太长，会误认为是两次或多次投币，造成误操作。因此，要使整个控制系统可靠运行，还必须设计专门投币输入信号处理电路。

2.4 投币输入信号电路的设计与实现
自动售货机的所有信号均由同步时钟信号clk的正边沿触发。由于售货机的硬币接受器一般是一个机械设置装置，投币时产生的信号要比同步信号clk要慢得多，一般可持续好几个周期，必须对投币输入信号进行处理，使每一次投币时在clk脉冲周期内只能产生一个脉冲作为功能控制模块的投币驱动信号。基于上面的功能要求，设计了如图3所示的投币输入信号的处理电路，其中IN_yuan和IN_jiao作为一元硬币和五角硬币的投币输入信号，A和B为相应的输出信号，作为功能控制模块的输入信号，而且A、B输出是在投币输入信号IN_yuan和IN_jiao为高电平1之后的一个周期内被设置为1。经过仿真结果如图4所示，实现了每次投币后在一个clk周期内只产生一个可靠的脉冲驱动信号。

3 自动售货机控制系统功能仿真
自动售货机控制系统模块之间连接如图5所示，其中“shuru”为投币输入信号处理模块，其输出信号作为功能控制模块“SHJ_CTRL”的输入驱动信号，OUT为自动售货机的矿泉水输出信号，ZHAOQIAN为找钱输出信号。整个控制系统通过MAX+PLUSII软件进行编译和仿真，仿真结果如图6所示，符合电路设计要求。并把程序下载到芯片MAXEPM7128SLC84-15进行验证与实际相符。

4 结束语
VHDL语言有限状态机设计控制电路，可大大降低设计难度和时间，提高设计效率和可靠性，利用语言的灵活性及功能强大的EDA工具，可以轻松完成硬件的功能扩充与升级，还可以实现更复杂的数字系统，整个设计过程相对于传统的设计方法，有较大的突破。VHDL语言作为现代数字系统的重要设计工具，以其灵活、简洁的设计风格在电路设计中发挥着越来越重要的作用。