数字电路自动售货机实验报告.docx
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数字电路自动售货机实验报告
数字电路综合实验
题目：
简易自动售货机
学院：
信息与通信工程学院
姓名：
班级：
学号：
班内序号：
1．设计课题的任务要求
设计一个简易的自动售货机，能够完成钱数处理、找零、显示、退币等功能。
基本要求：
1.用2个数码管（disp5，disp4）显示钱数，以元为单位。
用3个按键（btn0，btn1，btn2）分别表示一元、五元、十元，每按一次按键，增加一次相应的钱数，上限99元。
2.再用3个按键（btn3，btn4，btn5）分别对应3种商品，其中，商品甲售价3元、商品乙售价8元、商品丙售价12元；
3.买东西时，先输入钱币，再按对应的商品键。
每按一次商品键，钱数要相应地减少，同时有声光（蜂鸣器或发光二极管）提示购买成功。
剩余钱数大于3元可继续按商品键再次购买；当剩余钱数少于3元时，表示钱数的数码管disp5，disp4显示为零，同时用数码管disp0显示退出的钱数。
4.买东西时，按下商品键，若输入的钱数少于商品的价格，表示钱数的数码管disp5，disp4显示为零，同时用数码管（disp1、disp0）显示退出的钱数，并用蜂鸣器或发光二极管闪烁表示购买失败。
5.按下商品键时，用数码管disp2表示当前购买的商品，1代表商品甲，2代表商品乙，3代表商品丙。
6.用btn7做为退出功能键，退出键可以随时按下，按下后，数码管（disp5，disp4）显示为零，同时数码管（disp1、disp0）显示退出的钱数，表示结束购买，钱款全部退出。
提高要求：
允许随时输入钱币，购买时，钱款不足有声光报警并等待追加钱币或选择别的商品。
自拟功能：
用点阵显示投入钱币的面值以及交易成功、失败的提示符。
2．系统设计（包括设计思路、总体框图、分块设计）
2.1设计思路
在设计系统时，我采用了自顶向下（top-down）设计法。
从自动售货机所要完成的功能出发，将整个系统划分成若干子系统：
分频器（clkgen）、防抖单元（keyin）、控制器（automat）、译码显示器（decodingdisplay）（用数码管显示）以及点阵显示单元（dot_matrix）。
分频器（clkgen）将50MHz的时钟频率分成100Hz，提供给防抖单元（keyin）及控制器（automat）；由于按键的时刻和按下的时间长短是随机的，并且存在由开关簧片反弹导致的电平抖动，因此必须设计电路消除抖动，此功能由防抖单元（keyin）实现；控制器（automat）负责总额、找零的计算，以及判断交易是否成功；译码显示器（decodingdisplay）和点阵显示单元（dot_matrix）则分别用来控制数码管和点阵的显示。
2.2设计图
⏹
逻辑流程图（ASM图）
图1ASM图
⏹方框图
图2方框图
⏹
MDS图
图3MDS图
2.3分块设计
2.3.1分频器设计
图4clkgensymbol
分频器的原理是对输入的脉冲进行计数，计数的模值对应分频系数。
本实验设置分频系数为50万，占空比为50%，及将50MHz的时钟频率分成100Hz。
2.3.2防抖单元设计
图5keyinsymbol
采用计数器型消抖电路,设置一个模值为（N+1）的控制计数器，当按键持续时间大于N个时钟周期时，计数器输出一个单脉冲。
一般抖动产生的毛刺宽度小于N个时钟周期，则计数器无输出，防抖功能得以实现。
2.3.3控制器设计
图6automatsymbol
控制器内部采用BCD码的加减法，根据输入的投币面值、商品号及退出信号，计算出总额、找零，判断交易是否成功，以输出给下一级的显示模块。
2.3.4译码显示器设计
图7decodingdisplaysymbol
译码显示器将输入的BCD码装换成共阴极数码管0-9时各段对应的编码，对5个数码管进行连续快速扫描，以同时显示输入BCD码对应的数字。
2.3.5点阵显示单元设计
图8dot_matrixsymbol
点阵显示单元采用行扫描循环出0的方式，频率采用1KHz,保证点的亮度一致且足够高。
行为0时表示该行被选中，列为1时表示该列被选中。
图9顶层实体连接图
3．仿真波形及波形分析
3.1分频器（clkgen）
图10分频器仿真波形
分频器波形分析：
此分频器为50万分频，将50MHz分为100Hz，接入控制器（automat）和防抖单元（keyin）。
3.2防抖单元（keyin）
图11防抖单元仿真波形
防抖单元波形分析：
防抖时钟频率设为100Hz，持续时间小于20ms的为不确定按键，每按一次键只产生一个脉冲，脉冲宽度为一个时钟周期。
3.3控制器（automat）
图12控制器仿真波形
控制器波形分析：
图12中总额（amount）与找零（refund）为BCD码显示，商品号（choice）为十进制数显示。
首先投入10元纸币，总额显示“00010000”，之后选择8元商品，总额显示“00000010”，商品号显示“2”，交易成功（success）显示“1”。
又选择了3元商品，商品号显示“1”，由于商品价格大于2元余额，因此交易失败显示“1”。
接着又投入5元纸币，总额显示“00000111”，再选3元商品，总额显示“00000100”，商品号显示“1”，交易成功显示“1”，最后按下退出键（cancel），总额与商品号清零，找零显示“00000100”，整个交易结束。
3.4译码显示器（decodingdisplay）
图13译码显示器仿真波形
译码显示器波形分析：
图13中cat数组代表了数码管disp5-disp0,当cat显示“011111”、“101111”、“110111”、“111011”、“111101”、“111110”时分别表示选择数码管disp5、disp4、disp3、disp2、disp1、disp0，其中disp5、disp4显示总额（amount）,disp2显示商品号（choice），disp1、disp0显示找零（refund），disp2不使用。
图13中两个时间轴之间为6个数码管扫描一遍的过程，总额（amount）与找零（refund）用BCD码表示，商品号（choice）用二进制数表示。
此时，输入的总额为“00000101”，商品号为“01”，找零为“00000000”。
则当扫描到数码管disp5、disp4（cat显示“011111”、“101111”）时，led显示“1111110”、“1011011”，对应的数字为“05”；当扫描到数码管disp2（cat显示“111011”）时，led显示“0110000”，对应的数字为“1”；当扫描到数码管disp1、disp0（cat显示“111101”、“111110”）时，led显示“1111110”、“1111110”，对应的数字为“00”。
3.5点阵显示单元（dot_matrix）
图14点阵显示单元器仿真波形
点阵显示单元波形分析：
采用行扫描循环出0的方式，保证点的亮度一致，频率采用1KHz,保证点的亮度足够高。
图14中row[0]-row[7]代表点阵的第1-8行，col[0]-col[7]代表点阵的第1-8列，row为0时表示选中该行，列为1时表示选中该列。
投入10元纸币时，点阵显示“10”（向左旋转
可看出）。
图14中显示的“10”为：
col[0]与col[1]全为1，显示为加粗的“1”。
col[3]与col[7]除第一行与最后一行为0外，其他行都为1，col[4]-col[6]除第一行与最后一行为1外，其他行都为0,即总体显示为数字“0”。
4.源程序（有注释）
4.1分频器源程序：
LIBRARYIEEE;
USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
ENTITYclkgenIS--定义分频器实体
PORT（clk:
INSTD_LOGIC;--输入50MHz的时钟信号
newclk:
OUTSTD_LOGIC）;--输出100Hz的时钟信号
ENDclkgen;
ARCHITECTUREbehaveOFclkgenIS
SIGNALtmp:
INTEGERRANGE0TO499999;--分频系数为50万
BEGIN
clk100:
PROCESS（clk）
BEGIN
IFclk'eventANDclk='1'THEN
IFtmp=499999THEN
tmp<=0;
ELSE
tmp<=tmp+1;--循环计数，每加到50万便归零
ENDIF;
IFtmp<250000THEN
newclk<='1';
ELSE
newclk<='0';--占空比为50%
ENDIF;
ENDIF;
ENDPROCESSclk100;
ENDbehave;
4.2防抖单元源程序：
LIBRARYIEEE;
USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITYkeyinIS--定义防抖单元实体
PORT（clk:
INSTD_LOGIC;--按键扫描频率为100Hz
key_in:
INSTD_LOGIC;--原始按键信号
key_out:
OUTSTD_LOGIC）;--消抖按键信号
ENDkeyin;
ARCHITECTUREbehaveOFkeyinIS
SIGNALcount:
INTEGERRANGE0TO3;
BEGIN
PROCESS（clk）
BEGIN
IF（clk'EVENTANDclk='1'）THEN
IF（key_in='1'）THEN--计数器型防抖
IFcount=3THENcount<=count;
ELSEcount<=count+1;
ENDIF;
IFcount=2THENkey_out<='1';
ELSEkey_out<='0';--按键持续时间为2个时钟周期才有效
ENDIF;
ELSEcount<=0;key_out<='0';
ENDIF;
ENDIF;
ENDPROCESS;
ENDbehave;
4.3控制器源程序：
LIBRARYIEEE;
USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
ENTITYautomatIS
PORT（clk:
INSTD_LOGIC;--100Hz的时钟信号
paper1,paper5,paper10:
INSTD_LOGIC;--投币的面值
select3,select8,select12:
INSTD_LOGIC;--商品的选择
cancel:
INSTD_LOGIC;--退出
success:
OUTSTD_LOGIC;--交易成功
failure:
OUTSTD_LOGIC;--交易失败
amount:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;--总额（BCD码）
choice:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（1DOWNTO0）;--商品号（BCD码）
refund:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0））;--找零（BCD码）
ENDautomat;
ARCHITECTUREbehaveOFautomatIS
SIGNALCOIN:
STD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;--保存钱数
SIGNALCOUT:
STD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;--保存找零
BEGIN
PROCESS（clk）
BEGIN
IFclk'EVENTANDCLK='1'THEN--全部用BCD加减法
IFpaper1='1'THEN--投入1元
IFCOIN<="10011000"THEN--总额小于等于98元，则加1
IF（COINAND"00001111"）="00001001"THENCOIN<=COIN+7;
ELSECOIN<=COIN+1;
ENDIF;
success<='0';failure<='0';
ELSECOIN<=COIN;success<='0';failure<='0';--否则总额不变
ENDIF;
ELSIFpaper5='1'THEN--投入5元
IFCOIN<="10010100"THEN--总额小于等于94元，则加5
IF（COINAND"00001111"）>="00000101"THEN
COIN<=COIN+11;
ELSE
COIN<=COIN+5;
ENDIF;
success<='0';failure<='0';
ELSECOIN<=COIN;success<='0';failure<='0';--否则总额不变
ENDIF;
ELSIFpaper10='1'THEN--投入10元，则总额加10
IFCOIN<="10001001"THEN--总额小于等于89元，则加10
COIN<=COIN+16;
success<='0';failure<='0';
ELSECOIN<=COIN;success<='0';failure<='0';--否则总额不变
ENDIF;
ELSIFselect3='1'THEN--选择3元商品
choice<="01";
IFCOIN>="0000011"THEN--总额大于等于3元，则减3
IF（COINAND"00001111"）<="00000010"THEN
COIN<=COIN-9;
ELSECOIN<=COIN-3;
ENDIF;
success<='1';failure<='0';--交易成功
ELSEsuccess<='0';failure<='1';--否则交易失败
ENDIF;
ELSIFselect8='1'THEN--选择8元商品
choice<="10";
IFCOIN>="0001000"THEN--总额大于等于8元，则减8
IF（COINAND"00001111"）<="00000111"THEN
COIN<=COIN-14;
ELSECOIN<=COIN-8;
ENDIF;
success<='1';failure<='0';--交易成功
ELSEsuccess<='0';failure<='1';--否则交易失败
ENDIF;
ELSIFselect12='1'THEN--选择12元商品
choice<="11";
IFCOIN>="00010010"THEN--总额大于等于12元，则减12
IF（COINAND"00001111"）<="00000001"THEN
COIN<=COIN-24;
ELSECOIN<=COIN-18;
ENDIF;
success<='1';failure<='0';--交易成功
ELSEsuccess<='0';failure<='1';--否则交易失败
ENDIF;
ELSIFcancel='1'THEN--退出
success<='0';failure<='0';
COUT<=COIN;COIN<="00000000";
choice<="00";--总额赋给找零，并且进行信号的初始化
ENDIF;
ENDIF;
ENDPROCESS;
amount<=COIN;--总额
refund<=COUT;--找零
ENDbehave;
4.4译码显示器源程序：
LIBRARYIEEE;
USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITYdecodingdisplayIS--定义译码显示单元的实体
PORT（clk:
instd_logic;--50MHz的时钟信号
amount:
INSTD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;--总额（8位BCD码）
choice:
INSTD_LOGIC_VECTOR（1DOWNTO0）;--商品号（8位BCD码）
refund:
INSTD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;--找零（8位BCD码）
cat:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（5DOWNTO0）;--数码管disp5-disp0
led:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（6DOWNTO0））;--数码管a-g七个管脚
ENDdecodingdisplay;
ARCHITECTUREbehaveOFdecodingdisplayIS
SIGNALtmp:
INTEGERRANGE0TO999;--分频系数：
1000
SIGNALnewclk:
STD_LOGIC;--数码管扫描频率：
50000
SIGNALamounth:
STD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;--disp5对应总额的十位
SIGNALamountl:
STD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;--disp4对应总额的个位
SIGNALrefundh:
STD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;--disp1对应找零的十位
SIGNALrefundl:
STD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;--disp0对应找零的个位
signalt:
integerrange0to5;
BEGIN
process（clk）--将50MHz的时钟信号分为50000Hz
begin
IFclk'eventANDclk='1'THEN
IFtmp=999THENtmp<=0;
ELSEtmp<=tmp+1;
ENDIF;
IFtmp<500THENnewclk<='1';
ELSEnewclk<='0';
ENDIF;
ENDIF;
endprocess;
process（newclk）
begin
ifnewclk'eventandnewclk='1'then
ift=0then--以50000Hz的频率扫描6个数码管
cat<="111110";
t<=1;--选中disp0
elsift=1then
cat<="111101";
t<=2;--选中disp1
elsift=2then
cat<="111011";
t<=3;--选中disp2
elsift=3then
cat<="110111";
t<=4;--选中disp3
elsift=4then
cat<="101111";
t<=5;--选中disp4
elsift=5then
cat<="011111";
t<=0;--选中disp5
endif;
refundl<=refundAND"00001111";--取找零信号的低4位
refundh<=refundAND"11110000";--取找零信号的高4位
amountl<=amountAND"00001111";--取总额信号的低4位
amounth<=amountAND"11110000";--取总额信号的高4位
ift=0then--数码管disp0用以显示找零的个位
CASE（refundl）IS
WHEN"00000000"=>led<="1111110";
WHEN"00000001"=>led<="0110000";
WHEN"00000010"=>led<="1101101";
WHEN"00000011"=>led<="1111001";
WHEN"00000100"=>led<="0110011";
WHEN"00000101"=>led<="1011011";
WHEN"00000110"=>led<="1011111";
WHEN"00000111"=>led<="1110000";
WHEN"00001000"=>led<="1111111";
WHEN"00001001"=>led<="1111011";
WHENOTHERS=>led<="0000000";
ENDCASE;
elsift=1then--数码管disp1用以显示找零的十位
CASE（refundh）IS
WHEN"00000000"=>led<="1111110";
WHEN"00010000"=>led<="0110000";
WHEN"00100000"=>led<="1101101";
WHEN"00110000"=>led<="1111001";
WHEN"01000000"=>led<="0110011";
WHEN"01010000"=>led<="1011011";
WHEN"01100000"=>led<="1011111";
WHEN"01110000"=>led<="1110000";
WHEN"10000000"=>led<="1111111";
WHEN"10010000"=>led<="1111011";
WHENOTHERS=>led<="0000000";
ENDCASE;
elsift=2then--数码管disp2用以显示商品号
CASEchoiceIS
WHEN"00"=>led<="1111110";
WHEN"01"=>led<="0110000";
WHEN"10"=>led<="1101101";
WHEN"11"=>led<="1111001";
WHENOTHERS=>led<="0000000";
ENDCASE;
elsift=4then--数码管disp4用以显示总额的个位
CASE（amountl）IS
WHEN"00000000"=>led<="1111110";
WHEN"00000001"=>led<="0110000";
WHEN"00000010"=>led<="1101101";
WHEN"0000001
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