趙 杰

(商洛學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，陜西商洛726000)

1 引 言

自動(dòng)售貨機(jī)是能按照投入的貨幣自動(dòng)售貨的機(jī)器，它是貿(mào)易自動(dòng)化的常用設(shè)備，受時(shí)間、地點(diǎn)的限制少，能節(jié)約人力、便利交易，是一種全新的貿(mào)易零售方式，又被稱為24小時(shí)業(yè)務(wù)的小型超市［1］。在自動(dòng)售貨機(jī)的控制方面，常采用單片機(jī)或PLC(可編程邏輯控制器)作為控制核心，完成整個(gè)系統(tǒng)的基本功能［2－5］。然而，實(shí)際中主控芯片需和眾多外圍芯片或接口相連，或者需要進(jìn)行功能擴(kuò)展［6］。用傳統(tǒng)方式來(lái)應(yīng)對(duì)日益復(fù)雜的要求顯得力不從心。而使用硬件描述語(yǔ)言在FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)上實(shí)現(xiàn)電路系統(tǒng)的現(xiàn)代EDA(電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化)技術(shù)，具有明顯的優(yōu)勢(shì)［7－8］。本文主要利用VHDL硬件描述語(yǔ)言編寫程序代碼，用狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)功能轉(zhuǎn)換，以Quartus II軟件作為運(yùn)行平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)貨物選擇、投幣、找零、多次購(gòu)買等功能的自動(dòng)售貨機(jī)。自動(dòng)售貨機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，可以對(duì)各模塊實(shí)行獨(dú)自設(shè)計(jì)、修訂和調(diào)試，最終通過(guò)模擬仿真進(jìn)行驗(yàn)證。

2 自動(dòng)售貨機(jī)設(shè)計(jì)

為方便起見，設(shè)定自動(dòng)售貨機(jī)可以出售兩種商品，標(biāo)價(jià)分別為2元和3元。售貨機(jī)可以分別識(shí)別1元和5元兩種貨幣。

(1)購(gòu)買者可選擇購(gòu)買多種商品種類，選定商品種類后處于等待投幣狀態(tài)。如果超時(shí)等待時(shí)間，則認(rèn)定購(gòu)買者放棄選購(gòu)，此后售貨機(jī)自動(dòng)返回初始狀態(tài)，等待新的交易。如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，再次選中物品，就進(jìn)入再次等待狀態(tài)。

(2)每次交易完成，售貨機(jī)自動(dòng)返回初始狀態(tài)，等待下一次交易。

(3)使用按鍵信號(hào)來(lái)模擬1元，5元兩種貨幣的投入，可以持續(xù)投幣，同時(shí)顯示投入的金錢和還應(yīng)投入的金錢。如果某次投幣后金額不夠，且一定時(shí)間內(nèi)不再投幣，則購(gòu)買失敗，退幣，并顯示應(yīng)退還金額。

(4)指示電路，分別指示購(gòu)買成功、購(gòu)買失敗和正在找零三種狀態(tài)。

聯(lián)系自動(dòng)售貨機(jī)的運(yùn)行過(guò)程，采用有限狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)主控部分的功能，將實(shí)際的交易操作過(guò)程，轉(zhuǎn)換為狀態(tài)機(jī)各狀態(tài)的切換，使得整體設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)潔。為方便起見，這里用LED(發(fā)光二極管)燈和數(shù)碼管進(jìn)行相應(yīng)顯示。因此，可將自動(dòng)售貨機(jī)系統(tǒng)分為多個(gè)模塊:主控模塊、二進(jìn)制譯碼模塊、顯示譯碼模塊、分頻模塊等。采用VHDL語(yǔ)言對(duì)各個(gè)模塊功能進(jìn)行描寫，最后把各模塊整合生成頂層設(shè)計(jì)實(shí)體。整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)框圖Fig．1 Whole structure diagram

主控模塊:此模塊是整個(gè)設(shè)計(jì)的最主要的主控模塊，控制著整個(gè)設(shè)計(jì)的商品選擇、投幣、找零等功能。此模塊總體據(jù)有5個(gè)輸入端口和6個(gè)輸出端口。其輸入端口包含 clk、coin1(識(shí)別1元貨幣)、coin5(識(shí)別5元貨幣)、price2(價(jià)值2元的物品)、price3(價(jià)值3元的物品)，輸出端口有paid(已投入多少貨幣)、needed(還需要多少貨幣)、moneyout(找多少貨幣)、success(燈亮示意交易成功)、failure(燈亮示意交易失敗)、showmoneyout(燈亮示意正在找錢)。此模塊體現(xiàn)了此系統(tǒng)最主要的交易過(guò)程，包含商品選擇、投入貨幣、金額計(jì)算、找錢出貨等。其后接二進(jìn)制譯碼模塊。

二進(jìn)制譯碼模塊:具有一個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端。從b端口輸入一個(gè)4位的二進(jìn)制數(shù)，從bcd0和bcd1端口輸出兩個(gè)4位的BCD(二－十進(jìn)制碼)碼。此模塊的功能目的是為了把總控模塊輸出的二進(jìn)制數(shù)(paid，needed，moneyout)轉(zhuǎn)換為BCD碼，以至于輸出到數(shù)碼管模塊動(dòng)態(tài)掃描。此模塊的原理是將一個(gè)4位的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成2個(gè)4位的BCD碼，分別為高4位和低4位。其后接顯示譯碼模塊。

顯示譯碼模塊:此模塊具有7個(gè)輸入端口和2個(gè)輸出端口。輸入端dain是一個(gè)4位的BCD碼，clk接收q1的時(shí)鐘，sel范圍為000～111，判斷選擇八個(gè)數(shù)碼管中的哪個(gè)，daout輸出到num進(jìn)行顯示譯碼，該模塊的功能是將4位二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換為7位二進(jìn)制數(shù)代表a—g從led輸出，以便能用7段顯示數(shù)碼管顯示。

分頻器模塊:此模塊具有一個(gè)輸入端口和兩個(gè)輸出端口。輸入一個(gè)clk時(shí)鐘經(jīng)過(guò)分頻器輸出較高頻率時(shí)鐘給數(shù)碼管掃描模塊和低頻率時(shí)鐘給主控模塊的狀態(tài)機(jī)。

3 主要仿真結(jié)果

3.1 主控模塊

如圖2所示，客戶先選擇了一個(gè)2元物品隨后選擇了一個(gè)3元物品，needed表示為5即需要貨幣為5元，隨后投入一個(gè)1元貨幣之后再?zèng)]有投入貨幣，paid端口為1，needed端口為4，即已投入1元貨幣還需要投入4元貨幣，超出限時(shí)后failure變成高電平表明本次交易失敗，隨后回到初始狀態(tài)。圖3是連續(xù)兩次選擇商品投幣并找零的仿真結(jié)果，圖4為多次交易的仿真結(jié)果。

圖2 選擇兩次但投幣不足仿真結(jié)果Fig．2 Simulation result of selected twice with insufficient coins

圖3 連續(xù)兩次選擇商品投幣找零仿真結(jié)果Fig．3 Simulation result of selected twice and given charge

圖4 多次交易投幣仿真Fig．4 Simulation result of multiple coins

3.2 頂層電路仿真

譯碼、顯示等模塊仿真結(jié)果這里不再詳述。對(duì)頂層電路進(jìn)行仿真，當(dāng)連續(xù)選擇2元和3元的商品，連續(xù)投入一張1元和一張5元，LED指示仿真success為高電平表示成功，showmoneyout為高電平表示正在找零，并由數(shù)碼管顯示相應(yīng)的金額，結(jié)果如圖5所示。圖6為連續(xù)選擇商品只投幣一次，交易失敗的仿真結(jié)果。

圖5 連續(xù)選擇商品連續(xù)投幣Fig．5 Simulation result of continuous selection for coins

圖6 連續(xù)選擇商品投幣一次Fig．6 Simulation result of continuous selection with coin-operated once

4 總 結(jié)

該自動(dòng)售貨機(jī)可以按照設(shè)計(jì)的目的進(jìn)行多次購(gòu)買、出貨找零;可在數(shù)碼管上顯示出已投貨幣、還需投入貨幣、找零金額，同時(shí)有代表交易成功、交易失敗、正在找零的三個(gè)LED燈來(lái)指示狀態(tài)。設(shè)計(jì)中采用的自頂向下的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了模塊化的設(shè)計(jì)思想。各個(gè)模塊所具有的相對(duì)獨(dú)立性更好地保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，節(jié)約了系統(tǒng)資源。由于FPGA/CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)具有良好的可擴(kuò)展性，可以方便地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能擴(kuò)充和修改，因此，本設(shè)計(jì)具有一定實(shí)用性。

［1］ 謝中賽，金志華，余世明．基于μC/OS-Ⅱ的自動(dòng)售貨機(jī)控制系統(tǒng)［J］．機(jī)電工程，2009，26(1):35－37．XIE Zhongsai，JIN Zhihua，YU Shiming．Vending machine controller based on μC/OS-II［J］．Mechanical ＆Electrical Engineering Magazine，2009，26(1):35－37．

［2］ 董淑冷，茅紅偉．PLC在自動(dòng)售貨機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］．上海師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2007，36(2):47－51．DONG Shuleng，MAO Hongwei．The application of PLC in vending machine control system［J］．Journal of Shanghai Normal University:Natural Sciences，2007，36(2):47－51．

［3］ 陳慧．基于嵌入式單片機(jī)的智能自動(dòng)售貨機(jī)控制系統(tǒng)［J］．華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，25(6):78－82．CHEN Hui．A control system of intelligent vending machines based on the embedded SCMP［J］．Journal of East China Jiaotong University，2008，25(6):78－82．

［4］ 劉志臣．基于單片機(jī)的自動(dòng)售貨機(jī)模擬設(shè)計(jì)［J］．科學(xué)大眾(科學(xué)教育)，2014(3):146－147．LIU Zhiceng．Vending machine design based on MCU［J］．Popular Science，2014(3):146－147．

［5］ 陸思杰．自動(dòng)售貨系統(tǒng)應(yīng)用介紹［J］．機(jī)械研究與應(yīng)用，2010，23(2):147－148．LU Sijie．Brief introduction of automatic vending system［J］．Mechanical Research ＆ Application，2010，23(2):147－148．

［6］ 余世明，晁岳磊，繆仁將．自動(dòng)售貨機(jī)研究現(xiàn)狀及展望［J］．中國(guó)工程科學(xué)，2008，10(7):51－56．YU Shiming，CHAO Yuelei，MIN Renjiang．Present situation and future prospects of vending machine［J］．Engineering Science，2008，10(7):51－56．

［7］ 孫延騰，吳艷霞，顧國(guó)昌，等．基于VHDL語(yǔ)言的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法［J］．計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2010，46(31):68－71．SUN Yanteng，WU Yanxia，GU Guochang，et al．VHDL based design parameterization methodology［J］．Computer Engineering and Applications，2010，46(31):68－71．

［8］ 趙輝．基于EDA技術(shù)的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．電子設(shè)計(jì)工程，2012，20(2):34－37．ZHAO Hui．Design of digital system based on EDA technology［J］．Electronic Design Engineering，2012，20(2):34－37．