数字电路课程设计-交通灯-自动售货机.doc

贵州大学 信息安全121 数字电路课程设计设计题目：交通灯控制设计 自动售货机 学 院：计算机科学与技术学院专 业：信息安全 班 级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 2013年 12月20日目录n 设计一:交通灯第一章：引言3第二章：概要设计3第三章：详细设计3第四章：仿真结果及说明8总结12n 设计二:自动售货机第一章：引言14第二章：概要设计15第三章：详细设计20第四章：仿真结果及说明22总结23交通灯控制摘要：本设计通过运用所学的电路知识，使用Quartus II的功能仿真功能设计了一款具有倒计时及显示倒计时功能，并控制交通灯信号输出功能的交通灯。关键词：分频；计时器；8421BCD；显示Abstract：The design of circuit knowledge through the use of the school, the function simulation function using the Quartus II designed a countdown function, traffic lights and traffic light control signal output function.Keywords：Frequency divider，Timer，8421BCD, display第一章：引言日常生活中用交警指挥马路的通行，但它存在几个不足，人会疲劳，容易出错。人指挥不够精确。受到天气的影响较大。安排人来24小时指挥的隐患显而易见。在马路上安置交通亭占用空间也容易留下安全隐患。而且安排人在马路上指挥，大量的废气粉尘对人也会造成一定的伤害。随着电子技术的发展，人们可以用电子技术设计一款交通灯来实现对交通通行的控制。它相对人而言，成本更低，只需要初期的投入而不需要大量的后期投入。仅仅需要付出少量的电费和一些故障维护费。它精确高效，易于控制管理。同时醒目，相对于交通手势易于理解。同时可以安排在各种地段不需要占用大量的地方。所以我们设计了一款交通灯来代替人控制汽车的通行。第二章：概要设计 本电路由分频元件，计时元件，转码元件，7段数码管显示器元件，红绿灯输出元件这五个部件构成。本设计的工作原理是：输入时钟信号，当输入重置信号时，交通灯开始工作，分频元件将高频时钟信号转换为1Hz的时钟信号，再由计时元件接收。计时元件通过统计接收的1Hz时钟信号，实现计时功能。计时器将其所处的计时阶段传给红绿灯元件，控制红绿灯信号的输出。同时计时元件将其所处的计时结果以二进制码的形式传给转码元件，由转码元件转化为8421BCD码再将其输入到7段数码管显示器元件使计时结果以数字的形式显示出来。再次输入重置信号时，交通灯被重置。第三章：详细设计3.1分频元件module fenpin (clkin,reset,clkout); input clkin,reset;output clkout;reg31:0counter;reg clkout;always (posedge clkin or posedge reset)begin if (reset) counter=32d2) begin counter=32d0; clkout=clkout; end else counter=counter+1d1;end endmodule3.2计时元件module timedevice(clk,reset,timeout,mode); input reset,clk; output5:0timeout;output3:0mode;reg3:0mode;reg5:0timesave;assign timeout=timesave;always(posedge clk,posedge reset) begin if(reset) begin mode=4b0001; timesave0) timesave=timesave-1; else begin mode=4b0010; timesave0) timesave=timesave-1; else begin mode=4b0100; timesave0) timesave=timesave-1; else begin mode=4b1000; timesave0) timesave=timesave-1; else begin mode=4b0001; timesave=6b01_1110) begin timeout1=4b0011; timeout2=timein-6b01_1110; end else if(timein=6b01_0100) begin timeout1=4b0010; timeout2=timein-6b01_0100; end else if(timein=6b00_1010) begin timeout1=4b0001; timeout2=timein-6b00_1010; end else begin timeout1=0; timeout2=timein; end endendmodule3.4七段数码管显示器元件module _74HC4511(LE,BL,LT,D,Q); input LE,BL,LT; input3:0D;output6:0Q;reg6:0Q;always(*)beginif(!LT) Q=7b111_1111;else if(!BL<) Q=7b000_0000;else if(!LE&BL<) case(D) 4b0000:Q=7b111_1110; 4b0001:Q=7b011_0000; 4b0010:Q=7b110_1101; 4b0011:Q=7b111_1001; 4b0100:Q=7b011_0011; 4b0101:Q=7b101_1011; 4b0110:Q=7b001_1111; 4b0111:Q=7b111_0000; 4b1000:Q=7b111_1111; 4b1001:Q=7b111_1011; default:Q=7b000_0000;endcaseendendmodule3.5交通灯输出元件module light(mode,red1,green1,yellow1,red2,green2,yellow2); input3:0mode;output red1,green1,yellow1,red2,green2,yellow2;reg red1,green1,yellow1,red2,green2,yellow2;always(*) beginif(mode=4b0001) begin red1=0; green1=1; yellow1=0; red2=1; green2=0; yellow2=0; endif(mode=4b0010) begin red1=0; green1=0; yellow1=1; red2=1; green2=0; yellow2=0; endif(mode=4b0100) begin red1=1; green1=0; yellow1=0; red2=0; green2=1; yellow2=0; endif(mode=4b1000) begin red1=1; green1=0; yellow1=0; red2=0; green2=0; yellow2=1; endendendmodule3.6设计图第四章：仿真结果及说明当输入reset信号时计时器开始工作，此时主干道绿灯（green1）亮，支干道红灯（red2）亮。由于QuartusII在仿真以秒为单位的时间信号时仿真的时间过长无法实现。所以用对比法推断。对比clk输入和计时结果可知时间信号的周期增大了6倍。更改分频器频率，可知，时钟信号的频率增大了4倍。可见分频器有效。假如将10MHz的时钟信号作为输入的时钟信号，运用分频器可以得到1Hz的时钟信号，从而实现以S为单位的倒计时功能。 由图中可知当倒计时为0时主干道的绿灯（green1）灭，黄灯（yellow1）亮。支干道保持红灯亮不变 此时当倒计时为0时，主干道黄灯（yellow1）灭，红灯（red1）亮，支干道红灯（red2）灭，绿灯（green2）亮。 此时当倒计时为0时，主干道保持红灯不变，支干道绿灯（green2）灭，黄灯（yellow2）亮。 此时当倒计时为0时，主干道红灯（red1）灭，绿灯（green1）亮。支干道黄灯（yellow2）灭，红灯（red2）亮。整个交通灯回到初始状态，倒计时由此循环进行。 此时reset信号再次输入，交通灯回到初状态，完成了交通灯的重置功能。总结 通过对交通灯的设计，加深了我对数字电路的理解。使我对时序逻辑电路的理解更加清晰，同时熟悉了QuartusII软件的使用及其与电脑程序语言的不同。通过设计交通灯，使我第一次将学习和实际设计相结合，充分了解了数字电路设计的方向与应用，同时对多人团队开发项目有了自己的了解.开始时由于不懂分频，老是无法做成功，后面经过查资料学习懂得了分频，最终实现了交通灯的设计。由于交通灯需求的功能单一故本设计没有加入拓展功能。 售货机基于状态机的自动售货机设计摘 要 本设计是以现场可编程逻辑器件（FPGA）为核心的自动售货机，利用Quartus软件编写verilog HDL硬件描述语言程序以实现自动售货功能。本设计主要以程序为主，并通过Quartus II软件进行仿真.其中输入信号:系统复位(reset)信号,商品选择信号(selection),商品价格信号(selectionMoney),时钟信号(clk),确认购买信号(finish),投币信号(get),退出信号(exit).输出信号有:商品选择信号(Select),是否购买成功的信号(Successful),当前可用钱数信号(CurrentMoney),找零信号(Unpaid).本设计并不进行相关的硬件测验. 关键字：FPGA、Verilog HDL、自动售货机、Quartus Abstract This design is an auto-vending machine based on field programmable logic devices (FPGA) . We use Quartus to write procedure in verilog HDL which is a language to describe hardware. The procedure will realize the function of auto-vending machine. This design is mainly about procedure. The input signals are “Reset of System(reset)”, Selection of Goods(selection),Price of the Goods(selectionMoney),Clock(clk),Whether to Buy(finish),Get Coins(get) and Exit(exit).The output signals are Current Selection of Goods(Selection), the State whether the goods can be bought(Successful),Current Money Available(CurrentMoney) and the Coins Needed to return(Unpaid).In the design we wont use the hard device to do some experiments.引言自动售货机是可完成无人自动售货,集光、机、电一体化的商业自动化设备。 自动售货机不受任何场地限制,方便快捷,可以每天24小时售货,因此深受上班族的欢迎,很多城市的公共场所里面都放置有自动售货机,出售的商品五花八门,从饮料、零食、香烟、糖果,到牙刷、方便面、自动照相机。 近年来,我国的自动售货机行业突飞猛进:在汽车总站、商厦、医院、小区、学校等地区纷纷涌现出自动售货机的踪迹。 这种方便快捷的购物方式越来越受到人们的青睐,同时也是现代化城市配套设施的需求。因为自动售货机作为社会上完成商品零售和综合服务的独立设施,所以必须要求它的结构可靠、稳定而且执行效率高。传统的自动售货机控制系统采用单片机作为控制核心,这样不仅会在输入输出接口上做大量的工作,而且系统的抗干扰性也比较差。可编程控制器（Programmable Logical Controller，简称PLC）是综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型的工业控制装置,它具有可靠性高、编程简单、维护方便等优点,已在工业控制领域得到广泛地应用。 PLC是以CPU为核心, 综合了计算机技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置, 是现代工业控制的三大支柱(PLC、机器人和CAD/CAM) 之一。PLC的工作原理与计算机的工作原理基本是一致的, 可以简单地表述为在系统程序的管理下, 通过运行应用程序完成用户任务。但是PLC也有它自己的特点, PLC在确定了工作任务, 装入了专用程序后成为一种专用机, 它采用循环扫描工作方式, 系统工作任务管理及应用程序执行都是用循环扫描方式完成的。目前，可编程控制器在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保等各行各业。自动售货机以其新奇、文明、高档、灵活方便等优点深受广大市民青睐。自动售货机最基本的功能是对投入的货币进行运算,并根据所投入的货币数值判断是否能够购买某种商品, 并做出相应的反映。因此, 售货机应能够辨识机内包含的商品, 能够对所投入的币值进行累计, 并提供所要购买的商品。当按下选择商品的按钮时,自动售货机根据投入的币值, 起动电机, 提取商品到出货口, 顾客取出商品，完成此次交易。在实际生活中，我们见到的售货机可以销售一些简单的日用品，如饮料、常用药品和小的生活保健用品等。售货机的基本功能就是对投入的货币进行运算，并根据货币数值判断是否能够购买某种商品，并做出相应的反应。举一个简单的例子来说明。例如：售货机中有8种商品，其中01号商品（代表第一种商品）价格为1.50元，02商品为2.50元，其余类推。现投入1个1元硬币，当投入的货币超过01商品的价格时，01商品的选择按钮处应有变化，提示可以购买，其他商品同比。当按下选择01商品的价格时，售货机进行减法运算，从投入的货币总值中减去01商品的价格同时启动相应的电机，提取01号商品到出货口。此时售货机继续进行等待外部命令，如继续交易，则同上，如果此时不再购买而按下退币按钮，售货机则要进行退币操作，退回相应的货币，并在程序中清零，完成此次交易。由此看来，售货机一次交易要涉及加法运算、减法运算以及在退币时的除法运算，这是它的内部功能。还要有货币识别系统,输入系统,显示系统,数据系统和货币的传动等来实现完整的售货、退币功能。为简单计，本次实验只要求设计一个简单的自动售货机逻辑电路。它的投币口每次只能投入一枚五角或一元的硬币。可以先投币,此时售货机会列出当前可以购买的商品,然后购买者选择想要的商品,点确定购买,或者退出以退回硬币;也可以先选择好商品,然后再投入硬币.概要设计l 流程图说明:ll 最终模块: () 注意:其中所有的输入端的名字一小写开头,输出端的以大写开头 说明:1 时钟输入信号2 确认购买的输入信号3 当前所选择的商品输入信号4 当前所选择商品的价格输入信号5 投入硬币的输入信号6 退出输入信号7 系统复位输入信号8 当前所选择的商品输出信号9 是否购买成功的输出信号10 当前共有多少可用钱数的输出信号11 找零的输出信号12 主模块113 主模块214 主模块3详细设计l Verilog程序文件以及注释说明: SaleMachine3.v CountCoin.v Information.v仿真结果及分析及总结l 开始时给系统一个复位信号,进行系统复位.get投币信号始终设为1，视为连续投币;在4050ns时,CurrentMoney=3b100,finish信号为1,此时选择商品的价格selectionMoney=b100;由于CurrentMoney（总共投入的钱）与选择商品的价格（selectionmoney）相等，所以在4050ns的clk信号的上升沿,Successful变为1而在50ns的clk信号的下降沿不进行找零,Unpaid=0.在90100ns接收到退出信号exit，由于每次程序在下降沿才会执行检测，所以在96ns时,退出所有硬币,Unpaid=3b101.可以发现Unpaid与总共投入的钱（Cu