基于FPGA的自动售货机设计

目录摘要三ABSTRACTIV第一章简介11.1自动售货机简介11.2本主题研究的背景和意义11.3设计1第二章FPGA自动售货机系统设计22.1自动售货机的工作原理22.2自动售货机系统方框图设计22.3具体实施计划3第三章芯片选择和简介4选择3.1芯片43.2 Cyclone系列设备概述43.3 Cyclone系列设备下载设计4第四章自动售货机硬件电路设计64.1 Altium Designer 6.0概述64.2 FPGA芯片主模块电路设计64.2.1电源电路64.2.2时钟信号电路74.2.3下载配置电路84 . 2 . 4 I/o端口引线电路84.3外围电路94.3.1交换机密钥电路94.3.2显示模块电路设计104.3.3外围电路端口电路114.4硬件电路的总电路图和PCB图124.4.1 FPGA芯片主模块总电路图和PCB图124.4.2周边电路总电路图和PCB图12第五章硬件电路调试135.1电路板测试135.1.1环境电路测试135.1.2 FPGA主模块电路板测试145.2程序调试15结论19参考文献20附录21审计23摘要信息今天，国内外电子技术飞速发展，FPGA已成为当今电子设计的主流。FPGA将原始电路板等级产品集成为芯片等级产品，减少体积，缩短系统开发周期，便于系统升级，具有容量大、逻辑大的功能，兼具高速高可靠性的优点。因此，将FPGA芯片用作自动售货机的控制核心，并制作周边电路，模拟自动售货机功能。本文详细介绍了硬件电路的设计和制作，包括电路设计的概念、设计图和PCB图的绘制、电路板的制作、实际调试和软件自动售货机功能的模拟。关键字FPGA、自动售货机、硬件设计ABSTRACTthe rapid development of information technology around the world today。Fpga has become a mainstream of the modern electronic design。by using its field programmable features，Fpga changes the original circuit board-level products to the chip-level integration products . nowSO，This task will use the chip of FPGA To design the vending machine s control core，And through the building peripheray Circuit simulationKeywordFpga Vending machines；硬件设计23第一章引言随着技术的发展和人们生活水平的提高，自动售货机逐渐进入了我们的生活。自动售货机市场的发展提出了多元化和个性化的需求，通过自动售货机购物逐渐成为追求大众新的消费时尚和优质生活的需要。1.1自动售货机简介自动售货机是可以根据投入的硬币自动支付东西的机器。自动售货机是商业自动化中常用的设备，可以节省时间、地点、人员和交易方便性。这是一种全新形式的商业零售，也称为24小时营业的迷你超市。可以分为饮料自动售货机、食品自动售货机、集成自动售货机三种。1.2本主题研究的背景和意义自动售货机的出现给人们的生活带来了很大的便利，但是对它的要求也很多。而且随着嵌入式系统技术、多媒体技术、网络技术的应用，自动售货机也将向娱乐化、智能化、信息化的方向发展。传统的单一销售功能自动售货机已经不能满足人们的要求。这对自动售货机内部主控中心设计提出了新的挑战。实现自动售货机内部控制中心的方法有很多。现有的自动售货机控制系统采用单片机作为控制核心，电路和编程比较灵活，但在输入和输出接口上需要做很多工作，不易扩展，系统的稳定性和抗干扰性比较差。使用可编程控制器(PLC)设计自动售货机控制系统，可靠性高，性能扩展简单，但编程不灵活，程序设计非常困难。EDA技术是现代电子领域的新技术，允许使用灵活的硬件描述语言和强大的EDA工具完成复杂的数字系统设计。使用VHDL硬件描述语言和FPGA设计自动售货机的主系统与传统设计方法相比具有很多优点。主要特点是用户可以通过软件重复配置和编程，执行用户需要的特定功能，缩短系统设计周期，提高实现灵活性，降低成本，轻松扩展功能。当今人们对自动售货机的功能要求越来越丰富，使用FPGA设计自己的主系统与传统的设计方法相比具有很大的优势，这将对自动售货机的开发带来很大的促进。1.3设计此次课题是利用FPGA设计自动售货机的内部控制系统，制作周边电路，模拟自动售货机功能。第二章FPGA自动售货机系统设计本章首先介绍了自动售货机的工作原理，通过自动售货机的工作原理，制定了自动售货机实现FPGA的方案。2.1自动售货机的工作原理自动售货机是完全独立的销售设备，具备货币接收、顾客选择商品、商品销售、零查找等功能。客户通过输入设备选择要购买的商品并输入币种后，销售机的主系统将根据商品现有的数量和单价进行计算，如果货币的货币值大于商品的单价并且有数量，销售机将自动发运并回收馀额，如果不能满足，则在一个交易完成之前发出相应的警报。2.2自动售货机的系统方框图设计内部控制中心电源电路时钟信号电路下载电路扩展电路FPGA软件部分硬件部分根据自动售货机的工作原理，本主题将FPGA芯片用作内部控制中心，并设计了周边扩展电路，以模拟自动售货机的特定功能，如下图2-1所示。图2-1自动售货机的系统方框图如上图2-1所示，整个自动售货机系统分为软件部分和硬件部分两部分。软件部分主要是FPGA芯片内部程序的编写，这部分主要由负责软件部分的学生完成，本文不再一一说明。以下是主要由特定电路的设计和制作组成的硬件部分，在图中，电源电路、时钟信号电路和下载电路是FPGA芯片正常工作所需的部分，扩展电路用于模拟自动售货机功能。本人主要负责硬件部分的设计和制作，将在以下几章内具体介绍。2.3具体实施计划本文设计的自动售货机可以销售4种商品：1元、2元、3元、3.5元。采购员可以通过“选择产品”按钮选择标价的项目。此时，选定项目的单价和数量将显示为两个数码管(单价为0.5元)，一次只能购买一个项目。这台自动售货机可以识别两种硬币：1元和0.5元。客户可以设置数字管，显示通过系统设定的两个不同键投入的硬币数，而不是分别投入0.5韩元、1韩元(0.5韩元单位)。如果投入的总额等于或大于销售价格，则按“确定”按钮将自动输出商品，并显示为LED灯，如果馀额系统自动找到0，则显示为数字管道(0.5元)。如果金额不足或放弃购买，可以按取消键，系统会无条件退款。本文旨在使用50MHZ的系统时钟信号控制整体交易行为。目标：现货可以正确模拟整个交易过程。第三章芯片的选择和介绍选择3.1芯片FPGA芯片选择需要考虑很多因素，最重要的芯片内部的逻辑单元必须能够满足设计要求。了解Altera生产的Cyclone系列设备中的EP2C5T144C8N，以及考虑开发工具和成本的主流FPGA芯片。3.2 Cyclone系列设备概述Cyclone 系列芯片是Altera继2004年Cyclone之后的另一低成本系列FPGA，它平衡地引入了逻辑、存储、PLL (PLL)和高级I/O接口，是价格敏感型应用程序的最佳选择。Cyclone设备制造基于使用TSMC90nm、低k值介质工艺3的300mm波。Cyclone系列设备的每个型号性能如下表3-1所示。特性EP2C5EP2C8EP2C20EP2C35EP2C50EP2C70逻辑单元(LE)4，6088，25618，75233，21650，52868，416M4K RAM区块263652105129250总RAM容量119，808165，888239，616483，840594，4321，152，000嵌入式倍增(18x18)1318263586150PLL (PLL)224444最大可用I/O端号142182315475450622表3-1 Cyclone系列芯片性能EP2C5T144C8N芯片属于EP2C5系列，如上所述，4608个逻辑单元(共144个针脚，多达89个I/O)满足了此主题的设计要求。3.3 Cyclone系列设备下载设计Cyclone系列芯片可以采用多种方式燃烧，包括JTAG模式、PS模式、AS模式等。以下说明了此主题中使用的JTAG模式下载。JTAG接口是主要用于芯片测试等功能的行业标准，使用IEEE STD 1149.1联合边界扫描接口针脚，支持JAM STAPL标准，并且可以使用Altera下载电缆或master完成。本主题使用Altera的USB Blaster专用FPGA下载电缆。JTAG下载电路原理图(如下图3-1所示)显示在芯片的数据指南中4:图3-1 JTAG下载电路原理图(1)上部抗拉电阻应连接到与下载线路相同的电源(2)针脚nCONFIG、MSEL1和MSEL1应连接到支持非JTAG配置模式，如果电路仅使用JTAG配置模式，请将电源VCC、针脚msel1和msel1连接到GND。(在3 JTAG模式下，nCE脚必须位于基础或低级(4)如果不需要提供其他设备，NCO针脚可能会用I/o脚悬空。第四章自动售货机的硬件电路设计在硬件电路设计过程中，首先使用Altium Designer 6.0软件设计电路原理图，然后将原理图传输到PCB板，在网络表、设计规则和原理图的指导下进行布局和布线。绘制PCB图后，创建PCB文件以构建电路板，最后在制造的电路板上焊接芯片和各种电阻器。本主题将硬件电路分为两部分进行设计，第一部分是由FPGA芯片组成的主模块，第二部分是外围扩展电路。4.1 Altium Designer 6.0的简要说明Altium Designer 6.0是业界首款集成了设计流程、集成PCB设计可编程设备设计和基于处理器设计的嵌入式软件开发功能的产品。提供强大的原理图和PCB图设计功能。从设计原理图到PCB，此项目中的许多设计工作都是由此软件完成的。该软件的设计管理器具有功能强大、易于使用的人机界面。4.2 FPGA芯片主模块电路设计根据FPGA芯片上的数据文档，FPGA主模块必须包括电源电路、时钟信号电路、下载配置电路(由于本主题使用JTAG下载模式，因此不包括专用配置芯片和AS下载端口、I/O端口引导电路等)。4.2.