1、20132014第一學期數(shù)字電路與邏輯設(shè)計實驗報告一 設(shè)計課題及任務(wù)要求1.設(shè)計課題：簡易自動售貨機2.任務(wù)要求：設(shè)計一個簡易的自動售貨機,能夠完成錢數(shù)處理、找零、顯示、退幣等功能?；疽? ·用 2 個數(shù)碼管(disp5,disp4)顯示錢數(shù),以元為單位。用 3 個按鍵(btn0,btn1,btn2)分別表示一元、五元、十元,每按一次按鍵,增加一次相應(yīng)的錢數(shù),上限 99元。·再用 3 個按鍵(btn3,btn4,btn5)分別對應(yīng) 3 種商品,其中,商品甲售價 3 元、商品乙售價 8 元、商品丙售價 12 元; · 買東西時,先輸入錢幣,再按對應(yīng)的商

2、品鍵。每按一次商品鍵,錢數(shù)要相應(yīng)地減少, 同時蜂鳴器提示購買成功。剩余錢數(shù)大于 3 元可繼續(xù)按商品鍵再次購買;當剩余錢數(shù)少于 3 元時,表示錢數(shù)的數(shù)碼管 disp5,disp4 顯示為零, 同時用數(shù)碼管 disp0 顯示退出的錢數(shù)。 ·買東西時,按下商品鍵,若輸入的錢數(shù)少于商品的價格,表示錢數(shù)的數(shù)碼管 disp5, disp4 顯示為零,同時用數(shù)碼管(disp1、disp0)顯示退出的錢數(shù),并用蜂鳴器表示購買失敗。· 按下商品鍵時,用數(shù)碼管 disp2 表示當前購買的商品,1 代表商品甲,2 代表商品乙,3 代表商品丙。· 用 btn7 做為退出功能鍵,退出鍵可以

3、隨時按下,按下后,數(shù)碼管(disp5,disp4)顯示為零,同時數(shù)碼管(disp1、disp0)顯示退出的錢數(shù),表示結(jié)束購買,錢款全部退出。提高要求:·用點陣設(shè)計顯示投幣動畫、出貨動畫,購買成功/失敗動畫;· 允許隨時輸入錢幣,購買時,錢款不足有聲光報警并等待追加錢幣或選擇別的商品; 二 系統(tǒng)設(shè)計1. 設(shè)計思路根據(jù)程序?qū)崿F(xiàn)的功能，可將其分為分頻、防抖、邏輯運算、數(shù)碼管顯示、點陣圖形顯示五大模塊。將其串聯(lián)起來即可完成整體功能。其中，分頻模塊將芯片50M的時鐘信號分為各模塊所需的不同頻率的時鐘。防抖模塊用增加按鍵延時以避免長按按鍵執(zhí)行多次指令的情況，邏輯運算模塊對余額進行加減計

4、算實現(xiàn)要求中加錢、買東西等功能。數(shù)碼管顯示模塊把運算模塊的結(jié)果通過數(shù)碼管進行顯示。在購買失敗時，使能點陣圖形顯示模塊及蜂鳴器，令點陣顯示“X”來提示錯誤，同時蜂鳴器響。2. 程序框圖開始結(jié)束余額清零余額增加相應(yīng)錢數(shù)多余錢退出余額顯示99顯示退出錢數(shù)余額減少相應(yīng)錢數(shù)是是否否BTN7BTN(35)BTN(02)判斷按鍵點陣顯示X蜂鳴器響判斷余額是否足夠判斷余額是否>993. 分塊設(shè)計以下五個模塊通過敏感信號串聯(lián)，實現(xiàn)完整功能。·分頻模塊： 分頻器的原理是對輸入的時鐘信號脈沖進行計數(shù)，（占空比為50%時），在計數(shù)達到模值一半時，輸出信號翻轉(zhuǎn)，從而完成輸出頻率比輸入信號低的脈沖，即分頻

5、。在本實驗中，防抖模塊需要用到200Hz時鐘，數(shù)碼管需要50KHz時鐘，點陣需要2.5MHz時鐘。通過設(shè)置時鐘翻轉(zhuǎn)時temp的值來改變分頻比N。N=2*(temp+1)·防抖模塊： 在程序執(zhí)行過程中會持續(xù)掃描按鍵輸入，當按鍵持續(xù)按下時則會進行多次信號輸入，但實際情況只按下按鍵一次。為避免此問題，需要使按鍵信號輸入到之后程序前通過防抖模塊，即用一個模20計數(shù)器計數(shù)時鐘周期，在一個周期內(nèi)只輸出一個有效電平。·邏輯運算模塊： 此模塊是算法的核心模塊。以200Hz時鐘和七個按鍵作為輸入，設(shè)置變量sum和money0、money1（余額的各位和十位）。當檢測到btn0btn2之一按下

6、時，根據(jù)對應(yīng)按鍵判斷sum，若大于等于99、95、90，則余額顯示99，若小于該數(shù)，sum加上1、5、10元（99元封頂）。同理，btn3btn5之一按下時，判斷sum，若大于等于3，扣除相應(yīng)錢數(shù)，若小于3，退出錢數(shù)sum賦值給disp0。同時，購買商品種類1、2、3賦值給disp2。當btn7按下時，disp1和disp0顯示sum，同時disp2、disp4和disp5清零。其中，數(shù)碼管的賦值用sum做除法及取余后得到的money1和money0實現(xiàn)。·數(shù)碼管顯示模塊： 首先使用分頻系數(shù)為1000的分頻器產(chǎn)生50KHz的時鐘。用模5計數(shù)器產(chǎn)生5個計數(shù)狀態(tài)，決定數(shù)碼管接通的電路和二

7、極管點亮的數(shù)字，在時鐘頻率很高時可以同時顯示5個數(shù)字。將邏輯運算模塊中賦值過的disp0、disp1、disp2、disp4和disp5賦值給DOUT7，數(shù)碼管選通信號賦值給CatL。·點陣圖形顯示模塊： 首先使用分頻系數(shù)為20的分頻器產(chǎn)生2.5MHz的時鐘。r為模8計數(shù)器，產(chǎn)生8個計數(shù)狀態(tài)，決定點陣選通的行和該行中點亮的點（行低電平選通，列高電平選通）。當掃描頻率達到一定大小時，8x8點陣會同時點亮。三 仿真波形及波形分析由于整個程序功能較復雜，故進行分塊仿真。1. 分頻模塊仿真由于50M時鐘頻率太高，在仿真時對輸入時鐘頻率和分頻系數(shù)做了修改。（f=500KHz，分頻系數(shù)N=10）

8、。仿真圖如下，實現(xiàn)了分頻。2. 防抖模塊仿真在仿真時，需將end time設(shè)置長一些，才能看到防抖的結(jié)果。仿真圖如下，延時為100ms。持續(xù)按下btn1，僅輸出一個有效脈沖。3. 邏輯運算模塊仿真可以看到當按下不同按鍵，sum的值會相應(yīng)按鍵功能進行加減。例如，按下btn0時，sum為1，再次按下btn0，sum累加為2。4. 數(shù)碼管顯示模塊仿真輸出為0、1、2、4、5。掃描頻率高時，五個數(shù)碼管循環(huán)一起顯示數(shù)字。5. 點陣圖形顯示模塊仿真點陣模塊仿真類似數(shù)碼管仿真情況。掃描頻率高時，八行點陣循環(huán)一起顯示。四 源程序LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

9、use ieee.std_logic_unsigned.all;ENTITY sIS PORT(bn0,bn1,bn2,bn3,bn4,bn5,bn7:IN STD_LOGIC; -按鍵輸入信號clk,reset:IN STD_LOGIC; -50M時鐘輸入信號DOUT7: OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0); -數(shù)碼管七段選通信號CatL: OUT STD_LOGIC_VECTOR(5 DOWNTO 0); -數(shù)碼管選通信號col,row:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); -點陣行列選通信號beep:out STD_LOGIC

10、-蜂鳴器輸出信號 ); END s;ARCHITECTURE behave OF s ISSIGNAL disp0,disp1,disp2,disp4,disp5:STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0); -數(shù)碼管選通信號SIGNAL btn0,btn1,btn2,btn3,btn4,btn5,btn7,enable:STD_LOGIC:='0' -通過防抖模塊后各按鍵SIGNAL clk_50k,clk_200,clk_2500k:STD_LOGIC; -50MHz、200Hz、2.5MHz時鐘信號SIGNAL Q:STD_LOGIC_VECTOR(3 do

11、wnto 0); -數(shù)碼管顯示模塊模5計數(shù)器SIGNAL temp1:INTEGER RANGE 0 TO 499; -時鐘計數(shù)器SIGNAL temp2:INTEGER RANGE 0 TO 9; -時鐘計數(shù)器SIGNAL temp:INTEGER RANGE 0 TO 124999; -時鐘計數(shù)器signal r:STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); -點陣中間變量SIGNAL count_BTN0:INTEGER RANGE 0 TO 20; -防抖計數(shù)器SIGNAL count_BTN1:INTEGER RANGE 0 TO 20; -防抖計數(shù)器SIGNAL co

12、unt_BTN2:INTEGER RANGE 0 TO 20; -防抖計數(shù)器SIGNAL count_BTN3:INTEGER RANGE 0 TO 20; -防抖計數(shù)器SIGNAL count_BTN4:INTEGER RANGE 0 TO 20; -防抖計數(shù)器SIGNAL count_BTN5:INTEGER RANGE 0 TO 20; -防抖計數(shù)器SIGNAL count_BTN7:INTEGER RANGE 0 TO 20; -防抖計數(shù)器BEGINp1:PROCESS(clk,reset) -200Hz分頻BEGINIF reset='0' THENtemp<=

13、0;ELSIF clk'event AND clk='1' THENIF temp=124999 THEN -分頻系數(shù)（124999+1）*2=250000temp<=0;clk_200<=NOT clk_200;ELSEtemp<=temp+1;END IF;END IF;END PROCESS p1;p2:PROCESS(clk_200,bn0) -btn0防抖（5ms*20=100ms）BEGINIF(clk_200'event AND clk_200 = '1') THENIF(bn0 = '1') TH

14、ENIF count_BTN0 = 20 THENcount_BTN0 <= count_BTN0;ELSEcount_BTN0 <= count_BTN0+ 1;END IF;IF count_BTN0= 19 THEN btn0<= '1'ELSEbtn0<= '0'END IF;ELSEcount_BTN0<= 0;END IF;ELSEEND IF;END PROCESS p2;p3:PROCESS(clk_200,bn1) -btn1防抖（5ms*20=100ms）BEGINIF(clk_200'event AND

15、 clk_200 = '1') THENIF(bn1= '1') THENIF count_BTN1 = 20 THENcount_BTN1 <= count_BTN1;ELSEcount_BTN1 <= count_BTN1+ 1;END IF;IF count_BTN1= 19 THEN btn1<= '1'ELSEbtn1<= '0'END IF;ELSEcount_BTN1<= 0;END IF;ELSEEND IF;END PROCESS p3;p4:PROCESS(clk_200,bn2)

16、 -btn2防抖（5ms*20=100ms）BEGINIF(clk_200'event AND clk_200 = '1') THENIF(bn2= '1') THENIF count_BTN2= 20 THENcount_BTN2 <= count_BTN2;ELSEcount_BTN2 <= count_BTN2 + 1;END IF;IF count_BTN2= 19 THEN btn2<= '1'ELSEbtn2<= '0'END IF;ELSEcount_BTN2<= 0;END I

17、F;ELSEEND IF;END PROCESS p4;p5:PROCESS(clk_200,bn3) -btn3防抖（5ms*20=100ms）BEGINIF(clk_200'event AND clk_200 = '1') THENIF(bn3 = '1') THENIF count_BTN3= 20 THENcount_BTN3 <= count_BTN3;ELSEcount_BTN3 <= count_BTN3 + 1;END IF;IF count_BTN3= 19 THEN btn3<= '1'ELSEbtn

18、3<= '0'END IF;ELSEcount_BTN3<= 0;END IF;ELSEEND IF;END PROCESS p5;p6:PROCESS(clk_200,bn4) -btn4防抖（5ms*20=100ms）BEGINIF(clk_200'event AND clk_200 = '1') THENIF(bn4 = '1') THENIF count_BTN4 = 20 THENcount_BTN4 <= count_BTN4;ELSEcount_BTN4 <= count_BTN4 + 1;END I

19、F;IF count_BTN4= 19 THEN btn4<= '1'ELSEbtn4<= '0'END IF;ELSEcount_BTN4<= 0;END IF;ELSEEND IF;END PROCESS p6;p7:PROCESS(clk_200,bn5) -btn5防抖（5ms*20=100ms）BEGINIF(clk_200'event AND clk_200 = '1') THENIF(bn5 = '1') THENIF count_BTN5 = 20 THENcount_BTN5 <=

20、 count_BTN5;ELSEcount_BTN5 <= count_BTN5 + 1;END IF;IF count_BTN5= 19 THEN btn5<= '1'ELSEbtn5<= '0'END IF;ELSEcount_BTN5<= 0;END IF;ELSEEND IF;END PROCESS p7;p8:PROCESS(clk_200,bn7) -btn7防抖（5ms*20=100ms）BEGINIF(clk_200'event AND clk_200 = '1') THENIF(bn7 = 

21、9;1') THENIF count_BTN7 = 20 THENcount_BTN7 <= count_BTN7;ELSEcount_BTN7<= count_BTN7 + 1;END IF;IF count_BTN7= 19 THEN btn7<= '1'ELSEbtn7<= '0'END IF;ELSEcount_BTN7<= 0;END IF;ELSEEND IF;END PROCESS p8;P9:process(clk_200,btn0,btn1,btn2,btn3,btn4,btn5,btn7) -邏輯運算模塊

22、variable money0,money1:INTEGER RANGE 0 TO 9;variable sum:INTEGER RANGE 0 TO 99; BEGINIF(clk_200'event AND clk_200 = '1') THEN IF btn0='1' THEN -btn0按下，判斷滿額情況，加錢1元 enable<='0' if sum>=99 then -滿額，sum=99 sum:=99; else sum:=sum+1; end if; ELSIF btn1='1'THEN -bt

23、n1按下，判斷滿額情況，加錢5元 enable<='0' if sum>=95 then -滿額，sum=99 sum:=99; else sum:=sum+5; end if ELSIF btn2='1'THEN -btn2按下，判斷滿額情況，加錢10元 enable<='0' if sum>=90 then -滿額，sum=99 sum:=99; else sum:=sum+10; end if; ELSIF btn3='1'THEN -btn3按下，判斷足額情況，減錢3元，disp2顯示1 IF su

24、m>=3 then disp2<="0110000" sum:=sum-3; IF sum<3 THEN CASE sum IS -不足額，disp1清零，disp0顯示退出錢數(shù) WHEN 0=>disp0<="1111110" WHEN 1=>disp0<="0110000" WHEN 2=>disp0<="1101101" WHEN OTHERS=>disp0<="0000000" END CASE; sum:=0; disp

25、1<="1111110" ELSE NULL; END IF; ELSE enable<='1' END IF; ELSIF btn4='1'THEN -btn4按下，判斷足額情況，減錢8元，disp2顯示2 IF sum>=8 then disp2<="1101101" sum:=sum-8; IF sum<3 THEN CASE sum IS -不足額，disp1清零，disp0顯示退出錢數(shù) WHEN 0=>disp0<="1111110" WHEN 1=&

26、gt;disp0<="0110000" WHEN 2=>disp0<="1101101" WHEN OTHERS=>disp0<="0000000" END CASE; sum:=0; disp1<="1111110" ELSE NULL; END IF; ELSE enable<='1' END IF; ELSIF btn5='1'THEN -btn5按下，判斷足額情況，減錢12元，disp2顯示3 IF sum>=12 then s

27、um:=sum-12; disp2<="1111001" IF sum<3 THEN CASE sum IS -不足額，disp1清零，disp0顯示退出錢數(shù) WHEN 0=>disp0<="1111110" WHEN 1=>disp0<="0110000" WHEN 2=>disp0<="1101101" WHEN OTHERS=>disp0<="0000000" END CASE; sum:=0; disp1<="1

28、111110" ELSE NULL; END IF; ELSE enable<='1' END IF; ELSIF btn7='1'THEN -btn7按下，disp0和disp1顯示退出錢數(shù)，其余清零 CASE money1 IS -money1賦值給disp1，作為十位數(shù)字 WHEN 0=>disp1<="1111110" WHEN 1=>disp1<="0110000" WHEN 2=>disp1<="1101101" WHEN 3=>di

29、sp1<="1111001" WHEN 4=>disp1<="0110011" WHEN 5=>disp1<="1011011" WHEN 6=>disp1<="1011111" WHEN 7=>disp1<="1110000" WHEN 8=>disp1<="1111111" WHEN 9=>disp1<="1111011" WHEN OTHERS=>disp1<=

30、"0000000" END CASE; CASE money0 IS -money0賦值給disp0，作為個位數(shù)字 WHEN 0=>disp0<="1111110" WHEN 1=>disp0<="0110000" WHEN 2=>disp0<="1101101" WHEN 3=>disp0<="1111001" WHEN 4=>disp0<="0110011" WHEN 5=>disp0<="

31、1011011" WHEN 6=>disp0<="1011111" WHEN 7=>disp0<="1110000" WHEN 8=>disp0<="1111111" WHEN 9=>disp0<="1111011" WHEN OTHERS=>disp0<="0000000" END CASE; sum:=0; disp2<="1111110" enable<='0' ELSE

32、null; END IF; money1:=sum/10; -money1為整型sum除以10的結(jié)果 money0:=sum rem 10; -money0為整型sum除以10的余數(shù) CASE money1 IS - -money1賦值給disp5顯示 WHEN 0=>disp5<="1111110" WHEN 1=>disp5<="0110000" WHEN 2=>disp5<="1101101" WHEN 3=>disp5<="1111001" WHEN 4=&g

33、t;disp5<="0110011" WHEN 5=>disp5<="1011011" WHEN 6=>disp5<="1011111" WHEN 7=>disp5<="1110000" WHEN 8=>disp5<="1111111" WHEN 9=>disp5<="1111011" WHEN OTHERS=>disp5<="0000000" END CASE; CASE mo

34、ney0 IS -money0賦值給disp4顯示 WHEN 0=>disp4<="1111110" WHEN 1=>disp4<="0110000" WHEN 2=>disp4<="1101101" WHEN 3=>disp4<="1111001" WHEN 4=>disp4<="0110011" WHEN 5=>disp4<="1011011" WHEN 6=>disp4<="1

35、011111" WHEN 7=>disp4<="1110000" WHEN 8=>disp4<="1111111" WHEN 9=>disp4<="1111011" WHEN OTHERS=>disp4<="0000000" END CASE;ELSE NULL;END IF;END PROCESS p9;p10:PROCESS(clk,reset) -50kHz分頻BEGINIF reset='0' THENtemp1<=0;ELSI

36、F clk'event AND clk='1' THENIF temp1=499 THENtemp1<=0;clk_50k<=NOT clk_50k;ELSEtemp1<=temp1+1;END IF;END IF;END PROCESS p10;p11:PROCESS(clk_50k,reset) -模5計數(shù)器BEGINIF reset='0' THENQ <= "1111"ELSIF(clk_50k'event and clk_50k='1')THENIF Q = "010

37、0" THENQ <= "0000"ELSEQ <= Q+1;END IF;END IF;END PROCESS p11;p12:PROCESS(Q) -數(shù)碼管顯示BEGINCASE Q ISWHEN "0000"=>DOUT7<=disp0;CatL<="111110" WHEN "0001"=>DOUT7<=disp1;CatL<="111101" WHEN "0010"=>DOUT7<=disp2;C

38、atL<="111011" WHEN "0011"=>DOUT7<=disp4;CatL<="101111" WHEN "0100"=>DOUT7<=disp5;CatL<="011111" WHEN OTHERS=>DOUT7<="1111111"CatL<="111111"END CASE;END PROCESS p12;p13:PROCESS(clk,reset) -2500kHz分頻BEG

39、IN IF clk_50k'event AND clk_50k='1' THENIF temp2=9 THENtemp2<=0;clk_2500k<=NOT clk_2500k;ELSEtemp2<=temp2+1;END IF;END IF;END PROCESS p13;p14: process(enable,clk_2500k) -點陣顯示“X”BEGINif enable='1'thenif(clk_2500k'event and clk_2500k='1')then case r iswhen &quo

40、t;01111111"=> col<="10000001"r<="10111111" -行選通，列選擇點亮的位置when "10111111"=> col<="01000010"r<="11011111"when "11011111"=> col<="00100100"r<="11101111"when "11101111"=> col<=&

41、quot;00011000"r<="11110111"when "11110111"=> col<="00011000"r<="11111011"when "11111011"=> col<="00100100"r<="11111101"when "11111101"=> col<="01000010"r<="11111110"

42、when "11111110"=> col<="10000001"r<="01111111"when others=>col<="11111111"r<="01111111" end case;row<=r; beep<='1'else null;end if;else col<="00000000"beep<='0' -蜂鳴器響end if;end process p14;END behave;五 功能說明及資源利用情況1. 功能說明·swt0為reset鍵，置1開啟，置0關(guān)閉。·btn0btn2為加錢按下，按一下分別給余額（disp4和disp5顯示）