Verilog HDL自動售貨機系統(tǒng)設(shè)計與仿真實驗報告

自動售貨機的設(shè)計與仿真

目錄

前言

一、設(shè)計程序

Verilog程序源代碼：

測試代碼：

二、程序仿真

仿真程序圖

系統(tǒng)的頂層原理圖如下：

三、程序說明

電路變量分析

四、知識點說明

五、實驗結(jié)論及總結(jié)

隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，電子線路的設(shè)計工作也日益顯得重要。經(jīng)過人工設(shè)計、制作實驗板、調(diào)試再修改的多次循環(huán)才定型的傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計方法必然被計算機輔助設(shè)計所取代，因為這種費時費力又費資源的設(shè)計調(diào)試方法既增加了產(chǎn)品開發(fā)的成本，又受到實驗工作場地及儀器設(shè)備的限制。為了克服上述困難，加拿大Interactive Image Technologies公司推出的基于Windows 95／98／NT操作系統(tǒng)的EDA軟件。他可以將不同類型的電路組合成混合電路進行仿真。此外，從另一角度來看，隨著計算機技術(shù)和集成電路技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代電子與電工設(shè)計，已經(jīng)步入了電子設(shè)計自動化（EDA）的時代，采用虛擬仿真的手段對電子產(chǎn)品進行前期工作的調(diào)試，已成為一種發(fā)展的必然趨勢。通過對實際電子線路的仿真分析，從而提高對電路的分析、設(shè)計和創(chuàng)新能力。

數(shù)字集成電路本身在不斷地進行更新?lián)Q代。它由早期的電子管、晶體管、小中規(guī)模集成電路、發(fā)展到超大規(guī)模集成電路(VLSIC，幾萬門以上)以及許多具有特定功能的專用集成電路。但是，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計與制造集成電路的任務(wù)已不完全由半導(dǎo)體廠商來獨立承擔(dān)。系統(tǒng)設(shè)計師們更愿意自己設(shè)計專用集成電路(ASIC)芯片，而且希望ASIC的設(shè)計周期盡可能短，最好是在實驗室里就能設(shè)計出合適的ASIC芯片，并且立即投入實際應(yīng)用之中，因而出現(xiàn)了現(xiàn)場可編程邏輯器件(FPLD)，其中應(yīng)用最廣泛的當(dāng)屬現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)和復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)。

FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)與 CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)都是可編程邏輯器件，它們是在PAL,GAL等邏輯器件的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的。同以往的PAL,GAL等相比較，F(xiàn)PGA／CPLD的規(guī)模比較大，它可以替代幾十甚至幾千塊通用IC芯片。這樣的FPGA／CPLD實際上就是一個子系統(tǒng)部件。

本次EDA課程設(shè)計就是利用VerilogHDL來設(shè)計設(shè)計一個自動售貨機，機器設(shè)有2個投幣孔，可以接受一元和五角的硬幣，每瓶飲料2.5元，可用2個按鍵來代替。還設(shè)有2個輸出，要求有找零和提示信號，分別輸出飲料和找零,編寫一個測試平臺，并通過仿真對該模型進行測試。

仿真波形及分析

分析前仿真波形，每個時鐘周期為100ns，如圖：在100ns系統(tǒng)復(fù)位，到550ns時，輸入5個wu_jiao信號，get和sell_out信號出現(xiàn)告電平，持續(xù)100ns，表示賣出和取飲料信號。第三組開始輸入信號：在1050ns且為上升沿時，1個yi_yuan高電平，后接著倆wu_jiao高電平，又一個yi_yuan高電平，half_out/get和sell_out信號出現(xiàn)告電平持續(xù)100ns，表示分別有賣出、找零和取飲料信號。在1850ns時第5組測試數(shù)據(jù)開始，同時為時鐘上升沿，分別有三個wu_jiao和一個yi_yuan高電平，滿足輸出，get、sell_out同時為高，持續(xù)100ns,表示分別賣出和取飲料信號。

1.本次仿真實驗通過對自動售貨機狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖的分析得出其工作原理，并根據(jù)工作原理編寫出Verilog HDL源程序；

2.通過仿真驗證，該設(shè)計能較好的實現(xiàn)自動售貨機的基本功能；

3.根據(jù)仿真結(jié)果，仿真輸出與理論值相比有一定的延時，這是系統(tǒng)誤差，難以消除。

1、從仿真的角度來說，HDL語言面對的是編譯器（如Modelsim等），相當(dāng)于軟件思路。 這時：

wire對應(yīng)于連續(xù)賦值，如assign

reg對應(yīng)于過程賦值，如always，initial  

從綜合的角度來說，HDL語言面對的是綜合器（如DC等），要從電路的角度來考慮。 這時：

1、wire型的變量綜合出來一般是一根導(dǎo)線； 2、reg變量在always塊中有兩種情況：

(1)、always后的敏感表中是（a or b or c）形式的，也就是不帶時鐘邊沿的，綜合出來還是組合邏輯

(2)、always后的敏感表中是（posedge clk）形式的，也就是帶邊沿的，綜合出來一般是時序邏輯，會包含觸發(fā)器（Flip－Flop）  

2、verilog中always@（posedge clk）無競爭冒險，因為這是時序電路，a和c值的更新是在時鐘沿到來時才會被采樣的，你所看見的一個時鐘周期，就是周期的概念，是延遲一周期后才賦值的，比如在0時刻，你給b，a一個初值1,1，而之前b，a值為0,0，則此時a為0的那個值賦給c，b為0值賦給a，在運行完這之后，由于有新值a=1，a值變化，a為1，即此時a=1，b=1，c=0，在下個周期時，c才等于1的。

3、#加數(shù)字表示延遲

4、Verilog中Timescale的用法

（1）`timescale 1ns / 1ps，含義為：時延單位為1ns，時延精度為1ps。

（2）在編譯過程中，`timescale會影響其后面所有模塊中的時延值，直至遇到另一個`timescale指令或`resetall指令。

（3） 當(dāng)一個設(shè)計中的多個模塊帶有自身的`timescale編譯指令時，模擬器將定位在所有模塊的最小時延精度上，并且所有時延都相應(yīng)地換算為最小時延精度。

5、$random(seed)是verilog中最簡單的產(chǎn)生隨機數(shù)的系統(tǒng)函數(shù)，給$random傳入了參數(shù)seed。

6、reg [2:0]s:定義一個三位的計數(shù)器

7、parameter 作用于聲明的那個文件；`define 從編譯器讀到這條指令開始到編譯結(jié)束都有效，或者遇到`undef命令使之失效。狀態(tài)機的定義可以用parameter 定義，但是不推薦使用`define 宏定義的方式，因為'define 宏定義在編譯時自動替換整個設(shè)計中所定義的宏，而parameter 僅僅定義模塊內(nèi)部的參數(shù)，定義的參數(shù)不會與模塊外的其他狀態(tài)機混淆。

    通過此次仿真實驗—基于狀態(tài)機的自動售貨機的設(shè)計，我掌握了Quartus II軟件的基本使用方法以及Verilog HDL語言的語法特點，可以初步編寫一些邏輯功能較為簡單的源程序。同時，通過此次實驗，我掌握了設(shè)計工作的完整流程，為以后的課程設(shè)計積累了寶貴的經(jīng)驗。最后，實驗過程中難免遇到一些問題，我們要冷靜分析，找出原因�？傊�，通過此次實驗，我學(xué)到了許多有益的知識。