近年來,隨著集成電路技術的迅猛發展,特別是可編程邏輯器件的高速發展, EDA" title="EDA">EDA（Electronic Design Automation,電子設計自動化）技術成為電子設計工程師的新寵。EDA技術以計算機為工具完成數字系統的邏輯綜合、布局布線和設計仿真等工作。電路設計者只需要完成對系統功能的描述,就可以由計算機軟件進行系統處理,最后得到設計結果,并且修改設計方案如同修改軟件一樣方便。利用EDA工具可以極大地提高設計效率。
利用硬件描述語言編程來表示邏輯器件及系統硬件的功能和行為，是EDA設計方法的一個重要特征。VHDL" title="VHDL">VHDL(Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language,超高速集成電路硬件描述語言)是硬件描述語言的一種，對系統硬件的描述功能很強而語法又比較簡單。VHDL具有強大的行為描述能力，設計者可以不懂硬件的結構，只需集中精力進行電子系統的設計和性能優化；具有方便的邏輯仿真與調試功能，在設計早期就能查驗系統的功能，方便地比較各種方案的可行性及其優劣。目前，VHDL作為IEEE的工業標準硬件描述語言，得到眾多EDA公司的支持，在電子工程領域已經成為事實上通用硬件描述語言。
本文采用VHDL作為工具描述了自動售貨機" title="自動售貨機">自動售貨機控制模塊的邏輯控制電路，并在FPGA" title="FPGA">FPGA上實現。該自動售貨機能夠根據投入硬幣額度，按預定的要求在投入硬幣大于規定值時送出飲料并找零。
設計方案
本文所設計的簡易自動售貨機可銷售礦泉水，假設每瓶1.5元。設兩個投幣孔，分別接收1元和5角兩種硬幣，兩個輸出口，分別輸出購買的商品和找零。假設每次只能投入一枚1元或5角硬幣，投入1元5角硬幣后機器自動給出一瓶礦泉水；投入2元硬幣后，在給出一瓶礦泉水的同時找回一枚5角的硬幣。另外設置一復位按鈕，當復位按鈕按下時，自動售貨機回到初始狀態。
開發軟件選用功能強大的Altera公司的最新可編程邏輯器件開發工具Quartus II 8.0，實現芯片選用Altera公司FLEX10K系列的EPF10K10LC84-4；首先在計算機上完成程序設計、編譯及時序仿真，然后將經過驗證的設計文件下載到選擇的可編程邏輯器件中，并在電子設計自動化實驗系統中進行硬件模擬和測試。
狀態機VHDL程序設計
有限狀態機FSM(Finite State Machine)及其設計技術是實用數字系統設計中實現高效率、高可靠邏輯控制的重要途徑。傳統的狀態機設計方法需進行繁瑣的狀態分配、繪制狀態表、簡化次態方程等，而利用VHDL可以避免這些煩瑣的過程，直接利用狀態轉換圖進行狀態機的描述。此外，與VHDL的其他描述方式相比，狀態機的VHDL表述豐富多樣，程序層次分明，結構清晰，易讀易懂；在排錯、修改和模塊移植方面也有其獨到的特點。
狀態機有摩爾（Moore）型和米立（Mealy）型兩種。Moore型狀態機的輸出信號只與當前狀態有關；Mealy型狀態機的輸出信號不僅與當前狀態有關，還與輸入信號有關。結合本文設計，由于輸出僅與狀態有關，選用了Moore型狀態機設計自動售貨機控制模塊，狀態轉換圖如圖1所示。
圖1 自動售貨機狀態轉換圖
1)狀態定義：S0表示初態，S1表示投入5角硬幣，S2表示投入1元硬幣，S3表示投入1元5角硬幣，S4表示投入2元硬幣。
2）輸入信號：取投幣信號為輸入邏輯變量，用兩位的矢量state_inputs表示。state_inputs(0)表示投入1元硬幣，state_inputs(1)表示投入5角硬幣。輸入信號為1表示投入硬幣，輸入信號為0表示未投入硬幣。
3）輸出信號：給出礦泉水和找零為兩個輸出變量，用兩位的矢量comb_outputs表示。comb_outputs(0)表示輸出貨物，comb_outputs(1)表示找5角零錢。輸出信號為1表示輸出貨物或找零，輸出信號為0表示不輸出貨物或不找零。
根據圖1所示的狀態轉換圖，用VHDL中的CASE_WHEN結構和IF_THEN_ELSE語句實現控制功能，源程序如下：
編譯、仿真及FPGA實現
在Altera公司的可編程邏輯器件集成開發平臺Quartus II 8.0下完成程序的編輯、編譯并進行時序仿真。
1）編譯：編譯是EDA設計中的核心環節。軟件將對設計輸入文件進行邏輯化簡、綜合和優化， 適當地用一片或多片器件進行適配，最后產生編程用的編程文件。主要包括設計編譯和檢查、邏輯優化和綜合、適配和分割、布局和布線、生成編程數據文件等過程。自動售貨機控制模塊VHDL文件編譯報告如圖2所示。
圖2 編譯報告
報告中給出了進行編譯的時間、采用的開發軟件的版本、頂層設計實體名、選用器件的系列和型號、時序分析情況、占用資源情況及引腳使用情況等信息。
2）時序仿真：編譯后對系統和各模塊進行時序仿真，分析其時序關系，估計設計的性能及檢查和消除競爭冒險是非常有必要的。仿真前，先利用波形編輯器建立波形文件，仿真結果將會生成報告文件和輸出信號波形，從中便可以觀察到各個節點的信號變化。若發現錯誤，則返回設計輸入中修改設計邏輯。自動售貨機控制模塊仿真波形如圖3所示。
圖3 時序仿真波形
3） FPGA實現：將編譯階段生成的編程數據文件通過Quartus II 下載到芯片EPF10K10LC84-4中，并在電子設計自動化實驗系統中進行測試得到了正確的結果。