摘 要近年来,随着半导体工艺、电路集成程度的快速发展，FPGA已经在数字电路中应用得越来越广泛，EDA工具逐渐成为电路设计工具并且技术日益成熟。本文介绍了以FPGA技术为核心，运用Verilog HDL语言功能的编程，采用有限状态机（FSM）实现基于FPGA多功能自动饮料机设计。多功能自动饮料机是能根据投入的钱币自动付货的机器，他是商业自动化的常用设备，而且不受时间、地点的限制，可以节省人力，方便交易。本课题为基于FPGA的多功能自动饮料机设计，设计的多功能自动饮料机采用Verilog HDL语言在Quartus II软件平台上进行编程、编译、综合优化和仿真，最后将生成器件下载到FPGA目标芯片上，完成自动售货机控制系统的功能实现。使有关的设计方法思路得到一个很好的证实与实现，并通过功能仿真和硬件验证的方式论证了程序设计的正确性和有效性。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题研究背景 1
1.2国内外研究现状 1
1.3研究的前景极其意义 2
1.4课题研究内容 2
1.5本章小结 3
第二章 开发设计基础 4
2.1FPGA简介 4
2.1.1FPGA概述 4
2.1.2FPGA设计优点 4
2.2EDA技术简介 5
2.3Verilog HDL语言概述 6
2.4Quartus II软件介绍 7
2.5有限状态机（FSM）简介 7
2.5.1FSM概述 7
2.5.2FSM设计优点 7
2.5.3FSM设计步骤 8
2.5.4设计FSM的基本原则 8
2.6本章小结 9
第三章 系统的设计与实现 10
3.1多功能自动饮料机的整体描述 10
3.1.1多功能自动饮料机的功能要求 10
3.1.2多功能自动饮料机系统总框图 10
3.1.3多功能自动饮料机基本流程图 11
3.2程序的设计 12
3.2.1外部按键输入模块设计 12
3.2.2进制转换模块设计 13
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/> 3.2.3按键消抖模块设计 14
3.2.4 VEM模块设计 15
3.2.5有限状态机（FSM）设计 16
3.2.6数码管动态显示模块设计 17
3.3主要功能的实现 18
3.3.1定价模块 19
3.3.2投币模块 19
3.3.3找零模块 19
3.4顶层原理图 20
3.5本章小结 20
第四章 系统的仿真与验证 21
4.1系统的功能仿真 21
4.2下载调试 22
4.3系统输出显示验证 23
4.4本章小结 24
结束语 25
致 谢 26
参考文献 27
附录 28
第一章 绪论
1.1课题研究背景
自1947年美国贝尔实验室的布拉坦、肖克莱、巴丁发明晶体管以来，集成电路技术得到了快速的发展，多媒体移动技术和数据通信的发展，特别是移动通信的飞速发展，对集成电路提出了更高的要求。随着半导体技术的不断进步和发展，数字系统的设计方法也发生了很大的变化，由中小规模集成度的标准通用集成电路，向用户定制的专用集成电路（ASIC）过渡[1]。而基于EDA技术的FPGA芯片设计正在成为数字系统设计的主流。FPGA技术因其功能强大，开发工程投资小、周期短、保密性能好、可反复编程、开发工具智能化等特点，在电子、通信等领域得到了广泛的应用，成为数字系统设计领域中的重要器件之一[2]。
与此同时，高速集成电路硬件描述语言Verilog HDL，具有多层次描述系统硬件功能的能力，同时具有模块化、层次化设计的能力，通过描述芯片功能，各种电子系统可以实现其功能，这也让产品在开发周期、设计成本以及产品体积上都表现出很好的优势，另外在产品功耗、系统灵活性、可靠性等方面非常优秀[3]。这种设计方法已经成为设计主流并且逐渐取代传统的电子电路设计，本课题主要是以FPGA技术为核心，运用Verilog HDL语言功能的编程实现基于FPGA多功能自动饮料机设计。
1.2国内外研究现状
多功能自动饮料机是能根据投入的货币金额自动付货的机器，是商业自动化的常用基础设备，而且不受地点、时间的限制，可以节省人力，利于交易。现代的多功能自动饮料机的种类、结构和功能依出售的商品而异。货币模块是饮料机的核心，其主要的功能是确认所投入货币的大小、种类并计算其金额。若投入的货币金额达到了所要购买饮料的定价即发出出货信息，并找零，输出顾客所需的饮料。因此，多功能自动饮料机越来越普及，更为方便顾客购买自己所需的饮料，使用可靠、方便、节省人力的多功能自动饮料机将在社会生活中成为一种趋势。目前随着移动商务的发展，多功能自动饮料机作为一种直观、方便的移动商务工具开始在全球各地迅速发展和普及[4]。
多功能自动饮料机作为自动售货机的一种，而自动售货机是一种全新的商业零售形式，自20世纪80年代以来，自动售货机在美国、日本等发达国家拥有了快速的发展和普及。在美国，其运营商就有一万家之多，并且与各大饮料商、各大食品商之间有着丰富的合作经验。在英国，其国内的信托机构、银行等还专门推出一种卡片。在加拿大，不采用投币方式的自动饮料机已有很多，其应用的是一种具有先进信息功能的纽扣式触摸技术。在日本，由于自动售货机无所不在，24小时不间断供应，所以它特别受忙碌的人们所欢迎。
自动饮料机已经发展成为一个相对成熟的零售业，在西方发达国家及日韩等国，但是对于中国来说尚处于发展初期。可是近些年，自动售货机发展迅猛在我国的各大城市，其发展前景极其可观[5]。大学校园、码头车站、宾馆酒店、街道等处自动饮料机随处可见。而开发出的支付宝，微信等移动支付饮料机除了更为方便售货之外，也是一种广泛传播的广告媒介，随着我国零售业态的不断发展，对于多功能自动饮料机为代表的自动售卖机的发展提供了更好的环境和契机。
1.3研究的前景极其意义
多功能自动饮料机的机体内部结构已经相当完善，目前，自动饮料机产业正逐步合理化并实现信息化。如实行的联机形式，通过网络将自动饮料机内的库存等信息同步传送到各终端的电脑中，从而保证了饮料的补充、发送以及商品售卖的有序进行。同时，为预防全球变暖，自动饮料机的开发设计逐步节省能源，该行业的主流也逐步变成清凉节能型饮料售买机。21世纪以来，多功能自动饮料机也将逐步向着高功能化及节省资源能源的方向发展。自动饮料机以为人们的生产生活带来最大程度的便利为最终发展目标，这不仅仅是实现最基础的功能，更重要的是不能够给人们工作生活带来任何不良影响[6]。综上，未来，自动饮料机必然朝着性能多样化、功耗节能化、监控管理智能化等方向发展。

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