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前言
本次数电的课程设计是设计一款基于FPGA的自动售货控制系统，因为手上暂时没有FPGA的板子，所以先采用proteus仿真进行设计，观察系统效果，等之后FPGA板子下发，再移到quartus上调试和下载。同样是自己第一次自主设计电路系统，可能在功能上不完整或者逻辑上有错误，大家多多包涵，欢迎沟通交流。
一、设计要求与指标
本课设设计的是自动售货机控制系统，此系统有以下几方面的功能：
- 系统启动后要初始化，商家够投放商品和设置价格；
- 顾客能够选择自己所需的商品并点击确认；
- 顾客能够完成所选商品的支付付款；
- 自动售货机系统能够根据顾客的支付面额进行找零和商品的掉落，以及低于商品价格时，退还顾客的支付面额；
- 在找零支付和退还结束后以及顾客在30秒内未完成商品的付款，自动返回商品选择界面，重新选择商品；
- 系统自检报错。
二、原理总框图和设计思路说明
1、原理总框图
2、设计思路说明
整个系统分为六部分，分别是：系统初始化、顾客选择商品、顾客支付、找零和退还判别、倒计时以及系统自检部分。
1）系统初始化部分：在商家权限开启时，能够设置商品价格和投放商品，设置完成后，商家能够锁定，使商品编号以及对应的价格无法发生变动，完成系统的初始化设置。
器件选型：此部分采用7475集成D锁存器、74161二进制同步加法计数器、74247共阳数码管显示译码器、74138三线-八线译码器、74151 8选1数据选择器以及或非门、与非门构成。
2）顾客选择商品部分：在系统初始化完成后，顾客可以选择自己想要的商品，并从存储模块中调出相关编号的商品价格并显示出来，点击确定后，购买该编号的商品，进而进入支付模块并且此时商品的价格无法发生变动。
器件选型：此部分采用7475集成D锁存器、74247共阳数码管显示译码器构成。
3）顾客支付部分：在顾客选择完想要的商品后，进行投币并且显示相应的投币金额，在完成支付后，触发支付成功，此时投币金额被锁定无法改变。
器件选型：此部分采用7475集成D锁存器、74247共阳数码管显示译码器和非门构成。
4）找零和退还判别部分：在顾客支付完成时，自动进入找零和退还判别部分，把投币的金额信息和商品的价格信息输入到此模块中，先通过比较器进行比较，判别投币金额和商品价格的大小，当投币金额大于等于商家价格时，自动显示找零的金额信息，反之，则不显示找零信息，LED灯亮起，自动退还顾客的付款金额，在上述完成后自动进入倒计时模块。
器件选型：此部分采用7485数据比较器、74283超前进位加法器、74247共阳数码管显示译码器和若干与门、或门、非门构成。
5）倒计时部分：在顾客选择完商品确认后，进入30秒的倒计时，顾客需在30秒内完成对选择商品的支付，未支付成功，则返回商品选择界面重新选择商品；在找零和退还阶段结束时，自动进入10秒倒计时，10秒后自动返回商品选择界面重新选择商品。
器件选型：此部分采用74192异步可预置计数器、74247共阳数码管显示译码器、分频器以及若干个逻辑门电路构成。
6）系统自检部分：本系统的工作流程是在系统初始化后，顾客可以选择商品并且确认，进行商品支付，未在30秒内完成支付的，自动进入商品选择界面重新选择商品；支付成功后，自动找零或者退还结束时，触发10秒倒计时，10秒结束后自动返回商品选择界面重新选择商品。当系统运行出错时，系统自动报警，此时管理员（商家）检查系统错误。
器件选型：此部分采用与门、与非门、或门、或非门和非门构成。
三、各部分模块的设计与实现
1、选择模块的设计与实现
模块实现电路：
模块封装：
模块仿真结果：
说明：
选择模块主要设置三个按键，按键上接有上拉电阻，当未按下时，输出为高电平，按下后电平拉低，输出为低电平。按键一设置商品的价格(spjg)，按键二选择商品的编号(spbh)，按键三设置投币面额(tbme)，当按键按下时，输入为低电平，7475采用输出口的反相高电平，而74161 cp端是上升沿触发，按键按下后74161上升沿触发开始计数，商品价格和投币面额采用74161的十进制8421BCD码计数，商品编号选择采用八进制8421BCD码计数，商品编号选择按键控制着数码管显示和74138选择商品的编号。从模块仿真结果来看，选择模块能够正常实现商品价格、商品编号和投币面额的选择和设置。把选择模块进行封装成一个模块，命名为initopt1。
2、存储模块的设计与实现
模块实现电路：
模块封装：
说明：
存储模块主要采用8块7475和4块74151进行设计，能存储8款商品的价格和编号信息。此模块设置了管理员权限，当管理员权限为低电平时，商家开始设置价格和投放商品，此刻二输入或非门处于全0为1状态，每个存储单元能够存储对应的商品价格和对应的编号信息，当选中设置下一个商品的信息时，上一个商品被锁定，无法修改上一个商品的信息，当设置完全部的商品信息后，管理员权限锁定为高电平，存储模块被锁定，无法修改商品信息，这样商品的信息就被记忆下来，而4块74151是用来输出的是每个商品的二进制价格。把存储模块进行封装成一个模块，命名为initopt2。
3、顾客选择商品确定模块的设计与实现
模块实现电路：
模块封装：
模块仿真结果：
说明：
顾客选择确定模块，顾客可以选择自己想要的商品，此时顾客每按下一个商品的编号，74247就会驱动数码管显示一种商品编号的价格，当顾客选择好后，按下确定键，此时商品价格锁定，不再变动，进入支付模块，并且向找零和退还判别模块输送二进制商品价格数据，同时C5、C6向倒计时模块输送确定（高电平）信息。从模块仿真结果来看，顾客选择确定模块能够正确显示数码管、控制等信息，并且在锁定商品价格后，不管如何选择商品编号，改变商品价格，此模块锁定的价格依旧没变化，一直保持在锁定状态。把顾客选择确定模块进行封装成一个模块，命名为zxoksys1。
4、投币模块的设计与实现
模块实现电路：
模块封装：
模块仿真结果：
说明：
投币模块在顾客选择好商品确认后工作，在顾客投币时7475锁存器开启，74247能够实时显示顾客的投币金额，当顾客付款成功时（确定）,7475锁存器锁定，付款金额无法变动，并把付款信息传输给找零和退还判别模块进行比较。从模块仿真结果来看，投币模块能够正常显示投入的金额信息，并且在支付成功时，能够锁定付款金额信息，再次调整付款金额，投币模块显示信息无法改变。把支付模块进行封装成一个模块，命名为tbsys1。
5、找零和退还判别模块的设计与实现
模块实现电路：
模块封装：
模块仿真结果：
说明：
找零和退还判别模块在顾客支付完成时，自动触发C3为高电平，使投入金额和商品价格输入到模块中，进入投入金额和商品价格的判别阶段，此阶段采用7485比较器，比较两者数据的大小，找零采用的是74283加法器构成的减法电路，当投入金额大于等于商品价格时，减法电路工作，输出找零的金额，反之，因为减法电路输出的负数是混乱的，所以采用LED灯输出高电平（亮起）和熄灭找零显示的反馈形式，退还顾客投入金额，在正常有找零的情况下，LED灯为低电平（熄灭），在完成判别后输出一个结束信号和自动触发C3为高电平一起输入到倒计时模块中。从模块仿真结果来看，找零和退还判别模块能够正常反馈找零和退还信息，并且反馈结束信号。把找零和退还判别模块进行封装成一个模块，命名为zlandthsys1。
6、倒计时模块的设计与实现
模块实现电路：
模块封装：
说明：
1）触发30秒倒计时逻辑部分
倒计时模块通过分频器，将FPGA板子中的50MHz的时钟信号分频成1Hz的时钟信号输入到触发30秒倒计时逻辑部分中，此部分逻辑真值表如下：A为1Hz的时钟信号、B为30秒倒计时74192级联十位的(BO)’端，C（C1）为支付确定是否按下（1-按下；0-未按下）结果的反相值。
| C | B | A | Y | Y' |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 0 |
商品确认按键按下前，30秒倒计时模块一直锁定在“29”的界面，未启动，(BO)’端保持在高电平状态。商品确认按键按下后，倒计时30秒的(LD)’端输入高电平，倒计时启动，当支付确定键未按下时（低电平），倒计时30秒一直走，当倒计时走到“00”时，(BO)’端输出低电平，此时无论时钟信号如何变化，输出Y一直保持在低电平状态，倒计时不再走动，且Y的状态输入到自动返回逻辑部分中，开始再一次重新选择商品；当支付确定按下时（高电平），30秒倒计时停止，(BO)’端一直保持在高电平状态，C1输出低电平，使投币模块的金额界面锁定，无论1Hz的时钟信号如何变化，输出Y一直输出低电平。
2）触发10秒倒计时逻辑部分
触发10秒倒计时逻辑部分中，此部分逻辑真值表如下：B（over1）为支付确定是否按下（1-按下；0-未按下）、A（over2）为找零和判别模块的输出结果。
| B | A | Y |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 1 |
当支付确定按键按下后，无论此部分处在找零或者退还状态，Y都输出为高电平，触发十秒倒计时开始，反之，则锁定在倒计时开始时“9”的状态。
3）自动返回逻辑部分
自动返回逻辑部分中，此部分逻辑真值表如下：A为10秒倒计时的(BO)’端、B为30秒倒计时74192级联十位的(BO)’端、C（C5）为商品选择确定键是否按下、D（C2）为支付确定键是否按下（1-按下；0-未按下）。
| D | C | B | A | Y |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| 0 | 0 | 0 | 1 | X |
| 0 | 0 | 1 | 0 | X |
| 0 | 0 | 1 | 1 | X |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | X |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 1 | 1 | X |
| 1 | 0 | 0 | 0 | X |
| 1 | 0 | 0 | 1 | X |
| 1 | 0 | 1 | 0 | X |
| 1 | 0 | 1 | 1 | X |
| 1 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 1 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
在系统的运作中，应满足以下其中工作状态：0000、0100、0110、1100、1101、1110、1111，其中0000、0110、1101和1111四种状态为系统自动返回重新选择商品的状态，而0100、1100和1110是选择的商品信息锁定状态。当未能满足以上七种状态视为系统报错，报错输出信息为X（这里当X=0），此时模块向系统自检模块传输系统报错信息，由系统自检模块进行解读和报警，反之，则系统继续运作。
7、系统自检模块的设计与实现
模块实现电路：
模块封装：
模块仿真结果：
说明：
系统自检模块是对系统的错误工作状态进行报错，提醒商家系统出错。根据上述系统状态中，0001、0010、0011、0101、0111、1000、1001、1010和1011皆为系统出错状态，当系统出现异常后，此模块对错误信息进行解读，并作出报警提醒，反之，则忽略系统正常的信息。
四、总电路图、调试实现、作品图片展示和说明
1、总电路图
Initopt1是选择模块，initopt2是存储模块，zxoksys1是顾客选择商品确定模块，tbsys1是投币模块，zlandthsys1是找零和退还判别模块，djssys1是倒计时模块以及xtzjsys1是系统自检模块。
2、调试实现
图中A数码管显示商品的价格，B数码管显示商品编号，C数码管显示投币面额，DE数码管显示30秒倒计时，F显示找零；A开关是管理员权限，B开关是商品确定，C开关是支付确定；A灯是退还提示，B灯是系统报错提示，C灯是结束提示灯；A按键是设置商品价格，B按键是选择商品的编号，C按键是投币。
系统上电启动界面如上图，按键AB和数码管AB是系统初始化商家设置和显示商品信息，设置完成后，拨动开关A，管理员权限锁定，顾客可以开始选择通过按键B选择商品商品，选择完毕后，拨动开关B进行确定，这时数码管DE开始启动30秒倒计时，在30秒内通过按键C完成支付并且拨动开关C进行确定，数码管C显示投币价格，这时数码管F就会显示找零，当投币面额小于商品价格时灯A亮，反之则熄灭，结束后灯C亮起，进入重新选择，开关BC拨动到低电平，当系统异常时，灯B亮起，反之熄灭。
3、作品图片展示
1）系统初始化商家设置商品信息界面
2）商家设置完商品信息后，管理员权限锁定界面
3）顾客选择商品后确认，30秒倒计时开始界面
4）顾客支付确定后显示的找零界面
5）系统异常时的报错提示界面
五、列举自己遇到的问题和如何解决的
在选择模块的设计时，考虑到要输入商品信息和投币金额，需要用到拨码开关进行拨码输入，但考虑到FPGA板子上的拨码开关数量没有这么多，就改用按键计数器的方式，输入商品和投币金额信息；
在找零部分的设计时，由于没有专门的减法器芯片，所以考虑了很久，在翻阅书籍和笔记后发现加法器可以通过特定的电路变成减法器，从而进行运算，输出找零金额；
在退还金额舍设计和倒计时10秒设计时，因为数码数量不够，不能显示数据，因此采用亮灯的方式进行倒计时结束和退还金额的提示；
在设计倒计时模块中的自动返回部分时，发现逻辑电路有明显的漏洞，就是在系统正常的几个状态下，也存在系统异常的状态，考虑了一下，解决方案，就是在设计一个系统自检模块，当系统出现异常状态下，能够进行异常提示，从而避免系统异常的状态。
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