地鐵自動售票機(基于FPGA)設計

1、地鐵自動售票機（基于FPGA）西安電子科技大學08級集成電路設計與集成系統(tǒng)專業(yè) 井站14082094 尹俊鏢14082108 潘志友14082068 李波14082117一 功能需求1 市場目標本工程設計是基于FPGA設計一個地鐵自動售票系統(tǒng).近年來,集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展,特別是可編程邏輯器件的高速發(fā)展,電子設計自動化EDA技術(shù)成為電子設計工程師的新寵。然而隨著城市人口的迅速增加、車輛的增多,世界各地的城市交通變得愈發(fā)擁擠,地鐵成為城市交通的重要組成部分。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，我國的地鐵建設也日益成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠?。作為地鐵運營服務的第一道關(guān)，改善地鐵已逐漸落后于時代步伐的售票

2、系統(tǒng)勢在必行。本系統(tǒng)是結(jié)合行業(yè)管理中實際的地鐵售票系統(tǒng)運行過程中的需求過程，經(jīng)過實際的需求分析，開發(fā)出來的地鐵自動售票系統(tǒng).整個系統(tǒng)的設計從符合操作簡便快捷、靈活實用、保證穩(wěn)定安全的要求出發(fā),完成售票管理的基本過程。2 功能定義通過本設計，正確掌握數(shù)字系統(tǒng)的模塊劃分、并能自如應用硬件描述語言描述各模塊功能，以實現(xiàn)系統(tǒng)設計。以Verilog語言和Quartue II,Modlesim為工具,實現(xiàn)了地鐵自動售票系統(tǒng)。系統(tǒng)劃分為幾個功能模塊，分模塊進行分析和設計,系統(tǒng)給出相應的設計原理圖和Verilog源程序,通過仿真實現(xiàn)預定的功能.本組成員參與設計的自動售票機,就其功能特點來說,可以歸納如下:1)

3、該自動售票系統(tǒng)可對單價為3元、4元、5元,6元四種票售票。2)能選擇買1張或2張票;3）有1元，5元、10元，20元四個投幣口。當投入的錢幣與選擇的票款相等時，送出車票；若投入的錢幣不夠，1分鐘后,退出錢幣，無票送出；若投入的錢幣超過票款，能自動找贖。4）系統(tǒng)顯示選擇所選票單價面額、購買的票數(shù)、投入的錢幣額及找贖的錢額.3 應用案例在廣州地鐵、北京地鐵、南京地鐵等全國十多條城市軌道交通線路都能見到廣電運通自動售票機的身影。作為目前中國最具有成長力的AFC（自動售檢票系統(tǒng)）設備提供商，廣電運通在軌道交通領(lǐng)域已取得了眾多成功案例。廣電運通自動售票機支持硬幣和成疊紙幣找零、紙質(zhì)磁票打印、成疊出票及錢

4、票遺忘回收等多項功能，界面簡潔、標識清晰,操作便利,極大縮短了旅客的購票時間,受到旅客們的歡迎。二 開發(fā)計劃1 項目分工井站：負責 選票模塊,投幣模塊，找零模塊，頂層模塊代碼的編寫和測試仿真尹俊鏢：負責計數(shù)器序列模塊,6選1選擇器模塊，數(shù)碼管譯碼器模塊，數(shù)碼管位選模塊等顯示功能的代碼編寫和測試仿真和后期實驗報告文檔編寫.潘志友，李波:負責市場調(diào)研分析,查找參考資料等眾多任務。2 進度規(guī)劃 第一天:選定設計題目，分析項目可行性，完成市場調(diào)研分析，查找相關(guān)參考資料；進行工程的整體規(guī)劃。第二天和第三天 :用Modlesim軟件完成各個子模塊的代碼編寫和測試仿真；第四天：學習QuartueII 軟件，

5、完成綜合文件，最后書寫實驗報告,工程竣工.3 技術(shù)重點及其預期難點分析重點在于整體規(guī)劃是否合理可行，代碼是否成功編寫,預期難點是不熟悉QuartueII 軟件的開發(fā)環(huán)境。4可行性分析 整體設計思路是:通過選擇票的單價和數(shù)量,將總額和投幣總額比較，當投入的錢幣與選擇的票款相等時，送出車票；若投入的錢幣不夠，1分鐘后,退出錢幣，無票送出；若投入的錢幣超過票款，能自動找贖。最后顯示信息。通過成員的反復論證,確認該設計思路可行。三設計方案及其驗證測試。1 系統(tǒng)的總體框架結(jié)構(gòu)地鐵自動售票系統(tǒng)大致可分為四個功能模塊:車票選擇模塊、錢幣處理模塊、余額計算模塊、顯示功能模塊.28系統(tǒng)總體框圖如圖所示：車票選擇

6、模塊錢幣處理模塊余額計算模塊顯示功能模塊系統(tǒng)總體框圖1）車票選擇模塊。當自動售票機通電時,表示一次投幣售票過程開始；乘客正常購買車票操作失誤包括改變購買意向或不再購買，按rd按鈕重新進入初始狀態(tài)；在初始狀態(tài)pri和qua生效時，顧客可以根據(jù)自己的需要，選擇其中一種車票(只限一種）和票數(shù)，進入下一模塊。2)錢幣處理模塊.表示投入的錢幣是1元,5元、10元,20元的coin_1，coin_5、coin_10,coin_20生效，記錄所投錢幣總額.3）余額計算模塊。當投人錢幣總額大于或等于車票價格,并且按確認鍵后出票并找零;若投入錢幣總額小于車票價格,售票機不出票，并退出所投錢幣,進入初始狀態(tài).4)

7、顯示功能模塊.此模塊根據(jù)輸入提供的數(shù)據(jù),用數(shù)碼管來顯示選擇的是所選票面額、購買的票數(shù)、投入的錢幣額及找贖的錢額.292 功能模塊分析頂層模塊代碼如下：module top（pri_3，pri_4，pri_5，pri_6,qua_1，qua_2，coin_1，coin_5,coin_10,coin_20，rd，finish，clk1,clk2,outw，outz，act_1，act）;Inputpri_3，pri_4,pri_5，pri_6，qua_1,qua_2,coin_1，coin_5，coin_10， coin_20，rd,clk1,clk2,finish；output act_1；ou

8、tput3:0 act；output5：0 outw；output6:0 outz;wire act_1；wire3:0 act；wire5：0 outw;wire6：0 outz;wire3：0 w1,w2，w3，w5,w6,w7,w8，w10；wire2：0 w9;wire4：0 w4；Xuanpiaox1（。pri_3（pri_3），。pri_4（pri_4），.pri_5（pri_5),.pri_6（pri_6）， 。qua_1（qua_1)，.qua_2（qua_2），。clk（clk1）,。rd（rd），。pri（w2)，。qua（w3），。cost（w1）；Toubit1（。co

9、in_1（coin_1），.coin_5(coin_5），。coin_10(coin_10）,.coin_20（coin_20)，。clk(clk1）,.rd(rd） ，.coinh(w5)，。coinl（w6)，.coin（w4）；zhaoling z1（。pri_in（w2)，。cost_in（w1），.coin_in（w4)，.finish（finish)，。clk（clk1)，.rd（rd），。act（act），.act_1（act_1）,。rest（)，。restl（w8),.resth（w7）；counter6c1(。clk2（clk2)，。out（w9）；select6_1 s1

10、（。out(w10）,.in0(w2）,。in1（w3)，。in2（w5），。in3（w6）,。in4(w7）,。in5（w8)，.sel（w9)；weixuan w（.din（w9），.out(outw）；zixing z(。din(w10),.out(outz）;endmodule頂層綜合文件如下：各個子模塊分析2。1 車票選擇模塊車票選擇模塊是指對商品進行選擇與購買。車票分為票價3元，4元，5元，6元,共4種車票，乘客可以選擇所要購買的票數(shù)（1張票,2張票）。車票選擇模塊如圖4所示:1）輸入rd：模塊復位信號，將所有輸出信號清零。作為開始一次購票過程的按鍵，也可以作為讓乘客重新選票的按鍵

11、.clk：模塊的時鐘信號。pri_3，pri_4，pri_5，pri_6：將其中一個置高電平,作為選擇一種票價（3元，4元，5元，6元）。qua_1，qua_2：將其中一個置高電平，作為選擇購買車票的數(shù)量（一張票，兩張票）。2)輸出pri3:0：表示所選票價，輸出到余額計算模塊和顯示功能模塊,作為判斷出何種票的條件，并在數(shù)碼管顯示出車票單價.qua3：0：表示所買票數(shù)，輸出到顯示功能模塊,在數(shù)碼管顯示出票數(shù)。cost3:0：表示應付總額，根據(jù)票價和票數(shù)來計算出應付的總額，輸出到余額計算模塊，用來計算找贖金額。 該車票選擇模塊的源程序如下:module xuanpiao（pri_3,pri_4,

12、pri_5，pri_6，qua_1,qua_2，clk，rd， pri，qua，cost）；input pri_3，pri_4，pri_5，pri_6,qua_1，qua_2，rd,clk；output3：0 pri；output3：0 qua;output3：0 cost；reg3:0 pri;reg3：0 qua;reg3：0 cost；initial begin pri=0; qua=0； cost=0； endalways（rd) /清零 begin if(！rd） begin pri=0; qua=0； cost=0； end endalways（posedge clk or neg

13、edge rd） begin if（！rd) begin pri=0; qua=0； cost=0; end else if(pri_3&qua_1) / 選1張3元票,總額3元 begin pri=3； qua=1； cost=3； end else if（pri_4&&qua_1) / 選1張4元票，總額4元 begin pri=4； qua=1； cost=4; end else if(pri_5qua_1） / 選1張5元票,總額5元 begin pri=5； qua=1； cost=5; end else if(pri_6&qua_1) / 選1張6元

14、票，總額6元 begin pri=6; qua=1； cost=6； end else if(pri_3qua_2) / 選2張3元票，總額6元 begin pri=3； qua=2； cost=6； end else if（pri_4&qua_2) / 選2張4元票，總額8元 begin pri=4; qua=2； cost=8； end else if(pri_5&qua_2) / 選2張5元票,總額10元 begin pri=5； qua=2； cost=10； end else if(pri_6qua_2） / 選2張6元票，總額12元 begin pri=6； qua

15、=2； cost=12； end end endmodule經(jīng)過編譯后建立波形文件,波形仿真圖如圖所示：在此波形仿真圖中,將pri_3，qua_1；pri_5，qua_2;pri_4，qua_2；依次置高電平作為輸入，輸出顯示為選擇的3元票，1張票,應付總額3元；選擇的5元票，2張票，應付總額10;選擇的4元票，2張票，應付的總額8元，說明達到此車票選擇模塊的預期功能。2.2 錢幣處理模塊錢幣處理模塊是對投入的錢幣進行處理的過程，輸出參數(shù)coin為投幣數(shù)值計數(shù)器，以1元為單位進行計算.該模塊入口參數(shù)coin1(投入1元)coin5（投入5元錢），coin10（投入10元錢)，coin20（投入

16、20元）.功能類似于計錢器，在清零的前提下，可準確計算，記錄并保存所投入的總錢數(shù)。錢幣處理模塊如圖所示：圖 錢幣處理模塊1）輸入rd：模塊復位信號,將所有輸出信號清零.clk：模塊的時鐘信號。coin_1，coin_5，coin_10,coin_20：表示投入1元,5元，10元，20元。一次時鐘上升沿,若信號為1時，表示投入一次1元，5元10元，20元。2）輸出coinh3：0，coinl3：0:信號輸出到顯示功能模塊,在數(shù)碼管上顯示出投入錢幣總額的十位和個位.coin4：0:表示投入錢幣的總額,輸出到余額計算模塊，與應付總額相比較,來計算出找贖金額.該錢幣處理模塊的源程序如下：module

17、toubi（coin_1，coin_5，coin_10，coin_20，clk，rd, coinh，coinl，coin)；input coin_1,coin_5，coin_10,coin_20,rd，clk；output3：0 coinh，coinl;output4:0 coin；reg3：0 coinh，coinl;reg4:0 coin；/initial begin coinh=0； coinl=0； coin=0; end*/always（rd） / 清零 beginif（！rd)begin coinh=0； coinl=0； coin=0； end end*/always(posed

18、ge clk or negedge rd) begin if（！rd）begin coinh=0； coinl=0； coin=0； end else if(coin_1） /投入1元 begin case(coinl) / coinl是投入總額的個位數(shù)字 0： begin coinl=1; coinh=coinh; / coinh是投入總額的十位數(shù)字 coin=coin+1； / coin是投入總額 end 1： begin coinl=2; coinh=coinh； coin=coin+1； end 2: begin coinl=3； coinh=coinh； coin=coin+1； e

19、nd 3： begin coinl=4; coinh=coinh； coin=coin+1； end 4： begin coinl=5； coinh=coinh; coin=coin+1； end 5: begin coin=6; coinh=coinh； coin=coin+1； end 6： begin coinl=7； coinh=coinh; coin=coin+1； end 7: begin coinl=8； coinh=coinh; coin=coin+1; end 8： begin coinl=9; coinh=coinh； coin=coin+1; end 9： begin c

20、oinl=0; coinh=coinh+1; coin=coin+1； end endcase end else if（coin_5) /投入5元 begin case(coinl) /coinl是投入總額的個位數(shù)字 0: begin coinl=6； coinh=coinh； / coinh是投入總額的十位數(shù)字 coin=coin+5； / coin是投入總額 end 1: begin coinl=6； coinh=coinh; coin=coin+5; end 2: begin coinl=7; coinh=coinh； coin=coin+5； end 3： begin coinl=8；

21、 coinh=coinh; coin=coin+5； end 4： begin coinl=9； coinh=coinh； coin=coin+5； end 5： begin coinl=0； coinh=coinh+1； coin=coin+5； end 6： begin coinl=1; coinh=coinh+1; coin=coin+5; end 7： begin coinl=2； coinh=coinh+1； coin=coin+5； end 8: begin coinl=3; coinh=coinh+1； coin=coin+5； end 9: begin coinl=4； coi

22、nh=coinh+1； coin=coin+5； end endcase end else if（coin_10） /投入10元 begin coinl=coinl; / coinl是投入總額的個位數(shù)字 coinh=coinh+1； / coinh是投入總額的十位數(shù)字 coin=coin+5'b01010; / coin是投入總額 end else if（coin_20） /投入10元 begin coinl=coinl; / coinl是投入總額的個位數(shù)字 coinh=coinh+4b0010；/ coinh是投入總額的十位數(shù)字 coin=coin+5b10100; / coin是投

23、入總額 end end endmodule經(jīng)過編譯后建立波形文件,波形仿真圖如圖所示:在此波形仿真圖中，將coin_1，coin_5,coin_10依次置了一個時鐘周期的高電平作為輸入,輸出顯示總額低位為6，高位為1，所投錢幣總額為16，說明達到此錢幣處理模塊的預期功能。2.3 余額計算模塊余額計算模塊主要完成出票找零操作。通過所投錢幣總額coin和應付總額cost計算找贖余額,然后用發(fā)光二極管點亮表示出票和找零.錢數(shù)不夠票價的，退出所投錢幣數(shù)。余額計算模塊如圖所示：1）輸入rd：模塊復位信號，將所有輸出信號清零。clk：模塊的時鐘信號。finish：用戶使用的確定按鍵.此信號置為高電平后,開

24、始判斷是否出票,計算找贖余額。pri_in3：0:輸入乘客所選的線路和票價,用來判斷出票時具體出哪張票.cost_in3：0,coin_in4：0：輸入應付總額和所投錢幣總額，用來判斷是否出票，是否找贖，計算找贖余額。2）輸出act3:0：表示出票。車票共有4種，用4個發(fā)光二極管的點亮來表示具體出哪張票，若都不亮則表示不出票.act_1:表示找贖。若信號為1,用1個發(fā)光二極管的點亮表示需要找贖。resth3：0:表示找贖余額十位,restl3:0：表示找贖余額個位，信號輸出到顯示功能模塊,在數(shù)碼管顯示找贖余額。該余額計算模塊的源程序如下:module zhaoling（pri_in,cost_

25、in,coin_in,finish，clk，rd， act，act_1，rest,restl,resth)；input3:0 pri_in,cost_in；input4：0 coin_in；input clk,finish，rd；output3：0 act,restl，resth；output4:0 rest;output act_1;reg3:0 act，restl,resth;reg4：0 rest;reg act_1;/initial begin act=4b0000; act_1=0； rest=0; resth=0； restl=0； end/ /*always（！rd） /清零 b

26、egin act=4b0000; act_1=0; rest=0； resth=0; restl=0; end/always（posedge clk or negedge rd） begin if(!rd)begin act=4b0000； act_1=0; rest=0； resth=0； restl=0; end else if（finish) begin if(coin_in=cost_in） /投幣總額等于總票價 begin act_1=0； rest=0； resth=0； restl=0； if（pri_in=3) act=4b0001； /出3元票 else if(pri_in=

27、4） act=4'b0010； /出4元票 else if（pri_in=5） act=4'b0100; /出5元票 else if（pri_in=6) act=4b1000; /出6元票 end else if（coin_incost_in） /投幣總額大于總票價 begin act_1=1; rest=coin_incost_in； / 余額總價 restl=rest%10； / 余額總價個位數(shù)字 resth=（restrestl）/10; / 余額總價十位數(shù)字 if(pri_in=3） act=4b0001； else if（pri_in=4) act=4b0010; e

28、lse if（pri_in=5） act=4b0100； else if(pri_in=6） act=4'b1000； end else if(coin_incost_in） /投幣總額小于總票價 begin act=4b0000; /不出票 act_1=1； rest=coin_in; /退錢 end end end endmodule經(jīng)過編譯后建立波形文件，波形仿真圖如圖所示:在此波形仿真圖中，輸入選擇,3元票，應付總額為6元，所投錢幣總額為10元，在finish確定鍵按下后，輸出有找贖信號，且找贖余額為4元，出第1種車票(即3元票）；4元票,應付總額為4元，所投錢幣為20元，在f

29、inish確定鍵按下后，輸出找零信號,且找零余額為16元（高位為1，低位為6），出第二種車票(即4元票）,由此說明達到余額計算模塊的預期功能。2。4 顯示功能模塊顯示功能模塊主要完成顯示乘客選的票價、票數(shù)、投入錢數(shù)及找贖余額.實驗系統(tǒng)主板上,每次只能點亮一個數(shù)碼管，如果顯示這些數(shù)據(jù)，必須要用掃描的方式使得所需數(shù)碼管依次點亮，選擇較高的掃描頻率,利用人眼的視覺暫留效果，視覺上可讓數(shù)碼管一起點亮。此自動售票系統(tǒng)共需要6個數(shù)碼管顯示,此顯示功能模塊可分為四個部分：1 模6計數(shù)器(counter6)：每個時鐘上升沿,計數(shù)器計數(shù)一次，產(chǎn)生3位二進制碼，對6個數(shù)碼管進行掃描,且對數(shù)據(jù)選擇器的6個數(shù)據(jù)依次進

30、行選擇輸出。模6計數(shù)器模塊1）輸入clk2：計數(shù)器的時鐘，每個時鐘上升沿,計數(shù)器計數(shù)一次2)輸出out2:0 產(chǎn)生模為6信號000,001，010，011，100，101此模6計數(shù)器源程序如下：module counter6（clk2，out）;/產(chǎn)生模為6的信號000，001，010,011，100，101/input clk2; output2：0 out； reg2：0 out; /initial begin out=0； end/ always(posedge clk2） begin if（out5) out=out+1； else out=0； end endmodule經(jīng)過編譯后建

31、立波形文件，波形仿真圖如圖所示:在此波形仿真圖中,輸入為時鐘信號,輸出為05的6進制數(shù)（即序列信號為：000，001，010，011,100，101)，說明達到此模6計數(shù)器的預期功能2 6選1數(shù)據(jù)選擇器（select6)：每次只能點亮一個數(shù)碼管，所以根據(jù)模6計數(shù)器輸入的數(shù),選擇一個數(shù)據(jù)作為一次輸出.6選1數(shù)據(jù)選擇器1）輸入 in03：0，in13：0,in23：0，in33:0，in43：0，in53:0:表示6個需要顯示的6個數(shù)據(jù)，即票價,票數(shù)，所投總額十位，所投總額個位，找贖余額十位,找贖余額個位。2)輸入sel2：0：6進制計數(shù)器提供的計數(shù)序列，用來做數(shù)據(jù)選擇器的選擇條件。3）輸出 ou

32、t3：0：6選1數(shù)據(jù)選擇器的輸出到譯碼器進行譯碼.此數(shù)據(jù)選擇器的源程序如下：module select6_1(out，in0，in1,in2，in3，in4,in5，sel)； output3：0 out； input3：0 in0,in1,in2，in3，in4,in5； input2：0 sel； reg3：0 out； always(in0 or in1 or in2 or in3 or in4 or in5 or sel) case（sel） 3b000:out=in0； /顯示票的單價 3b001：out=in1; / 顯示票的數(shù)量 3b010：out=in2； /顯示投幣總價十位數(shù)

33、字3b011：out=in3; /顯示投幣總價個位數(shù)字3b100:out=in4； /顯示余額總價十位數(shù)字3b101:out=in5； /顯示投幣總價個位數(shù)字default： out=4b0000；endcaseendmodule 此6選1數(shù)據(jù)選擇器波形仿真圖如圖所示： 在此波形仿真圖中,隨著選擇信號的sel2：0的變化，輸出也對應著6個數(shù)據(jù)選擇輸出，說明達到此6選1數(shù)據(jù)選擇器的預期功能3 譯碼器(zixing):7段數(shù)碼管顯示，需將4位二進制數(shù),譯成7位二進制數(shù)據(jù)，使得數(shù)碼管顯示出想要的數(shù)字。考慮的是共陰極的7段數(shù)碼管（不帶小數(shù)點）。譯碼器模塊1）輸入din 3：0:連接6選1模塊輸出端。2

34、）輸出out6：0：經(jīng)過譯碼器的譯碼后，將4位二進制譯成可讓數(shù)碼管顯示的7位二進制數(shù)此譯碼器源程序如下:module zixing（din，out）; input3：0 din； output6：0 out； reg6：0 out; always（din） case（din） 4'b0000:out=7'b0111111；/顯示·0 4'b0001：out=7b0000110；/顯示1 4b0010：out=7b1011011；/顯示24'b0011：out=7'b1001111；/顯示3 4b0100：out=7b1100110;/顯示4 4b0101：out=7b1101101；/顯示5' 4b0110:out=7b1111101；/顯示6 4'b0111：out=7b0000111；/顯示7' 4'b1000:out=7b1111111；/顯示8 4b1001：out=7b1101111；/顯示9 default：out=7'b0000000; endcase endmodule 經(jīng)過編譯后建立波形文件，波形仿真圖如圖所示：4數(shù)碼管位選模塊數(shù)碼管掃描的信號，用模6計數(shù)器提供的計數(shù)序列使數(shù)碼管依次點亮。1)輸