基于fpga的地鐵售票系統(tǒng)設(shè)計(jì) 論文終稿 無(wú)封面

目錄目錄I摘要1ABSTRACT21緒論311研究背景312選題的意義313論文主要研究?jī)?nèi)容414論文結(jié)構(gòu)42理論基礎(chǔ)521EDA技術(shù)522FPGA技術(shù)5221FPGA簡(jiǎn)介5222FPGA的優(yōu)點(diǎn)623VHDL語(yǔ)言6231VHDL語(yǔ)言簡(jiǎn)介6232VHDL語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)6233VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)的基本單元724QUARTERSII73系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)分析831系統(tǒng)整體機(jī)構(gòu)8311系統(tǒng)流程圖8312系統(tǒng)功能模塊介紹932系統(tǒng)各功能模塊的設(shè)計(jì)及仿真9321車票選擇模塊的設(shè)計(jì)9322投幣處理模塊11323金額處理模塊12324顯示模塊13325模塊頂層實(shí)現(xiàn)1733硬件實(shí)現(xiàn)18結(jié)論20參考文獻(xiàn)21致謝22摘要近年來(lái)，人口增長(zhǎng)，交通擁擠，資源短缺，地鐵逐漸成為人們出行交通的主要交通工具。地鐵系統(tǒng)中，自動(dòng)售檢票系統(tǒng)（AFC）作用最為重要，主要完成旅客自動(dòng)購(gòu)票，檢票進(jìn)站，計(jì)費(fèi)，檢票出站等功能。其中，自動(dòng)售票系統(tǒng)又是尤為重要的，旅客自動(dòng)完成購(gòu)票，大大的節(jié)約了人力，減少了人工售票帶來(lái)的錯(cuò)誤，極大地提高了工作效率。另外，隨著EDA技術(shù)、FPGA技術(shù)的飛速發(fā)展，因其操作簡(jiǎn)單，資源利用率高，性能優(yōu)等特點(diǎn)，也逐漸成為電子信息中的主流技術(shù)。本設(shè)計(jì)就是基于EDA技術(shù)，使用FPGA芯片，設(shè)計(jì)一個(gè)地鐵自動(dòng)售票系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)采用自頂向下的設(shè)計(jì)理念，將系統(tǒng)劃分為幾個(gè)功能模塊分析設(shè)計(jì)。在QUARTERSII軟件環(huán)境下，使用VHDL語(yǔ)言，編寫車票選擇模塊、投幣處理模塊、金額處理模塊、顯示模塊的程序，并進(jìn)行軟件仿真，最后下載到FPGA芯片中進(jìn)行硬件實(shí)現(xiàn)。結(jié)果表明該設(shè)計(jì)能較好的完成地鐵自動(dòng)售票系統(tǒng)選票、投幣、找零、出票等功能。關(guān)鍵詞地鐵自動(dòng)售票系統(tǒng)，F(xiàn)PGA,VHDL，仿真，實(shí)現(xiàn)ABSTRACTRECENTLYPOPULATIONGROWTH,TRAFFICJAMANDSCARCITYOFRESOURCEHAVEMADESUBWAYAMAINPARTOFTRANSPORTATIONASANINTEGRALPARTOFSUBWAYSYSTEM,AFCISDESIGNEDFORPASSENGERSTICKETPURCHASINGANDCHECKINGINANDOUTTHESUBWAYAUTOMATICTICKETINGSYSTEMPLAYSTHEMOSTIMPORTANTROLEINAFCSYSTEMBECAUSEITHELPSTODECREASEMISTAKESOFMANUALTICKETSSELLINGANDIMPROVEMENTONWORKINGEFFICIENCYFURTHERMORE,THEDEVELOPMENTOFEDAANDFPGALEADTOATRENDOFELECTRONICINFORMATIONTECHNOLOGYBECAUSEOFTHEIRSIMPLICITYOFOPERATION,HIGHRATEOFRESOURCEUTILIZATIONANDEXCEPTIONALFUNCTIONTHISDESIGNISASUBWAYAUTOMATICTICKETINGSYSTEMONBASISOFEDATECHNOLOGYTHROUGHAPPLICATIONOFFPGACHIPBYTOPDOWNAPPROACH,WEDIVIDETHESYSTEMINTOSEVERALFUNCTIONMODULESWITHVHDLLANGUAGE,WEDESIGNMODULEOFCHOICE,MODULEOFCOIN,MODULEOFCHANGE,MODULEOFDISPLAYWEUSEQUARTERSIITOSIMULATEANDTHENDOWNLOADTOTHEFPGACHIPTOHARDWARECOMPLETIONTHERESULTSHOWSTHATTHESYSTEMCANCOMPLETEFUNCTIONOFCHOICE,FUNCTIONOFCOIN,FUNCTIONOFCHANGEANDFUNCTIONOFDISPLAYKEYWORDSSUBWAYAUTOMATICTICKETINGSYSTEM,FPGA,VHDL,SIMULATION,HARDWARECOMPLETION1緒論11研究背景近30年來(lái)，中國(guó)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，并且在2010年，已經(jīng)超于日本成為世界第二大經(jīng)濟(jì)體。但是，在中國(guó)龐大的人口基數(shù)下，伴隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展出現(xiàn)的一系列問(wèn)題也日趨嚴(yán)重資源的嚴(yán)重短缺，環(huán)境的加速惡化，交通出行不便利等，其中城市人口與車輛增加速度過(guò)快而已發(fā)的交通擁堵問(wèn)題困擾著我們每一個(gè)人。因此，地鐵應(yīng)運(yùn)而生，因?yàn)槠錅p少占用地面空間、一次性運(yùn)輸乘客數(shù)量巨大、能源消耗率較少，安全性能高，速度快，價(jià)格優(yōu)惠等特點(diǎn)，受到各大城市的青睞，越來(lái)越多的城市已經(jīng)將地鐵作為城市的主要公共交通工具。12000年以前，中國(guó)只有5座城市擁有地鐵，然而截止到2014年，已經(jīng)有26座城市開通了地鐵，地鐵線路的總數(shù)量成井噴式增長(zhǎng)?，F(xiàn)在地鐵系統(tǒng)中廣泛使用的自動(dòng)售檢票系統(tǒng)（AFC），是1967年在法國(guó)巴黎地鐵第一次啟用的。在之后幾十年的發(fā)展中，AFC系統(tǒng)在各國(guó)地鐵系統(tǒng)中廣泛使用，并且得到了進(jìn)一步的發(fā)展?，F(xiàn)在的AFC系統(tǒng)，是基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)、錢幣識(shí)別技術(shù)、介質(zhì)感應(yīng)技術(shù)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了旅客進(jìn)站購(gòu)票、檢票進(jìn)站、根據(jù)里程計(jì)費(fèi)，票務(wù)服務(wù)、檢票出站等功能的全自動(dòng)系統(tǒng)。減少了人工售檢票的工作人員使用量，減輕了人工的負(fù)擔(dān)，同時(shí)減少了旅客售檢票進(jìn)站出站的時(shí)間，也增加票務(wù)收入的安全性與可統(tǒng)計(jì)性。23在AFC系統(tǒng)中，最重要的系統(tǒng)是自動(dòng)售票系統(tǒng)，它的AFC系統(tǒng)完成一系列服務(wù)的基礎(chǔ)，它的主要功能就是根據(jù)旅客的需求，和旅客有交互性的自動(dòng)完成線路的選擇，乘坐站數(shù)量的選擇，購(gòu)買車票數(shù)量的選擇，投幣與找零等功能。此系統(tǒng)大大減少了購(gòu)票時(shí)由于人工原因造成的票據(jù)錯(cuò)誤意義錢款錯(cuò)誤，保證了旅客在最短的時(shí)間內(nèi)選擇購(gòu)買正確的車票。4近年來(lái)，EDA技術(shù)發(fā)展速度驚人，它主要采用硬件描述語(yǔ)言來(lái)對(duì)系統(tǒng)邏輯進(jìn)行描述，采用自頂向下的設(shè)計(jì)理念，使復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)化成為可能，硬件系統(tǒng)的行為描述完全取決于硬件描述語(yǔ)言的正確性，更改是顯得非常的便捷，極大地降低了成本并且提高了效率。因此，我們最終采用EDA技術(shù)基于FPGA設(shè)計(jì)課題要求的地鐵自動(dòng)售票系統(tǒng)。512選題的意義我國(guó)地鐵系統(tǒng)發(fā)展較晚，雖然今年來(lái)發(fā)展迅速，但仍和一些國(guó)家有著較大差距。通知，我國(guó)的AFC系統(tǒng)也在不斷的探索前進(jìn)當(dāng)中，其中最為重要的地鐵自動(dòng)售票系統(tǒng)也需要更加方便，功能更加完善，更加人性化，在這些方面我們要在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新發(fā)展，才能達(dá)到更好的服務(wù)大眾的要求。另外，之前的地鐵自動(dòng)售票系統(tǒng)由于技術(shù)的發(fā)展限制，大多數(shù)采用的是單片機(jī)DSP來(lái)設(shè)計(jì)的，然而現(xiàn)在迅猛發(fā)展的FPGA技術(shù)已經(jīng)在功能和性能上大大超越了單片機(jī)和DSP的組合。一個(gè)FPGA芯片上往往集成了上百萬(wàn)們的邏輯塊，具有極高的密度和容量，它的輸入輸出端口的數(shù)量也顯著增多。FPGA內(nèi)部器件的延時(shí)很小，大大提高了工作效率，用硬件邏輯模塊實(shí)現(xiàn)控制的機(jī)制，也讓我們的設(shè)計(jì)更加具有靈活性和可操作性。FPGA技術(shù)已經(jīng)成為一個(gè)大的趨勢(shì)與潮流，因此，本課題的研究選擇FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)地鐵售票系統(tǒng)也能跟好的掌握主流的技術(shù)，具有相當(dāng)強(qiáng)的實(shí)際意義。613論文主要研究?jī)?nèi)容本論文所研究的自動(dòng)售票機(jī)的售票系統(tǒng)，所要實(shí)現(xiàn)的功能主要概括如下1）對(duì)1號(hào)、2號(hào)兩條地鐵線售票，每條線均有2、3、4元三種票，可以設(shè)置固定價(jià)位的票進(jìn)行購(gòu)買，也可由系統(tǒng)根據(jù)起點(diǎn)和目的地自動(dòng)判別票價(jià)（論文中假設(shè)乘坐15站票價(jià)為2元，乘坐610站票價(jià)為3元，乘坐11到15站票價(jià)為4元）。2）能選擇購(gòu)買票的張數(shù)（論文中假設(shè)可以購(gòu)買1張、2張、3張）。3）有1元、5元和10元三個(gè)投幣口，當(dāng)投入錢幣與選擇的票款相等時(shí)，送出車票；若投入的錢幣不夠，提示繼續(xù)投票，或者選擇退出錢幣，無(wú)票送出；若投入的錢幣超過(guò)票款，能自動(dòng)找贖。14論文結(jié)構(gòu)本文主要探討地鐵發(fā)展過(guò)程以及AFC系統(tǒng)重要性，并對(duì)其中地鐵自動(dòng)售票系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)采用EDA技術(shù)基于FPGA。本文整體結(jié)構(gòu)布局如下第一章緒論。介紹課題研究背景，闡述地鐵自動(dòng)售檢票系統(tǒng)的功能已經(jīng)重要性，闡述選擇本課題進(jìn)行研究的意義，描述本課題需要實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)功能，介紹本文的主要研究?jī)?nèi)容以及章節(jié)安排。第二章理論基礎(chǔ)。介紹本課題中主要涉及的EDA技術(shù)、FPGA技術(shù)、VHDL語(yǔ)言、使用的QUARTERSII軟件，分析他們的優(yōu)勢(shì)、目前市場(chǎng)上的現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì)。第三章系統(tǒng)具體模塊的設(shè)計(jì)分析以及軟件仿真。主要介紹系統(tǒng)四大功能模塊車票選擇模塊、投幣處理模塊、金額計(jì)算模塊、顯示模塊的設(shè)計(jì)思路以及設(shè)計(jì)過(guò)程，通過(guò)QUARTERSII仿真的結(jié)果。最后下載到FPGA芯片中進(jìn)行硬件仿真。第四章總結(jié)與展望。對(duì)系統(tǒng)完成的情況進(jìn)行總結(jié)月評(píng)價(jià)，介紹系統(tǒng)不足及改進(jìn)方向。2理論基礎(chǔ)21EDA技術(shù)EDA簡(jiǎn)稱電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化，是ELECTRONICDESIGNAUTOMATION的縮寫。在20世紀(jì)90年代初期，EDA是從計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）、計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試（CAT）和計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）等概念一點(diǎn)一點(diǎn)演變而來(lái)的。7現(xiàn)在電子設(shè)計(jì)技術(shù)的潮流就是EDA技術(shù)，它的特點(diǎn)是它將整個(gè)要完成的系統(tǒng)要求根據(jù)其功能劃分為各個(gè)功能模塊，采用的是“自頂向下”的設(shè)計(jì)理念，這樣可以在設(shè)計(jì)的初級(jí)就發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在的一些錯(cuò)誤并加以改正，每一個(gè)功能模塊單獨(dú)設(shè)計(jì)，采用硬件描述語(yǔ)言表述系統(tǒng)行為，從而實(shí)現(xiàn)需要的功能。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，系統(tǒng)的邏輯編譯、化簡(jiǎn)、分割、綜合、優(yōu)化、布局布線、仿真及特定目標(biāo)芯片的適配編譯和編程下載都是有QUARTERSII自動(dòng)完成的，節(jié)省了很多的人力物力。通過(guò)這樣的機(jī)制，當(dāng)發(fā)現(xiàn)程序錯(cuò)誤或者設(shè)計(jì)者需要對(duì)已經(jīng)編寫好的程序功能做出修改的時(shí)候，就和修改軟件一樣簡(jiǎn)單，修改后也很同意通過(guò)仿真了解設(shè)計(jì)結(jié)果，使設(shè)計(jì)更有主動(dòng)性和目的性，極大地提高了效率，并且減少了重復(fù)勞動(dòng)，也節(jié)約了資金。8EDA技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)越來(lái)越廣泛的深入到我們的日常生活中來(lái)，電子、機(jī)械、醫(yī)學(xué)、軍事等等等等都因?yàn)镋DA技術(shù)得到了極大地發(fā)展和便利。我們通過(guò)EDA技術(shù)利用電路仿真提前檢測(cè)設(shè)計(jì)電路的性能；通過(guò)EDA技術(shù)對(duì)原有的設(shè)備進(jìn)行技術(shù)升級(jí)從而提高性能減小體積；應(yīng)用EDA技術(shù)在大批量生產(chǎn)前先進(jìn)性小規(guī)模試驗(yàn)等，這一系列的改變都證明著EDA技術(shù)已經(jīng)成為電子工業(yè)技術(shù)的支柱，基于芯片的自頂而下的設(shè)計(jì)理念已經(jīng)取代了固定功能集成塊的設(shè)計(jì)理念。22FPGA技術(shù)221FPGA簡(jiǎn)介FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（LOGICCELLARRAY）這一新概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB（CONFIGURABLELOGICBLOCK）、輸出輸入模塊IOB（INPUTOUTPUTBLOCK）和內(nèi)部連線（INTERCONNECT）三個(gè)部分。FPGA的基本單元是相同的邏輯模塊，這些邏輯模塊組成一個(gè)矩陣，這些邏輯模塊就是用戶實(shí)現(xiàn)要求邏輯功能的基本工具。I/O模塊和外部引腳分布在矩陣的周邊，片內(nèi)擁有可編程的連線，他們根據(jù)設(shè)定好的等級(jí)分布在片內(nèi)，按照用戶的需求可以連接各個(gè)邏輯模塊和I/O模塊。FPGA有下面4種配置模式1）并行主模式為一片F(xiàn)PGA加一片EPROM的方式；2）主從模式可以支持一片PROM編程多片F(xiàn)PGA3）串行模式可以采用串行PROM編程FPGA；4）外設(shè)模式可以將FPGA作為微處理器的外設(shè)，由微處理器對(duì)其編程。222FPGA的優(yōu)點(diǎn)第一，F(xiàn)PGA的操作上手簡(jiǎn)單，入門快，擁有較短的設(shè)計(jì)周期，由于其由頂自下的設(shè)計(jì)方法，使得排除差錯(cuò)以及修改功能簡(jiǎn)單快捷，開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)較低，占用資源少，降低開發(fā)成本，更加受到小公司的青睞。第二，F(xiàn)PGA產(chǎn)品集成度越來(lái)越高?，F(xiàn)如今大部分FPGA芯片都已經(jīng)達(dá)到幾十萬(wàn)們，甚至一百萬(wàn)門以上，寄存器數(shù)量也已經(jīng)達(dá)到上萬(wàn)，幾乎可以滿足任何要求的數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。第三，使用方便。區(qū)別于傳統(tǒng)芯片燒錄之后就無(wú)法更改的特點(diǎn)，F(xiàn)PGA芯片可以根據(jù)設(shè)計(jì)者的要求變更，無(wú)數(shù)次的編譯，擦除，在外部硬件設(shè)施不變的情況下，只需要改變內(nèi)部軟件就可以實(shí)現(xiàn)不同的功能。系統(tǒng)的輸入，編譯，仿真都非常的簡(jiǎn)單方便。23VHDL語(yǔ)言231VHDL語(yǔ)言簡(jiǎn)介VHDL是VHSIC硬件描述語(yǔ)言（VERYHIGHSPEEDINTEGRATEDCIRCUITHARDWAREDESCRIPTIONLANGUAGE）的縮寫。1980年到1983年期間，在美國(guó)國(guó)防部的指揮下完成開發(fā)。1987年被美國(guó)國(guó)防部和IEEE確定為標(biāo)準(zhǔn)的硬件描述語(yǔ)言。在1993年之前，由于IEEE10761987在綜合方面參數(shù)不詳細(xì)，工程實(shí)現(xiàn)難度較大。1993年IEEE修改了VHDL標(biāo)準(zhǔn)，也成為現(xiàn)在被大家熟知的應(yīng)用最多的版本。VHDL主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為、功能和接口。VHDL語(yǔ)言在形式和構(gòu)成上和許多計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言都很類似。它將我們要完成的一項(xiàng)工程劃分根據(jù)設(shè)計(jì)的需要?jiǎng)澐譃閮?nèi)部和外部，分別進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。當(dāng)我們完成一個(gè)實(shí)體的設(shè)計(jì)之后，如果在后續(xù)的設(shè)計(jì)中還需要用到這個(gè)實(shí)體的功能，只需要簡(jiǎn)單的調(diào)用就可以實(shí)現(xiàn)其功能。232VHDL語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)1）適用性廣目前廣泛使用的IEEE已經(jīng)修訂了VHDL標(biāo)準(zhǔn)，因此，幾乎所有EDA工具都支持使用VHDL語(yǔ)言來(lái)設(shè)計(jì)所需要的程序。2）強(qiáng)大的硬件描述能力從最為簡(jiǎn)單對(duì)門級(jí)到復(fù)雜的系統(tǒng)級(jí)，使用VHDL語(yǔ)言都能一次性完成描述、仿真、綜合、調(diào)試等一系列的程序設(shè)計(jì)要求。3）強(qiáng)大的行為描述能力無(wú)論多么復(fù)雜，規(guī)模多么大的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，運(yùn)用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，都能將其劃分成若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的小的系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，大大的降低了設(shè)計(jì)系統(tǒng)的困難程度。4）設(shè)計(jì)過(guò)程獨(dú)立于成品在編寫程序的過(guò)程中，不需要考慮成品外觀或者引腳等的舒束縛，專心研究完成功能的設(shè)計(jì)。5）成果交流方便通過(guò)VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，當(dāng)需要引用部分模塊或程序是，不需要改動(dòng)，只要改變其中的部分參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)。12233VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)的基本單元VHDL是由設(shè)計(jì)單元組成的，基本的設(shè)計(jì)單元包括實(shí)體（ENTITY）、構(gòu)造體（ARCHITECTURE）、配置（CONFIGURATION）、包集合（PACKAGE）、庫(kù)（LIBRARY）1）實(shí)體描述模塊外部接口和接口的相關(guān)參數(shù)。ENTITY實(shí)體名稱ISPORT端口信號(hào)名稱1輸入/輸出狀態(tài)數(shù)據(jù)類型端口信號(hào)名稱1輸入/輸出狀態(tài)數(shù)據(jù)類型端口信號(hào)名稱N輸入/輸出狀態(tài)數(shù)據(jù)類型END實(shí)體名稱2）構(gòu)造體描述模塊內(nèi)部功能、行為或結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。ARCHITECTURE結(jié)構(gòu)體名OF實(shí)體名稱IS聲明語(yǔ)句；BEGIN并發(fā)語(yǔ)句END結(jié)構(gòu)體名稱3）配置用于描述設(shè)計(jì)的層次之間的互聯(lián)關(guān)系，以及實(shí)體與結(jié)構(gòu)體之間的連接關(guān)系CONFIGURATION配置名稱OF實(shí)體名稱IS配置語(yǔ)句END配置名稱4）包集合用于儲(chǔ)存在工程設(shè)計(jì)中需要反復(fù)用到的常量定義、數(shù)據(jù)類型定義、子類型定義、子程序和函數(shù)聲明等。PACKAGE包集合名稱IS包集合聲明語(yǔ)句END包集合名稱PACKAGEBODY包集合名稱IS包集合體描述語(yǔ)句END包集合名稱5）庫(kù)包含編輯后的數(shù)據(jù)的集合LIBRARY庫(kù)名稱1124QUARTERSII隨著時(shí)代的進(jìn)步，美國(guó)ALTERA公司對(duì)其EDA工具也進(jìn)行著不斷地升級(jí)，QUARTERSII身為第四代產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生，并且收到了廣泛的好評(píng)，已經(jīng)得到大范圍的使用QUARTERSII元件庫(kù)中提供幾乎我們?cè)O(shè)計(jì)需要的所有原件，包括基本元件庫(kù)、工作庫(kù)等等，在幫助我們了解各種原件的同時(shí)也幾乎能滿足我們?cè)O(shè)計(jì)的所有需求。QUARTERSII的編譯綜合功能異常強(qiáng)大，電路仿真，時(shí)序圖仿真結(jié)果清晰明了，方便對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行觀察記錄。另外，QUARTERSII的交流能力也很強(qiáng)，幾乎能和其他任何EDA工具連接。3系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)分析31系統(tǒng)整體機(jī)構(gòu)311系統(tǒng)流程圖根據(jù)題目要求，購(gòu)票流程如下1、乘客選擇乘坐的線路2、乘客選擇購(gòu)買的票價(jià)或選擇乘坐的站的數(shù)量3、乘客選擇購(gòu)買的車票的數(shù)量4、乘客投入錢幣、5、系統(tǒng)計(jì)算金額，判斷如果投入金額大于等于所需金額，則出票，如果投入金額小于所需金額，由乘客選擇繼續(xù)投幣或者退出。根據(jù)此流程，系統(tǒng)流程如下圖31系統(tǒng)流程圖312系統(tǒng)功能模塊介紹根據(jù)流程圖分析，系統(tǒng)大致分為四個(gè)主要功能模塊車票選擇模塊，投幣處理模塊，金額計(jì)算模塊，顯示模塊。四個(gè)模塊功能介紹如下車票處理模塊根據(jù)乘客的需求可以選擇乘坐的線路（1號(hào)線或2號(hào)線），選擇購(gòu)買的票價(jià)或者根據(jù)乘坐的站數(shù)決定票價(jià)（論文中假設(shè)乘坐15站票價(jià)為2元，乘坐610站票價(jià)為3元，乘坐11到15站票價(jià)為4元）。選擇購(gòu)買票的張數(shù)（論文中假設(shè)可以購(gòu)買1張、2張、3張）。計(jì)算出購(gòu)買車票的總票價(jià)。1）投幣處理模塊有1元、5元、10元三種錢幣入口，判定乘客投入的錢幣并計(jì)算投入的總錢數(shù)。2）金額計(jì)算模塊系統(tǒng)計(jì)算需要的總金額，判斷如果投入金額大于等于所需金額，則出票并找零，如果投入金額小于所需金額，由乘客選擇繼續(xù)投幣或者退出。3）顯示模塊顯示乘客所選線路，購(gòu)買票價(jià)，購(gòu)買數(shù)量，花費(fèi)總金額，投入總金額，找零等信息。14頂層模塊大致結(jié)構(gòu)圖如下圖32頂層結(jié)構(gòu)圖32系統(tǒng)各功能模塊的設(shè)計(jì)及仿真321車票選擇模塊的設(shè)計(jì)車票處理模塊根據(jù)乘客的需求可以選擇乘坐的線路（1號(hào)線或2號(hào)線），選擇購(gòu)買的票價(jià)或者根據(jù)乘坐的站數(shù)決定票價(jià)（論文中假設(shè)乘坐15站票價(jià)為2元，乘坐610站票價(jià)為3元，乘坐11到15站票價(jià)為4元）。選擇購(gòu)買票的張數(shù)（論文中假設(shè)可以購(gòu)買1張、2張、3張）。計(jì)算出購(gòu)買車票的總票價(jià)。根據(jù)這些要求，設(shè)計(jì)車票選擇模塊的輸入端口為1）RD模塊復(fù)位信號(hào)，按下清零，表示可是重新購(gòu)票。2）CLK模塊的時(shí)鐘信號(hào)。3）ROAD_IN1DOWNTO001代表選擇1號(hào)線，10代表選擇2號(hào)線4）PRICE_IN5DOWNTO0高兩位表示直接選擇票價(jià)，00表示不選擇票價(jià)，01代表選擇票價(jià)為2元，10代表選擇票價(jià)為3元，11代表選擇票價(jià)為4元。低三位表示根據(jù)乘坐站的數(shù)量選擇票價(jià)，00011111分別表示乘坐站的數(shù)量為115站。5）QUANTITY_IN1DOWNTO001代表購(gòu)票票數(shù)為1張，10代表購(gòu)買票數(shù)為2張，11代表購(gòu)買票數(shù)為3張。車票選擇模塊的輸出端口為1）ROAD_OUT1DOWNTO0表示所選線路，將結(jié)果輸出到余額計(jì)算模塊和顯示功能模塊。2）PRICE_OUT1DOWNTO0表示所選票價(jià)，將結(jié)果輸出到余額計(jì)算模塊和顯示功能模塊。3）QUANTITY_OUT1DOWNTO0表示所購(gòu)買的票數(shù)，將結(jié)果輸出到余額計(jì)算模塊和顯示功能模塊。4）COST7DOWNTO0表示應(yīng)付的總金額，0000000100001111分別表示總價(jià)格為115元，將結(jié)果輸出到余額計(jì)算模塊。圖33車票選擇模塊符號(hào)模塊波形仿真結(jié)果如下圖34車票選擇模塊波形仿真圖如圖中所示，RD為1時(shí)，均輸出0，RD為0時(shí)，在ROAD_IN端輸入01，選擇1號(hào)線，然后在PRICE_IN端輸入001111，乘坐15站車票價(jià)格為4元，然后在QUANTITY_IN端輸入11，選擇購(gòu)買車票的數(shù)量為3，得到的結(jié)果為ROAD_OUT輸出為01，表示選擇1號(hào)線，QUANTITY_OUT輸出為11，表示購(gòu)買兩張車票，COSTH端輸出為0001，表示需要的總價(jià)十位為1，COSTL端輸出為0010，表示需要的總價(jià)個(gè)位為2，總價(jià)為12元。322投幣處理模塊投幣處理模塊設(shè)置有1元、5元、10元三種投幣口，根據(jù)乘客投幣情況，計(jì)算投幣總金額。根據(jù)這些要求，設(shè)計(jì)投幣處理模塊的輸入端口為1）RD模塊復(fù)位信號(hào)，按下清零。2）CLK模塊時(shí)鐘信號(hào)。3）COIN17DOWNTO0，COIN57DOWNTO0，COIN107DOWNTO0代表1元、5元、10元三個(gè)投幣口，每按下一次分別代表投入1元、5元、10元錢，可重復(fù)投幣。4）QUERENIN按下表示投幣結(jié)束。投幣處理模塊的輸出端口為1）PAYH3DOWNTO0代表投入錢幣的總價(jià)格的十位，輸出到金額計(jì)算模塊和顯示模塊。2）PAYL3DOWNTO0代表投入錢幣的總價(jià)格的個(gè)位，輸出到金額計(jì)算模塊和顯示模塊。3）QUERENOUT1DOWNTO0投幣結(jié)束信號(hào)，送到顯示模塊。圖35投幣處理模塊符號(hào)模塊波形仿真結(jié)果如下圖36投幣處理模塊波形仿真圖如圖中所示，RD為1時(shí)，均輸出0，RD為0時(shí)，在COIN1輸入1，代表投入1元，在COIN5輸入1，代表投入5元，在COIN10輸入1，代表投入10元，總計(jì)投入6個(gè)1元，1個(gè)5元，1個(gè)10元，PAYH端輸出為0010，PAYL端輸出為0001，代表總共投入21元。QUERENIN端輸入1后，QUERENOUT端開始始終始終輸出01。323金額處理模塊金額處理模塊根據(jù)之前計(jì)算的票價(jià)總金額和乘客投入的總金額，如果投入總金額大于需要總票價(jià)，則提示需要出票與找零并顯示找零數(shù)額；如果投入總金額等于需要總票價(jià)，則提示出票；如果投入總金額小于投入總票價(jià)，則提示不出票。根據(jù)這些要求，金額處理模塊的輸入端口為1）RD模塊復(fù)位信號(hào)，按下清零。2）CLK模塊時(shí)鐘信號(hào)。3）COSTH3DOWNTO0購(gòu)買車票需要支付的總票價(jià)的十位。4）COSTL3DOWNTO0購(gòu)買車票需要支付的總票價(jià)的個(gè)位。5）PAYH3DOWNTO0投入錢幣的總金額的十位6）PAYL3DOWNTO0投入錢幣的總金額的個(gè)位。金額處理模塊的輸出端口為1）CHUPIAO1代表處票，0代表不出票。2）ZHAOLINGH3DOWNTO0表示需要找零的錢數(shù)的十位。3）ZHAOLINGL3DOWNTO0表示需要找零的錢數(shù)的個(gè)位。圖37金額處理模塊符號(hào)模塊波形仿真結(jié)果如下圖38金額處理模塊波形仿真圖如圖中所示，RD為1時(shí)，均輸出0，RD為0時(shí)，COSH端輸入為0001，代表票價(jià)總數(shù)十位為1，COSTL端輸入為0010，代表票價(jià)總數(shù)個(gè)位為2，所以票價(jià)總錢數(shù)為12元，PAYH端輸入為0010，代表投入錢數(shù)十位為2，PAYL端輸入為0001，代表投入錢數(shù)個(gè)位為1，所以投入錢數(shù)總價(jià)為21元，CHUPIAO端輸出為1，代表出票，ZHAOLINGH端輸出為0000，代表找零十位為0，ZHAOLINGL端輸出為1001，代表找零個(gè)位為9，所以找零9元。324顯示模塊顯示模塊根據(jù)車票選擇模塊、投幣處理模塊、金額處理模塊的輸出，在8個(gè)數(shù)碼管上分別顯示選擇線路、購(gòu)買車票數(shù)量、購(gòu)買車票總價(jià)，投入金額總價(jià)、找零。根據(jù)其功能分析，此模塊可由四部分組成模8計(jì)數(shù)器，8選1數(shù)據(jù)選擇器、譯碼器、動(dòng)態(tài)掃描器。3241模8計(jì)數(shù)器模8計(jì)數(shù)器所要實(shí)現(xiàn)的功能是，每一個(gè)時(shí)鐘上升沿計(jì)數(shù)一次，技術(shù)結(jié)果加1，逢8歸零。取值范圍為000到111。模塊波形仿真結(jié)果如下圖39模8計(jì)數(shù)器波形仿真圖如圖中所示，RD為1時(shí)，均輸出0，RD為0時(shí)，模塊根據(jù)時(shí)鐘上升沿完成模為8的計(jì)數(shù)。32428選1數(shù)據(jù)選擇器每次只能點(diǎn)一個(gè)數(shù)碼管，根據(jù)模8計(jì)數(shù)器的輸出信號(hào)，選擇一個(gè)數(shù)碼管點(diǎn)亮顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)。第一個(gè)為選擇的線路，第二個(gè)為購(gòu)買車票的數(shù)量，第三個(gè)為購(gòu)買車票總價(jià)的十位數(shù)字，第四個(gè)為購(gòu)買車票總價(jià)的個(gè)位數(shù)字，第五個(gè)為投入金額的十位數(shù)字，第六個(gè)為投入金額的個(gè)位數(shù)字，第七個(gè)為找零的十位數(shù)字，第八個(gè)為找零的個(gè)位數(shù)字。模塊波形仿真結(jié)果如下圖310數(shù)據(jù)選擇器波形仿真圖如圖中所示，QIN0到QIN8輸入端設(shè)為2、3、4、5、6、7、0、1，在選擇輸入端輸入從000到111變化的過(guò)程中，SHUCHU端輸出為2、3、4、5、6、7、0、1，即表示該模塊完成8算1數(shù)據(jù)選擇功能。3243譯碼器譯碼器的功能就是將前面數(shù)據(jù)選擇器輸出的信號(hào)譯碼，顯示在數(shù)碼管上。模塊波形仿真結(jié)果如下圖311數(shù)據(jù)選擇器波形仿真圖如圖中所示，在YIN從0000到1001，即0到9變化的過(guò)程中，YOUT相應(yīng)的改變，可以再數(shù)碼管上顯示0到9這些數(shù)字。3244動(dòng)態(tài)掃描器動(dòng)態(tài)掃描器的功能是每次選擇哪一個(gè)數(shù)碼管點(diǎn)亮。模塊波形仿真結(jié)果如下圖312動(dòng)態(tài)掃描器波形仿真圖如圖中所示，0表示選中此數(shù)碼管，此模塊完成了逐個(gè)選擇數(shù)碼管的功能。3245顯示模塊將之前四個(gè)模塊綜合起來(lái)，就完成了顯示模塊顯示模塊的輸入端口為1）CLK模塊時(shí)鐘信號(hào)；2）QIN03DOWNTO0到QIN73DOWNTO0分別代表選擇線路，購(gòu)買數(shù)量，總票價(jià)十位數(shù)字，總票價(jià)個(gè)位數(shù)字，投入錢數(shù)十位數(shù)字，投入錢數(shù)個(gè)位數(shù)字，找零十位數(shù)字，找零個(gè)位數(shù)字。輸出信號(hào)為1）COM7DOWNTO0表示選擇那一個(gè)數(shù)碼管點(diǎn)亮；2）SEG7DOWNTO0表示數(shù)碼管顯示的數(shù)字。圖313顯示模塊符號(hào)模塊波形仿真結(jié)果如下圖314顯示模塊波形仿真圖如圖所示，由CLK驅(qū)動(dòng)，逐個(gè)數(shù)碼管點(diǎn)亮，分別顯示QIN0到QIN7所代表的數(shù)字。325模塊頂層實(shí)現(xiàn)將各個(gè)模塊生成原件，在頂層文件中調(diào)用并連線。15圖315頂層文件模塊連線圖功能仿真結(jié)果如下圖316頂層文件波形仿真圖如圖316所示ROAD_IN端輸入01，代表選擇1號(hào)線，PRICE_IN端輸入001111，代表選擇乘坐15站，每張票價(jià)4元，QUANTITY_IN端輸入11，代表購(gòu)買三張票，COIN1共輸入6次，COIN5輸入1此，COIN輸入1此，代表1元投入5個(gè)，5元投入1個(gè)，10元投入1個(gè)。在QUEREN端輸入0時(shí)，SEG端時(shí)鐘輸出全0，投幣結(jié)束后，QUEREN端輸入1，CHUPIAO端輸出位1，代表出票。SEG端根據(jù)COM選中的數(shù)碼管一次輸出為14122109，代表選擇1號(hào)線，購(gòu)買3張票，需要總價(jià)12元，總共投入21元，總共找零09元。33硬件實(shí)現(xiàn)下載到FPGA芯片EPM570T100C5中進(jìn)行硬件實(shí)現(xiàn)。由于實(shí)驗(yàn)箱輸入端有限，我們采用在前置一個(gè)計(jì)數(shù)器的做法，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的輸入。系統(tǒng)引腳分派如表31所示表31引腳分配表輸入端引腳輸入端引腳ROAD_IN33COM497PRICE_IN34COM598QUANTITY_IN35COM699RD36COM7100COIN27SEG081QUEREN28SEG182CLK62SEG283COM091SEG384COM192SEG485COM295SEG586COM396SEG687硬件實(shí)現(xiàn)如下圖所示圖317硬件實(shí)現(xiàn)圖首先向右撥動(dòng)S208，RD為1，系統(tǒng)清零，然后向左撥動(dòng)S208，RD端置0，向右撥動(dòng)S205，代表選擇1號(hào)線，向右數(shù)次撥動(dòng)S206，代表選擇票價(jià)，向右數(shù)次撥動(dòng)S207，代表選擇購(gòu)票數(shù)量。數(shù)次按動(dòng)按鍵K201，代表投入的錢幣數(shù)量，投幣結(jié)束后按動(dòng)按鍵K202，表示投幣結(jié)束。此時(shí)數(shù)碼管會(huì)相應(yīng)顯示出購(gòu)票、投幣、找零情況。如圖317所示，8位數(shù)碼管顯示13122109，表示選擇1號(hào)線，購(gòu)買3張票，總價(jià)12元，共投入21元，找零9元。結(jié)論地鐵售票系統(tǒng)是地鐵系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的系統(tǒng)之一，能夠獨(dú)立自主的實(shí)現(xiàn)旅客選擇購(gòu)買車票，投幣購(gòu)票等一系列功能。本次設(shè)計(jì)以FPGA為主控單元，設(shè)計(jì)了地鐵售票系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)選擇車票，投幣，找零等購(gòu)票過(guò)程。主要完成了以下工作1）研究了國(guó)內(nèi)外對(duì)于地鐵售票