基于Verilog語言的簡(jiǎn)單自動(dòng)售貨機(jī)及引力波的實(shí)驗(yàn)探測(cè)給我們的啟示

EDA設(shè)計(jì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程論文PAGEIIIEDA設(shè)計(jì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程論文題目基于Verilog語言的簡(jiǎn)單自動(dòng)售貨機(jī)學(xué)院通信學(xué)院專業(yè)班級(jí)通信111班學(xué)生姓名指導(dǎo)教師2021年6摘要本設(shè)計(jì)是以現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件（FPGA）為核心的自動(dòng)售貨機(jī)，利用QuartusⅡ軟件編寫VerilogHDL硬件描述語言程序以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)售貨功能。本設(shè)計(jì)主要以程序?yàn)橹鳎布矫鎰t使用實(shí)驗(yàn)箱，將程序各變量端口與實(shí)驗(yàn)箱管腳進(jìn)行相應(yīng)的配置，用八個(gè)開關(guān)分別代表商品價(jià)格、所投錢幣價(jià)格及確認(rèn)付款找零操作。當(dāng)選擇好商品并投幣后，數(shù)碼管顯示所選商品價(jià)格及投入錢幣價(jià)格；按下確認(rèn)付款開關(guān)，數(shù)碼管顯示應(yīng)該找多少錢，蜂鳴器響，對(duì)應(yīng)商品LED燈亮。若所投錢幣不足所選商品價(jià)格，對(duì)應(yīng)警告錢幣不足的LED燈亮。關(guān)鍵字：現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件VerilogHDL自動(dòng)售貨機(jī)QuartusⅡAbstractThisdesignisanauto-vendingmachinebasedonfieldprogrammablelogicdevices(FPGA).WeuseQuartusⅡtowriteprocedureinverilogHDLwhichisalanguagetodescribehardware.Theprocedurewillrealizethefunctionofauto-vendingmachine.Thisdesignismainlyaboutprocedure.Forthehardware,weuseexperimentalbox.Weallocateallvariablequantitiesintheproceduretothefeetinexperimentalbox.Weuseeightswitchrespectivelyrepresentcommoditypricesandthrowmoneypriceandconfirmpaymentchangeoperation.Whenchoosinggoodcommoditiesandcoin,digitalpipedisplayselectedcommoditypricesandmoneyprice.Whenpressingconfirmpaymentswitch,digitalpipedisplayshouldfindhowmuchmoney,buzzersounded,correspondingcommodityLEDlights.Ifthrowmoneyshortageselectedcommodityprices,correspondingwarningmoneyshortageofLEDlights.Keywords:FPGAVerilogHDLauto-vendingmachineQuartusⅡ目錄TOC\o"1-3"\f\h\z\u摘要 IAbstract II第1章緒論 11.1概述 11.2課題的背景、目的 11.3課題設(shè)計(jì)環(huán)境 21.3.1EDA的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì) 21.3.2QuartusII簡(jiǎn)介 31.3.3FPGA介紹 4第2章系統(tǒng)設(shè)計(jì) 52.1系統(tǒng)設(shè)計(jì) 52.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案比較 52.2.1總體設(shè)計(jì) 52.2.2設(shè)計(jì)方案比較 5第3章詳細(xì)設(shè)計(jì) 73.1自動(dòng)售貨機(jī)狀態(tài)描述 73.2設(shè)計(jì)思路及原理 73.2.1模塊描述與實(shí)現(xiàn) 73.2.2電路原理圖 93.3自動(dòng)售貨機(jī)狀態(tài)描述 1134詳細(xì)狀態(tài)描述 113.4.1初始狀態(tài) 113.4.2選商品狀態(tài) 113.4.3投幣狀態(tài) 113.4.4找零狀態(tài) 11第4章軟件設(shè)計(jì) 134.1分析與設(shè)計(jì)思路 134.2框圖 144.3程序總流程圖 154.4程序 15第5章結(jié)果與討論 225.1實(shí)驗(yàn)調(diào)試 225.1.1調(diào)試步驟 225.1.2實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 235.2結(jié)果與分析 23結(jié)論 24參考文獻(xiàn) 25附錄 26致謝 27第1章緒論1.1概述隨著電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA和復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD的出現(xiàn)，使得電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者利用與器件相應(yīng)的電子CAD軟件，在實(shí)驗(yàn)室里就可以設(shè)計(jì)自己的專用集成電路ASIC器件。這種可編程ASIC不僅使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品達(dá)到小型化、集成化和高可靠性，而且器件具有用戶可編程特性，大大縮短了設(shè)計(jì)周期，減少了設(shè)計(jì)費(fèi)用，降低了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。目前數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以直接面向用戶需求，根據(jù)系統(tǒng)的行為和功能要求，自上至下地逐層完成相應(yīng)的描述﹑綜合﹑優(yōu)化﹑仿真與驗(yàn)證，直到生成器件，實(shí)現(xiàn)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化。其中電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）的關(guān)鍵技術(shù)之一就是可以用硬件描述語言（HDL）來描述硬件電路。EDA是電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（ElectronicDesignAutomation）的縮寫，在20世紀(jì)60年代中期從計(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）的概念發(fā)展而來的。VerilogHDL是眾多EDA軟件中的一個(gè)，結(jié)合我們這學(xué)期所學(xué)課程，本次設(shè)計(jì)采用的是Verilog公司推出的Verilog硬件描述語言，目的是為了將我們所學(xué)應(yīng)用到實(shí)際生活中，同時(shí)加深我們對(duì)Verilog硬件描述語言，F(xiàn)PGA芯片等等的認(rèn)識(shí)與掌握。1.2課題的背景、目的二十一世紀(jì)是信息化高速發(fā)展的世紀(jì)，因此在二十一世紀(jì)掌握前沿技術(shù)是十分有必要的。本次課題是計(jì)算機(jī)組成原理的課程設(shè)計(jì)，這次課題旨在通過自己對(duì)所需功能芯片的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)來鞏固以前所學(xué)的計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)知識(shí)，同時(shí)也提高動(dòng)手實(shí)踐的能力，還有為將來進(jìn)行更大規(guī)模更復(fù)雜的開發(fā)積累經(jīng)驗(yàn)。自動(dòng)售貨是20世紀(jì)70年代在日本、歐美發(fā)展起來的一種全新的消費(fèi)方式，自動(dòng)售貨機(jī)（VendingMachines）商業(yè)起源于本世紀(jì)的六十年代，由美國(guó)的Mars家族發(fā)明。自動(dòng)售貨機(jī)又被稱為24小時(shí)營(yíng)業(yè)的微型自助超市，它的售貨領(lǐng)域非常廣泛，是發(fā)達(dá)國(guó)家商品零售的一種主要方式。自動(dòng)售貨機(jī)作為一種先進(jìn)的消費(fèi)方式，已經(jīng)成為城市現(xiàn)代文明發(fā)達(dá)程度的重要標(biāo)志，其新穎、時(shí)尚的購物方式，24小時(shí)營(yíng)業(yè)的特點(diǎn)給人們生活帶來了便利，美化了城市環(huán)境，受到消費(fèi)者的歡迎。但是在我國(guó)自動(dòng)售貨機(jī)的普及還不及發(fā)達(dá)國(guó)家，主要原因是我國(guó)EDA技術(shù)的應(yīng)用水平長(zhǎng)期落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。課題設(shè)計(jì)環(huán)境1.3.1EDA在教學(xué)、科研、產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造等各方面都發(fā)揮著巨大的作用。在教學(xué)方面，幾乎所有理工科（特別是電子信息）類的高校都開設(shè)了EDA課程。主要是讓學(xué)生了解EDA的基本概念和基本原理、掌握用HDL語言編寫規(guī)范、掌握邏輯綜合的理論和算法、使用EDA工具進(jìn)行電子電路課程的實(shí)驗(yàn)并從事簡(jiǎn)單系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。一般學(xué)習(xí)電路仿真工具（如EWB、PSPICE）和PLD開發(fā)工具（如Altera/Xilinx的器件結(jié)構(gòu)及開發(fā)系統(tǒng)），為今后工作打下基礎(chǔ)?？蒲蟹矫嬷饕秒娐贩抡婀ぞ撸‥WB或PSPICE）進(jìn)行電路設(shè)計(jì)與仿真；利用虛擬儀器進(jìn)行產(chǎn)品測(cè)試；將CPLD/FPGA器件實(shí)際應(yīng)用到儀器設(shè)備中；從事PCB設(shè)計(jì)和ASIC設(shè)計(jì)等。從目前的EDA技術(shù)來看，其發(fā)展趨勢(shì)是政府重視、使用普及、應(yīng)用文泛、工具多樣、軟件功能強(qiáng)大。中國(guó)EDA市場(chǎng)已漸趨成熟，不過大部分設(shè)計(jì)工程師面向的是PC主板和小型ASIC領(lǐng)域，僅有小部分（約11%）的設(shè)計(jì)人員研發(fā)復(fù)雜的片上系統(tǒng)器件。為了與臺(tái)灣和美國(guó)的設(shè)計(jì)工程師形成更有力的競(jìng)爭(zhēng)，中國(guó)的設(shè)計(jì)隊(duì)伍有必要購入一些最新的EDA技術(shù)。在信息通信領(lǐng)域，要優(yōu)先發(fā)展高速寬帶信息網(wǎng)、深亞微米集成電路、新型元器件、計(jì)算機(jī)及軟件技術(shù)、第三代移動(dòng)通信技術(shù)、信息管理、信息安全技術(shù)，積極開拓以數(shù)字技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)的新一代信息產(chǎn)品，發(fā)展新興產(chǎn)業(yè)，培育新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。要大力推進(jìn)制造業(yè)信息化，積極開展計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）、計(jì)算機(jī)輔助工藝（CAPP）、計(jì)算機(jī)機(jī)輔助制造（CAM）、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）、制造資源計(jì)劃（MRPII）及企業(yè)資源管理（ERP）等。有條件的企業(yè)可開展“網(wǎng)絡(luò)制造”，便于合作設(shè)計(jì)、合作制造，參與國(guó)內(nèi)和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)。開展“數(shù)控化”工程和“數(shù)字化”工程。自動(dòng)化儀表的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的測(cè)試技術(shù)、控制技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)進(jìn)一步融合，形成測(cè)量、控制、通信與計(jì)算機(jī)（M3C）結(jié)構(gòu)。在ASIC和PLD設(shè)計(jì)方面，向超高速、高密度、低功耗、低電壓方向發(fā)展。在EDA軟件開發(fā)方面，目前主要集中在美國(guó)。但各國(guó)也正在努力開發(fā)相應(yīng)的工具。日本、韓國(guó)都有ASIC設(shè)計(jì)工具，但不對(duì)外開放。中國(guó)華大集成電路設(shè)計(jì)中心，也提供IC設(shè)計(jì)軟件，但性能不是很強(qiáng)。相信在不久的將來會(huì)有更多更好的設(shè)計(jì)工具有各地開花并結(jié)果。據(jù)最新統(tǒng)計(jì)顯示，中國(guó)和印度正在成為電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)展最快的兩個(gè)市場(chǎng)，年復(fù)合增長(zhǎng)率分別達(dá)到了50%和30%。EDA技術(shù)發(fā)展迅猛，完全可以用日新月異來描述。EDA技術(shù)的應(yīng)用廣泛，現(xiàn)在已涉及到各行各業(yè)。EDA水平不斷提高，設(shè)計(jì)工具趨于完美的地步。EDA市場(chǎng)日趨成熟，但我國(guó)的研發(fā)水平很有限，需迎頭趕上。1.3本次課題設(shè)計(jì)方案要用到的開發(fā)環(huán)境是Altera公司的綜合性PLD/FPGA開發(fā)軟件QuartusII，支持原理圖、VHDL、VerilogHDL以及AHDL（AlteraHardwareDescriptionLanguage）等多種設(shè)計(jì)輸入形式，內(nèi)嵌自有的綜合器以及仿真器，可以完成從設(shè)計(jì)輸入到硬件配置的完整PLD設(shè)計(jì)流程。QuartusII可以在XP、Linux以及Unix上使用，除了可以使用Tcl腳本完成設(shè)計(jì)流程外，提供了完善的用戶圖形界面設(shè)計(jì)方式。具有運(yùn)行速度快，界面統(tǒng)一，功能集中，易學(xué)易用等特點(diǎn)。QuartusII支持Altera的IP核，包含了LPM/MegaFunction宏功能模塊庫，使用戶可以充分利用成熟的模塊，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性、加快了設(shè)計(jì)速度。對(duì)第三方EDA工具的良好支持也使用戶可以在設(shè)計(jì)流程的各個(gè)階段使用熟悉的第三方EDA工具。此外，QuartusII通過和DSPBuilder工具與Matlab/Simulink相結(jié)合，可以方便地實(shí)現(xiàn)各種DSP應(yīng)用系統(tǒng)；支持Altera的片上可編程系統(tǒng)（SOPC）開發(fā)，集系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)、嵌入式軟件開發(fā)、可編程邏輯設(shè)計(jì)于一體，是一種綜合性的開發(fā)平臺(tái)。MaxplusII作為Altera的上一代PLD設(shè)計(jì)軟件，由于其出色的易用性而得到了廣泛的應(yīng)用。目前Altera已經(jīng)停止了對(duì)MaxplusII的更新支持，QuartusII與之相比不僅僅是支持器件類型的豐富和圖形界面的改變。Altera在QuartusII中包含了許多諸如SignalTapII、ChipEditor和RTLViewer的設(shè)計(jì)輔助工具，集成了SOPC和HardCopy設(shè)計(jì)流程，并且繼承了MaxplusII友好的圖形界面及簡(jiǎn)便的使用方法。AlteraQuartusII作為一種可編程邏輯的設(shè)計(jì)環(huán)境,由于其強(qiáng)大的設(shè)計(jì)能力和直觀易用的接口，越來越受到數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的歡迎。QuartusII提供了完全集成且與電路結(jié)構(gòu)無關(guān)的開發(fā)包環(huán)境，具有數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)的全部特性，包括：可利用原理圖、結(jié)構(gòu)框圖、VerilogHDL、AHDL和VHDL完成電路描述，并將其保存為設(shè)計(jì)實(shí)體文件；芯片（電路）平面布局連線編輯；LogicLock增量設(shè)計(jì)方法，用戶可建立并優(yōu)化系統(tǒng)，然后添加對(duì)原始系統(tǒng)的性能影響較小或無影響的后續(xù)模塊；功能強(qiáng)大的邏輯綜合工具；完備的電路功能仿真與時(shí)序邏輯仿真工具；定時(shí)/時(shí)序分析與關(guān)鍵路徑延時(shí)分析；可使用SignalTapII邏輯分析工具進(jìn)行嵌入式的邏輯分析；支持軟件源文件的添加和創(chuàng)建，并將它們鏈接起來生成編程文件；使用組合編譯方式可一次完成整體設(shè)計(jì)流程；自動(dòng)定位編譯錯(cuò)誤；高效的期間編程與驗(yàn)證工具；可讀入標(biāo)準(zhǔn)的EDIF網(wǎng)表文件、VHDL網(wǎng)表文件和Verilog網(wǎng)表文件；能生成第三方EDA軟件使用的VHDL網(wǎng)表文件和Verilog網(wǎng)表文件。

1.FPGA是英文FieldProgrammableGateArray的縮寫，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，它是在PAL、GAL、FPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路有限的缺點(diǎn)。FPGA采用了邏輯單元陣列LCA這樣一個(gè)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的基本特點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：一、FPGA設(shè)計(jì)ASIC電路，用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片。二、FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路中的試樣片。三、FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和I/O引腳。四、FPGA是ASIC電路中設(shè)計(jì)周期最短、開發(fā)費(fèi)用最低、風(fēng)險(xiǎn)最小的器件?？梢哉f，F(xiàn)PGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。目前FPGA的品種很多，有XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等。FPGA是由存放在片內(nèi)RAM中的程序來設(shè)置其工作狀態(tài)的，因此，工作時(shí)需要對(duì)片內(nèi)的RAM進(jìn)行編程。用戶可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。加電時(shí)，F(xiàn)PGA芯片將EPROM中的數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程RAM中，配置完成后，F(xiàn)PGA進(jìn)入工作狀態(tài)。掉電后，F(xiàn)PGA恢復(fù)成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此，F(xiàn)PGA能夠反復(fù)使用。FPGA的編程無須專用的FPGA編程器，只須用通用的EPROM、PROM編程即可。當(dāng)需要修改FPGA功能時(shí)，只須換一塊EPROM第8頁即可。這樣，同一片F(xiàn)PGA，不同的編程數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生不同的電路功能。因此，F(xiàn)PGA的使用非常靈活。FPGA的配置模式非常靈活，它可以有多種配置方式：平行主模式為一片F(xiàn)PGA加一片EPROM的方式；主從模式為多片F(xiàn)PGA加一片PROM；串行模式可以采用串行PROM編程FPGA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。第2章系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)(1)用四個(gè)發(fā)光二極管分別模擬售出價(jià)值為5角、1元、1.5元和2元的小商品，購買者可以通過開關(guān)選擇任意一種標(biāo)價(jià)中的小商品。(2)燈亮?xí)r表示該小商品售出。(3)用開關(guān)分別模擬5角、1元硬幣和5元紙幣投入，可以用幾只發(fā)光二極管(或數(shù)碼管)分別代表找回剩余的硬幣。(4)每次只能售出一種小商品，當(dāng)所投硬幣達(dá)到或超過購買者所選面值時(shí)，售出貨物并找回剩余的硬幣，回到初始狀態(tài)；(5)當(dāng)所投硬幣值不足面值時(shí)，可通過一個(gè)復(fù)位鍵退回所投硬幣，回到初始狀態(tài)。2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案比較2.2.1總體設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)采用FPGA來設(shè)計(jì)的原理圖如圖1-1所示它由控制輸入電路、FPGA顯示電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)組成。圖1-1采用FPGA設(shè)計(jì)的自動(dòng)售貨機(jī)原理方框圖控制輸入電路主要是為用戶設(shè)計(jì)的,起到一個(gè)輸入控制的作用。FPGA是現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件,也是本設(shè)計(jì)方案的核心內(nèi)容,它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)售貨機(jī)運(yùn)作的主要控制模塊。將編寫好的HDL程序燒制到現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件FPGA中,然后通過控制輸入電路把信號(hào)輸入到FPGA,由八個(gè)開關(guān)控制輸入信號(hào)即消費(fèi)者選擇商品和消費(fèi)者投幣及確認(rèn)消費(fèi)，動(dòng)態(tài)數(shù)碼管顯示輸出信號(hào)即找零環(huán)節(jié)和所選擇的商品、消費(fèi)者投幣。2.2.2本設(shè)計(jì)可以通過多種方案來實(shí)現(xiàn)，下面就主要的三種方案進(jìn)行闡述和比較。方案一:采用數(shù)字邏輯電路制作，用IC器件連接焊接外圍電路實(shí)現(xiàn)，這種電路很直觀，簡(jiǎn)單方便。但應(yīng)用數(shù)字邏輯電路制作，使用的器件較多，連接復(fù)雜，體積大，功耗大。電路中焊點(diǎn)和線路較多會(huì),使成品的穩(wěn)定度和精度大大降低。方案二:使用現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件（FPGA）制作，利用VerilogHDL硬件描述語言編程進(jìn)行控制，然后燒寫實(shí)現(xiàn)。方案三:單片機(jī)現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到很成熟的階段了,它的應(yīng)用也十分廣泛。采用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)售貨機(jī),它的原理方框圖與用FPGA來實(shí)現(xiàn)的原理方框圖類似,如圖1.2所示。圖1-2采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)售貨機(jī)的原理方框圖圖1-1和圖1-2的基本原理都相同,唯一不同的是一個(gè)是用FPGA來制作，一個(gè)是用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)。采用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)售貨機(jī),主要的核心是單片機(jī)程序的設(shè)計(jì)。方案比較：對(duì)于自動(dòng)售貨機(jī)的設(shè)計(jì),三個(gè)方案均可以實(shí)現(xiàn),但是第一個(gè)方案中采用的是數(shù)字邏輯電路來制作,該電路硬件所需的器材多,體積龐大,比較復(fù)雜,而且精度和穩(wěn)定度都不是很高。第二個(gè)方案采用的是現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件來實(shí)現(xiàn),它的優(yōu)點(diǎn)是所有電路集成在一塊芯片上，此方案所需的外圍電路簡(jiǎn)單,這樣它的體積就減少了，同時(shí)還提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定度。還可以用軟件QuartusⅡ軟件進(jìn)行仿真和調(diào)試等?？梢猿浞掷肏DL硬件描述語言方便的編程，提高開發(fā)效率，縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本；而且易于進(jìn)行功能的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)方法靈活調(diào)試方便，修改容易.方案三也有它的優(yōu)點(diǎn),但同時(shí)也存在缺點(diǎn)。它對(duì)設(shè)計(jì)者的要求比較高,設(shè)計(jì)者對(duì)軟硬件必須十分熟悉。和方案二來比它的實(shí)驗(yàn)仿真沒有方案二簡(jiǎn)單直觀,調(diào)試也有一定的難度。在外界環(huán)境相同的條件下,方案三設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品精度和穩(wěn)定度要比方案二稍微差一些。因此,自動(dòng)售貨機(jī)的設(shè)計(jì)我們選擇方案二來實(shí)現(xiàn)。第3章詳細(xì)設(shè)計(jì)3.1自動(dòng)售貨機(jī)主要功能自動(dòng)售貨機(jī)控制要求對(duì)機(jī)內(nèi)商品信息進(jìn)行識(shí)別，對(duì)投入的貨幣進(jìn)行運(yùn)算，并根據(jù)所投入的貨幣數(shù)值判斷是否能夠購買某種商品，并做出相應(yīng)的反應(yīng)。本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)售貨機(jī)控制系統(tǒng)主要可以實(shí)現(xiàn)投幣處理、計(jì)算投幣總額、輸出商品，輸出找零等功能，系統(tǒng)工作流程如圖3-1所示圖3-1自動(dòng)售貨機(jī)系統(tǒng)工作流程圖設(shè)計(jì)思路及原理3.2.1自動(dòng)售貨機(jī)的問題實(shí)際上就是狀態(tài)轉(zhuǎn)換的問題，不同的狀態(tài)對(duì)應(yīng)不同的輸出，具體的來說就是輸入不同幣值的錢后對(duì)應(yīng)著不同的作用結(jié)果。因此將此問題分為兩部分來考慮，即輸入和輸出。輸入部分包括時(shí)鐘信號(hào)、投幣信號(hào)、商品選擇信號(hào)、貨物信號(hào)、確定信號(hào)、復(fù)位信號(hào)。因?yàn)閹胖抵豢紤]5角、1元和5元的情況，因此可以分別用三個(gè)輸入端代替。同樣對(duì)于四種商品的選擇也可用四個(gè)輸入端代替。輸出部分包括幣值顯示信號(hào)、輸出貨物信號(hào)、警告信號(hào)以及找零信號(hào)。綜上，給出如下輸入輸出變量：輸入變量：時(shí)鐘信號(hào)（clk）：每個(gè)時(shí)鐘的上升沿觸發(fā)系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。復(fù)位信號(hào)（reset）：上升沿觸發(fā)，按下后自動(dòng)回到初始狀態(tài)。投幣信號(hào)（btn_mon）：有5角、1元、5元高電平有效。貨物信號(hào)（btn_sell）：有四種，高電平有效確定信號(hào)（ok）：高電平有效。輸出變量：顯示信號(hào)（dis_mony）：顯示投入的幣額。貨物信號(hào)（led）：對(duì)應(yīng)賣出的貨物。顯示信號(hào)（dis_price）：貨物對(duì)應(yīng)的價(jià)錢。警告信號(hào)（led_warn）：錢不足時(shí)發(fā)出警告信號(hào)。3.2.圖3-2-2電路仿真圖3.3自動(dòng)售貨機(jī)狀態(tài)描述判斷開關(guān)被按下的個(gè)數(shù)N。若N>=2表示所選本次選擇無效，返回初始狀態(tài)；若N=1則顯示所選商品，并繼續(xù)執(zhí)行下面的流程。4個(gè)開關(guān)分別代表四種商品。3個(gè)開關(guān)分別代表投入0.5元，1元，5品價(jià)格做比較，如果總額<商品價(jià)格，退錢并返回初始狀態(tài)如果總額>=商品價(jià)格，則繼續(xù)執(zhí)行下面的程序。找零=總額-商品價(jià)格，數(shù)碼管顯示找零金額。狀態(tài)如圖3-2所示：圖3-1自動(dòng)售貨機(jī)狀態(tài)圖3.4詳細(xì)狀態(tài)描述自動(dòng)售貨機(jī)控制系統(tǒng)的工作過程中，可分為四個(gè)狀態(tài)：初始狀態(tài)、選商品狀態(tài)、投幣狀態(tài)和找零狀態(tài)。在每一個(gè)狀態(tài)中完成特定的功能。3.4.1在初始狀態(tài)下，自動(dòng)售貨機(jī)通電，初始化機(jī)內(nèi)商品信息（包括商品種類、每種商品的數(shù)量以及價(jià)格）。3.4.2分別有價(jià)格為0.5元、1元、1.5元和2元的商品，每次選擇商品前，設(shè)置一個(gè)標(biāo)志位btn_sell表示選擇商品狀態(tài)。此自動(dòng)售貨機(jī)每一次售貨時(shí)只能一次選擇一種商品，當(dāng)同時(shí)選擇兩種以上時(shí)，選擇商品無效，數(shù)碼管顯示清零，重新進(jìn)行商品選擇。選擇商品后，數(shù)碼管顯示所選商品價(jià)格。3.4.當(dāng)選好商品后，開始投幣。同樣有一標(biāo)志位btn_price表示投幣金額。投幣口只接受三種面值的錢幣0.5元、2元和5元，可以同時(shí)投入多種面值錢幣。投完幣后，先有一個(gè)確認(rèn)買商品的過程，若投了幣但又不購買商品了，就將全部投幣金額退回；若確認(rèn)購買商品，則進(jìn)入下一狀態(tài)——找零狀態(tài)。3.4.投完幣，并確認(rèn)購買商品后，進(jìn)入找零狀態(tài)。首先要將所投的金額與所選商品的價(jià)格做比較，若所投金額小于商品價(jià)格，則退回所投錢幣；若大于等于商品價(jià)格，則兩者做差，得到需要找零的錢。第4章軟件設(shè)計(jì)4.1分析與設(shè)計(jì)思路自動(dòng)售貨機(jī)控制系統(tǒng)的功能模塊邏輯上劃分為商品信息存儲(chǔ)模塊、商品選擇模塊、投幣處理模塊，找零模塊和顯示模塊。1商品信息存儲(chǔ)模塊該模塊的功能是將商品的單價(jià)、數(shù)量存儲(chǔ)到自動(dòng)售貨機(jī)中，price、quantity分別表示商品的單價(jià)與數(shù)量數(shù)據(jù)信號(hào)，item為商品的種類。2商品選擇模塊該模塊功能是對(duì)商品進(jìn)行選擇與購買。當(dāng)對(duì)四種商品進(jìn)行選擇時(shí)，由sel的選擇信號(hào)的個(gè)數(shù)來表示所選擇的商品類型。get為對(duì)商品進(jìn)行確認(rèn)購買的信號(hào)。3投幣處理模塊該模塊是對(duì)投入的硬幣進(jìn)行處理的過程，輸出參數(shù)coin為投幣數(shù)值計(jì)數(shù)器，以0.5元為單位進(jìn)行計(jì)算。整個(gè)模塊功能類似于計(jì)錢器，可準(zhǔn)確計(jì)算投入的硬幣數(shù)，記錄并保存投入的總幣值。4找零模塊該模塊主要完成找零操作。通過計(jì)錢器coin計(jì)算余額，然后輸出找零的控制信號(hào)act5、act10。5顯示模塊該模塊用來顯示錢數(shù)和商品數(shù)量。用于錢數(shù)顯示時(shí)，將計(jì)錢器coin轉(zhuǎn)換成BCD碼，然后經(jīng)譯碼器譯碼并顯示。用于商品數(shù)量顯示時(shí)，將計(jì)算得出的最終商品數(shù)量quantity先轉(zhuǎn)換成BCD碼，然后經(jīng)譯碼器譯碼并顯示。程序可分為以下模塊1)分頻模塊。2）計(jì)時(shí)模塊。用于控制確認(rèn)鍵后到恢復(fù)初始化的3秒計(jì)時(shí)。3）識(shí)別模塊。將每種硬幣、貨品的撥碼開關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榫幋a。4）清零模塊。用于銷售總額的清零。5）初始化模塊6）控制模塊。用于數(shù)據(jù)讀入、投幣不足、交易成功狀態(tài)的控制及轉(zhuǎn)化。7）顯示模塊4.2框圖4.3程序總流程圖4.4程序moduleauto_seller(clk,rst,dis_mony,dis_price,btn_ok,btn_mon,btn_sell,led_warn,led,beep);inputclk,rst,btn_ok;input[2:0]btn_mon;//選擇放入的錢input[3:0]btn_sell;//選擇商品bbt_5,gz_10,kqs_15,kl_20output[3:0]led;//led_5,led_10,led_15,led_20outputled_warn;//錢不足，指示燈output[11:0]dis_mony;//數(shù)碼管顯示投入面值，dia_mony[10:7]=com位選,dis_mony[7:0]=段碼output[11:0]dis_price;//數(shù)碼管顯示價(jià)錢outputbeep;regclk_500Hz;reg[3:0]led;//led_5,led_10,led_15,led_20regled_warn;//警告放入錢不足reg[11:0]dis_mony;reg[11:0]dis_price;reg[31:0]counter;reg[9:0]price,price_all;reg[1:0]flag=2'b00;//數(shù)碼管顯示標(biāo)志位parameterCOUNT1=25'd10000;/*分頻使數(shù)碼管顯示穩(wěn)定*/always@(posedgeclk)beginif(counter==0)begincounter<=COUNT1;clk_500Hz<=~clk_500Hz;endelsecounter<=counter-1;endalways@(negedgerstorposedgeclk)beginif(!rst)beginled=4'b0000;//LED滅price_all=0;//價(jià)格清零led_warn=0;beep=0;endelsebegin/*三種面值共8種組合*/3'b001:beginprice_all=5;end3'b010:beginprice_all=10;end3'b100:beginprice_all=50;end3'b011:beginprice_all=15;end3'b101:beginprice_all=55;end3'b110:beginprice_all=60;end3'b111:beginprice_all=65;enddefault:beginprice_all=0;endendcasecase(btn_sell)4'b0001:beginprice=5;end4'b0010:beginprice=10;end4'b0100:beginprice=15;end4'b1000:beginprice=20;enddefault:beginprice=0;endendcaseif(btn_ok==1)beginif(price_all<price)//放入錢不足beginled_warn=1;price=0;endelsebegin//金錢足夠price_all=price_all-price;beep=1;case(price)//LED燈顯示貨物賣出5:beginled=4'b0001;end10:beginled=4'b0010;end15:beginled=4'b0100;end20:beginled=4'b1000;endendcaseendendelsebeep=0;endend/*分頻后將時(shí)鐘給數(shù)碼管，數(shù)碼管分別顯示放入錢的多少、商品價(jià)格*/always@(posedgeclk_500Hz)begincase(flag)2'b00:begindis_mony<={4'b1110,led7(price_all%10),1'b1};dis_price<={4'b1110,led7(price%10),1'b1};flag=2'b01;end2'b01:begindis_mony<={4'b1101,led7(price_all/10),1'b0};dis_price<={4'b1101,led7(price/10),1'b0};flag=2'b00;endendcaseend/*數(shù)碼管段碼表*/function[6:0]led7;input[3:0]dis_input;begincase(dis_input)0:led7=~7'b111_1110;1:led7=~7'b011_0000;2:led7=~7'b110_1101;3:led7=~7'b111_1001;4:led7=~7'b011_0011;5:led7=~7'b101_1011;6:led7=~7'b101_1111;7:led7=~7'b111_0000;8:led7=~7'b111_1111;9:led7=~7'b111_0011;default:led7=~7'b111_1111;endcaseendendfunctionendmodule第5章標(biāo)題5.1實(shí)驗(yàn)調(diào)試5.1.1軟件調(diào)試：運(yùn)行QuartusII軟件，觀看仿真波形，仿真波形如下：圖5-1-1波形圖硬件調(diào)試：①運(yùn)行QuartusII軟件，新建工程。②建立文本文件VerilogHDLFile。在文件中寫入程序。保存，編譯。③分配管腳。保存，編譯。④將生成的.sof文件寫入FPGA試驗(yàn)箱中。⑤根據(jù)要求選擇幾種買東西的可能情況，在實(shí)驗(yàn)箱上實(shí)驗(yàn)，觀察記錄結(jié)果。5.1.1.選擇買0.5元的商品，投5元的金額，調(diào)試現(xiàn)象如下：選擇0.5元商品數(shù)碼管顯示0.5再選擇一種商品，數(shù)碼管顯示清零，重新進(jìn)行商品選擇。②按下5元投幣鍵，對(duì)應(yīng)數(shù)碼管顯示5.0。③按下確認(rèn)購買開關(guān)，找零時(shí)，對(duì)應(yīng)數(shù)碼管顯示4.5，蜂鳴器響，對(duì)應(yīng)0.5元商品的LED燈亮。2.選擇1.5元的商品，投1元的金額，調(diào)試現(xiàn)象如下：①選擇1.5元的商品，對(duì)應(yīng)數(shù)碼管顯示1.5。②按下1元的投幣鍵，對(duì)應(yīng)數(shù)碼管顯示1。找零顯示1元，退回所投的錢，表示警告的LED燈亮（交易不成功）5.2結(jié)果與分析通過上面的步驟將程序代碼下載到實(shí)驗(yàn)箱的FPGA芯片中，并驗(yàn)證了在仿真中的結(jié)果的正確性。自動(dòng)售貨機(jī)能出售5角、1元、1.5元和2元四種商品。出售哪種商品可由顧客按動(dòng)相應(yīng)的一個(gè)按鍵即可，并同時(shí)用數(shù)碼管顯示出此商品的價(jià)格；顧客投入硬（紙）幣的錢數(shù)也是有5角、1元、5元三種，但每次只能投入其中的一種幣，此操作通過按動(dòng)相應(yīng)的一個(gè)按鍵來模擬，并同時(shí)用數(shù)碼管將投幣額顯示出來；顧客投幣后，按一次確認(rèn)鍵，如果投幣額不足時(shí)則報(bào)警，報(bào)警時(shí)間3秒。如果投幣額足夠時(shí)自動(dòng)送出貨物（送出的貨物用相應(yīng)不同的指示燈顯示來模擬），同時(shí)多余的錢應(yīng)找回，找回的錢數(shù)用數(shù)碼管顯示出來；顧客一旦按動(dòng)確認(rèn)鍵后，自動(dòng)售貨機(jī)即可自動(dòng)恢復(fù)到初始狀態(tài)，此時(shí)才允許顧客進(jìn)行下一次購貨操作；此售貨機(jī)設(shè)有一個(gè)由商家控制的整體復(fù)位控制，當(dāng)整體復(fù)位信號(hào)有效時(shí)，所有輸出均為零。調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題及原因：①數(shù)碼管顯示不正確。管腳配置不正確導(dǎo)致數(shù)碼管顯示異常。②重新分配管腳后，仍為先前程序的操作結(jié)果。重新配置管腳后，未運(yùn)行程序，使得燒寫進(jìn)去的仍為原先的程序。③步進(jìn)電機(jī)送貨不理想，該送的時(shí)候送，不該送的時(shí)候也送，再次查看相關(guān)源程序，多次修改。結(jié)論VerilogHDL語言有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)控制電路，可大大降低設(shè)計(jì)難度和時(shí)間，提高設(shè)計(jì)效率和可靠性，利用語言的靈活性及功能強(qiáng)大的EDA工具，可以輕松完成硬件的功能擴(kuò)充與升級(jí)，還可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)，整個(gè)設(shè)計(jì)過程相對(duì)于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，有較大的突破。VerilogHDL語言作為現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的重要設(shè)計(jì)工具，以其靈活、簡(jiǎn)潔的設(shè)計(jì)風(fēng)格在電路設(shè)計(jì)中發(fā)揮著越來越重要的作用。這個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)單的自動(dòng)售貨機(jī)的功能，程序由硬件描述語言vhdl編寫。程序中采用分塊編寫的方式，將一個(gè)本來復(fù)雜的體系用簡(jiǎn)單的邏輯表述出來。主時(shí)鐘配合各個(gè)模塊產(chǎn)生不同的信號(hào)，以這些信號(hào)為橋梁分別控制各個(gè)模塊，這樣做設(shè)計(jì)顯得很流暢，每個(gè)模塊都不是獨(dú)立存在的。通過本次課程設(shè)計(jì)，我對(duì)VerilogHDL語言有了更深刻的了解，能夠比較靈活地運(yùn)用它來實(shí)現(xiàn)我們所想要要其實(shí)現(xiàn)的功能。在實(shí)驗(yàn)中，我也遇到了很多挫折，不過我都和同伴一一克服了，大家齊心協(xié)力解決了問題，使我明白了和他人共同合作的重要性。在以后的道路上我們也必須深刻認(rèn)識(shí)到團(tuán)隊(duì)合作的精神，投入今后的發(fā)展之中。成功就是在不斷摸索著前進(jìn)中實(shí)現(xiàn)的，遇到問題我們不能灰心、煩躁，甚至放棄，而要靜下心來仔細(xì)思考，分部檢查，找出最終的原因進(jìn)行改正，這樣才會(huì)有進(jìn)步，才會(huì)一步步向自己的目標(biāo)靠近，才會(huì)取得自己所要追求的成功。參考文獻(xiàn)[1]喬廬峰，王志功．VerilogHDL數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證．電子信息與電氣，2021，8（2）：74-90．[2]喬廬峰，王志功．VerilogHDL數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證．電子信息與電氣，2021，10（4）：110-112[3]鄧文新．C語言程序設(shè)計(jì)方法．計(jì)算機(jī)公共課程，2021，6（2、3）：159-169．

附錄1引腳圖致謝

引力波的實(shí)驗(yàn)探測(cè)給我們的啟示摘要：引力理論的發(fā)展經(jīng)歷了數(shù)百年，從牛頓到愛因斯坦，從萬有引力定律到廣義相對(duì)論。在這過程中，科學(xué)家們引力波的預(yù)言質(zhì)疑不休、爭(zhēng)論不止。而引力波的實(shí)驗(yàn)探測(cè)無疑證明了一切。引力波的發(fā)現(xiàn)，彌補(bǔ)了愛因斯坦的廣義相對(duì)論的漏洞，也確定了他的理論的正確。這是人類史上出現(xiàn)的又一契機(jī)，它將為人類社會(huì)帶來重大變革?！捌莆濉笔侵袊?guó)傳統(tǒng)迎財(cái)神的日子。2016年的這一天，卻一個(gè)讓全世界物理學(xué)界沸騰的日子，甚至許多的物理學(xué)家為之痛哭流涕——被預(yù)言已經(jīng)百年的引力波，終于被探測(cè)到了。引力是什么？在今天人們所知道的物質(zhì)的四種基本相互作用中，引力作用為最弱。四種相互作用按作用強(qiáng)度比例順序是：強(qiáng)相互作用(1),電磁相互作用(10),弱相互作用(10),引力相互作用(10)。因此，在研究基本粒子的運(yùn)動(dòng)時(shí)，引力一般略去不計(jì)。但在天文學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，由于涉及的對(duì)象的質(zhì)量極其巨大，引力就成為不僅支配著天體的運(yùn)動(dòng)，而且往往是天體的結(jié)構(gòu)和演化的決定因素。引力并不是一種所謂的“力”，而是一種屬性。牛頓在1687年出版的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書中首次提出萬有引力定律，基于此，他結(jié)識(shí)了彗星的運(yùn)動(dòng)軌道和地球上的潮汐現(xiàn)象，并根據(jù)萬有引力定律成功地預(yù)言并發(fā)現(xiàn)了海王星。萬有引力定律出現(xiàn)后，才正式把研究天體的運(yùn)動(dòng)建立在力學(xué)理論的基礎(chǔ)上，從而創(chuàng)立了天體力學(xué)。簡(jiǎn)單的說，質(zhì)量越大的東西產(chǎn)生的引力越大，地球的質(zhì)量產(chǎn)生的引力足夠把地球上的東西全部抓牢。1905年，愛因斯坦提出狹義相對(duì)論，突破了絕對(duì)時(shí)間和絕對(duì)空間的概念，否定了瞬時(shí)超距作用，從根本上動(dòng)搖了建立在這些舊觀念基礎(chǔ)上的牛頓引力理論。經(jīng)過十年的探索后，愛因斯坦于1915年提出了迄今為止最成功的近代引力理論——廣義相對(duì)論。廣義相對(duì)論中，引力被歸咎于時(shí)空的彎曲。這種彎曲是由物質(zhì)造成的，物質(zhì)的質(zhì)量越大，所形成的扭曲也就越嚴(yán)重。但是這種彎曲，對(duì)于人類來說根本感知不到，一是因?yàn)槿祟惏殡S這種彎曲一起彎曲了，而是由于這種彎曲太微小。大質(zhì)量物體發(fā)生的扭曲引起了震動(dòng)，而這種震動(dòng)，就是引力波?？茖W(xué)家們通過探測(cè)這種時(shí)空震蕩，來證實(shí)引力波的存在。早在1916年，愛因斯坦在廣義相對(duì)論中就預(yù)言了引力波的存在。而科學(xué)家們普遍認(rèn)為，這次LIGO這一發(fā)現(xiàn)是愛因斯坦相對(duì)論實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中最后一塊缺失的“拼圖”，證實(shí)了愛因斯坦廣義相對(duì)論的正確性，彌補(bǔ)了愛因斯坦的廣義相對(duì)論的漏洞，驗(yàn)證了已故科學(xué)家愛因斯坦的預(yù)言。探測(cè)的儀器叫做邁克爾遜干涉儀，或是LIGO。LIGO的“兩條腿”都有4千米長(zhǎng)，最近的一次升級(jí)就花去了幾十億美元。LIGO的原理是什么？簡(jiǎn)單來說是利用光速不變，在同樣的直線路程里測(cè)試耗時(shí)，而通過時(shí)間的偏差（盡最大可能排除誤差，也是耗資巨大的原因）來判定空間確實(shí)存在震動(dòng)。這樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)置基于愛因斯坦的假設(shè)：光速不變，是因?yàn)橐怨獾囊暯强?，它沿途?jīng)過的空間發(fā)生了折疊伸縮?？赡艿囊Σㄌ綔y(cè)源包括致密雙星系統(tǒng)（白矮星，中子星和黑洞）。在2016年2月11日，LIGO科學(xué)合作組織和Virgo合作團(tuán)隊(duì)宣布他們已經(jīng)利用高級(jí)LIGO探測(cè)器，首次探測(cè)到了來自于雙黑洞合并的引力波信號(hào)。在過去的數(shù)十年里，許多物理學(xué)家和天文學(xué)家為證明引力波的存在進(jìn)行了大量研究。其中，泰勒和赫爾斯由于第一次得到引力波存在的間接證據(jù)榮獲1993年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。到目前為止，類似的雙中子星系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了近十個(gè)，但是雙黑洞系統(tǒng)卻是首次。在實(shí)驗(yàn)方面，第一個(gè)對(duì)直接探測(cè)引力波作偉大嘗試的人是韋伯。雖然他的共振棒探測(cè)器最后沒能找到引力波，但是韋伯開創(chuàng)了引力波實(shí)驗(yàn)科學(xué)的先河，為如今的碩果打下了基礎(chǔ)。因?yàn)樵诘孛嫔虾苋菀资艿礁蓴_，所以物理學(xué)家們也在向太空進(jìn)軍。歐洲的空間引力波項(xiàng)目eLISA（演化激光干涉空間天線）。eLISA將由三個(gè)相同的探測(cè)器構(gòu)成為一個(gè)邊長(zhǎng)為五百萬公里的等邊三角形，同樣使用激光干涉法來探測(cè)引力波。此項(xiàng)目已經(jīng)歐洲空間局通過批準(zhǔn)，正式立項(xiàng)，目前處于設(shè)計(jì)階段，計(jì)劃于2034年發(fā)射運(yùn)行。作為先導(dǎo)項(xiàng)目，兩顆測(cè)試衛(wèi)星已經(jīng)于2015年12月3日發(fā)射成功，目前正在調(diào)試之中。中國(guó)的科研人員，在積極參與目前的國(guó)際合作之外之外，也在籌建自己的引力波探測(cè)項(xiàng)目。引力波的實(shí)驗(yàn)探測(cè)引起了世界范圍的轟動(dòng)，這些探測(cè)極其不易，宇宙中發(fā)生爆炸性的大事件時(shí)產(chǎn)生的引力波，才相對(duì)容易探測(cè)到，例如黑洞合并、星系合并、超新星爆炸等。100年前，愛因斯坦在預(yù)言引力波存在時(shí)就曾說：“這些數(shù)值是如此微小，她們不會(huì)對(duì)任何的東西產(chǎn)生顯著的作用，沒人能夠去測(cè)量它們。”蔡一夫給出解釋：“時(shí)間發(fā)生得越早，距離越遠(yuǎn)，越會(huì)在宇宙中傳播期間被紅移。紅移指的是由于宇宙本身的膨脹將所有的波動(dòng)的波長(zhǎng)拉直拉平，這樣其波動(dòng)性就難以被探測(cè)到。例如，這次LIGO探測(cè)到的引力波，是13億年以前兩個(gè)大約30個(gè)太陽質(zhì)量的黑洞并合所產(chǎn)生的引力波，振幅之小，是在原子核尺寸的千分之一的尺度。能探測(cè)到真的是非常不容易，LIGO實(shí)驗(yàn)組的科學(xué)家們也是在幾十年里經(jīng)歷多次挫折，不斷調(diào)整方案，改進(jìn)儀器，才最終探測(cè)到的?！彼运某晒μ綔y(cè)也標(biāo)志著在這個(gè)領(lǐng)域人類的技術(shù)進(jìn)步到了前所未有的水平。而它所具有的里程碑意義不止在科學(xué)情感上，更在于能夠打開人類的一個(gè)新的世界——每個(gè)人都對(duì)它滿懷期待。如果電磁波探測(cè)是人類的眼睛，那么人類又多了一雙聆聽外界的耳朵。馬克斯·普朗克引力物理研究所說：“在《星際穿越》和《三體》中，都不約而同地將引力波選為了未來科技發(fā)達(dá)的人類的通訊手段，這也許只能是美好的幻想，但對(duì)于天文研究而言，引力波的確開啟了一扇新的窗口。吹進(jìn)來的第一縷清風(fēng)，就帶來了一個(gè)重大的信息：極重的恒星級(jí)雙黑洞系統(tǒng)存在并可以在足夠短的時(shí)間（10億年）內(nèi)并合。這是讓我們始料未及的。誰能知道在將來的更多的探測(cè)中，LIGO和一眾引力波探測(cè)器能帶給我們什么樣的驚喜呢？”引力波有兩個(gè)非常重要而且比較獨(dú)特的性質(zhì)。第一：不需要任何的物質(zhì)存在于引力波源周圍。這時(shí)就不會(huì)有電磁輻射產(chǎn)生。第二：引力波能夠幾乎不受阻擋的穿過行進(jìn)途中的天體。比如，來自于遙遠(yuǎn)恒星的光會(huì)被星際介質(zhì)所遮擋，引力波能夠不受阻礙的穿過。對(duì)于天文學(xué)家來說，這兩個(gè)特征允許引力波攜帶有更多的之前從未被觀測(cè)過的天文現(xiàn)象信息，而每一個(gè)電磁波譜的打開，都會(huì)為我們帶來前所未有的發(fā)現(xiàn)。天文學(xué)家們同樣期望引力波也是如此。而引力波本身的性質(zhì)也可能對(duì)基礎(chǔ)物理學(xué)產(chǎn)生巨大的影響。另外，引力波蘊(yùn)含的，很可能是宇宙誕生的畫面。我們從小都被告知一個(gè)最著名的猜想——宇宙是在一場(chǎng)爆炸中誕生的。這意味著，在時(shí)空的開始，宇宙又一次最為劇烈的震動(dòng)。引力波就能讓我們還原這個(gè)震動(dòng)——它是否存在？有多大規(guī)模？不僅如此，引力波還能傳遞信息——我們看不到的宇宙空間在發(fā)生什么？據(jù)科學(xué)家解釋，這次的引力波就是在遙遠(yuǎn)的距離上巨大的黑洞變化引起的。而這一結(jié)果也證明了黑洞真實(shí)存在——至少是廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)的由純凈、真空、扭曲時(shí)空組成的完美圓形物體。并且，引力波傳遞的信息可以讓科學(xué)家更精確地估計(jì)宇宙膨脹的速度?？偠灾?，一個(gè)新的重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)，總會(huì)給人類社會(huì)帶來無法預(yù)估的發(fā)展。18世紀(jì)面熟電磁波的麥克斯韋理論確認(rèn)的時(shí)候，也沒人知道會(huì)給人類帶來什么，但是現(xiàn)在不管是電視機(jī)還是移動(dòng)電話，都與電磁現(xiàn)象有關(guān)。引力波的發(fā)現(xiàn)類似當(dāng)年的發(fā)現(xiàn)X光一樣，是一種工具。有了這個(gè)工具，我們可以利用引力波的觀察，去觀察遙遠(yuǎn)的宇宙的現(xiàn)象。發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)、時(shí)空穿梭等等才是有可能實(shí)現(xiàn)的事情。如果沒有引力波，以我們現(xiàn)有的技術(shù)是做不到這些科幻世界才有的事情的?！凹热灰Σㄊ谴嬖诘模谝Σǖ目蒲兴悸房尚判跃痛蟠筇岣吡?。就好像走一條未知的路，走到半路，有人懷疑不對(duì)，結(jié)果證實(shí)是對(duì)的，那么就可以加快步伐了?！碧K萌說。世界各國(guó)都加大了探測(cè)研究引力波的力度，我國(guó)也緊跟探索引力波的步伐。“天琴計(jì)劃”參與者、中山大學(xué)天文與空間科學(xué)研究院院長(zhǎng)李淼教授介紹，“天琴計(jì)劃”是我國(guó)自主開展空間引力波探測(cè)的可行方案，發(fā)射三顆衛(wèi)星探測(cè)引力波，該計(jì)劃預(yù)期執(zhí)行期為2016~2035年，分四階段實(shí)施。項(xiàng)目還將挖山洞，建觀測(cè)站以及建設(shè)綜合研究大樓。預(yù)計(jì)擬投三億啟動(dòng)。天琴計(jì)劃預(yù)期執(zhí)行期為2016-2035年，分四階段實(shí)施：（1）2016-2020年：完成月球/深空衛(wèi)星激光測(cè)距、空間等效原理檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)和下一代重力衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)所需關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)。主要研發(fā)成果包括：新一代月球激光測(cè)距反射器、月球激光測(cè)距臺(tái)站、高精度加速度計(jì)、無拖曳控制（包含微推進(jìn)器）、高精度星載激光干涉儀、星間激光測(cè)距技術(shù)等；（2）2021-2025年：完成空間等效原理檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)和下一代重力衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)工程樣機(jī)，并成功發(fā)射下一代重力衛(wèi)星和空間等效原理實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。主要研發(fā)成果包含：超靜衛(wèi)星平臺(tái)、高精度大型激光陀螺儀以及進(jìn)一步提高加速度計(jì)、無拖曳控制、高精度星載激光干涉儀、星間激光測(cè)距等技術(shù)；（3）2026-2030年：完成空間引力波探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)，完成衛(wèi)星載荷工程樣機(jī)；（4）2031-2035年：進(jìn)行衛(wèi)星系統(tǒng)整機(jī)聯(lián)調(diào)測(cè)試、系統(tǒng)組裝，發(fā)射空間引力波探測(cè)衛(wèi)星。李淼介紹，“天琴計(jì)劃”的出發(fā)點(diǎn)是切實(shí)根據(jù)我國(guó)的技術(shù)能力實(shí)際和未來幾十年的發(fā)展前景，提出我國(guó)自主開展空間引力波探測(cè)的可行方案。在目前討論的初步概念中，天琴將采用三顆全同的衛(wèi)星構(gòu)成一個(gè)等邊三角形陣列，每顆衛(wèi)星內(nèi)部都包含一個(gè)或兩個(gè)極其小心懸浮起來的檢驗(yàn)質(zhì)量。衛(wèi)星上將安裝推力可以精細(xì)調(diào)節(jié)的微牛級(jí)推進(jìn)器，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，使得檢驗(yàn)質(zhì)量始終保持與周圍的保護(hù)容器互不接觸的狀態(tài)。這樣檢驗(yàn)質(zhì)量將只在引力的作用下運(yùn)動(dòng)，而來自太陽風(fēng)或太陽光壓等細(xì)微的非引力擾動(dòng)將被衛(wèi)星外殼屏蔽掉。高精度的激光干涉測(cè)距技術(shù)將被用來記錄由引力波引起的、不同衛(wèi)星上檢驗(yàn)質(zhì)量之間的細(xì)微距離變化，從而獲得有關(guān)引力波的信息?！疤烨佟钡男l(wèi)星將在以地球?yàn)橹行?、高度約10萬公里的軌道上運(yùn)行，針對(duì)確定的引力波源進(jìn)行探測(cè)。這樣的選擇能夠避免測(cè)到引力波信號(hào)卻無法確定引力波源的問題。中國(guó)科學(xué)院也于2016年2月16日公布了空間引力波探測(cè)與研究的“空間太極計(jì)劃”。按照這一計(jì)劃，我國(guó)將在2030年前后發(fā)射由位于等邊三角形頂端三顆衛(wèi)星組成的引力波探測(cè)星組，用激光干涉方法進(jìn)行中低頻波段引力波的直接探測(cè)。主要科學(xué)目標(biāo)是觀測(cè)雙黑洞并合和極大質(zhì)量比天體并合時(shí)產(chǎn)生的引力波輻射，以及其他的宇宙引力波輻射過程。中科院力學(xué)研究所胡文瑞院士表示，“我國(guó)目前的技術(shù)能力與國(guó)際先進(jìn)水平還有一定的差距，這種差距可以通過良好的國(guó)際合作得到一定的彌補(bǔ)?！焙娜鹫f，“空間太極計(jì)劃”是一個(gè)中歐合作的國(guó)際合作計(jì)劃，目前有兩個(gè)方案：方案一是參加歐洲空間局的eLISA雙邊合作計(jì)劃；方案二是發(fā)射一組中國(guó)的引力波探測(cè)衛(wèi)星組，與2035年左右發(fā)射的eLISA衛(wèi)星組同時(shí)遨游太空，進(jìn)行低頻引力波探測(cè)。據(jù)介紹，空間引力波探測(cè)被列入中科院制訂的空間2050年規(guī)劃。2008年由中科院發(fā)起，中科院多個(gè)研究所及院外高校科研單位共同參與。引力波的發(fā)現(xiàn)是感人至深的，它印證了一位物理學(xué)大師的睿智偉大，為年富力強(qiáng)的物理學(xué)家們?cè)鎏砹诵判暮桶参?。在理性上，引力波的發(fā)現(xiàn)更是激動(dòng)人心的，人類的歷史將會(huì)改寫，一切都是未知，未知也許會(huì)更加美好