硬币兑换模块的有限状态机设计法

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摘要：根据目前硬币兑换模块在轨道交通AFC设备及自动售货机等设备上运用的详细需求，提出基于有限状态机的硬币兑换模块设计方案，并着重阐述以可编程逻辑器件为硬件基础的有限状态机的设计思路。

关键词：兑换；轨道交通；自动售货机；有限状态机；可编程逻辑器件

中图分类号：TN492 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2013） 02-0104-01

随着科学技术的发展，各种面向大众的智能自动售货终端设备遍布街头巷尾，城市轨道的建设突飞猛进，这些智能化的自动设备完全跟上了城市现代化的发展节奏，同现代化的城市融为一体。而这些设备的必备功能就是能够接收硬币，并能兑换硬币。过去，硬币兑换模块基本由标准数字逻辑器件组成，电路庞大、功能固定、连线过多且可靠性较低。目前，硬币兑换模块大多围绕单片机搭建而成。虽然性能较之以前有明显提高，但工作速度不高，且编程难度较大。作者在研究了多家硬币兑换模块产品，并阅读了大量文献的基础上，对硬币兑换模块的核心部分做了改进。以可编程逻辑器件为硬件基础，采用有限状态机的编程思想。电路运行速度快，程序容易实现，易于功能扩展，同时模块集成度更高、性能更稳定。

一、功能要求

硬币找零机接受5角和1元的硬币，找出的为1角的硬币。在投入5角和1元的硬币后，按“兑换”按钮即实现硬币的兑换过程。如果投入的为5角硬币，则找出5个1角的硬币；如果投入的为1元硬币，则找出的为10个1角的硬币。一次可兑换的最大硬币量为1元，如果更多的硬币被投入，它将会被吐出而不会被兑换。

二、硬件方案

压力传感器将投入硬币的重量转换成电压或电流信号，再连接运算放大电路将微弱信号放大，然后通过整流滤波电路，得到稳定的直流信号。处理好的模拟信号输入到模数转换器中转换成数字信号，此信号作为输入矢量被可编程逻辑器件接收，通过状态机的处理输出，经译码电路产生动作信号，最后由驱动电路控制执行部件完成兑换动作[1]。设计方案如图1所示。

三、有限状态机的设计

状态机的输入信号为：无输入NO_INPUT、投入一个5角硬币QUARTER2、投入一个1元硬币QUARTER4、兑换CHANGE。输出信号为：无输出NO_OUTPUT、输出5个1角硬币DIM5、输出10个1角硬币DIM10、吐出一个5角硬币QUARTER2、吐出一个1元硬币QUARTER4。可能的三个状态分别为：没有硬币NO_CREDIT、有1个5角硬币STATE1、有1个1元硬币STATE2。实现硬币兑换操作的有限状态机的状态图如图2所示。

当没有输入任何钱币到机器中时，状态为NO_CREDIT，表示没有需要兑换的输入。此时如果按CHANGE按钮，则没有输出（NO_OUTPUT）；如果没有投入硬币（NO_INPUT），则没有输出（NO_OUTPUT）；如果投入1个5角的硬币，则状态变为STATE1，但没有输出（NO_OUTPUT）；如果投入1个1元的硬币，则状态变为STATE2，但没有输出（NO_OUTPUT）。

当处于有1个5角硬币的状态STATE1时，如果没有再投入硬币（NO_INPUT），则没有输出（NO_OUTPUT）；如果按CHANGE按钮，则输出5个1角的硬币（DIM5）；如果再投入1个5角的硬币（输入QUARTER2），则状态变为STATE2，但没有输出（NO_OUTPUT）；如果再投入1个1元的硬币（输入QUARTER4），投入的1元硬币被吐出（输出QUARTER4）。

当处于1个1元硬币或2个5角硬币状态STATE2时，如果没有再投入硬币（NO_INPUT），则没有输出（NO_OUTPUT）；如果按CHANGE按钮，则输出10个1角的硬币（DIM10）；如果再投入1个5角的硬币（输入QUARTER2），投入的5角硬币被吐出（输出QUARTER2）。如果再投入1个1元的硬币（输入QUARTER4），投入的1元硬币被吐出（输出QUARTER4）。

参考文献：

[1]曹占生.单片机控制的自动找零系统的设计[J].铁路计算机应用，2001，10，1.

[2]江思敏.VHDL数字电路及系统设计[M].北京：机械工业出版社，2006.