【FPGA入门八】自动售货机
2024-07-02 06:20:20
文章目录
- 一.任务
- 二.工程项目
- Verilog HDL编写
- ①设计按键消抖模块
- ②设计数码管位选驱动
- ③设计数码管显示模块
- ④设计售货机购物模块
- ⑤设计顶层模块
- 三.总结
一.任务
功能完整描述：
KEY4：开关机按键，复位时，默认是关机状态，数码管和LED灯均不亮，同时蜂鸣器响，其余按键按下无效。
KEY3：在开机状态时，投币1元
KEY2：在开机状态时，投币为0.5元
KEY1：当投币但少于货物的价格时，取消订单，数码管显示为0.0，同时LED灯实现跑马灯2s然后熄灭
当投币为2.5元时，刚好能够购买货物，4个LED灯同时闪烁2s然后熄灭，同时数码管数字清零
当投币为3元时，购买货物还需找零，4个LED灯实现流水灯2s然后熄灭，同时数码管数字清零
思路：
位选信号：
两种状态 6’b111_110，6’b111_101让这两个状态频繁切换，看起来像是一直亮着一样。
售货机总共有8个状态：
1：用户投币总数为0，也是初始状态，此时数码管显示0.0
①当用户选择投币0.5，跳转到第2个状态
②当用户选择投币1，跳转到第3个状态
2：用户投币总数为0.5，数码管显示0.5
①当用户选择投币0.5，跳转到第3个状态
②当用户选择投币1，跳转到第4个状态
③当用户取消，跳转到第8个状态，同时开始计时
3：用户投币总数为1，数码管显示1.0
①当用户选择投币0.5，跳转到第4个状态
②当用户选择投币1，跳转到第5个状态
③当用户取消，跳转到第8个状态，同时开始计时
4：用户投币总数为1.5，数码管显示1.5
①当用户选择投币0.5，跳转到第5个状态
②当用户选择投币1，跳转到第6个状态，同时开始计时
③当用户取消，跳转到第8个状态，同时开始计时
5：用户投币总数为2.0，数码管显示2.0
①当用户选择投币0.5，跳转到第6个状态，同时开始计时
②当用户选择投币1，跳转到第7个状态，同时开始计时
③当用户取消，跳转到第8个状态，同时开始计时
6：用户投币总数为2.5，数码管显示2.5
①该状态保持2s后结束计时
7：用户投币总数为3，数码管显示3.0
①该状态保持2s后结束计时
8：用户取消订，数码管显示0.0
①该状态保持2s后结束计时
二.工程项目
Verilog HDL编写
①设计按键消抖模块
key_debounce.v
module key_debounce(input wire clk,input wire rst_n,input wire key,output reg flag, //判断抖动是否消除的标志信号，0为抖动，1为抖动结束output reg key_value //消抖后稳定的按键值给到蜂鸣器模块
);//定义20ms延迟计数器,0.2s,1_000_000次
reg [19:0] delay_cnt;//寄存依次key的值用来判断按键是否消抖成功
reg key_reg;//20ms延时计数器
always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)beginkey_reg <= 1'b1; //复位信号，设置按键无效delay_cnt <= 1'b0; //计数器设置为0endelsebeginkey_reg <= key; if(key_reg == 1 && key == 0) //当这一次key值和上一次key值不一样，证明正在抖动delay_cnt <= 20'd1_000_000; //延迟时间20mselse if(delay_cnt > 0)delay_cnt <= delay_cnt - 1; //没有抖动，开始20ms倒计时elsedelay_cnt <= 1'b0; end
end//根据延时计数器获取按键状态以及按键值
always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)beginflag <= 1'b0; //复位信号，设置信号标志为抖动key_value <= 1'b1; //设置抽样值为1endelsebeginif(delay_cnt == 20'd1) //倒计时1_000_000到1beginflag <= 1'b1;key_value <= key; //稳定20ms后将key值给到key_valueendelse beginflag <= 1'b0;key_value <= key_value; //20ms内先不取样endend
endendmodule
②设计数码管位选驱动
sel_drive.v
module sel_drive(input wire clk,input wire rst_n,input wire boot_flag,output wire [5:0] sel
);
parameter MAX_NUM = 10'd999;//20us
reg [5:0] sel_r;
reg [9:0] cnt;
reg sel_flag;//20us计时器
always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)begincnt <= 10'd0;endelse if(cnt == MAX_NUM)begincnt <= 10'd0;endelse begincnt <= cnt + 1'd1;end
end//状态切换计数器模块
always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)sel_flag <= 1'b0;else if(cnt == MAX_NUM)sel_flag <= ~sel_flag; elsesel_flag <= sel_flag;
end //位选信号切换功能
always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)beginsel_r <= 6'b111_111;endelse begincase(boot_flag)1'b0:begin //关机状态sel_r <= 6'b111_111;end1'b1:begin //开机状态case(sel_flag)1'b0: sel_r <= 6'b111_110;1'b1: sel_r <= 6'b111_101;default:sel_r <= sel_r;endcaseendendcaseend
endassign sel = sel_r;endmodule③设计数码管显示模块
seg_scan.v
module seg_scan(input wire clk,input wire rst_n,input wire [3:0] money_flag,//用户投币标识input wire [5:0] sel,//位选信号output wire [7:0] seg//段选信号
);reg [3:0] number;
reg [7:0] seg_r;reg flag;//标识当前显示的数字是否是小数点后面的值 1：是 0：不是//根据用户投币标识的不同显示不同的数字
always@(*)begincase(money_flag)4'd0:begin//显示0.0case(sel)6'b111_110: beginnumber = 4'd0;flag = 1'b0;//第二个零不带小数点end6'b111_101: beginnumber = 4'd0;flag = 1'b1;//第一个零带小数点enddefault : beginnumber = 4'd0;flag = 1'b0;endendcaseend4'd1:begin//显示0.5case(sel)6'b111_110: beginnumber = 4'd5;flag = 1'b0;end6'b111_101: beginnumber = 4'd0;flag = 1'b1;enddefault : beginnumber = 4'd0;flag = 1'b0;endendcaseend4'd2:begin//显示1.0case(sel)6'b111_110: beginnumber = 4'd0;flag = 1'b0;end6'b111_101: beginnumber = 4'd1;flag = 1'b1;enddefault : beginnumber = 4'd0;flag = 1'b0;endendcaseend4'd3:begin//显示1.5case(sel)6'b111_110: beginnumber = 4'd5;flag = 1'b0;end6'b111_101: beginnumber = 4'd1;flag = 1'b1;enddefault : beginnumber = 4'd0;flag = 1'b0;endendcaseend4'd4:begin//显示2.0case(sel)6'b111_110: beginnumber = 4'd0;flag = 1'b0;end6'b111_101: beginnumber = 4'd2;flag = 1'b1;enddefault : beginnumber = 4'd0;flag = 1'b0;endendcaseend4'd5:begin//显示2.5case(sel)6'b111_110: beginnumber = 4'd5;flag = 1'b0;end6'b111_101: beginnumber = 4'd2;flag = 1'b1;enddefault : beginnumber = 4'd0;flag = 1'b0;endendcaseend4'd6:begin//显示3.0case(sel)6'b111_110: beginnumber = 4'd0;flag = 1'b0;end6'b111_101: beginnumber = 4'd3;flag = 1'b1;enddefault : beginnumber = 4'd0;flag = 1'b0;endendcaseend4'd7:begin//显示0.0case(sel)6'b111_110: beginnumber = 4'd0;flag = 1'b0;end6'b111_101: beginnumber = 4'd0;flag = 1'b1;enddefault : beginnumber = 4'd0;flag = 1'b0;endendcaseenddefault:begin//显示0.0case(sel)6'b111_110: beginnumber = 4'd0;flag = 1'b0;end6'b111_101: beginnumber = 4'd0;flag = 1'b1;enddefault : beginnumber = 4'd0;flag = 1'b0;endendcaseendendcase
endalways@(*)begincase(number)4'd0 : begin if(flag == 1'b1)begin//显示小数点seg_r = 8'b0100_0000;//数码管显示0 带小数点endelse beginseg_r = 8'b1100_0000;//数码管显示0 不带小数点endend4'd1 : begin if(flag == 1'b1)begin//显示小数点seg_r = 8'b0111_1001;//数码管显示1 带小数点endelse beginseg_r = 8'b1111_1001;//数码管显示1 不带小数点endend4'd2 : begin if(flag == 1'b1)begin//显示小数点seg_r = 8'b0010_0100;//数码管显示2 带小数点endelse beginseg_r = 8'b1010_0100;//数码管显示2 不带小数点endend4'd3 : begin if(flag == 1'b1)begin//显示小数点seg_r = 8'b0011_0000;//数码管显示3 带小数点endelse beginseg_r = 8'b1011_0000;//数码管显示3 不带小数点endend4'd5 : begin if(flag == 1'b1)begin//显示小数点seg_r = 8'b0001_0010;//数码管显示5 带小数点endelse beginseg_r = 8'b1001_0010;//数码管显示5 不带小数点endenddefault: begin if(flag == 1'b1)begin//显示小数点seg_r = 8'b0100_0000;//数码管显示0 带小数点endelse beginseg_r = 8'b1100_0000;//数码管显示0 不带小数点endendendcase
endassign seg = seg_r;endmodule④设计售货机购物模块
vending_machine.v
module vending_machine(input wire clk,//时钟input wire rst_n,//复位input [3:0] key_value,//按键值input [3:0] flag,output reg beep,output reg [3:0] led,output wire [3:0] money_flag_w,output wire boot_flag_w
);parameter MAX_NUM = 9_999_999;//定义最大计时0.2s LED灯闪烁间隔
parameter MAX_NUM2 = 10;//2s计数基于0.2s//定义状态计数器，4个灯4个状态
reg [1:0] led_flag; reg boot_flag; //标识售货机是否处于开机状态 0：关机 1：开机reg [3:0] money_flag;//用户投币的状态有8种 分别是0, 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 退货的0reg [23:0] cnt = 0; //计时器赋初值为0reg [26:0] cnt_1 = 0; //计时器赋初值为0reg time_flag;//开始计时标记 1:开始计时 0:不开始//0.2s计数器模块
always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)cnt <= 1'b0; //按下复位键，清零else if(cnt == MAX_NUM) //计时器达到最大值，清零重新计数cnt <= 1'b0;elsecnt <= cnt + 1'b1;
end//2s计数器模块
always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)cnt_1 <= 1'b0; //按下复位键，清零else if(time_flag == 1)begin//开始计时if(cnt == MAX_NUM)beginif(cnt_1 <MAX_NUM2)begincnt_1 <= cnt_1 + 1'b1;endelse begincnt_1 <= 1'b0;//cnt_1计数达到最大就清空endendelse begincnt_1 <= cnt_1;//其余时间保持endendelse begincnt_1 <= 1'b0;//不计时，cnt_1清空end
end//状态切换计数器模块 led_flag的状态基于0.2s
always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)led_flag <= 1'b0;else if(cnt == MAX_NUM)led_flag <= led_flag + 1'b1; //超出宽度截取低两位elseled_flag <= led_flag;
end //售货机开关机状态控制 key4
always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)begin boot_flag <= 1'b0; //初始状态关机中beep <= 1'b0;//关机状态，蜂鸣器响 endelse if(flag[3] == 1'b1 && key_value[3] == 1'b0)begin//当按键key4按下时，售货机开关机状态取反boot_flag <= ~boot_flag;beep <= ~beep;//当开机状态时蜂鸣器停止endelse beginboot_flag <= boot_flag;//其余情况售货机开关机状态保持beep <= beep;//蜂鸣器状态保持end
endassign boot_flag_w = boot_flag;//当投入人民币购买功能
always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)beginmoney_flag <= 4'd0;//初始用户投币为0endelse if(boot_flag)begin//只有当售货机是开机状态才可以购买case(money_flag)4'd0:begin//用户投币为0的情况下if(flag[1] == 1'b1 && key_value[1] == 1'b0)begin//用户投币0.5money_flag <= 4'd1;//记下第二个状态endelse if(flag[2] == 1'b1 && key_value[2] == 1'b0)begin//用户投币1money_flag <= 4'd2;//记下第三个状态end
// else if(flag[0] == 1'b1 && key_value[0] == 1'b0)begin//用户退货
// money_flag <= 4'd7;//记下第八个状态
// time_flag <= 1'b1;//开始计时
// endelse begin//用户没操作，状态保持money_flag <= money_flag;endend4'd1:begin//用户投币为0.5的情况下if(flag[1] == 1'b1 && key_value[1] == 1'b0)begin//用户投币0.5money_flag <= 4'd2;//记下第三个状态endelse if(flag[2] == 1'b1 && key_value[2] == 1'b0)begin//用户投币1money_flag <= 4'd3;//记下第四个状态endelse if(flag[0] == 1'b1 && key_value[0] == 1'b0)begin//用户退货money_flag <= 4'd7;//记下第八个状态time_flag <= 1'b1;//开始计时endelse begin//用户没操作，状态保持money_flag <= money_flag;endend4'd2:begin//用户投币为1的情况下if(flag[1] == 1'b1 && key_value[1] == 1'b0)begin//用户投币0.5money_flag <= 4'd3;//记下第四个状态endelse if(flag[2] == 1'b1 && key_value[2] == 1'b0)begin//用户投币1money_flag <= 4'd4;//记下第五个状态endelse if(flag[0] == 1'b1 && key_value[0] == 1'b0)begin//用户退货money_flag <= 4'd7;//记下第八个状态time_flag <= 1'b1;//开始计时endelse begin//用户没操作，状态保持money_flag <= money_flag;endend4'd3:begin//用户投币为1.5的情况下if(flag[1] == 1'b1 && key_value[1] == 1'b0)begin//用户投币0.5money_flag <= 4'd4;//记下第五个状态endelse if(flag[2] == 1'b1 && key_value[2] == 1'b0)begin//用户投币1money_flag <= 4'd5;//记下第六个状态time_flag <= 1'b1;//开始计时endelse if(flag[0] == 1'b1 && key_value[0] == 1'b0)begin//用户退货money_flag <= 4'd7;//记下第八个状态time_flag <= 1'b1;//开始计时endelse begin//用户没操作，状态保持money_flag <= money_flag;endend4'd4:begin//用户投币为2的情况下if(flag[1] == 1'b1 && key_value[1] == 1'b0)begin//用户投币0.5money_flag <= 4'd5;//记下第六个状态time_flag <= 1'b1;//开始计时endelse if(flag[2] == 1'b1 && key_value[2] == 1'b0)begin//用户投币1money_flag <= 4'd6;//记下第七个状态time_flag <= 1'b1;//开始计时endelse if(flag[0] == 1'b1 && key_value[0] == 1'b0)begin//用户退货money_flag <= 4'd7;//记下第八个状态time_flag <= 1'b1;//开始计时endelse begin//用户没操作，状态保持money_flag <= money_flag;endend4'd5:begin//用户投币为2.5的情况下 保持2sif(cnt_1 == MAX_NUM2)beginmoney_flag <= 4'd0;//返回第一种状态time_flag <= 1'b0;//结束计时endelse beginmoney_flag <= money_flag;endend4'd6:begin//用户投币为3的情况下 保持2sif(cnt_1 == MAX_NUM2)beginmoney_flag <= 4'd0;//返回第一种状态time_flag <= 1'b0;//结束计时endelse beginmoney_flag <= money_flag;endend4'd7:begin//用户退货的情况下 保持2sif(cnt_1 == MAX_NUM2)beginmoney_flag <= 4'd0;//返回第一种状态time_flag <= 1'b0;//结束计时endelse beginmoney_flag <= money_flag;endendendcaseendelse beginmoney_flag <= 4'd0;end
end//led控制模块
always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)led <= 4'b0000;else if(money_flag == 4'd5)begin//2.5块购买成功不找零 闪烁case(led_flag)2'b00 :led <= 4'b1111;2'b01 :led <= 4'b0000;2'b10 :led <= 4'b1111;2'b11 :led <= 4'b0000;default:led <= 4'b1111;endcaseendelse if(money_flag == 4'd6)begin//3块购买成功找零 流水灯case(led_flag)2'b00 :led <= 4'b1000;2'b01 :led <= 4'b0100;2'b10 :led <= 4'b0010;2'b11 :led <= 4'b0001;default:led <= 4'b1000;endcaseendelse if(money_flag == 4'd7)begin//退货 跑马灯（蜂鸣器）case(led_flag)2'b00 :led <= 4'b1000;2'b01 :led <= 4'b1100;2'b10 :led <= 4'b1110;2'b11 :led <= 4'b1111;default:led <= 4'b1000;endcaseendelseled <= 4'b0000;//其余情况led不亮
endassign money_flag_w = money_flag;endmodule
⑤设计顶层模块
top_vending_machine.v
module top_vending_machine(input wire clk,//时钟input wire rst_n,//复位input wire [3:0] key,//三个按键output wire beep,output wire [3:0] led,//led灯output wire [7:0] seg,//段选信号output wire [5:0] sel//位选信号
);wire [3:0] money_flag;
wire [3:0] key_value;
wire [3:0] flag;
wire boot_flag;//例化按键key1消抖模块
key_debounce inst_key_debounce1(
.clk (clk ),
.rst_n (rst_n ),
.key (key[0] ),.flag (flag[0] ),
.key_value (key_value[0])
);//例化按键key2消抖模块
key_debounce inst_key_debounce2(
.clk (clk ),
.rst_n (rst_n ),
.key (key[1] ),.flag (flag[1] ),
.key_value (key_value[1])
);//例化按键key3消抖模块
key_debounce inst_key_debounce3(
.clk (clk ),
.rst_n (rst_n ),
.key (key[2] ),.flag (flag[2] ),
.key_value (key_value[2])
);//例化按键key4消抖模块
key_debounce inst_key_debounce4(
.clk (clk ),
.rst_n (rst_n ),
.key (key[3] ),.flag (flag[3] ),
.key_value (key_value[3])
);sel_drive inst_sel_drive(
.clk (clk ),
.rst_n (rst_n ),
.boot_flag (boot_flag),.sel (sel )
);seg_scan inst_seg_scan(
.clk (clk ),
.rst_n (rst_n ),
.money_flag(money_flag),.sel (sel ),//位选信号
.seg (seg )//段选信号
);vending_machine inst_vending_machine(
.clk (clk ),//时钟
.rst_n (rst_n ),//复位
.key_value ({key_value[3],key_value[2],key_value[1],key_value[0]}),//按键值
.flag ({flag[3],flag[2],flag[1],flag[0]}),.beep (beep) ,
.led (led ),
.money_flag_w(money_flag),
.boot_flag_w(boot_flag)
);
endmodule
编译：
查看RTL门级电路：
引脚绑定：
硬件测试：
三.总结
售货机的思路和电子锁类似，主要是找出所有状态及切换条件。
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