用FPGA制作一个简单的自动售货机

这篇博客讲了如何用FPGA模拟实现自动售卖机的功能。

文章目录

用FPGA制作一个简单的自动售货机
1. 程序功能和总体框架详解
2.Divider分频模块
3.Debounce模块，按键去抖
4.FSM状态机
5.Seg显示模块
6.Siren蜂鸣器报警模块
7. Led灯闪烁模块
总结

1. 程序功能和总体框架详解

程序功能:

按键K3为复位信号，led0，led1控制led等，siren控制蜂鸣器，seg_sel和seg_led分别控制数码管的片选和位选信号
有两个商品cnt_40和cnt_50,分别价值40元和50元，K1，K2连接按键，每按一下，代表要购买的cnt_40和cnt_50加1，例如：买2个cnt_40，1个cnt_50,则按2下K1和1下K2，选好商品后，按K4确认；
确认后开始投币，投币时K1,K2分别代表投入10元硬币和20元硬币，按K4确认；
用4个数码管分别显示2个商品购买个数和2种硬币投入个数
若硬币价钱和商品价钱相等，则出货：两个led灯的闪烁次数表示两个商品的出货个数
若不相等，蜂鸣器报警

整体框架的代码如下所示：

module top(input k1,input k2,input k4,input k3,input clk,output led1,output led2,output [5:0] seg_sel,output [7:0] seg_led,output siren);
wire key1,key2,key4,le,sir,f1hz;
wire [3:0] cnt_40;
wire [3:0] cnt_50;
wire [3:0] coin_10;
wire [3:0] coin_20;
wire [2:0] cnt;
wire [15:0] data;
assign data={cnt_40[3:0],cnt_50[3:0],coin_10[3:0],coin_20[3:0]};
debounce  d1 (.rst(k3),.clock(clk),.noisy(k1),.clean(key1));  //Debounce模块
debounce  d2 (.rst(k3),.clock(clk),.noisy(k2),.clean(key2));
debounce  d3 (.rst(k3),.clock(clk),.noisy(k4),.clean(key4));
fsm f1(.clock(f1hz),.k1(key1),.k2(key2),.k3(k3),.k4(key4),.led(le),.siren(sir),.cnt_40(cnt_40),.cnt_50(cnt_50),.coin_10(coin_10),.coin_20(coin_20));
divider  di1(.clock(clk),.rst(k3),.wave(f1hz)); //对应图中FSM模块
led  l1(.clk(clk),.cnt_40(cnt_40),.cnt_50(cnt_50),.led(le),.rst(k3),.wave(f1hz),.led1(led2),.led0(led1));
siren  si(.clk(clk),.rst(k3),.start(sir),.sir(siren));
display dx(.clk(clk),.rst(k3), .data(data),.seg_sel(seg_sel),.seg_led(seg_led));//对应图中Seg模块
endmodule

clk为时钟信号，下面是各个模块的解析和代码

实物效果图如下：

2.Divider分频模块

我使用的FPGA开发板的时钟频率为25Mhz，通过这个程序分频，得到一个1hz的时钟信号，led闪烁时，闪太快我们人眼看不出来，所以需要一个1hz的时钟信号，来让它闪慢一点。

module divider(input clock,input rst,output reg wave);
reg [30:0] cnt;
always@(posedge clock or negedge rst)
if(!rst)
begin
cnt<=0;
wave<=0;
end
else if(cnt==25000000)
begin
cnt<=0;
wave<=!wave;
end
else
begin
wave<=wave;
cnt<=cnt+1;
end
endmodule

3.Debounce模块，按键去抖

确保按键按一次，只会产生一个下降沿，因此需要一个去抖动模块

module debounce #(parameter DELAY=500000)(input rst, clock, noisy,output reg clean);reg [19:0] count;reg new;always @(posedge clock)if (!rst)begincount <= 0;new <= noisy;clean <= noisy;endelse if (noisy != new)beginnew <= noisy;count <= 0;endelse if (count == DELAY)clean <= new;elsecount <= count+1;
endmodule

4.FSM状态机

有4种状态，

Pay状态读取购物信息
BIJIAO状态来比较货物价值和投入硬币价值是否相等
SIREN_ON状态控制蜂鸣器报警
CHUHUO控制出货（led闪烁）

module fsm(input clock,input k1,input k2,input k3,input  k4,output reg led,output reg siren,output reg [3:0] cnt_40,output reg [3:0] cnt_50,output reg [3:0] coin_10,output reg [3:0] coin_20);parameter PRICE = 0;parameter PAY = 1;//jie shou zhi fu shu liangparameter BIJIAO = 2;//pan duanparameter SIREN_ON = 3;//bao jingparameter CHUHUO = 4;//chu huoreg [2:0] state;always @ (posedge clock or negedge k3 )if (!k3)           //复位beginstate <= PRICE;cnt_40<=0;cnt_50<=0;coin_20<=0; coin_10<=0;
endelse         begincase (state)PRICE:         begin               //K1和K2按键决定cnt_40和cnt_50的购买数量，并输出到数码管显示；led <= 0;          //k4按键确认时，进入投币付费状态PAYsiren <= 0;if(!k1)begincnt_40 <= cnt_40 + 1;endif(!k2)begincnt_50 <= cnt_50 + 1;endif(!k4)beginstate <= PAY;endelsestate<=state;endPAY:      begin                       //投币付费状态，K1，K2按键决定10和20的硬币投入数量，并输出到数码管显示if(!k1)        //K4按键确认后，进入比较状态BIJIAO begincoin_10 <= coin_10 + 1;endelse if(!k2)begincoin_20 <= coin_20 + 1;endelse  if(!k4)state<=BIJIAO;elsestate<=state;endBIJIAO:  begin      //比较输入的货物价值和投入硬币价值是否相等，若相等，出货CHUHUO状态，否则报警状态SIREN_ONif((4 * cnt_40+ 5 * cnt_50) == (2*coin_20  + coin_10))beginstate <= CHUHUO;endelsebeginstate <= SIREN_ON;endendCHUHUO:     begin   //出货，led=1使能LED模块，LED模块后面介绍，开启两个led闪烁，闪烁次数等于两个货物的数量led <= 1;siren <= 0;endSIREN_ON:       begin    //报警,siren控制SIREN模块，使蜂鸣器报警led <= 0;siren <= 1;enddefault:       state <= PRICE;endcase
endendmodule

5.Seg显示模块

接受来自状态机FSM的货物数量信号cnt_40,cnt_50,和投入10元20元硬币数量coin_10和coin_20;并使用4个数码管将其显示出来；
数码管显示的程序讲解已经有很多了，这里就不赘述了

module display(input                clk,input                rst,input        [15:0]  data,output  reg  [5:0]   seg_sel,output  reg  [7:0]   seg_led
);localparam  CLK_DIVIDE = 4'd10     ;
localparam  MAX_NUM    = 13'd5000  ;reg    [3:0]              clk_cnt  ;
reg                       dri_clk  ;
reg    [12:0]             cnt0     ;
reg                       flag     ;
reg    [2:0]              cnt_sel  ;
reg    [3:0]              num_disp ; always @(posedge clk or negedge rst) beginif(!rst) beginclk_cnt <= 4'd0;dri_clk <= 1'b1;endelse if(clk_cnt >= CLK_DIVIDE/2 - 1'd1) beginclk_cnt <= 4'd0;dri_clk <= ~dri_clk;endelse beginclk_cnt <= clk_cnt + 1'b1;dri_clk <= dri_clk;end
endalways @ (posedge dri_clk or negedge rst) beginif (rst == 1'b0) begincnt0 <= 13'b0;flag <= 1'b0;endelse if (cnt0 < MAX_NUM - 1'b1) begincnt0 <= cnt0 + 1'b1;flag <= 1'b0;endelse begincnt0 <= 13'b0;flag <= 1'b1;end
endalways @ (posedge dri_clk or negedge rst) beginif (rst == 1'b0)cnt_sel <= 3'b0;else if(flag) beginif(cnt_sel < 3'd4)cnt_sel <= cnt_sel + 1'b1;elsecnt_sel <= 3'b0;endelsecnt_sel <= cnt_sel;
endalways @ (posedge dri_clk or negedge rst) beginif(!rst) beginseg_sel  <= 6'b111111;num_disp <= 4'b0;           endelse begincase (cnt_sel)3'd0 :beginseg_sel  <= 6'b111101;num_disp <= data[3:0] ; end3'd1 :beginseg_sel  <= 6'b111011;num_disp <= data[7:4] ;end3'd2 :beginseg_sel  <= 6'b110111;num_disp <= data[11:8];end3'd3 :beginseg_sel  <= 6'b101111;num_disp <= data[15:12];enddefault :beginseg_sel  <= 6'b111111;num_disp <= 4'b0;endendcaseend
end
always @ (posedge clk or negedge rst) beginif (!rst)seg_led <= 8'b0;else begincase (num_disp)4'h0 :    seg_led <= 8'b1100_0000;4'h1 :    seg_led <= 8'b1111_1001;4'h2 :    seg_led <= 8'b1010_0100;4'h3 :    seg_led <= 8'b1011_0000;4'h4 :    seg_led <= 8'b1001_1001;4'h5 :    seg_led <= 8'b1001_0010;4'h6 :    seg_led <= 8'b1000_0010;4'h7 :    seg_led <= 8'b1111_1000;4'h8 :    seg_led <= 8'b1000_0000;4'h9 :    seg_led <= 8'b1001_0000;4'ha :    seg_led <= 8'b1000_1000;4'hb :    seg_led <= 8'b1000_0011;4'hc :    seg_led <= 8'b1100_0110;4'hd :    seg_led <= 8'b1010_0001;4'he :    seg_led <= 8'b1000_0110;4'hf :    seg_led <= 8'b1000_1110;default : seg_led <= 8'b1100_0000;endcaseend
endendmodule

6.Siren蜂鸣器报警模块

蜂鸣器报警没什么好讲的，低电平就不响，高电平就响，以一定的频率开关蜂鸣器，能产生不同的声音，该蜂鸣器模块功能：

start信号为1时，开启蜂鸣器报警
开启蜂鸣器报警时，蜂鸣器以一定的频率发出声音

module siren(input clk,input rst,input start,output reg sir);
reg [24:0] T;
reg [24:0] cnt;
reg [24:0] cnt1;
reg clk1;
always@(posedge clk)
if(cnt1>1000_0000)
begin
cnt1<=0;
clk1<=!clk1;
end
else
cnt1<=cnt1+1;always@(posedge clk1)
if(!rst)
T<=0;
else if(T<50000 || T>100000)
begin
T<=50000;
end
else begin
T<=T+10000;
endalways@(posedge clk or negedge rst)
if(!rst)
begin
sir<=0;
cnt<=0;
end
else if(start==1 && cnt<T)
cnt<=cnt+10;
else if(start==1)
begin
cnt<=0;
sir<=!sir;
end
else begin
sir<=0;
cnt<=0;
end
endmodule

7. Led灯闪烁模块

该模块功能：

控制信号为1时，控制两个led灯闪烁
闪烁的次数等于输入的两个信号代表的数量

module led(input clk,input [3:0] cnt_40,input [3:0] cnt_50,input led,input rst,input wave,output reg led1,output reg led0);
reg  led0_twinkle;
reg  led1_twinkle;
reg  [3:0]    num1;
reg  [3:0]    num2;
always@(posedge clk or negedge rst)if(!rst)beginled0 <=1'b0;led1 <=1'b0;endelse if(!led)beginled0 <=1'b0;led1 <=1'b0;endelsebeginled0 <=led0_twinkle;led1 <=led1_twinkle;endalways@(posedge wave)
if(!rst)
begin
led0_twinkle <=0;
num1<=0;
end
else if (led==1 && num1<2*cnt_40)
begin
led0_twinkle <=!led0_twinkle;
num1<=num1+1;
end
else
begin
led0_twinkle <=0;
num1<=num1;
endalways@(posedge wave)
if(!rst)
begin
led1_twinkle <=0;
num2<=0;
end
else if (led==1 && num2<2*cnt_50)
begin
led1_twinkle <=!led1_twinkle;
num2<=num2+1;
end
else
begin
led1_twinkle <=0;
num2<=num2;
endendmodule

总结

这里对文章进行总结，这篇博客用FPGA的状态机的概念，做了一个自动售货机，并详细介绍了各个模块的功能及代码，仅供参考。

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