【FPGA入门八】自动售货机

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;endmodule

③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;endmodule

④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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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

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