基于FPGA的自动售货机

1、目 录第 1 章 绪论 .11.1 本文研究内容 .11.2 目的与意义 .1第 2 章 系统设计方案 .22.1 货物自动贩卖机总体设计方案 .2第 3 章 货物自动贩卖机的基本原理 .43.1 货物自动贩卖机功能 .43.2 货物自动贩卖机的基本组成 .43.2.1 投币信号产生的设计 .43.2.2 时钟电路的设计 .43.2.3 数码显示的设计 .4第 4 章 货物自动贩卖机软件设计 .64.1 软件实现功能综述 .64.2 计数功能的设计 .64.3 投币功能的设计 .64.4 显示功能的设计 .64.5 显示功能的设计 .74.6 代码段 .7第 5 章 货物自动贩卖机系统的仿真与

2、实现 .17第 6 章 课程设计总结 .19第 1 章 绪论1.1 本文研究内容本次设计的是一个货物自动贩卖机。货物自动贩卖机主要是由以下几个部分构成，电源电路、数码显示、时钟脉冲、投币脉冲、闸门时间控制等，各部件形成一个简单的饮料自动提取机系统。本设计采用 EDA 技术，通过 FPGA 实现了数字电子钟电路的设计，并完成对电路的功能进行仿真。1.2 目的与意义本系统用于模拟现实生活中的自动售货贩卖机。可以模拟四种商品的买卖、存贮、控制等等功能。并模拟买家模式和管理模式，可以分开进行商品买卖的模拟和商品上架的模拟。第 2 章 系统设计方案2.1 饮料自动提取机总体设计方案自动售货机控制系统设计

3、主要有四个功能模块，一个为货币:该模块能完成硬币处理，余额计算。一个为分频模块：功能主要是实现各个部分的操作。一个为售货器模块：该模块主要是负责进行货物的管理。最后一个是控制模块：主要负责进行商品买卖控制。时钟脉冲阀门控制译码物品的选择与确认投币处理显示 图 2.1 饮料提取机的系统组成框图 设计思路:首先，我们对于物品存储进行模拟，共有商品买卖和商品管理两个模式。在买卖模式中，顾客可以通过选择所需商品并进行确认，之后进入投币模式。在投币模式中，本系统由对外部投入硬币的检测来产生脉冲，对产生的脉冲进行计数，并尝试添加防抖动控制。我们一共设置了三种货币，0.1 元、0.5元、1 元三种货币。我们

4、设定，当顾客确定所需购买的商品时，直到顾客投入所需的钱数，或者退出消费，否则将会一直等待下去。当投入钱币数足够时，系统会自动出货，并完成找零。在管理模式中，商家可以查看并选择各种商品，对商品的库存和单价进行修改。当确定修改某种商品后，有两种模式进行选择，一个是修改物品的库存数量，当修改后再进入买卖模式，会立刻在 LED 数码管上显示出来。另一种是修改物品的单价，两个模式可以通过按键进行修改和切换。第 3 章 货物自动贩卖机的基本原理3.1 货物自动贩卖机功能本系统由对外部投入硬币的检测来产生脉冲，并对产生的脉冲进行计数，其中 0 表示投入的是 0.1 元的硬币，1 表示投入的是 0.5 元的硬

5、币，2 表示投入的是 1 元的硬币。每次根据投入的硬币不同而分别计数，并将投入的总金额用两位数码管显示出来，当达到了交易金额时，out 产生一个正脉冲，此正脉冲控制闸门打开，物品掉出来，当超出了交易金额，则 out1 会产生一个正脉冲，饮料售卖机找回多余的钱。3.2 货物自动贩卖机的基本组成 货物自动贩卖机主要是由以下几个部分构成，电源电路、数码显示、时钟脉冲、投币脉冲、闸门时间控制等，各部件形成一个简单的自动售货机系统。其实现主要的功能是对投币信号的计数与计算，判断是否达到所买物品的价格，如果不足的显示所投的钱数，货物自动贩卖机将会进入等待状态，直至达到金额或者取消此次交易。3.2.1 投币

6、信号产生的设计自动售货机的所有信号均由同步时钟信号 CLK 的正边沿触发，由于售货机的硬币接收器一般是一个机械装置，投币时产生的信号要比同步信号慢得多，一般可以持续好几个周期。必须对投币输入信号进行处理，使每一次投币时在CLK 脉冲周期内只能产生一个脉冲作为功能控制模块的投币驱动信号。3.2.2 时钟电路的设计在功能实现模块中，售货机在放出饮料的时候需要延时三秒钟，程序中COUNT1 数 3000 下，因此需要 1KHZ 的时钟脉冲，设计中为同步时钟，所以此时钟脉冲电路为芯片提供“脉搏”。 图中是一种 1KHZ 脉冲发生电路。它由集成电路 CD4060 和晶振、电阻和电容等元件组成。CD406

7、0 是 14 位二进制串行计数、分频器和振荡器。CD4060 内部分为两部分，其中一部分是 14 级计数/分频器，其分频系数为 1616348；另一部分既可与外接电阻和电容构成 RC 振荡器，又可与外接晶体构成高精度的晶体振荡器。在采用一定频率的晶振组成晶振振荡器，其震荡信号经过 CD4060 内部分频后，在 Q 输出相应频率的脉冲信号。设计中需要 1000HZ 的时钟脉冲，所以外接 30720HZ 的晶振，在 Q5 端输出大约是1000HZ 的时钟脉冲。3.2.3 数码显示的设计在买卖模式中，数码管初始显示两部分内容：单价和数量。当进行确认是，确认信号会让信号灯亮起表示进入确认状态。这时会进

8、入投币模式。该模式会有数码管统计已投入金额的总数。当投入金额可以购买物品时，系统会根据控制模块算出余额并显示出来。在管理模式中，数码管初始显示两部分内容：单价和数量。当进行确认是，确认信号会让信号灯亮起表示进入确认状态。这时会进入商品数量管理模式，初始会显示该商品的库存量，可以通过按键控制其数量。同样可以进过按键切换为单价控制。这时显示该商品单价，可以通过按键控制其单价升降。第 4 章 货物自动贩卖机软件设计4.1 软件实现功能综述在Xilinx ISE Design Suite 13.4软件平台上建立计数器电路的顶层电路文件并完成编译和仿真。用Verilog编写automat.v文件及注释。

9、Xilinx ISE Design Suite 13.4软件提供完整、易于操作的图形用户界面可以完成整个设计流程中的各个阶段，并提供完整的命令行界面解决方案，使用命令行流程可以降低内存要求，并可使用脚本或标准的命令行选项和命令控制Xilinx ISE Design Suite 13.4软件。4.2 投币功能的设计clk 为时钟信号，a0 记录投入 1 角硬币的个数，a1 记录投入 0.5 元硬币的个数，a2 记录投入 1 元硬币的个数。out 控制售卖机闸门是否打开，out 为高电平时闸门打开,out1 为找零信号，为高电平时，饮料售卖机找回余额。4.3 显示功能的设计clk 为时钟信号，a0

10、 记录投入 1 角硬币的个数，a1 记录投入 0.5 元硬币的个数，a2 记录投入 1 元硬币的个数。数码管部分不太清楚不是自己负责的4.4 取货功能的设计clk 为时钟信号，a0 记录投入 1 角硬币的个数，a1 记录投入 0.5 元硬币的个数，a2 记录投入 1 元硬币的个数，out 为高电平时闸门打开,out1 为找零信号，为高电平时，饮料售卖机找回余额代码段：主模块：timescale 1ns / 1ps/ Company: / Engineer: / / Create Date: 21:17:44 06/30/2014 / Design Name: / Module Name: au

11、tomat / Project Name: / Target Devices: / Tool versions: / Description: / Dependencies: / Revision: / Revision 0.01 - File Created/ Additional Comments: /参数：/clk 时钟 read 普通(1)/商家(0)读取 choose 商品选择 coin 投币（货币选择） start 商品确定 submit 完成投币 reset 重新开始（清零） module automat(input clk,input read,input 4:0 choose

12、,input 2:0 coin,input submit,input reset,output state,output chooseNum,output priceNow,output 7:0 nodes,output 5:0 catChoose );/分频时钟reg f_1000=0;reg f_100=0;reg f_1=0;reg f_0=0;reg3:0 f_s0=0;reg6:0 f_s1=0;reg13:0 f_s2=0;reg13:0 f_s3=0;/价格表reg6:0 pList4:0;/库存表reg6:0 sList4:0;/当前选择的商品编号,0 表示没有正确选择reg2

13、:0 chooseNum=0;/按下确认键后，应该要支付的钱和库存reg6:0 priceNow, stockNow;/投入 1 毛 5 毛 1 元硬币及总共投入的钱wire6:0 t1, t2, t3; reg 6:0 tall;/退还的钱reg 6:0 reCoin;/状态 00 为开始阶段，01 为商品选择阶段，10 为商品确认，开始投币状态，11 为投币完成，开始出货找钱状态reg 1:0 state;/输入状态 0 为调整价格 1 为调整库存reg inState;/面值parameter val1=5b00001, val2=5b00101, val3=5b01010;initia

14、lbeginstate=0;inState=0;pList0=0; pList1=7b11100;pList2=7b11001;pList3=7b101101;pList4=7b1101;sList0=0;sList1=20;sList2=20;sList3=12;sList4=30;end/*分频模块*/always (posedge clk)beginif(f_s09)beginf_1000=f_1000;f_s0=0;endelsef_s0=f_s0+1;if(f_s199)beginf_100=f_100;f_s1=0;endelsef_s1=f_s1+1;if(f_s29999)be

15、ginf_1=f_1;f_s2=0;endelsef_s2=f_s2+1;if(f_s312000)beginf_0=f_0;f_s3=0;endelsef_s3=f_s3+1;endcountCoin cnt1(f_1000, read, coin0, reset, val1, t1);countCoin cnt2(f_1000, read, coin1, reset, val2, t2);countCoin cnt3(f_1000, read, coin2, reset, val3, t3);ledDisplay led(f_1000, state, priceNow, stockNow,

16、 tall, reCoin, nodes, catChoose);always (posedge f_1000)begin/普通读取模式if(read=1)begin/清零状态，按键按下时清零 1 次if(reset=1) beginchooseNum=0;state=2b00;end/商品可选取阶段if(state0 )beginif( state=2b00 )state=2b01;endelsestate=2b00;/在 LED 上显示当前商品的价格 库存endelse/投币状态if( state=2 )begintall=t1+t2+t3;/投币不够if( tallTimeone)beg

17、incnt=0;total=total+delta;endelseif(en & en2)cnt=cnt+1;*/if(en & en2)total=total+delta;endendendmoduleP.S.一共三段，分别计数 0.1，0.5，1 三种不同的货币值。此外我们添加了防抖动部分，但是实际效果一般，因为每次按键时的各项参数都不同，最终取简单测试下最好的阈值 30 作为最后的结果。硬件显示部分：timescale 1ns / 1ps/ Company: / Engineer: / / Create Date: 22:29:12 07/01/2014 / Design

18、 Name: / Module Name: ledDisplay / Project Name: / Target Devices: / Tool versions: / Description: / Dependencies: / Revision: / Revision 0.01 - File Created/ Additional Comments: /nodes 为数码管连通信号 cat 为位选信号module ledDisplay(input clk,input 1:0 state,input 6:0 price,input 6:0 stock,input 6:0 coin,inpu

19、t 6:0 reCoin,output reg7:0 nodes,output reg5:0 catChoose ); reg4:0 price0, price1, stock0, stock1, stock2, re0, re1, showNum;reg2:0 cat;initialbegincat=0;endalways (posedge clk)begincase(state)2b00:beginif( cat=5 )showNum=0;else showNum=10;end2b01:beginprice0=price%10;price1=price/10;stock0=stock%10

20、;stock1=(stock/10)%10;stock2=stock/100;case(cat)/存量5: showNum=stock2;4: showNum=stock1;3: showNum=stock0;/价格1: showNum=price1;0: showNum=price0;default: showNum=10;endcaseend2b10:beginprice0=coin%10;price1=coin/10;case(cat)1: showNum=price1;0: showNum=price0;default: showNum=10;endcaseend2b11:beginp

21、rice0=coin%10;price1=coin/10;re0=reCoin%10;re1=reCoin/10;case(cat)1: showNum=price1;0: showNum=price0;5: showNum=re1;4: showNum=re0;default: showNum=10;endcaseendendcase/showNum 转为数码管编码if( cat!=1 )begincase(showNum)0: nodes=8b00111111;1: nodes=8b00000110;2: nodes=8b01011011;3: nodes=8b01001111;4: no

22、des=8b01100110;5: nodes=8b01101101;6: nodes=8b01111101;7: nodes=8b00000111;8: nodes=8b01111111;9: nodes=8b01101111;10:nodes=0;endcaseendelsebegincase(showNum)0: nodes=8b10111111;1: nodes=8b10000110;2: nodes=8b11011011;3: nodes=8b11001111;4: nodes=8b11100110;5: nodes=8b11101101;6: nodes=8b11111101;7:

23、 nodes=8b10000111;8: nodes=8b11111111;9: nodes=8b11101111;10:nodes=8b00000000;endcaseendcase( cat )0:catChoose=6b000001;1:catChoose=6b000010;2:catChoose=6b000100;3:catChoose=6b001000;4:catChoose=6b010000;5:catChoose=6b100000;endcasecat=( cat+1 )%6;endendmodule第 5 章 饮料自动提取机系统的仿真与实现5.1 仿真分析初始情况：5.2 实现

24、该部分当时并未拍照，本段采用文字描述。买卖模式：使用 03，共计 4 个按钮，使用 0、37，共计六个阀门，使用七段 LED 显示管，使用0、1、37 状态灯。初始阀门 0 为 1，表示进入买卖模式，状态灯 0 亮起。36 四个阀门为物品选择阀门，为 1时 LED 灯上显示相应单价和库存量，LED 灯总显示上一阀门值条变为 1 的物品单价和库存量，对应状态灯亮起。当确定所需购买物品时，让 7 阀门产生一个正跳变并归 0，即给一个确定信号脉冲，7 号状态灯亮起，1、0 号状态灯亮起，进入购买状态。按动 0、1、2 任意按钮添加投币数量，LED 灯会显示当前投入的总货币数量。若取消此次交易，按下 3 号按钮，本次交易清空，状态复位。若货币足够，则进入找零状态。LED 灯显示找零钱数，并将对应货物数量减一。管理模式：使用 02，共计 3 个按钮，使用 0、36，共计六个阀门，使用七段 LED 显示管，使用0、1、36 状态灯。初始阀门 0 为 0，表示进入管理模式，状态灯 0 亮起。36 四个阀门为物品选择阀门，为 1时 LED 灯上显示相应单价和库存