基于Verilog的售貨系統設計及驗證

胥杭君 郭夢生 白旭升 賴寒

摘 要：本文對自動售貨機系統的功能進行了模塊化的劃分，并對其模塊功能及組成進行了討論，同時對其原理進行了研究后得出了相應的模擬系統。并對使用Verilog HDL語言及相應軟件對其功能的實現進行了詳細的闡述，且對模擬系統整體的框架進行了設計。經仿真后得出模擬系統可正常，穩定工作的這一結論。

關鍵詞：模塊化；自動售貨；FPGA

中圖分類號：TP311 文獻標志碼：A

0 引言

隨著電子技術的不斷發展，FPGA，即現場可編程門陣列作為專用集成電路（ASIC）領域中一種半定制的電路，其應用領域已經越來越廣泛。且隨著當今生活節奏的不斷變化，各種自動售貨設備的需求正在日益增大。基于FPGA的相應系統可實現模塊化的設計，從而方便日后對系統的升級維護擴展。本文基于搭載FPGA芯片的實驗板對自動收貨系統進行了模擬設計與仿真驗證。

1 系統整體設計概述

本文中的模擬系統對自動售貨機的商品選購過程及當前狀態顯示進行了相應的模擬，因此可大致將其功能模塊劃分為5個相應的功能模塊，分別為按鍵模塊1、按鍵模塊2、控制模塊、數碼管顯示模塊和狀態顯示模塊。

2 各模塊詳述

2.1 按鍵模塊1

本模塊在硬件上為一個4×4的矩陣鍵盤，則對應可實現16種商品的模擬的選擇，而矩陣鍵盤的按鍵檢測采用了行掃描法，而其中在程序描述部分還包括了一個編碼器及解碼器，以此使得控制部分接收到較為精簡的數據信號。

2.2 按鍵模塊2

本模塊對選定商品后的投幣過程進行了模擬，key_in1模擬表示投入一元的硬幣，而key_in2模擬表示投入五毛的硬幣。同時本模塊中還包括了一個復位按鍵，其可以將系統狀態恢復為初始狀態，同時可以讓顧客在未完成商品購買全額投入的操作下進行重新選擇。

2.3 控制模塊部分

本模塊為本模擬系統的核心控制部分，而其實現則采用了有限同步狀態機的思想。而本狀態機共有6個狀態，分別為初始狀態（IDLE），共投入一元的狀態（oney），共投入五毛的狀態（fivem），共投入一元五的狀態（onef），共兩元的狀態（twoy）及錯誤狀態（error）。由于本系統為模擬系統，只做相關功能驗證，故設定商品最高金額為兩元。

而具體狀態轉移過程為最開始系統處于初始狀態，當投入一元硬幣后將跳轉至狀態oney，若是投入五角則跳轉至fivem狀態，此后依照投入金額為觸發條件分別跳轉至相應狀態。當跳轉至twoy狀態時，則代表商品購買完成，而若是在狀態處于onefive時投入一元硬幣，則系統將跳轉至error狀態，而若是在狀態轉移中出現其他問題或是不在正常購買流程內的情況，系統同樣會跳轉至error狀態。若是在購買過程中按下重置按鍵，則系統將跳轉回初試狀態。同時當系統處于各相應狀態時將向外輸出value1和value2兩個值給相應的顯示模塊。

2.4 數碼管顯示模塊

本模塊對當前投幣金額進行顯示。其硬件實現原理為數碼管的動態掃描，利用余暉效應來顯示不同的數值。而其程序部分為接受來自于控制模塊的輸出值value1，然后通過解碼器將其解碼后通過數碼管對相應金額數字進行顯示。

2.5 LED顯示模塊

本模塊為通過LED燈的不同點亮位置來對當前狀態進行可視化的顯示，程序部分同樣為使用解碼器將接收于來自控制部分輸出的值value2進行解碼后點亮相應的LED。

由于本文中使用的實驗板LED燈為低電平有效，且高位在左，低位在右，故對其做出如下表示形式：（0亮1滅）

IDLE：5b11111 fivem：5b11101 oney：5b11011 onef：5b10111

twoy：5b01111 error：5b00000

3 控制部分的仿真驗證

modelsim為一款非常優秀的仿真軟件，且其界面設計簡潔，可讀性高，可提供非常友好的仿真環境，故本文中將使用modelsim作為仿真工具來對本文中所設計的系統進行仿真驗證。

分別對模擬先投入一元的硬幣后再投入五角的硬幣再投入一元硬幣導致總金額溢出而出現錯誤的情況進行仿真。其仿真波形如圖1所示。

經對其進行仿真驗證后發現仿真通過，且與預想仿真結果相同，上板實驗后發現能夠穩定地實現最初所預想要實現的功能。

本文介紹了對基于搭載FPGA芯片的開發板所實現的自動收貨系統的模擬功能驗證，為其實際應用做出了理論與仿真上的驗證。且由于本文所設計的系統采用了模塊化的設計思想，因此可以較為方便地對其功能進行擴展升級，比如在實際使用中出現錯誤時除了燈光警示外還可加入語音警示的功能。而核心控制部分則可根據實際需求進行靈活的修改，其適應性較強，可廣泛應用于各類自動售貨系統。

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