基于Verilog编程的自动饮料售卖机的设计与实现
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自动饮料售卖机作为一种自助式零售设备，近年来在国内外得到了广泛应用。本文将详细介绍一款功能完善、操作简便的自动饮料售卖机的设计与实现过程，包括有限状态机（FSM）的设计、Verilog编程、以及设计工程中可使用的工具及大致过程。
一、有限状态机（FSM）设计
在设计自动饮料售卖机时，有限状态机（FSM）是一种非常有效的工具，用于描述具有逻辑顺序和时序顺序的事件。在本设计中，饮料的价格为10分钱，硬币有5分和10分两种，同时需要考虑找零功能。
我们定义两个状态：
S0：没有投钱
S1：投了5分
状态机的转移逻辑如下：
在S0状态，如果投入5分（a=1, b=0），则转移到S1状态。
在S0状态，如果投入10分（a=0, b=1），则直接出饮料并找零，保持S0状态。
在S1状态，如果再次投入5分（a=1, b=0），则总金额为10分，出饮料并找零，返回到S0状态。
在S1状态，如果投入10分（a=0, b=1），则总金额为15分，出饮料并找零，返回到S0状态。
FSM的状态转移图如下所示：
S0 ----(a=1, b=0)---- S1
| |
|(a=0, b=1) 出饮料,找零|
V V
S0 <-------------------
二、Verilog编程
基于上述FSM设计，我们使用Verilog编写自动饮料售卖机的控制逻辑。在FPGA设计中，Verilog是一种广泛使用的硬件描述语言，能够描述数字系统硬件的结构和行为。
verilog
module vending_machine(
input clk,
input rst_n,
input a, // 5分硬币输入
input b, // 10分硬币输入
output reg y, // 出饮料信号
output reg z // 找零信号
);
reg CS, NS; // 当前状态（CS）和下一状态（NS）
parameter S0 = 1'b0;
parameter S1 = 1'b1;
// 同步时序描述状态转移
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n)
CS <= S0;
else
CS <= NS;
end
// 使用组合逻辑判断转移状态条件
always @(*) begin
NS = 1'bz; // 初始化不定态
case (CS)
S0: begin
if (a & ~b) // 投入5分
begin
{y, z} = 2'b00;
NS = S1;
end
else if (~a & b) // 投入10分
begin
{y, z} = 2'b10; // 出饮料，找零
NS = S0;
end
end
S1: begin
if (a & ~b) // 再次投入5分
begin
{y, z} = 2'b10; // 出饮料，找零
NS = S0;
end
else if (~a & b) // 投入10分
begin
{y, z} = 2'b11; // 出饮料，不找零（多投了5分）
NS = S0;
end
end
default: NS = S0;
endcase
end
endmodule
三、设计工程中可使用的工具及设计大致过程
在设计自动饮料售卖机的过程中，需要使用一系列工具和设计方法，以确保项目的顺利进行。以下是设计过程中可能使用的工具及大致流程：
功能定义与器件选型：
确定自动饮料售卖机的功能需求，如用户友好性、多样化商品支持、支付方式多样化等。
选择适当的硬件器件，如FPGA芯片、传感器、电机等。
设计输入：
使用EDA工具（如Ultra）进行原理图设计或HDL代码输入。
功能仿真：
使用ModelSim等工具进行功能仿真，验证设计逻辑的正确性。
逻辑综合：
使用Quartus II或ISE的逻辑综合器将HDL代码转换为门级网表。
实现布局布线：
使用Pin Planner等工具进行FPGA的布局布线设计。
时序仿真：
再次使用ModelSim等工具进行时序仿真，验证设计在实际硬件环境中的表现。
静态时序仿真：
使用TimeQuest等工具进行静态时序分析，确保设计满足时序要求。
上板调试：
使用Quartus的SignalTap或ISE的ChipScope等工具进行硬件调试，确保设计在实际FPGA芯片上正确运行。
通过以上步骤，我们可以实现一款功能完善、操作简便的自动饮料售卖机。该设计不仅考虑了用户的使用习惯和需求，还充分利用了FPGA技术的灵活性和并行处理能力，为自动售货机市场的发展提供了有力的支持。
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