自动售货机控制模块-Verilog HDL

一、问题描述

设计一个自动售货机控制模块，信息如下：

1． 售货机可提供8种可售商品，其中01号商品（代表第一种商品），价格为2元，02商品为4元,依次类推，08号商品售价为16元。

2． 售货机可接受1元,5元和10元的纸币收入。

3． 交易开始，用户需要先投入一定量的货币；在外部货币投入后，售货机累计输入货币总值；完成投币后,用户选择所有需要的商品;选择结束后,按下交易键；交易成功，售货机出货、找零，更新系统的存量货币信息和货物信息；交易不成功，退回用户投入货币。

4． 交易不成功可能可能因为投币不足；货物不足；零钱不足等原因造成；

5． 管理员可以通过外部设备访问和修改可售商品信息和存量货币信息。

二、功能概括

自动售货机刚初始化时，需要管理员对其剩余钱数和商品数进行管理，之后用户可以进行商品购买。用户首先选择商品，无误后对商品进行确认，否则取消，在用户选择了某种商品后，售货机会对其存货进行确认，如果该商品已经售罄，则交易失败，回到空闲状态。该商品有存货时，售货机延时一段时间（30S）留给用户进行投币，用户只能投入1，5，10元的钱币，否则售货机会将其退出。用户在延时内投币后，售货机进行找零计算，如果售货机内现金不足找零，则退出所有钱币，售货机进入管理员管理状态，此时需要管理员管理现金。正确情况下，零钱足够多，则正常找零，如果找零数额为0直接出货，找零数不为0则是先找零再出货。出于实际情况的考虑，我认为自动售货机更适合使用先选择产品，再投入钱币的方式更为合理，因此在设计时使用的是先选择确认，再延时投币的流程。自动售货机的整个管理和售货流程如下图所示：

图1 自动售货机工作流程图

三、接口定义

表1 系统接口与描述表

四、电路设计

系统设计：

根据题目要求，本项目关注点在于自动售货机控制的模块，因此对于一些软件、机械、电气方面的错误无法进行处理，如退钱时卡纸，突然停电等。出于集成化的考虑，采用了3个always块，always39为初始化状态模块，即将state的状态初始化为S_idle（可综合的Verilog不能使用initial进行初始化），always39为计时模块，在选定商品后，必须在规定的时间内投币。always63为自动售货机控制管理模块，是本设计主要电路。自动售货机控制模块的整体功能概括如下：

图2 自动售货机控制模块功能概括

数据通路：

考虑测试输入输出模块，数据流图和控制流图如下图所示，其中蓝线为数据线，红线为控制线。

图3 自动售货机控制模块数据通路

状态机：

自动售货机定义了10种状态，分别是选择（S_select），确认（S_confirm），是否售罄（S_allselled），延时（S_60s），投币是否足够（S_enough），是否需要找零（S_requirechange），找零（S_change），出货（S_out），空闲（S_idle），管理（S_management）。状态机如下图所示。

图4自动售货机控制模块状态机

时序设计：

首先要将售货机初始化，然后管理员进行第一次管理，在管理员管理阶段，需要设定各个商品的剩余数量，以及售货机里用于找零的现金。管理结束后进入用户使用阶段，用户首先选择商品号，在规定的延迟之内完成投币，之后在不缺货和现金的情况下，会进行找零和出货，售货机会更新商品数量和现金信息。如果出现缺货，现金不足，投币超时等情况会进行特殊处理，返回空闲或管理状态。

图5自动售货机控制模块时序图

内部信号定义：

自动售货机控制模块的内部信号主要用于保存信息和中间过程处理，管理员在初始化管理时会输入商品数量以及内部现金余量，这些都需要寄存器进行寄存，在进行正常售货时，因为有找零和出货，内部的信息也在不断的更新。

表2 内部信号描述表

//.1.5 葛兴//全定制电路课程课程设计//Verilog自动售货机控制模块//Vending Machinemodule VendingMac(clk,money_input,select,confirm,init,left01,left02,left03,left04,left05,left06,left07,left08,change,out,manage,manage_money,rst);input clk;//时钟信号input rst;//使能信号input confirm,init;//?idle=initinput [3:0] money_input;//1,5,10,最大为1010,4位input [1:8] select;//8种商品，选择上升沿触发input [9:0] manage_money;//输入的钱数input [5:0] left01,left02,left03,left04,left05,left06,left07,left08;//剩余商品数，认为不超过63input [1:0] manage;//这个是管理员功能 reg [9:0] cash;//自动售货机内部的钱数reg [3:0] state;//状态机的各种状态reg [5:0] left1,left2,left3,left4,left5,left6,left7,left8;output integer change;//找零，整数output reg [1:8] out;//出货，8种商品之一reg [1:8] select_sta;//选择某种商品reg isSelled;//判断是否售罄reg timeCnting;//延时计时S_enough=4'b0100,S_requirechange=4'b0101,S_change=4'b0110,S_out=4'b0111,reg [8:0] time_cnt;//500个时间单位，2^9=512reg [1:0] opt;//检查init是否启用integer money_sum;//剩余总钱数parameter S_select=4'b0000,S_confirm=4'b0001,S_allselled=4'b0010,S_60s=4'b0011,S_idle=4'b1000,S_management=4'b1001;//9种state的编号start==4b'0000/* initialbeginstate=S_idle;//所以应该在输入中输入？还是直接在45行那儿初始化？end */always@(posedge clk or posedge rst)beginif(rst)beginstate <= S_idle;endend/* always @(posedge clk)beginif (start==4b'1000)state=S_idle;end */select_sta=8'b00000000;always @(posedge clk)beginif(clk && timeCnting)//根据clk上跳延计时time_cnt=time_cnt+1;if(timeCnting==0)time_cnt=0;endalways @(posedge init or posedge clk or manage)beginif(clk)begincase(state)S_idle://初始化状态begintimeCnting=0;left2 = left02;money_sum=0;change=0;out=0;opt=0;if(manage==1)state=S_management;else beginstate=S_select;endendS_management://管理员可以通过外部设备访问和修改可售商品信息和存量货币信息beginleft1 = left01;left3 = left03;if(confirm||init)//确认和初始化居其一（到下一步可以取消交易）left4 = left04;left5 = left05;left6 = left06;left7 = left07;left8 = left08;cash = manage_money;////manage=0;state=S_idle;endS_select://选择某种商品beginselect_sta=select|select_sta;//按位或，应对选择和商品；begin S_allselled://判断是否售罄opt={confirm,init};state=S_confirm;endendS_confirm:beginif(opt==2'b10)state=S_allselled;//也就是说当confirm=1时，进入判判断货物状态？那init是做什么用的？else if(opt==2'b00||2'b01||2'b11)beginstate=S_idle;endendbeginif(select_sta[6]==1 && left6<=0)isSelled=0;//判断选择的商品是否售罄if(select_sta[1]==1 && left1<=0)isSelled=1;if(select_sta[2]==1 && left2<=0)isSelled=1;if(select_sta[3]==1 && left3<=0)isSelled=1;if(select_sta[4]==1 && left4<=0)isSelled=1;if(select_sta[5]==1 && left5<=0)isSelled=1;timeCnting=1;//有商品则进入到计时付款阶段isSelled=1;if(select_sta[7]==1 && left7<=0)isSelled=1;if(select_sta[8]==1 && left8<=0)isSelled=1;if(cash < 16)state=S_management;//没有足够零钱则进入管理员状态else if(isSelled)beginstate=S_idle;//没有商品，回到空闲状态endelsebeginstate=S_60s;endstate=S_idle;endS_60s:beginif(time_cnt<25)beginif(money_input!=0)begin//只接收1，5，10元if(money_input==1||money_input==5||money_input==10||money_input==0)//检查是否为1，5，10元，不是则退钱并回到空闲状态//添加0是因为可能有连续的钱无法区分，实际上是投币间隔money_sum = money_sum + money_input;else if(select_sta[3]==1)endendelse if(time_cnt==25)if(money_sum!=0)state=S_enough;//在计时结束后有钱放入elsestate=S_idle;endS_enough:begin//其中01号商品价格为2元,02商品为4元,依次类推,08号商品售价为16元。if(select_sta[1]==1)money_sum=money_sum-2;if(select_sta[2]==1)money_sum=money_sum-4;state=S_requirechange;//余额大于等于零，判断是否需要找钱money_sum=money_sum-6;if(select_sta[4]==1)money_sum=money_sum-8;if(select_sta[5]==1)money_sum=money_sum-10;if(select_sta[6]==1)money_sum=money_sum-12;if(select_sta[7]==1)money_sum=money_sum-14;if(select_sta[8]==1)money_sum=money_sum-16;if(money_sum>=0)S_out:else//找零余额不够，退出所有钱，并进入管理状态state=S_management;endS_requirechange:beginif(money_sum==0)//余额为零，不用找零，直接出货state=S_out;else if(money_sum>0)//余额不为零，进入找零模式state=S_change;endS_change:beginchange = money_sum;//将余额找零cash = cash - money_sum;//减去找零state = S_out;endif(select_sta[8]==1)begin//对应的货物减1if(select_sta[1]==1)left1=left1-1;if(select_sta[2]==1)left2=left2-1;if(select_sta[3]==1)left3=left3-1;if(select_sta[4]==1)left4=left4-1;if(select_sta[5]==1)left5=left5-1;if(select_sta[6]==1)left6=left6-1;if(select_sta[7]==1)left7=left7-1;left8=left8-1;out=select_sta;//出货state=S_idle;//进入空闲状态endendcaseendendendmodule

`timescale 1ns/1ns`include "./vending_machine_gx.v"module VendingMac_top;reg clk;reg rst;//复位reg manage;//管理员管理信号reg [9:0] manage_money;//管理售货机内现金reg [3:0] money_input;//用户输入钱reg [7:0] select;reg confirm,init;//确认取消reg [5:0] left01,left02,left03,left04,left05,left06,left07,left08;//剩余商品数，认为不超过63wire integer change;//找零wire [7:0] out;//出货initialbeginclk=0;select=8'b00000000;//初始并没有选择任何商品confirm=0;init=0;money_input=0;manage=0;endalwaysbegin#5 clk=~clk;//产生时钟#5 clk=~clk;endinitialbegin#10 rst = 1;//进行初始化，使售货机初始状态为S_idle#10 rst = 0;#10manage=1;#10left01=63;//每种商品的数量left02=62;left03=61;left04=60;left05=59;left06=58;left07=57;left08=56;manage_money=1000;//开始售货机里放1000元#10 manage=0;//管理结束#30#10 select=8'b00000010;//posedge1#10 select=8'b00000000;#10 confirm=1;//确认购买#10 confirm=0;#50 money_input=10;//投币10元#10 money_input=0;//投币间隔#10 money_input=5;#10 money_input=0;#10 money_input=1;#10 money_input=0;endinitialbegin$monitor($time,,,"select=%b,money_input=%d,confirm=%d,init=%d,out=%b,change=%d",select,money_input,confirm,init,out,change);#60000 $finish;endVendingMac v1(clk,money_input,select,confirm,init,left01,left02,left03,left04,left05,left06,left07,left08,change,out,manage,manage_money,rst);endmodule