基于FPGA的自动售货机

[摘 要]本文介绍了基于Verilog HDL的自动售货机，本设计主要利用ISE平台，采用Verilog HDL设计系统核心电路，并外接了一个RS232模块，采用RS232串行通讯协议，实现串行数据的接收和发送，将数据通过电脑发送到Basys2开发板上并让其接收，并可结合芯片上的数码管进行具体的数字显示，最终完成的自动售货机系统具有投币处理、商品选择、找零、异常退币等功能。

[关键词]自动售货机 Verilog HDL 现场可编程门阵列（FPGA）

中图分类号：TH692.62 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）48-0132-02

一、引言

随着社会的发展，自动售货机在人们日常生活中越来越普遍，透过这种智能售货系统不仅可以存货、销售，还可将物流信息准确、及时地反馈给客户和管理人员，前景非常广阔。

Verilog HDL是一种技术性、应用性很强的硬件描述语言，主要用于从算法级、门级到开关级的多种抽象设计层次的数字系统建模，由于这种语言简捷、高效、易学易用、功能强，因此逐渐为众多设计者所接受。

二、设计方案

在已有的自动售货机控制模块中，通过控制开关来表示投入的币值和所选的商品，本次设计用四个开关表示可选的四种商品，通过在电脑上输入aa、bb、cc分别表示投入0.5元、1元、5元币值，该方案可以通过电脑来传输数据，并且易于对数据的处理，具有更大的便捷性。

自动售货机的问题实际就是状态转换的问题，不同的状态对应不同的输出。我们设计的自动售货机有四个状态，即初始、选择商品、投币、找零状态。

1、初始状态

各变量都设置为零，按下 rst 键后，一切恢复到初始状态。

2、投币状态

投币口只接受三种面值的钱币0.5元、1元和5元，可以同时投入多种面值钱币，但总币值不能超过9.5元。投完币后，数码管显示投币金额。

3、选择商品状态

四个按键开关分别表示四种价格的商品，售货时可选择四种商品的任意组合。

4、找零状态

将所投的金额与所选商品的价格做比较，若所投金额小于商品价格，则退回钱币，警示灯亮；若大于等于商品价格，则两者做差，得到需要找零的钱，数码管显示找零金额。

三、模块划分

1、主控模块程序

主控模块程序通过对输入的信号进行处理，完成自动售货的售货功能，pri_5， pri_10，pri_15，pri_20分别代表四种价格的商品，rs232_rx、rs232_tx分别为接收、发送数据信号，bps_start2波特率时钟启动信号，接收到数据后，该信号置位，clk_bps为高电平为接收数据位的中间采样点，rx_data为接收数据寄存器，rx_int为接收数据中断信号，程序主要流程如下：

input clk；

input rst；

input pri_5，pri_10，pri_15，pri_20；

input rs232_rx；

output rs232_tx；

wire bps_start1，bps_start2；

wire clk_bps1，clk_bps2；

wire[7：0] rx_data；

wire rx_int；

wire [7：0] out1，out2；

begin

* 波特率发生模块

* 数据接收模块

* 波特率发生模块

* 数据发送模块

* 自动售货机功能实现与显示模块

end

endmodule

2、波特率发生模块

波特率发生器实际上就是分频器，可以根据给定的系统时钟频率和要求的波特率算出波特率分频因子，把算出的波特率分频因子作为分频器的分频系数，具体程序流程如下：

input clk；

input rst；

input bps_start；

output clk_bps；

reg [12：0] cnt；

reg clk_bps_r；

begin

* 一个脉宽完成或者波特率不需要产生时，波特率计数清零

* 当clk_bps_r高电平为接收数据位的中间采样点，同时也作为发送数据的数据改变点

end

endmodule

3、数据接收模块

变量rs232_rx0，rs232_rx1，rs232_rx2，rs232_rx3为接收数据寄存器，滤波时用，neg_rs232_rx为下降沿标志位，为1表明数据线接收到下降沿开始接收起始位，程序主要流程如下：

input clk；

input rst；

input rs232_rx；

input clk_bps；

reg rs232_rx0，rs232_rx1，rs232_rx2，rs232_rx3；

wire neg_rs232_rx；

begin

* 当系统接收到串口接收线rs232_rx的下降沿标志信号， 开始接收起始位，

启动串口准备数据接收

* 接收数据中断信号，使能置位表示数据正在接收

* 数据接收完毕后释放波特率启动信号

* 关闭波特率使能

* 接收数据中断信号关闭，不再接收数据

end

Endmodule

4、数据发送模块

rx_int为信号寄存器，捕捉下降沿滤波用，neg_rx_int为rx_int下降沿标志用来捕捉下降沿，程序具体流程如下：

input rx_int；

output rs232_tx；

output bps_start；

reg rx_int0，rx_int1，rx_int2；

wire neg_rx_int；

begin

* 若捕捉到下降沿，开始准备把接收到的数据发送回去

* 产生波特率

* 把接收到的数据存入发送数据寄存器

* 进入发送数据状态中，打开发送使能

* 数据发送完成，重新复位

end

endmodule

5、自动售货机功能实现模块

程序主要流程如下：

bengin

* 从电脑输入所投钱币

* 选择要购买的商品

* 找零

* 数码管显示找零金额

end

Endmodule

四、总结

基于FPGA的自动售货机具有极大的实用性和商业价值，若能将其投入使用，必然会有很好的效果，veriloge HDL语言有限状态机设计控制电路，可大大降低设计难度和时间，提高设计效率和可靠性，利用语言的灵活性及功能强大的EDA工具，可以轻松完成硬件的功能扩充与升级，还可以实现更复杂的数字系统，整个设计过程相对于普通的设计方法，有较大的突破。

参考文献

[1] 王雯隽.基于Verilong-HDL自动售货机的设计与实现[J].微型电脑应用，2005，21（5）：19-20，62.DOI：10.3969/j.issn.1007-757X.2005.05.007.

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[3] 梁雪梅，钟建权，谷斌等.基于TRIZ理论应用的校园刷卡式自动售货机研制[J].广东科技，2010，19（14）：66-68.DOI：10.3969/j.issn.1006-5423.2010.14.037