【FPGA】自动售货机综合实现_自动售货机实验芯片

一、项目需求

1. 售货机模拟项目。

pwm音频产生：PWM生成原理与控制输出

• 模块

  按键消抖模块、有限状态机模块、LED模块、数码管模块、蜂鸣器模块

• 功能实现

  • 售货机商品选择，存储商品1，2，单价设定为1.5元与1元，通过LED灯表示选择商品种类。
  • 商品选择后确定购买商品数量，并在数码管动态显示所选择商品的数量与商品总价。
  • 投币购买商品，数码管显示投币金额
  • 投币金额判断，满足商品出货，超额找零，调用PWM播放音乐，不足提示音，可继续投币
  • LED灯显示状态切换，识别进入状态并提示下一步操作

二、要求

1. 了解FPGA架构和传统单片机的区别、
2. 可独立完成实训中实验代码编写烧录、
3. 可独立根据CycloneIV开发板现有元器件资源完成程序设计及代码编写

三、售货机原理

1. 基本原理

1. 模拟真实综合售货机，采用数码管显示商品购买数量，商品总金额，投币金额，仿真实际生活的从商品选择数目的添加到投币购买完整状态。
2. Led灯实现状态变换标志，led3，led2交替闪烁进入商品选择状态，单led亮确认商品选择。
3. 数码管显示金额差值清0操作仿真售货机找0操作与回到初始状态。
4. 购买状态音乐播放，成功失败调用不同音乐效果，模仿售货机购物操作是否成功。

2. 思路架构

• 核心商品购买模块
  

1. FSM状态机状态细分
   1. 状态1: 初始状态（K4:进入状态2）（K3:进入状态5）（K2:确定）
   2. 状态2: 商品选择状态（K4:进入状态3）（K3:进入状态4）（K2:回到状态1）
   3. 状态3: 商品1数量修改状态（K4:当前商品数+1）（K3:当前商品数-1）（K2:回到状态1）
   4. 状态4: 商品2数量修改状态（K4:当前商品数+1）（K3:当前商品数-1）（K2:回到状态1）
   5. 状态5: 投币状态（K4:投1元）（K3:投0.5元）（K2:回到状态1）（K1:复位）
2. key按键复用
     实现多商品选择及购物功能实现过程中，按键[3:0]key，需要进行按键复用操作，购买状态中，会默认进入初始状态，按键执行操作后，进入不同的状态：如商品选择状态，数量选择，投币状态，后执行按键操作，功能性改变，实现少按键多功能性操作。
3. 按键消抖
   1. 产生原因：
        执行按键操作中，通常的按键所用开关为机械弹性开关，当机械触点断开、闭合时，由于机械触点的弹性作用，电路开关不会发生迅速进入闭合或者断开状态。闭合或断开会发生机械抖动问题，可能产生多次按键效果。
   2. 消抖原理
        设定抖动结束判断，通过比较判定抖动是否结束，信号变化频率平稳后持续20ms进行采样，确保按键消抖正常，同时对松开按键操作进行同样消抖操作处理。
      
   3. 系统框图
      
4. 数码管显示
   1. 商品及数量动态显示
      1. 初始状态进入商品选择态，选择商品后自动切换进入商品数量选择中，此时按键功能性改变，可以对该商品的数量进行添加或减少，通过设定传递值com1_count、com2_count对商品1.2选择数量进行存储
      2. 通过传递按键消抖后标志值判断是否选择该商品并进行+1 -1操作，为计算总金额提供参数值，同时传递值进入seg模块，同样采取如投币的思路对传递值进行操作，实现数据的动态显示。
   2. 投币总金额及商品总金额数码管动态显示

      1. 投币采用KEY4 KEY3键作为投币输入，先对按键进行消抖后，进入到INSERT_STATE，对按键操作传递标识值，传递值为1，则按键值+1或0.5，累加记录按键操作次数，从而获得总输入金额

      2. 投币金额计算：在进行数据类型存储中，采用简易化方式，通过改变键值传递，金额加减算法，如0.5元在机内运算中通过整数值存储为5，采用十进制数据存储计算，优化运算过程，因数码管位数显示限制，投币操作中金额存在上限，通过对机内计算金额取余取整方式，实现数码管中的金额显示功能

         1. 金额/10：投币金额 x元
         2. 金额%10：投币金额 .y元

         // 中间两位显示投币数
         			6'b110_111: number = now_coins % 10;
         			6'b111_011: number = now_coins / 10;
         1
         2
         3

      3. 金额小数位显示：调用晶体管过程中，对数码管相应的sel位的seg模块赋予低电平进行点亮操作

         if (sel == 6'b111_011 || sel == 6'b101_111)
         				seg_r[7] <= 0;
         1
         2

      4. 总金额计算：通过投币传递值进行机内计算，同时设定存储金额上限为9.9，若发生一处操作，则进行置值操作，或可进入返回清0。同时将total值传递到seg模块，取余取整。

         wire [10:0] total_price_ex;
         	assign total_price_ex = com1_unit_price * com1_count + com2_unit_price * com2_count;
         	reg [6:0] total_price_temp;
         1
         2
         3

      5. 出货及清0动态显示
         商品购买状态下，设定额外状态，判断商品购买，通过值传递：商品总价，投币总金额进入状态，并设定状态，successful / fail状态

         if (now_state == DEFAULT_STATE && key_now == 3'd1) begin  // 在初始状态按下key1，即购买物品
         	if (now_coins >= total_price && total_price > 0) begin // 购买成功
         		buy_state_r <= BUY_SUCCESSFUL_STATE;
         1
         2
         3

         1. 投币金额等于商品总价
            此时successful并执行出货操作，恢复初始状态，并传递成功状态标志
         2. 投币金额超出商品总价
            此时successful并执行出货操作，执行找零操作，并在数码管上显示找0余额

            change_r <= now_coins - total_price;
            1

            恢复初始状态，并传递成功状态标志，调用其他功能效果
         3. 投币金额小于商品总价
            fail 并传递失败状态标志，此时保持投币状态，可继续进行投币操作

         系统框图

   3. 数码管动态整体性显示
      1. 晶体管驱动添加：采用跑马灯形式，通过缩短单晶体管显示时间间隔，达到肉眼状态下sel数码管同时显示效果，如20us，过程中，在进行点亮sel中，主体采用移位操作

         else if (cnt_delay == MAX_NUM)
         			sel_r <= {sel_r[0],sel_r[5:1]};
         		else
         			sel_r <= sel_r;
         1
         2
         3
         4

      2. 系统框图
5. Led状态显示
   ​
   FSM状态机进入不同状态，通过设定状态标识符，调用不同LED灯管显示效果

       if (now_state == DEFAULT_STATE)
       	led_r <= 4'b0001;
       else if(now_state == SELECT_STATE) begin
       	if (cnt_shine < SHINE_T/2)
       		led_r <= 4'b1100;
   1
   2
   3
   4
   5

3. RTL物理模型实现

四、项目分析解决

8. 综合项目：售货机
   

   1. 问题

      1. 状态切换：采用Mealy型状态机实现功能效果，通过按键效果，进入不同状态选择，需要对按键进行多次复用，同一按键执行不同功能。
      2. 商品选择流程：初始状态进入商品选择，确认商品后可以对商品数量的需求进行添加或减少，同时通过com1/com2对数量值进行传递，同时机内进行商品总金额计算
         
      3. 商品购买完整流程：选择商品状态通过按键选择进入投币状态，key3 key4键投入硬币，模拟真实投币效果，此时通过设定now_coins值对值进行存储，并输出此值进入购买状态判断中，判断购买成功，并回传changer值作为找零功能实现，满足条件出货，不满足则继续投币状态。
         
      4. 音乐模块

         1. 蜂鸣器模块调用
              蜂鸣器IO口连接在FPGA芯片，PWM输出信号只有高低电平，重复输出周期T，在高电平1时间为t的脉冲中，占空比t/T
            
              ​定义输出周期，通过调整低电平占空比，如20，30等通过按键作为控制和触发条件， 持续周期内发出一种声音，切换后发出另一种声音。

         2. 乐谱模块
              ​音频：音频（Audio），指人耳可以听到的声音频率在20HZ~20kHz之间的声波。乐普是由音符组成的，不同的音符拥有不同的频率。
            
              ​计算出音符振动的周期，单位微秒。Cyclone IV开发板的晶振是50MHz，振动一次是20纳秒，使用周期时间除以20纳秒得出音符振动的次数。
            $$DO(高)=\frac{955\times 10^3}{20}=47750$$

   2. 不足

      • 使用数码管位数有限，在实现部分功能上存在限制，如投币功能实现中，根据位数实现时，投币金额上限单位为9，不能实现过10进位，同理选择商品计算总金额要和会出现同问题。
      • 实现音乐播放效果，修改占空比提高声音效果，技术局限导致提高音量音质受损，提高音质音量较低。
      • 按键功能实现选择商品存在局限。

   3. 实现效果
      

五、总结

1. 实验过程中尝试实现按键复用功能，需要根据购买状态切换，按键功能实现动态切换，如进入投币状态上一状态中key4实现商品数量+1，此状态下实现投币 +1 ，这个过程中需要完整实现有限状态机的逻辑功能，确保机内状态跳转正常高效。过程中实现困难，初始阶段中，程序下载后状态跳转无法切换，处于非初始态指示灯跳转处于初始态。经队友查找，使用异步时钟信号未进行复位功能操作，导致电平信号发生错位，导致进入不同状态，需要先进行返回操作实现复位动作才能正确运行。

参考

按键消抖+点亮led灯
按键消抖+蜂鸣器
基于FPGA状态机的自动售货机功能实现
FPGA verilog HDL 基于有限状态机设计自动贩卖机及综合