自動飲料售賣機作為一種自助式零售設備，近年來在國內外得到了廣泛應用。本文將詳細介紹一款功能完善、操作簡便的自動飲料售賣機的設計與實現(xiàn)過程，包括有限狀態(tài)機（FSM）的設計、Verilog編程、以及設計工程中可使用的工具及大致過程。

一、有限狀態(tài)機（FSM）設計

在設計自動飲料售賣機時，有限狀態(tài)機（FSM）是一種非常有效的工具，用于描述具有邏輯順序和時序順序的事件。在本設計中，飲料的價格為10分錢，硬幣有5分和10分兩種，同時需要考慮找零功能。

我們定義兩個狀態(tài)：

S0：沒有投錢

S1：投了5分

狀態(tài)機的轉移邏輯如下：

在S0狀態(tài)，如果投入5分（a=1, b=0），則轉移到S1狀態(tài)。

在S0狀態(tài)，如果投入10分（a=0, b=1），則直接出飲料并找零，保持S0狀態(tài)。

在S1狀態(tài)，如果再次投入5分（a=1, b=0），則總金額為10分，出飲料并找零，返回到S0狀態(tài)。

在S1狀態(tài)，如果投入10分（a=0, b=1），則總金額為15分，出飲料并找零，返回到S0狀態(tài)。

FSM的狀態(tài)轉移圖如下所示：

S0 ----(a=1, b=0)---- S1

 |                       |

 |(a=0, b=1) 出飲料,找零|

 V                       V

 S0 <-------------------

二、Verilog編程

基于上述FSM設計，我們使用Verilog編寫自動飲料售賣機的控制邏輯。在FPGA設計中，Verilog是一種廣泛使用的硬件描述語言，能夠描述數(shù)字系統(tǒng)硬件的結構和行為。

verilog

module vending_machine(

   input clk,

   input rst_n,

   input a,  // 5分硬幣輸入

   input b,  // 10分硬幣輸入

   output reg y, // 出飲料信號

   output reg z  // 找零信號

);

reg CS, NS; // 當前狀態(tài)（CS）和下一狀態(tài)（NS）

parameter S0 = 1'b0;

parameter S1 = 1'b1;

// 同步時序描述狀態(tài)轉移

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin

   if (!rst_n)

       CS <= S0;

   else

       CS <= NS;

end

// 使用組合邏輯判斷轉移狀態(tài)條件

always @(*) begin

   NS = 1'bz; // 初始化不定態(tài)

   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; // 出飲料，找零

                   NS = S0;

               end

       end

       S1: begin

           if (a & ~b) // 再次投入5分

               begin

                   {y, z} = 2'b10; // 出飲料，找零

                   NS = S0;

               end

           else if (~a & b) // 投入10分

               begin

                   {y, z} = 2'b11; // 出飲料，不找零（多投了5分）

                   NS = S0;

               end

       end

       default: NS = S0;

   endcase

end

endmodule

三、設計工程中可使用的工具及設計大致過程

在設計自動飲料售賣機的過程中，需要使用一系列工具和設計方法，以確保項目的順利進行。以下是設計過程中可能使用的工具及大致流程：

功能定義與器件選型：

確定自動飲料售賣機的功能需求，如用戶友好性、多樣化商品支持、支付方式多樣化等。

選擇適當?shù)挠布骷?，如FPGA芯片、傳感器、電機等。

設計輸入：

使用EDA工具（如Ultra）進行原理圖設計或HDL代碼輸入。

功能仿真：

使用ModelSim等工具進行功能仿真，驗證設計邏輯的正確性。

邏輯綜合：

使用Quartus II或ISE的邏輯綜合器將HDL代碼轉換為門級網(wǎng)表。

實現(xiàn)布局布線：

使用Pin Planner等工具進行FPGA的布局布線設計。

時序仿真：

再次使用ModelSim等工具進行時序仿真，驗證設計在實際硬件環(huán)境中的表現(xiàn)。

靜態(tài)時序仿真：

使用TimeQuest等工具進行靜態(tài)時序分析，確保設計滿足時序要求。

上板調試：

使用Quartus的SignalTap或ISE的ChipScope等工具進行硬件調試，確保設計在實際FPGA芯片上正確運行。

通過以上步驟，我們可以實現(xiàn)一款功能完善、操作簡便的自動飲料售賣機。該設計不僅考慮了用戶的使用習慣和需求，還充分利用了FPGA技術的靈活性和并行處理能力，為自動售貨機市場的發(fā)展提供了有力的支持。