自动售货机串口投币 FPGA 设计 Verilog Vivado

名称：自动售货机串口投币 FPGA 设计 Verilog Vivado

软件：Vivado

语言：Verilog

功能介绍

本设计为自动售货机 FPGA 控制系统，采用 Verilog 编写并在 Vivado 环境下完成工程实现。系统面向常见售货机控制流程，支持 1 元、1.5 元、2 元、3 元四类商品选择，通过拨码开关选择商品价格，通过确认按键触发购买流程，并结合 LED、出货指示灯和数码管完成交互显示。 投币部分采用串口输入方式，串口接收模块负责接收外部投币数据，接口说明中给出了 230400 波特率和奇校验设置。系统会累计已投入金额，并与当前选中商品价格进行比较：当金额满足购买条件时输出对应商品的出货完成指示，同时计算找零金额；当金额不足时不会出货，并通过 LED 闪烁进行提示。 显示部分通过两组数码管显示与售货流程相关的金额信息，包括投入总金额、选中商品价格和找零金额，便于观察系统当前状态。整体功能覆盖商品选择、串口投币、购买确认、金额判断、找零、出货提示和异常提示，适合作为 FPGA 状态机控制、UART 接收和数码管动态显示的综合设计参考。

运行环境

开发语言：Verilog 开发软件：Vivado 顶层模块：auto_sell 工程包含 Vivado 工程文件、Verilog 源码、约束文件、仿真工程、Testbench、设计文档及演示视频。

设计思路

系统采用模块化设计，将自动售货机业务流程拆分为串口接收、按键消抖、售货状态控制和数码管显示几个部分。顶层模块 auto_sell 负责连接外部时钟、复位、商品选择拨码、串口输入、确认购买按键、LED 提示、出货指示灯以及两组数码管接口，并在内部完成各功能模块之间的信号连接。 串口接收模块 uart_rx_module 用于把外部投币数据转换为内部可处理的数据与接收完成标志。确认购买按键先经过 key_xiaodou 消抖处理，避免机械按键抖动导致状态机误触发。售货核心逻辑集中在 state_control 模块中，该模块根据商品选择信号、串口投币数据和确认按键信号，完成投入金额累计、商品价格判断、找零金额计算、出货指示和 LED 报警提示。 显示模块 display_num 读取投入总金额、商品价格和找零金额，并驱动数码管段选与位选输出。这样的结构使控制逻辑和显示逻辑分离，便于调试与扩展；如果后续需要增加商品种类、调整金额编码或替换显示方式，也可以围绕状态控制和显示模块分别修改。

模块结构

主要模块包括： auto_sell：顶层模块，连接系统输入输出并例化 UART 接收、按键消抖、状态控制和数码管显示模块。 uart_rx_module：串口接收模块，接收投币数据并输出接收完成标志及 8 位数据。 key_xiaodou：确认购买按键消抖模块，输出稳定的按键信号。 state_control：售货状态控制模块，完成商品选择、投币累计、购买判断、出货指示、找零计算和 LED 提示。 display_num：数码管显示模块，显示投入总金额、选中商品价格和找零金额。 auto_sell_tb：仿真测试模块，用于验证典型购买和金额不足场景。

开发板验证

工程提供了 Vivado 管脚约束文件 pins.xdc，并包含实现后生成的 bit 文件及实现报告，可用于开发板下载验证。约束覆盖时钟、复位、商品选择拨码、确认按键、串口输入、LED、出货指示灯和数码管段选/位选等外设接口，适合结合实际开发板外设观察自动售货机控制流程。 演示中可通过拨码选择商品，通过串口输入模拟投币，按下确认按键后观察出货指示灯、LED 提示以及数码管金额显示。当投入金额满足商品价格时，对应出货指示灯点亮并显示找零结果；金额不足时不出货，并由 LED 闪烁提示。

演示视频

提供演示视频，展示自动售货机 FPGA 工程的实际运行效果，可用于观察商品选择、投币、确认购买、出货指示、LED 提示和数码管显示等功能流程。

仿真图/仿真说明/设计文档图片

设计文档包含工程文件、程序文件、程序编译、管脚分配、RTL 图、Testbench 和仿真图等内容。 仿真示例包括选择 2.0 元商品后先后投币 20+5=25，购买成功、找零 5 元并成功出货的场景；也包括选择 3.0 元商品后先后投币 20+5=25，投币金额不足、找零 25 元、未成功出货并 LED 闪烁提示的场景。

部分代码

以下展示顶层模块 auto_sell 的部分代码，完整源码请下载压缩包查看。

module auto_sell(
input clk_in,//100M
input rst,//高电平有效--S0
//拨码按键 高电平有效
input Selection_goods_10,//选商品1元--SW7
input Selection_goods_20,//选商品2元--SW6
input Selection_goods_30,//选商品3元--SW5
input Selection_goods_15,//选商品1.5元--SW4

input uart_rx,//串口输入（波特率230400,奇校验）
//按键 高电平有效
input  confirm_button,//确认购买，高电平有效（S1）

output [7:0] LED,//闪烁报警(3s)（D9~16）
output  outgo_done_10,//出货指示灯（D1）
output  outgo_done_20,//出货指示灯（D2）
output  outgo_done_30,//出货指示灯（D3）
output  outgo_done_15,//出货指示灯（D4）

output  [7:0] dig_led_1,//数码管段选显示
output  [3:0] wei_led_1, //数码管位选显示
output  [7:0] dig_led_2,//数码管段选显示
output  [3:0] wei_led_2 //数码管位选显示
);

wire confirm_button_out;
wire data_receive_en;       //接收完成指示位
wire [7:0] data_receive;    //接收到的数据

//串口接收模块
uart_rx_module i_uart_rx_module
(
.clk(clk_in),
.rst_p(rst),
.uart_rx(uart_rx),
.data_receive_en(data_receive_en),
.data_receive(data_receive)
);


//按键消抖模块
key_xiaodou  confirm_btt 
(
    .  clk_in(clk_in), 
    .  key_in(confirm_button),
    .  key_out(confirm_button_out)
);

wire [7:0] total_throw_inmoney;//投入总钱币
wire [7:0] total_need_money;//选中商品价钱
wire [7:0] total_refund_money;//找零金额

//售货状态控制模块
state_control state_control_u(
. clk_in(clk_in),
. rst(rst),
. Selection_goods_10(Selection_goods_10),
. Selection_goods_20(Selection_goods_20),
. Selection_goods_30(Selection_goods_30),
. Selection_goods_15(Selection_goods_15),

.data_receive_en(data_receive_en),//串口投币
.data_receive(data_receive),

. confirm_button_out(confirm_button_out),

. LED(LED),
. outgo_done_10(outgo_done_10),//出货指示灯1
. outgo_done_20(outgo_done_20),//出货指示灯2
. outgo_done_30(outgo_done_30),//出货指示灯3
. outgo_done_15(outgo_done_15),//出货指示灯4
. total_throw_inmoney_out(total_throw_inmoney),//投入总钱币
. total_need_money_out(total_need_money),//选中商品价钱
. total_refund_money_out(total_refund_money)//找零金额
);


///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//显示模块
display_num i_display_num(
. clk(clk_in),//100M
. total_throw_inmoney(total_throw_inmoney),//投入总钱币
. total_need_money(total_need_money),//选中商品价钱
. total_refund_money(total_refund_money),//找零金额
. dig_led_1(dig_led_1),//数码管段选显示
. wei_led_1(wei_led_1),//数码管位选显示
. dig_led_2(dig_led_2),//数码管段选显示
. wei_led_2(wei_led_2)//数码管位选显示
);

endmodule

代码文件（付费下载）