基于Verilog的双币种售货机设计与实现

随着数字集成电路技术的快速发展，硬件描述语言（HDL）在数字系统设计中的应用日益广泛，Verilog作为一种主流的HDL，凭借其简洁的语法、强大的建模能力，被广泛应用于通信、控制、消费电子等领域，售货机作为日常生活中常见的自动化设备，其核心控制逻辑可通过Verilog进行高效设计与实现，本文以支持两种硬币（如1元和5元）的售货机为例，探讨基于Verilog的模块化设计方法，包括系统需求分析、模块划分、状态机设计及仿真验证,旨在为小型数字控制系统的设计提供参考。

设计需求分析

本设计的双币种售货机需实现以下核心功能：

1. 硬币识别：支持两种硬币（假设为1元和5元），通过外部信号输入识别硬币类型，并累加对应金额。
2. 金额显示：实时显示当前投币总额，便于用户确认。
3. 商品购买：设定商品固定价格（如3元），当投币金额达到或超过商品价格时，触发出货信号。
4. 找零控制：若投币金额超过商品价格，计算找零金额（如投5元买3元商品，需找零2元），并通过控制信号输出找零。
5. 系统复位：支持手动复位，将系统状态初始化为初始状态。

系统模块设计

为实现上述功能，采用模块化设计思想，将系统划分为顶层模块和子模块，子模块包括硬币检测模块、金额计算模块、比较判断模块、控制模块及显示模块，各模块功能明确，接口清晰,便于调试与扩展。

1 顶层模块设计

顶层模块（VendingMachine）是系统的核心，负责连接各子模块，协调数据流与控制信号，其端口定义如下：

• 输入端口：coin1（1元硬币检测信号，高电平有效）、coin5（5元硬币检测信号，高电平有效）、clk（系统时钟）、rst_n（复位信号，低电平有效）。
• 输出端口：total_money（当前投币总额，2位二进制，00表示0元，01表示1元，10表示2元，11表示3元及以上）、dispense（商品出货信号，高电平有效）、change（找零信号，高电平有效）、display（金额显示信号，2位二进制，对应00-03元）。

顶层模块通过实例化各子模块，将coin1和coin5输入至硬币检测模块，检测结果传递给金额计算模块；金额计算模块的输出total_money同时传递给比较判断模块和显示模块；比较判断模块根据total_money与商品价格（3元，即二进制11）的比较结果，生成dispense和change信号,传递给控制模块。

2 子模块设计

2.1 硬币检测模块（CoinDetector）

功能：识别硬币类型，并生成对应的金额增量信号。
设计思路：coin1和coin5为异步输入信号，需同步化处理（避免亚稳态），采用两级触发器同步后，通过组合逻辑判断当前投入的硬币类型：若coin1_sync为高，则增量1元；若coin5_sync为高，则增量5元（但受限于金额显示位宽，此处简化为增量2元，因2位二进制最大表示3元，实际设计中可扩展位宽）。
Verilog代码片段：

module CoinDetector(
    input clk, rst_n,
    input coin1, coin5,
    output reg coin1_valid, coin5_valid
);
reg [1:0] coin1_sync, coin5_sync;
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if (!rst_n) begin
        coin1_sync <= 2'b00; coin5_sync <= 2'b00;
        coin1_valid <= 1'b0; coin5_valid <= 1'b0;
    end else begin
        coin1_sync <= {coin1_sync[0], coin1}; // 同步化
        coin5_sync <= {coin5_sync[0], coin5};
        coin1_valid <= coin1_sync[1] & ~coin1_sync[0]; // 上升沿检测
        coin5_valid <= coin5_sync[1] & ~coin5_sync[0];
    end
end
endmodule

2.2 金额计算模块（MoneyCalculator）

功能：根据硬币检测信号，累加当前投币总额，并限制最大金额（如3元）。
设计思路：采用2位寄存器total_money存储金额，初始值为0，当coin1_valid或coin5_valid有效时，根据硬币类型更新total_money：若coin1_valid有效，total_money加1；若coin5_valid有效，total_money加2（模拟5元，实际中需根据位宽调整），当total_money达到3时，不再增加。
Verilog代码片段：

module MoneyCalculator(
    input clk, rst_n,
    input coin1_valid, coin5_valid,
    output reg [1:0] total_money
);
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if (!rst_n) begin
        total_money <= 2'b00;
    end else begin
        if (coin1_valid && total_money < 2'b11) 
            total_money <= total_money + 1;
        else if (coin5_valid && total_money < 2'b10) // 加2后不超过3
            total_money <= total_money + 2;
    end
end
endmodule

2.3 比较判断模块（Comparator）

功能：比较当前金额与商品价格（3元），