数电课设实战：基于Verilog状态机的饮料自动贩卖机设计

1. 项目背景与需求分析

第一次接触数字电路课设的同学可能会觉得自动贩卖机这个题目既熟悉又陌生。熟悉是因为我们每天都能在校园里见到各种饮料贩卖机，陌生的是要用Verilog这种硬件描述语言来实现它的核心逻辑。其实这个项目非常适合作为数电入门实践，因为它涵盖了状态机、时序逻辑、组合逻辑等核心知识点。

我去年带学生做这个课设时发现，很多同学卡在需求分析这一步。我们先明确基本功能：机器只接受5角和1元硬币，饮料价格固定为1.5元，找零只能是5角硬币。听起来简单，但实际需要考虑各种边界情况——比如连续投币时如何累计金额，找零和出货的时序如何配合，这些细节往往决定了项目的成败。

2. 状态机设计详解

2.1 状态定义与转移图

状态机是这个项目的灵魂。经过多次实践验证，我发现将状态简化为四个最合理：

• 0元（初始状态）
• 0.5元（投币5角后）
• 1元（投币1元或两个5角）
• 1.5元（达到购买条件）

用Visio画状态转移图时，建议标注清楚每种转移的条件和输出。比如从1元状态到1.5元状态有两个路径：投入5角时直接转移，投入1元时不仅要转移还要立即找零5角。这个细节很多同学初期都会遗漏。

2.2 状态编码优化

原始代码用了2'b00到2'b11的顺序编码，其实可以尝试格雷码编码。在FPGA实现时，格雷码相邻状态只有一位变化，能减少毛刺风险。不过要注意修改状态判断逻辑，比如：

parameter [1:0]state1 = 2'b00; // 格雷码00 parameter [1:0]state2 = 2'b01; // 格雷码01 parameter [1:0]state3 = 2'b11; // 格雷码11 parameter [1:0]state4 = 2'b10; // 格雷码10

3. 关键代码实现技巧

3.1 投币检测与防抖

实际项目中最大的坑就是按键抖动问题。实验室开发板上的机械按钮会产生10-20ms的抖动，直接采样会导致多次误触发。推荐用移位寄存器实现防抖：

reg [19:0] coin_debounce; // 20ms计数器 always @(posedge clk) begin coin_debounce <= {coin_debounce[18:0], kin}; if(&coin_debounce[19:15]) coin_stable <= 1; else if(!(|coin_debounce[19:15])) coin_stable <= 0; end

3.2 输出控制逻辑

饮料释放(kout)和找零(co)信号的时序很关键。实测发现输出脉冲宽度至少要维持3个时钟周期，否则执行机构可能来不及响应。建议增加输出计数器：

reg [1:0] out_counter; always @(posedge clk) begin if(kout) out_counter <= out_counter + 1; if(out_counter == 2'b10) kout <= 0; end

4. 功能扩展与调试

4.1 多饮料选择扩展

基础功能实现后，可以增加可乐/雪碧两种选择。需要新增选择按键，并修改状态机：

• 添加price参数存储当前选择饮料价格
• 投币累计金额与price比较
• 找零计算改为current_amount - price

4.2 调试技巧分享

用ModelSim仿真时，建议按这个顺序验证：

1. 单次投币能否正确累计
2. 连续投币时状态转移是否正确
3. 超额投币时找零是否准确
4. 复位后能否回到初始状态

遇到问题时，可以添加临时调试输出：

$display("Time=%t, state=%b, kin=%b", $time, state, kin);

5. 硬件实现注意事项

最后上板测试时，这些经验可能会帮到你：

• 硬币输入可以用两个拨码开关模拟（SW0=5角，SW1=1元）
• 用LED0表示饮料出货，LED1表示找零
• 如果使用七段数码管显示金额，记得做二进制到BCD转换
• 时钟频率不要超过10MHz，否则机械执行机构可能跟不上

记得在状态机里添加超时复位功能，防止卡死在某个状态。比如30秒无操作自动复位，这个在实际产品中都是必备的安全机制。