基于FPGA的出租車(chē)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：出租車(chē)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)大多利用單片機(jī)進(jìn)行控制，較易被改裝，且故障率較高。針對(duì)這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的出租車(chē)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)，可模擬汽車(chē)行駛、暫停等待，停止等過(guò)程，并可同時(shí)顯示金額、乘車(chē)總路程。設(shè)計(jì)采用層次化設(shè)計(jì)方法，用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行編程，開(kāi)發(fā)軟件為MAX+plusⅡ。經(jīng)測(cè)試，波形與仿真結(jié)果都滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：出租車(chē)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)；VHDL語(yǔ)言；MAX+PLUSⅡ；FPGA

0 引言
    隨著城市化水平的提高和人民生活水平的改善，出租車(chē)的服務(wù)顯得越來(lái)越重要。因此出租車(chē)計(jì)費(fèi)器也就應(yīng)運(yùn)而生了。出租車(chē)計(jì)費(fèi)器是一種專(zhuān)用的計(jì)量?jī)x器，它安裝在出租車(chē)上，指示出載客路程數(shù)，以及乘客應(yīng)付費(fèi)用的總數(shù)。
    出租車(chē)計(jì)價(jià)系統(tǒng)較多的是利用單片機(jī)進(jìn)行控制，但較易被私自改裝，且故障率相對(duì)較高，且不易升級(jí)；而FPGA具有高密度、可編程及有強(qiáng)大的軟件支持等特點(diǎn)，所以設(shè)計(jì)的產(chǎn)品具有功能強(qiáng)、可靠性高、易于修改等特點(diǎn)。
    本文正是基于FPGA，設(shè)計(jì)了一種出租車(chē)的計(jì)費(fèi)系統(tǒng)，它可以直觀(guān)地顯示出租車(chē)行駛的里程和乘客應(yīng)付的費(fèi)用。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)
    所設(shè)計(jì)的計(jì)價(jià)器的計(jì)費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)為：車(chē)在行駛3 km以?xún)?nèi)，只收起步價(jià)9．0元；車(chē)行駛超過(guò)3 km后，按每公里2元計(jì)費(fèi)。行駛路程達(dá)到或超過(guò)9 km后，車(chē)費(fèi)按每公里3．0元開(kāi)始計(jì)費(fèi)。車(chē)遇紅燈或中途暫停時(shí)，每3分鐘計(jì)0．5元。若停止(rst)則車(chē)費(fèi)清零，等待下一次計(jì)費(fèi)的開(kāi)始。要求能夠顯示里程數(shù)和乘客應(yīng)付的費(fèi)用，其中里程數(shù)精確到0．01 km，乘客應(yīng)付的費(fèi)用精確到0．1元，顯示范圍為：里程為0～99．99公里，費(fèi)用為0～999.9元。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
    基于FPGA的出租車(chē)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的組成如圖1所示。由外部輸入、FPGA控制部分以及數(shù)碼顯示三部分組成。其中FPGA部分又由分頻模塊、計(jì)價(jià)模塊、BCD轉(zhuǎn)換模塊以及動(dòng)態(tài)譯碼掃描模塊組成；外部輸入包括啟動(dòng)按鍵(start)、暫停按鍵(pause)、停止按鍵(stop即rst)以及兩個(gè)脈沖信號(hào)(分別是每20 m一個(gè)脈沖的路程脈沖信號(hào)pulse和32 MHz的工作脈沖信號(hào)clk32M)。顯示模塊用8個(gè)LED數(shù)碼管分別顯示行駛里程和車(chē)費(fèi)，行駛里程顯示2位整數(shù)和2位小數(shù)，車(chē)費(fèi)顯示3位整數(shù)和1位小數(shù)。

3 各模塊設(shè)計(jì)
    設(shè)計(jì)FPGA控制部分，包括控制計(jì)價(jià)模塊，BCD轉(zhuǎn)換模塊，動(dòng)態(tài)掃描譯碼模塊以及分頻模塊。采用混合設(shè)計(jì)的方法，各子部分用VHDL編程，頂層部分用原理圖進(jìn)行設(shè)計(jì)。
3．1 控制計(jì)價(jià)模塊(jijia)
    控制計(jì)價(jià)模塊由里程計(jì)費(fèi)模塊、等待計(jì)費(fèi)模塊、總價(jià)模塊組成。
    里程計(jì)費(fèi)模塊，主要對(duì)傳感器公里脈沖信號(hào)pulse計(jì)數(shù)(20m一個(gè)脈沖)，計(jì)算出租車(chē)本次交易行駛的路程以及里程費(fèi)用。每數(shù)到50個(gè)pulse為1 km，總路程由lucheng端輸出。在3 km內(nèi)時(shí)，里程車(chē)費(fèi)cf1為9元不變，當(dāng)超過(guò)3 km時(shí)，p=1，開(kāi)始里程費(fèi)用計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)費(fèi)停止，即start端口置“0”或出租車(chē)停止行駛，即rst端口置“0”時(shí)，相關(guān)數(shù)據(jù)復(fù)位，清零。
    等待計(jì)費(fèi)模塊，在3 km之后(p=1)，每當(dāng)pause=1時(shí)，則開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)秒脈沖數(shù)到180個(gè)時(shí)(即3分鐘)，此時(shí)等待車(chē)費(fèi)cf2加5，表示車(chē)費(fèi)加0．5元。
    總價(jià)模塊是將里程計(jì)費(fèi)和等待計(jì)費(fèi)相加，計(jì)算出總費(fèi)用，從chefei端輸出。
3．2 BCD轉(zhuǎn)換模塊(zhuanhuan)
    該模塊將計(jì)費(fèi)模塊的車(chē)費(fèi)和路程轉(zhuǎn)換成4位十進(jìn)制數(shù)，便于數(shù)碼管顯示。輸入口acf，bcf分別為總路程數(shù)的輸入口和總費(fèi)用的輸入口，兩者都是二進(jìn)制碼進(jìn)行十進(jìn)制編碼計(jì)數(shù)，通過(guò)該編碼器生成BCD碼，輸出口分別以BCD碼表示個(gè)，十，百，千位的數(shù)據(jù)。Aclk是工作脈沖，即32MHz。
3．3 動(dòng)態(tài)掃描模塊(dtxianshi)
    該模塊由動(dòng)態(tài)掃描模塊以及譯碼模塊組成。動(dòng)態(tài)掃描模塊，該模塊利用視覺(jué)暫留效應(yīng)，采用動(dòng)態(tài)掃描電路，將8進(jìn)制轉(zhuǎn)換后的路程數(shù)和車(chē)費(fèi)的4位十進(jìn)制數(shù)顯示在數(shù)碼管上，節(jié)約了硬件資源和能源。該模塊經(jīng)過(guò)8進(jìn)制掃描模塊將路程和車(chē)費(fèi)輪流顯示出來(lái)。端口d是選通地址碼的輸入端口，A1，A2，A3，A4，B1，B2，B3，B4分別是個(gè)，十，百，千位的數(shù)值輸入端口。根據(jù)輸入的地址碼，模塊每次只有一位數(shù)字向后傳輸?shù)捷敵隹趒，同時(shí)輸出小數(shù)點(diǎn)的顯示控制信號(hào)(dp)，使路程顯示為00．00公里，費(fèi)用顯示為000．0元。
    譯碼模塊，該模塊把0-9的BCD碼譯成數(shù)碼管顯示碼，輸入端口q輸入掃描模塊選出要顯示的BCD碼，譯成數(shù)碼管的顯示碼由g[6．．0]輸出。本設(shè)計(jì)中數(shù)碼管是共陰數(shù)碼管。
3．4 分頻模塊(fenp)
    本設(shè)計(jì)中輸入的系統(tǒng)時(shí)鐘為32 MHz，進(jìn)行分頻，再對(duì)數(shù)碼管的地址進(jìn)行掃描。輸入端口rse為出租車(chē)停運(yùn)信號(hào)輸入端口，當(dāng)出租車(chē)停止時(shí)，該模塊停止工作，清零。當(dāng)出租車(chē)行駛時(shí)對(duì)輸入的32 MHz脈沖信號(hào)進(jìn)行分頻，分別從輸出端口cp1得到秒脈沖，cp32得到32 Hz工作脈沖。
3．5 整體電路
    將各個(gè)模塊按照輸入輸出關(guān)系連接，頂層電路原理圖如圖2所示。g[6…0]為七段顯示碼輸出，通過(guò)動(dòng)態(tài)掃描依次控制8個(gè)數(shù)碼管的顯示，dp為小數(shù)點(diǎn)位。

4 系統(tǒng)仿真驗(yàn)證
    用MAX+plusⅡ軟件對(duì)各個(gè)子模塊及頂層原理圖進(jìn)行了時(shí)序仿真，仿真波形如圖3所示。

    控制計(jì)價(jià)模塊仿真圖如圖3所示。由圖3(a)可得，當(dāng)reset=1，start=1，且pause=0時(shí)，表示出租車(chē)處于行駛狀態(tài)，此時(shí)路程開(kāi)始遞增，當(dāng)不超過(guò)3 km時(shí)，車(chē)費(fèi)為5A即90，起步價(jià)9．0元。由圖3(b)可得，當(dāng)超過(guò)3 km后，車(chē)費(fèi)每行駛1 km加20(即2元)。由圖3(c)可得，當(dāng)reset= 1，start=1，且pause=1時(shí)，出租車(chē)處于等待狀態(tài)，此時(shí)路程不再遞增，而時(shí)間遞增，當(dāng)時(shí)間達(dá)到3分鐘時(shí)，車(chē)費(fèi)加5(即0．5元)。
    頂層電路的仿真圖如圖4所示。從圖中可以看出，隨著輸入的變化，從g[6…0]輸出了共陰的數(shù)碼管顯示編碼，dp也在對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管處，輸出高電平點(diǎn)亮小數(shù)點(diǎn)。
    綜上分析，本設(shè)計(jì)的軟件仿真結(jié)果正確，與設(shè)計(jì)要求相符。