基于FPGA的出租車計價系統(tǒng)設(shè)計

摘要：設(shè)計出租車計價系統(tǒng)，運用自頂向下的設(shè)計思想，以芯片CycloneⅡEP2C8T144C8為設(shè)計核心，采用QuartusⅡ仿真軟件，對設(shè)計電路的各模塊及整個系統(tǒng)進行了EDA仿真驗證。結(jié)果表明，該計價系統(tǒng)具有計時、計費、計程和動態(tài)顯示的功能，符合設(shè)計要求，修改VHDL語言源程序，可完成更多的出租車計價系統(tǒng)的擴展功能。
關(guān)鍵詞：出租車計價；自頂向下；VHDL；FPGA

0 引言
    隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出租車計價器的設(shè)計也從傳統(tǒng)的全部由機械元器件組成的機械式設(shè)計到半電子式(即用電子線路代替部分機械器件的出租車計價器)，再從集成電路式到目前基于FGPA芯片為核心的系統(tǒng)的設(shè)計共經(jīng)歷了四個階段，利用FPGA芯片，用較少的外部硬件和適當(dāng)?shù)能浖嗷ヅ浜希梢酝ㄟ^軟件編程來完成更多的附加功能，設(shè)計比較靈活，并且還具有功耗小，體積小、低成本、安全可靠、使用方便等優(yōu)點。因此，使用FPGA來設(shè)計出租車計價系統(tǒng)已受到人們的關(guān)注，也能更好地發(fā)揮其優(yōu)點。
    本文以FPGA為設(shè)計載體，通過VHDL語言編程，采用QuartusⅡ仿真軟件，設(shè)計了一種能動態(tài)顯示出租車計時、計費、計程的系統(tǒng)，具有一定的實際應(yīng)用價值。

1 出租車計價系統(tǒng)的設(shè)計要求
1．1 實現(xiàn)計費功能
    車起步開始計費，首先顯示起步價(本次設(shè)計為8．0元)，行程在3 km以內(nèi)，按起步價收費；當(dāng)行駛超過3 km，1．6元／km，車暫時停車(如遇紅綠燈或中途暫時停車)，當(dāng)?shù)却龝r間超過3 min，按1元／min收費。
1．2 實現(xiàn)顯示功能
    能動態(tài)顯示出租車行駛的里程，范圍為00～99 km(考慮到出租車就在市區(qū)或近郊附近活動)，同時顯示等待時間，范圍為00～59 min，顯示總計價值，范圍為00～999．9元，計價分辨率為0．1元。

2 出租車計價系統(tǒng)的設(shè)計體系
    圖1為整個系統(tǒng)的頂層框圖，根據(jù)層次化設(shè)計理論，將出租車自動計價系統(tǒng)自頂向下可分為分頻模塊、控制模塊、計量模塊、譯碼和動態(tài)掃描顯示模塊。

    (1)分頻模塊。通過分頻產(chǎn)生不同頻率的脈沖信號用來實現(xiàn)系統(tǒng)的計費，本次設(shè)計中通過對240 Hz的輸入脈沖進行15次，24次和240次分頻，得到16 Hz，10 Hz和1 Hz的三種頻率，分別用于1．6元，1元和0．1元的計費。
    (2)計量控制模塊。計量控制模塊是出租車自動計費器系統(tǒng)的主體部分，該模塊主要完成出租車的計時、計價、計程功能。計時器的量程為59 min，滿量程自動歸零。計程器的量程為99 km，滿量程自動歸零。行程在3 km內(nèi)，且等待累計時間在3 min內(nèi)，起步價費為8元；3 km外以1．6元／km計費，等待累計時間超過3 min按1元／min計費。
    (3)譯碼顯示模塊。該模塊經(jīng)過8選1數(shù)據(jù)選擇器將計費數(shù)據(jù)(4位BCD碼)、計時數(shù)據(jù)(2位BCD碼)、計程數(shù)據(jù)(2位BCD碼)動態(tài)顯示輸出。其中計費數(shù)據(jù)最大顯示為999．9元；計時數(shù)據(jù)最大顯示為59 min；計程數(shù)據(jù)最大顯示為99 km。

3 出租車計價系統(tǒng)的實現(xiàn)
    系統(tǒng)的頂層原理圖如圖2所示，出租車計價器系統(tǒng)由主體FPGA電路taxi模塊和動態(tài)掃描顯示部分(8選1選擇器mux8_1模塊、模8計數(shù)器mo8模塊、七段數(shù)碼顯示譯碼器di_LED模塊、生成動態(tài)掃描顯示片選信號的3-8譯碼器模塊74138)組成。

3．1 系統(tǒng)各功能模塊
3．1．1 taxi模塊
    Taxi模塊是系統(tǒng)中十分重要的模塊，模塊設(shè)計中，系統(tǒng)的輸入信號為clk_240(240 Hz)、計價開始信號start、等待信號stop、里程脈沖信號fin。系統(tǒng)的輸出信號有總費用數(shù)cha3(百)，cha2(拾)，cha1(元)，cha0(角)，行駛距離信號為km1，km0，等待時間信號為m1，m0。
    Taxi模塊的控制過程為：start作為計費開始開關(guān)，當(dāng)start為高電平時，系統(tǒng)開始跟據(jù)輸入情況計數(shù)，有乘客上車并開始行駛時，fin脈沖到來，進行行駛里程計數(shù)，這時的stop應(yīng)為0，中途若停車等待，就需把stop置為1，同時fin為0，進行等待計費，當(dāng)乘客下車時，直接將start置為0，系統(tǒng)停止工作。taxi模塊又可分為分頻(fenpin)、計量(jiliang)、kongzhi(控制)和計費(jifei)四個子模塊，taxi模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    Fenpin模塊是將輸入端clk_240(240 Hz)的時鐘信號進行分頻，分別得到f_16(16 Hz)，f_10(10 Hz)，f_1(1 Hz)的信號，用于計量時的1．6元，1元，0．1元。
    Jiliang模塊用來計時和計程，fin為汽車的里程脈沖信號，當(dāng)fin為高電平時，以記錄的f_1的脈沖個數(shù)作為行駛的公里里程數(shù)，start是汽車計量開始信號，stop為等待信號。f_1是計量驅(qū)動信號，當(dāng)f_1的脈沖到來，如果fin=1，記錄f_1的個數(shù)(即行駛公里數(shù))，當(dāng)行駛超過3 km，ent0輸出為1。當(dāng)stop為高電平時，記錄f_1的脈沖個數(shù)，60個脈沖為1 min，當(dāng)超過3 min時，ent1輸出為1。仿真波形如圖4所示。

    Kongzhi模塊主要根據(jù)jiliang模塊的en1和en0的不同輸出信號選擇不同的輸出頻率供jifei模塊計費，en1=1時f=10 Hz，en0=1時f=16 Hz。
    Jifei模塊實際就是一個四位十進制加法器，仿真圖形如圖5所示，在taxi模塊中，它根據(jù)不同的輸入脈沖頻率對脈沖個數(shù)進行計數(shù)。jil iang模塊每計一次數(shù)，jifei模塊就實現(xiàn)16次或10次脈沖計數(shù)，即實現(xiàn)超時時的1元／min，超里程時的1．6元／km的收費。

    對整個taxi模塊進行仿真，結(jié)果如圖6所示，由圖中可知，當(dāng)stop為高電平時，汽車行駛了km1km0=35 km，計費cha3cha2cha1cha0為05 92，即59．2元，與8+(35-3)x 1．6=59．2元一致，圖中當(dāng)?shù)却^3 min時，價格按1元／min計費，仿真結(jié)果正確。
3．1．2 動態(tài)掃描顯示部分
    此模塊包含mo8計數(shù)器、mux8_1(8選1選擇器)、di_led七段數(shù)碼顯示譯碼器3個子模塊。
    mo8計數(shù)器：輸入信號clk為系統(tǒng)輸入的240 Hz基準時鐘，輸出a為模8的二進制碼。
    mux8_1模塊是根據(jù)輸入信號c[2．．0]的地址碼000至111分別對應(yīng)了cha3，cha2，ch1，ch0，km1，km0，min1，min0八個四位BCD碼，dp為小數(shù)點指示信號，在計費的第二位數(shù)字上帶有小數(shù)點，仿真波形如圖7所示。

    di_led數(shù)碼顯示譯碼模塊，將輸入信號d[3．．0]轉(zhuǎn)換為q[6．．0]，即g，f，e，d，c，b，a七段譯碼輸出(高電平有效)，3F對應(yīng)為0，仿真波形圖如圖8所示。

    由于采用動態(tài)掃描，主要是根據(jù)人視覺暫留現(xiàn)象，一般影像在人眼中保留0．1～0．5 s左右，74LS138的輸出碼依次選通8個數(shù)碼管。只要頻率夠高，依次點亮8個數(shù)碼管時，給人視覺是同時點亮。
3．2 總體電路的仿真結(jié)果
    通過對整個設(shè)計系統(tǒng)的仿真分析，結(jié)果如圖9所示，輸出依次是3F 7D 27．5B 66 3F 3F 3F，其中總價格為3F7D27．5B(即67．2元)，里程數(shù)為663F(即40km)，等待時間為3F3F(即0 min)，8+(40-3)×1．6=67．2元，仿真結(jié)果正確。

4 結(jié)語
    通過仿真驗證表明，本文所設(shè)計的出租車計價系統(tǒng)能動態(tài)顯示行駛的里程、等待時間和計費數(shù)目等，符合預(yù)定的設(shè)計功能要求。但設(shè)計中對出租車里程計數(shù)精度不高，若要提高精度，需根據(jù)設(shè)計要求設(shè)置取樣里程的脈沖，在計量(jiliang)模塊的輸入頻率中要做相應(yīng)的修改，當(dāng)出租車計費標(biāo)準發(fā)生變化時，也可以通過修改VHDL源程序達到要求，另外，還可以擴展語音播報或票據(jù)打印等附加功能，此系統(tǒng)的設(shè)計體現(xiàn)了FPGA設(shè)計的自頂向下的設(shè)計思想，基于FPGA的設(shè)計靈活性高、功耗低、集成度高，具有廣闊的市場前景。