摘 要：設(shè)計(jì)出租車計(jì)價(jià)系統(tǒng)，運(yùn)用自頂向下的設(shè)計(jì)思想，以芯片Cyclone Ⅱ EP2C8T144C8為設(shè)計(jì)核心，采用Quartus Ⅱ仿真軟件，對(duì)設(shè)計(jì)電路的各模塊及整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了EDA仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明，該計(jì)價(jià)系統(tǒng)具有計(jì)時(shí)、計(jì)費(fèi)、計(jì)程和動(dòng)態(tài)顯示的功能，符合設(shè)計(jì)要求，修改VHDL語(yǔ)言源程序，可完成更多的出租車計(jì)價(jià)系統(tǒng)的擴(kuò)展功能。

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關(guān)鍵詞：出租車計(jì)價(jià)； 自頂向下; VHDL; FPGA

中圖分類號(hào)：

TN911.7-34

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2012)05

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Design of taximeter based on FPGA

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WANG Cui

(Department of Experimental Teaching， Yancheng Institute of Technology， Yancheng 224051， China)

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Abstract：

A taximeter based on Quartus Ⅱ simulation software was designed by using FPGA chip cyclone Ⅱ EP2C8T144C8， which is of top-down design idea. The circuit of each module and the entire system were simulated. The simulation results prove that the taximeter system is of counting time， billing， metering and dynamic display function. To modify the VHDL language source code， it can complete more taximeter extended functions.

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Keywords： taximeter; top-down; VHDL; FPGA

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收稿日期：2011-09-13

0 引 言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出租車計(jì)價(jià)器的設(shè)計(jì)也從傳統(tǒng)的全部由機(jī)械元器件組成的機(jī)械式設(shè)計(jì)到半電子式(即用電子線路代替部分機(jī)械器件的出租車計(jì)價(jià)器［1］)，再?gòu)募呻娐肥降侥壳盎贔GPA芯片為核心的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)共經(jīng)歷了四個(gè)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^(guò)軟件編程來(lái)完成更多的附加功能，設(shè)計(jì)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［2］等優(yōu)點(diǎn)。因此，使用FPGA來(lái)設(shè)計(jì)出租車計(jì)價(jià)系統(tǒng)已受到人們的關(guān)注，也能更好地發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)。

本文以FPGA為設(shè)計(jì)載體，通過(guò)VHDL語(yǔ)言編程，采用Quartus Ⅱ 仿真軟件，設(shè)計(jì)了一種能動(dòng)態(tài)顯示出租車計(jì)時(shí)、計(jì)費(fèi)、計(jì)程的系統(tǒng)，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 出租車計(jì)價(jià)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

1.1 實(shí)現(xiàn)計(jì)費(fèi)功能

車起步開(kāi)始計(jì)費(fèi)，首先顯示起步價(jià)(本次設(shè)計(jì)為8.0元)，行程在3 km以內(nèi)，按起步價(jià)收費(fèi)；當(dāng)行駛超過(guò)3 km，1.6元/km，車暫時(shí)停車(如遇紅綠燈或中途暫時(shí)停車)，當(dāng)?shù)却龝r(shí)間超過(guò)3 min，按1元/min收費(fèi)。

1.2 實(shí)現(xiàn)顯示功能

能動(dòng)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(dòng))，同時(shí)顯示等待時(shí)間，范圍為00~59 min，顯示總計(jì)價(jià)值，范圍為00~999.9元，計(jì)價(jià)分辨率為0.1元。

2 出租車計(jì)價(jià)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)體系

圖1為整個(gè)系統(tǒng)的頂層框圖，根據(jù)層次化設(shè)計(jì)理論［3］，將出租車自動(dòng)計(jì)價(jià)系統(tǒng)自頂向下可分為分頻模塊、控制模塊、計(jì)量模塊、譯碼和動(dòng)態(tài)掃描顯示模塊。

(1) 分頻模塊。

通過(guò)分頻［4］產(chǎn)生不同頻率的脈沖信號(hào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的計(jì)費(fèi)，本次設(shè)計(jì)中通過(guò)對(duì)240 Hz的輸入脈沖進(jìn)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(jì)費(fèi)。

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(2) 計(jì)量控制模塊。

計(jì)量控制模塊是出租車自動(dòng)計(jì)費(fèi)器系統(tǒng)的主體部分［5］，該模塊主要完成出租車的計(jì)時(shí)、計(jì)價(jià)、計(jì)程功能。計(jì)時(shí)器的量程為59 min，滿量程自動(dòng)歸零。計(jì)程器的量程為99 km，滿量程自動(dòng)歸零。行程在3 km內(nèi)，且等待累計(jì)時(shí)間在3 min內(nèi)，起步價(jià)費(fèi)為8元；3 km外以1.6元/km計(jì)費(fèi)，等待累計(jì)時(shí)間超過(guò)3 min按1元/min計(jì)費(fèi)。

(3) 譯碼顯示模塊。

該模塊經(jīng)過(guò)8選1數(shù)據(jù)選擇器將計(jì)費(fèi)數(shù)據(jù)(4位BCD碼)、計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)(2位BCD碼)、計(jì)程數(shù)據(jù)(2位BCD碼)動(dòng)態(tài)顯示輸出。其中計(jì)費(fèi)數(shù)據(jù)最大顯示為999.9元；計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)最大顯示為59 min；計(jì)程數(shù)據(jù)最大顯示為99 km。

3 出租車計(jì)價(jià)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的頂層原理圖如圖2所示，出租車計(jì)價(jià)器系統(tǒng)由主體FPGA電路taxi模塊和動(dòng)態(tài)掃描顯示部分(8選1選擇器mux8_1模塊、模8計(jì)數(shù)器mo8模塊、七段數(shù)碼顯示譯碼器di_LED模塊、生成動(dòng)態(tài)掃描顯示片選信號(hào)的3-8譯碼器模塊74138)［6］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(jì)中，系統(tǒng)的輸入信號(hào)為clk_240(240 Hz)、計(jì)價(jià)開(kāi)始信號(hào)start、等待信號(hào)stop、里程脈沖信號(hào)fin。系統(tǒng)的輸出信號(hào)有總費(fèi)用數(shù)cha3(百)，cha2(拾)，cha1(元)，cha0(角)，行駛距離信號(hào)為km1，km0，等待時(shí)間信號(hào)為m1，m0。

Taxi模塊的控制過(guò)程為：start作為計(jì)費(fèi)開(kāi)始開(kāi)關(guān)，當(dāng)start為高電平時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)始跟據(jù)輸入情況計(jì)數(shù)，有乘客上車并開(kāi)始行駛時(shí)，fin脈沖到來(lái)，進(jìn)行行駛里程計(jì)數(shù)，這時(shí)的stop應(yīng)為0，中途若停車等待，就需把stop置為1，同時(shí)fin為0，進(jìn)行等待計(jì)費(fèi)，當(dāng)乘客下車時(shí)，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(jì)量(jiliang)、kongzhi(控制)和計(jì)費(fèi)(jifei)四個(gè)子模塊［3，7］，taxi模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 taxi模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

Fenpin模塊是將輸入端clk_240(240 Hz)的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻，分別得到f_16(16 Hz)，f_10(10 Hz)，f_1(1 Hz)的信號(hào)，用于計(jì)量時(shí)的1.6元，1元，0.1元。

Jiliang模塊用來(lái)計(jì)時(shí)和計(jì)程，fin為汽車的里程脈沖信號(hào)，當(dāng) fin為高電平時(shí)，以記錄的f_1的脈沖個(gè)數(shù)作為行駛的公里里程數(shù)，start是汽車計(jì)量開(kāi)始信號(hào)，stop為等待信號(hào)。f_1是計(jì)量驅(qū)動(dòng)信號(hào)，當(dāng)f_1的脈沖到來(lái)，如果fin=1，記錄f_1的個(gè)數(shù)(即行駛公里數(shù))，當(dāng)行駛超過(guò)3 km，ent0輸出為1。當(dāng)stop為高電平時(shí)，記錄f_1的脈沖個(gè)數(shù)，60個(gè)脈沖為1 min，當(dāng)超過(guò)3 min時(shí)，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(hào)選擇不同的輸出頻率供jifei模塊計(jì)費(fèi)，en1=1時(shí)f=10 Hz，en0=1時(shí)f=16 Hz。

Jifei模塊實(shí)際就是一個(gè)四位十進(jìn)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(duì)脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。jiliang模塊每計(jì)一次數(shù)，jifei模塊就實(shí)現(xiàn)16次或10次脈沖計(jì)數(shù)，即實(shí)現(xiàn)超時(shí)時(shí)的1元/min，超里程時(shí)的1.6元/km的收費(fèi)。

對(duì)整個(gè)taxi模塊進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖6所示，由圖中可知，當(dāng)stop為高電平時(shí)，汽車行駛了km1km0=35 km，計(jì)費(fèi)cha3cha2cha1cha0為0592，即59.2元，與8+(35-3)×1.6=59.2元一致，圖中當(dāng)?shù)却^(guò)3 min時(shí)，價(jià)格按1元/min計(jì)費(fèi)，仿真結(jié)果正確。

3.1.2 動(dòng)態(tài)掃描顯示部分

此模塊包含mo8計(jì)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(gè)子模塊。

mo8計(jì)數(shù)器：輸入信號(hào)clk為系統(tǒng)輸入的240 Hz基準(zhǔn)時(shí)鐘，輸出a為模8的二進(jìn)制碼［8］。

mux8_1模塊是根據(jù)輸入信號(hào)c［2..0］的地址碼000至111分別對(duì)應(yīng)了cha3，cha2，ch1，ch0，km1，km0，min1，min0八個(gè)四位BCD碼，dp為小數(shù)點(diǎn)指示信號(hào)，在計(jì)費(fèi)的第二位數(shù)字上帶有小數(shù)點(diǎn)，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(hào)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)［9］，3F對(duì)應(yīng)為0，仿真波形圖如圖8所示。

由于采用動(dòng)態(tài)掃描，主要是根據(jù)人視覺(jué)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(gè)數(shù)碼管。只要頻率夠高，依次點(diǎn)亮8個(gè)數(shù)碼管時(shí)，給人視覺(jué)是同時(shí)點(diǎn)亮［10］。

3.2 總體電路的仿真結(jié)果

通過(guò)對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)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(jià)格為3F7D27.5B(即67.2元)， 里程數(shù)為663F(即40 km)，等待時(shí)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(yǔ)

通過(guò)仿真驗(yàn)證表明，本文所設(shè)計(jì)的出租車計(jì)價(jià)系統(tǒng)能動(dòng)態(tài)顯示行駛的里程、等待時(shí)間和計(jì)費(fèi)數(shù)目等，符合預(yù)定的設(shè)計(jì)功能要求。但設(shè)計(jì)中對(duì)出租車?yán)锍逃?jì)數(shù)精度不高，若要提高精度，需根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)置取樣里程的脈沖，在計(jì)量(jiliang)模塊的輸入頻率中要做相應(yīng)的修改，當(dāng)出租車計(jì)費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生變化時(shí)，也可以通過(guò)修改VHDL源程序達(dá)到要求，另外，還可以擴(kuò)展語(yǔ)音播報(bào)或票據(jù)打印等附加功能，此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)體現(xiàn)了FPGA設(shè)計(jì)的自頂向下的設(shè)計(jì)思想，基于FPGA的設(shè)計(jì)靈活性高、功耗低、集成度高，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］陳偉宏.基于Proteus的多功能出租車計(jì)價(jià)器設(shè)計(jì)［J］.重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，23(6)：83-86.

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作者簡(jiǎn)介：

王 翠 女，1979年出生，江蘇泰興人，碩士，講師。主要研究領(lǐng)域?yàn)殡娮优c通信。