賈海云

(合肥財經(jīng)職業(yè)學(xué)院，安徽合肥 230601)

大規(guī)模集成電路技術(shù)的出現(xiàn)，逐漸凸顯出傳統(tǒng)單片機在電路設(shè)計方面的不足。比如，由于不同類型的芯片帶有不同的指令，而單片機程序并非都適用于這些芯片。修改程序僅滿足了電路在短期內(nèi)的功能需求，卻依舊要面臨軟件升級的繁瑣。電路設(shè)計技術(shù)必須朝著高擴展性、便捷性方向發(fā)展。本文對計價器電路進行研究[1]，主要通過VHDL來實現(xiàn)。

1 方案原理

對計價器的功能定義如下：(1)白班時間段定為早上5點到晚上11點。在該時間段內(nèi)行駛里程數(shù)在3公里以內(nèi)的統(tǒng)一計價8元；行駛里程數(shù)在3～8公里的按照每公里2元加價。行駛里程數(shù)超出8公里的按照每公里3元加價。(2)夜班時間段的計價方式為在白班正常計價的基礎(chǔ)上加價20%。燃油費則按照每次載客加收2元來執(zhí)行。根據(jù)上述功能需求，構(gòu)建出如圖1所示的計價系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 計價系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

定義車輪直徑為52 cm，行駛完整一圈約163 cm后A計數(shù)器則計存一次CLK脈沖信號。里程數(shù)達到10 km后，A計數(shù)器輸出OCLK2來計存里程信息。同時B計數(shù)器CLK開始計數(shù)，當(dāng)里程計到100 M后B計數(shù)器輸出OCLK1來計存里程信息。C計數(shù)器對10 M的OCLK2執(zhí)行累計操作，再將里程數(shù)據(jù)傳至動態(tài)掃描電路。D計數(shù)器對100 M的OCLK1執(zhí)行累計操作，同時也要控制在乘客上車開始啟動時顯示的價格，即8元。當(dāng)行駛里程在3～8 km時，每增加一個100 M脈沖就執(zhí)行相應(yīng)的加價金額。此外，當(dāng)車輪在5分鐘內(nèi)沒有跑起則不計價，5分鐘過后每5分鐘加價2元。譯碼/動態(tài)掃描電路將行駛里程信息和價格信息譯碼后以動態(tài)數(shù)據(jù)傳至數(shù)碼管顯示。這里定義低二位用于顯示小數(shù)，高二位用于顯示整數(shù)。

本次研究通過VHDL設(shè)計再將一個掃描電路和4個計數(shù)器構(gòu)建的底層模塊[2]加載到FPGA上，輔以外圍數(shù)碼顯示、輪胎感應(yīng)等電路組建出一套計價系統(tǒng)方案。

2 電路設(shè)計

計價系統(tǒng)電路圖如圖2所示。試驗箱可生成脈沖信號CLK。供電電源AD-DC輸出/輸入分別為+5 V(4 A)/115～230 VAC。

圖2 計價系統(tǒng)電路

START/STOP采用雙刀雙路。由于在終止計價時要將計價信息保留并顯示于數(shù)碼顯示管上，當(dāng)再次啟動計價時將上次顯示的計價數(shù)據(jù)給予清零并重新開始計價。另外兩路開關(guān)，其中一路用于啟動指示和啟動/停止輸出信號給FPGA芯片的I/O口。當(dāng)按下按鍵后，清零部分和啟動計價部分同時進行。清零操作瞬間，計價指示燈亮起。再次按下按鍵后開關(guān)切換至另外兩路，空車指示燈亮起。如圖3所示。

圖3 啟動/終止電路

VHDL無法在相同的結(jié)構(gòu)里對不同的動作賦值，在圖4所示電路中將FPGA I/O置為高電平1執(zhí)行清零操作。當(dāng)斷開按鍵開關(guān)，清零的輸出接地，合上按鍵開關(guān)電容充電清零口置為高電平。充電結(jié)束后清零口的輸入再次置為低電平。當(dāng)斷開按鍵開關(guān)，2 kΩ電阻可放電為下次充電準備。

圖4 清零電路

圖5 分頻電路

3 測試

3.1 分頻模塊

計價計數(shù)器和行駛里程計數(shù)器的計算不同。前者計數(shù)頻率為100 M，后者計數(shù)頻為10 M。因此通過定義分頻系數(shù)6和60將傳感器傳輸?shù)能囕咰LK進行分頻。分頻電路如圖5所示。

當(dāng)啟動端口的START置1便開始計數(shù)，直到輪胎CLK為6，此時輸出一個如圖6所示的10 M OCLK2信號。累計輪胎CLK等于60則輸出一個如圖7所示的100 M信號。相反，當(dāng)啟動端口置零則不再執(zhí)行計數(shù)直至重置為1再執(zhí)行計數(shù)。顯然仿真[3]數(shù)據(jù)與功能要求是吻合的。

圖6 輸出10 M OCLK2信號

圖7 輸出100 M OCLK1信號

3.2 行駛里程計數(shù)模塊

將分頻模塊輸出的信號脈沖定義為計數(shù)的信號脈沖進行動態(tài)顯示。當(dāng)收到一個信號脈沖時行駛里程數(shù)則增加100 M，如果再接收到一個信號脈沖，繼續(xù)按照100 M的里程數(shù)值累加，依此類推。行駛里程計數(shù)模塊如圖8所示。

圖8 行駛里程計數(shù)模塊

當(dāng)將復(fù)位鍵置1，所有數(shù)據(jù)被初始化，即執(zhí)行清零操作；相反，當(dāng)將復(fù)位鍵置零，里程模塊的百位開始執(zhí)行計數(shù)操作。百位的計數(shù)規(guī)則為隨著脈沖信號逐個增加，百位逐次加1直到百位達到9，此時開始執(zhí)行向十位進位操作。整個計數(shù)執(zhí)行過程如圖9至圖12所示。

圖9 百位執(zhí)行計數(shù)操作

圖10 十位執(zhí)行進位操作

圖11 個位向十位進位

圖12 復(fù)位

3.3 計費模塊

將分頻模塊輸出的100 M信號脈沖定義為計價模塊的計數(shù)信號脈沖。計價模塊初始化數(shù)據(jù)置為8。如果行駛里程數(shù)在3 km以內(nèi)，不接受分頻模塊輸出的信號；反之，才接受脈沖驅(qū)動。當(dāng)里程在3～8 km和8 km以上，則每次在收到一個信號脈沖后其數(shù)值分別增加0.2和0.3。夜班時間段則額外加價20%的加班費。終止計價時需加價燃油附加費2元。邏輯框圖如圖13所示。

圖13 計價模塊

根據(jù)設(shè)計要求，不超過3 km僅計起步費，如圖14所示。

圖14 白班的起步價

里程在3～8 km，(1)白天行駛時，每來一個脈沖均在8元基礎(chǔ)上加價0.2元，如圖15所示。超過8 km，則在原計價數(shù)據(jù)上每來一個脈沖增加0.3元，如圖16所示；(2)夜間行駛由于額外增加20%加班費，故不超過3 km的計價均為9.6元，如圖17所示。3～8 km區(qū)段，每來一個脈沖都在起步價基礎(chǔ)上加價0.24元，如圖18所示。超出8 km則在原有計價數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上每來一個脈沖增加0.36元，如圖19所示。按下復(fù)位按鍵將reset置1即為重置起步價開始執(zhí)行下一次的計價，如圖20所示。

圖15 白班的3～8 km區(qū)段

圖16 白班的8 km以上區(qū)段

圖17 夜班的起步價

圖18 夜班的3～8 km區(qū)段

圖19 夜班的8 km以上區(qū)段

圖20 復(fù)位起步價

3.4 動態(tài)掃描模塊

譯碼單元位于動態(tài)掃描模塊內(nèi)，用于將行駛里程數(shù)據(jù)與價格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成編碼后動態(tài)驅(qū)動小數(shù)點和字段。動態(tài)掃描邏輯結(jié)構(gòu)如圖21所示。定義動態(tài)掃描的周期為8，對動態(tài)掃描過程執(zhí)行如圖22所示的模擬。

圖21 動態(tài)掃描邏輯結(jié)構(gòu)

圖22 模擬掃描

3.5 計時模塊

根據(jù)功能設(shè)計要求，車輛途徑十字路口遇紅燈等待前5分鐘不計價，過后開始加價2元的堵車費。此時CLK用于計算堵車時長，再將時間信號通過TIME out輸出。用于復(fù)位的RESET口和其它模塊的復(fù)位端相連一塊復(fù)位。START用于啟動計時，STOP用于終止計時。計時模塊如圖23所示。

圖23 計時模塊

3.6 顯示模塊

顯示模塊的原理如圖24所示，1～8號端口用來控制a～g和dp，9～16號端口用來控制1～8數(shù)碼管，16個端口協(xié)調(diào)一起控制數(shù)碼管的亮暗以及數(shù)字的顯示[5]。所有數(shù)碼管顯示不是在同一時刻完成，剛開始對數(shù)碼管1進行賦值，用choice數(shù)據(jù)來選擇數(shù)碼管，再把data數(shù)據(jù)賦予1～8號端口，然后顯示第一位數(shù)碼管。choice進行第二次選擇，再把data數(shù)據(jù)賦予1～8號端口，然后顯示第二位數(shù)碼管。據(jù)此原理依次進行選擇、賦值最終讓數(shù)碼管依次亮起。整個工作過程都會因為數(shù)碼管較快的賦值速度、人眼較低的分辨率以及較小的延時，使人眼錯覺地認為所有的數(shù)碼管似乎同時發(fā)亮顯示。

圖24 顯示模塊

4 結(jié)語

本文結(jié)合了車輛計價的實際需求提出了電子計價器的設(shè)計方案。整個過程借助FPGA芯片和VHDL[6]作為載體，并根據(jù)功能需求對整個計價系統(tǒng)展開模塊化設(shè)計。通過QuartusⅡ測試驗證了所設(shè)計的電子計價器方案的計價結(jié)果和功能指標完全吻合，具備可行性。