【正文】 出租車計(jì)價(jià)器論文畢業(yè)設(shè)計(jì)目 錄 1 引言 1 研究背景 1 目前出租車計(jì)價(jià)器存在的問(wèn)題和改進(jìn)方案 1 出租車計(jì)價(jià)器存在的問(wèn)題 1 改進(jìn)的方法 22 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的論證與選擇 4 方案設(shè)計(jì) 4 方案一：基于單片機(jī)的出租車計(jì)價(jià)器方案設(shè)計(jì) 4 方案二：基于EDA的出租車計(jì)價(jià)器方案設(shè)計(jì) 4 方案選擇 43 出租車計(jì)價(jià)器功能及要求 7 出租車計(jì)費(fèi)規(guī)則 7 出租車計(jì)價(jià)器的功能 7 出租車計(jì)價(jià)器的性能指標(biāo) 74 出租車計(jì)費(fèi)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 9 硬件總體方案設(shè)計(jì) 9 FPGA核心模塊 9 按鍵控制電路 13 電機(jī)模塊電路 13 電機(jī)測(cè)速模塊 14 液晶顯示模塊 155 出租車計(jì)費(fèi)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 16 VHDL語(yǔ)言概述 16 系統(tǒng)總體框架 17 系統(tǒng)的頂層原理圖 18 系統(tǒng)各功能模塊的實(shí)現(xiàn) 19 CC2 頂層模塊的實(shí)現(xiàn) 19 GL 模塊的實(shí)現(xiàn) 20 int_div 模塊的實(shí)現(xiàn) 22 key_set 模塊的實(shí)現(xiàn) 24 DENDAI 模塊的實(shí)現(xiàn) 2531 MONEY 模塊的實(shí)現(xiàn) 26 conv模塊的實(shí)現(xiàn) 28 SF模塊的實(shí)現(xiàn) 29 ram_1602模塊的實(shí)現(xiàn) 30結(jié) 論 32參考文獻(xiàn) 33致 謝 34附錄1：整體電路圖（part1） 35附錄2：源程序 37天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)2012屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)1 引言 研究背景出租車行業(yè)在我國(guó)是八十年代初興起的一項(xiàng)新興行業(yè)，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，出租汽車已成為城市公共交通的重要組成部分。多年來(lái)國(guó)內(nèi)普遍使用的計(jì)價(jià)器只具備單一的計(jì)量功能。目前全世界的計(jì)價(jià)器中有90％為臺(tái)灣所生產(chǎn)?，F(xiàn)今我國(guó)生產(chǎn)計(jì)價(jià)器的企業(yè)有上百家，主要是集中在北京，上海，沈陽(yáng)和廣州等地。出租汽車計(jì)價(jià)器是一種專用的計(jì)量?jī)x器，它安裝在出租汽車上，能連續(xù)累加，并指示出行程中任一時(shí)刻乘客應(yīng)付費(fèi)用的總數(shù)，其金額值是計(jì)程和計(jì)時(shí)時(shí)間的函數(shù)。我國(guó)第一家生產(chǎn)計(jì)價(jià)器的是重慶市起重機(jī)廠，最早的計(jì)價(jià)器全部采用機(jī)械齒輪構(gòu)，只能完成簡(jiǎn)單的計(jì)程功能，可以說(shuō)，早期的計(jì)價(jià)器就是個(gè)里程表。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了第二代計(jì)價(jià)器。它采用了手搖計(jì)算機(jī)與機(jī)械結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了半機(jī)械半電子化，在計(jì)程的同時(shí)還可完成計(jì)價(jià)的工作。大規(guī)模集成電路的發(fā)展產(chǎn)生了第三代計(jì)價(jià)器，也就是全電子化的計(jì)價(jià)器，其功能在不斷完善中。出租車計(jì)價(jià)器在最初使用時(shí)具備的主要功能是根據(jù)行駛里程計(jì)價(jià)，要求精度高，可靠性好。隨著電子技術(shù)的發(fā)展以及對(duì)計(jì)價(jià)器的不斷改進(jìn)和完善，便產(chǎn)生了諸多的附加功能。例如：(1)LED顯示功能，數(shù)碼管的使用讓計(jì)價(jià)器實(shí)現(xiàn)多屏顯示的功能，可同時(shí)顯示各項(xiàng)營(yíng)運(yùn)數(shù)據(jù)，使乘客一目了然；(2)永久時(shí)鐘功能，在非營(yíng)運(yùn)狀態(tài)下，日歷時(shí)鐘芯片的使用使計(jì)價(jià)器可以顯示永久時(shí)鐘；(3)存儲(chǔ)功能，可存儲(chǔ)多項(xiàng)營(yíng)運(yùn)數(shù)據(jù)，便于查詢。新型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的應(yīng)用使得計(jì)價(jià)器的營(yíng)運(yùn)數(shù)據(jù)在掉電情況下還可以保存10年。隨著出租車行業(yè)的發(fā)展，對(duì)出租車計(jì)費(fèi)器的要求也越來(lái)越高。本課題以FPGA芯片為主控芯片，結(jié)和外圍電路來(lái)完成計(jì)價(jià)器多項(xiàng)功能，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。由于科技的發(fā)展，芯片中的數(shù)據(jù)可保持十年不變，且芯片體積小，容量大，因此這種方式具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的市場(chǎng)前景。 目前出租車計(jì)價(jià)器存在的問(wèn)題和改進(jìn)方案 出租車計(jì)價(jià)器存在的問(wèn)題隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，出租汽車已成為城市公共交通的重要組成部分。近幾年來(lái)，出租車汽車行業(yè)在各地蓬勃發(fā)展，出租車經(jīng)營(yíng)也從無(wú)序狀態(tài)逐漸走入正軌。出租車計(jì)價(jià)器成為出租車運(yùn)營(yíng)中必配的、可靠的計(jì)量器具，其使用準(zhǔn)確性直接關(guān)系到經(jīng)營(yíng)者與乘客的經(jīng)濟(jì)利益。但在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，總有不少經(jīng)營(yíng)者或乘客反映相同路徑，不同的出租車的收費(fèi)有較大的出入。目前出租車計(jì)價(jià)器存在的問(wèn)題主要有：計(jì)價(jià)器作弊的問(wèn)題。有些出租汽車司機(jī)在計(jì)價(jià)器上做手腳，多收乘客租金。常見的手段是：輸入非法脈沖，計(jì)價(jià)器主要靠傳感器發(fā)出的脈沖來(lái)計(jì)數(shù)，脈沖數(shù)的多少即汽車行駛里程的多少。作弊者利用這一原理，額外向計(jì)價(jià)器輸入脈沖，其方法多種多樣如利用車內(nèi)收音機(jī)、電動(dòng)剃須刀。毛刺(競(jìng)爭(zhēng)一冒險(xiǎn))現(xiàn)象。主要影響數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)有效性和可靠性的主要因素，由于毛刺的存在，使得系統(tǒng)存在諸多潛在的不穩(wěn)定因素，尤其是對(duì)尖峰脈沖或脈沖邊沿敏感的電路就更是如此。毛刺通常主要對(duì)電路的觸發(fā)清零端 CLR、觸發(fā)復(fù)位端RESET、CP 端、鎖存器的門控端和專用芯片的控制端等產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，會(huì)使電路發(fā)生誤動(dòng)作，從而造成數(shù)字系統(tǒng)的邏輯混亂。 改進(jìn)的方法相對(duì)于計(jì)價(jià)器作弊的問(wèn)題，改進(jìn)的方法：(1) 傳感器輸出編碼脈沖。傳感器輸出的脈沖其脈沖寬度、占空比等參數(shù)都是可變的，使計(jì)價(jià)器與傳感器對(duì)號(hào)入座。(2) 傳感器輸出加密脈沖。近年來(lái)由于電子技術(shù)的發(fā)展，已有商品化的加、解密器件供應(yīng)，只要在傳感器與計(jì)價(jià)器之間加入這種器件，就可以使計(jì)價(jià)器發(fā)出的加密脈沖，而其他傳感器或脈沖一概不認(rèn)。(3) 加入啟動(dòng)速度的判別電路。利用汽車啟動(dòng)時(shí)速度總是由零逐步增高的道理，而非法的外加脈沖總是以固定速度加入的，當(dāng)加入了判別電路后，如果速度不是由低到高則計(jì)價(jià)器拒絕接受。在競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)消除毛刺的主要的方法：(1) 調(diào)整路徑延時(shí)，毛刺歸根到底是由于延時(shí)不同而引起的，因此只要讓門電路的所有輸入信號(hào)具有相同的延時(shí)，毛刺就不會(huì)產(chǎn)生。所以消除毛刺最原始、最直接的方法就是調(diào)整延時(shí)；(2) 引入選通信號(hào)，由于競(jìng)爭(zhēng)僅僅發(fā)生在輸入信號(hào)變化轉(zhuǎn)換的瞬間，在穩(wěn)定狀態(tài)是沒有競(jìng)爭(zhēng)的，所以在輸入信號(hào)穩(wěn)定后進(jìn)行選通就可以徹底消除尖峰脈沖。本設(shè)計(jì)課題擬解決的問(wèn)題：本課題采用 FPGA 芯片為核心，用較少的硬件和適當(dāng)?shù)能浖嗷ヅ浜现饕鉀Q以下問(wèn)題：(1) 不同地區(qū)的計(jì)費(fèi)方式存在差異，即使同一地區(qū)，不同車型的出租車，其計(jì)費(fèi)方式也有差別；另一方面，出租車還面臨幾年一次的調(diào)價(jià)或調(diào)整計(jì)費(fèi)方式等問(wèn)題。因此，所設(shè)計(jì)的計(jì)費(fèi)器不僅要能滿足不同地區(qū)的要求，而且計(jì)費(fèi)方式的調(diào)整也應(yīng)當(dāng)很方便。(2) 由于個(gè)別地區(qū)對(duì)計(jì)費(fèi)器有特殊要求，有時(shí)必須修改軟件。另外，計(jì)費(fèi)器還面臨軟件的升級(jí)。因而，所設(shè)計(jì)的計(jì)費(fèi)器應(yīng)能很方便地重新編程。(3) 計(jì)費(fèi)器必須要有防作弊功能，能有效防止司機(jī)作弊，同時(shí)要防止計(jì)費(fèi)器在營(yíng)運(yùn)過(guò)程中死機(jī)。2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的論證與選擇 方案設(shè)計(jì) 方案一：基于單片機(jī)的出租車計(jì)價(jià)器方案設(shè)計(jì) 出租車計(jì)價(jià)器系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，由按鍵電路、里程計(jì)算電路、數(shù)碼管顯示電路組成。利用單片機(jī)靈活的編程設(shè)計(jì)和豐富的I/O端口及其控制的準(zhǔn)確性，不僅能實(shí)現(xiàn)基本的里程計(jì)價(jià)價(jià)格調(diào)節(jié)、時(shí)鐘顯示，而且能很大程度上實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展功能，同時(shí)可方便日后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)?；趩纹瑱C(jī)的出租車計(jì)價(jià)器系統(tǒng)框圖如圖21所示。總金額 顯示單價(jià)顯示單片機(jī)鍵盤控制啟動(dòng)/清除開關(guān)里程傳感器串口顯示驅(qū)動(dòng)電路鎖存器 圖21 基于單片機(jī)出租車計(jì)價(jià)器系統(tǒng)框圖 方案二：基于EDA的出租車計(jì)價(jià)器方案設(shè)計(jì)出租車計(jì)價(jià)器系統(tǒng)基于FPGA芯片，采用自頂向下設(shè)計(jì)方法。將系統(tǒng)按功能分為速度模塊、計(jì)程模塊、計(jì)時(shí)模塊和計(jì)費(fèi)模塊等大致四個(gè)模塊?；贔PGA的出租車計(jì)費(fèi)系統(tǒng)總體框圖如圖22所示。 方案選擇 采用單片機(jī)設(shè)計(jì)具有成本低、易于控制的優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)大多是：通過(guò)軟件編程，仿真，調(diào)試，符合要求后將程序用編程器寫入到單片機(jī)芯片上。利用單片機(jī)的中斷響應(yīng)乘客開車或者等待的請(qǐng)求，進(jìn)行相應(yīng)的處理。利用寄存器存放計(jì)價(jià)器系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，從而可以根據(jù)整個(gè)行程的狀態(tài)進(jìn)行計(jì)價(jià)。但這種設(shè)計(jì)外圍電路較多而時(shí)序?qū)崿F(xiàn)能力較弱，調(diào)試復(fù)雜，抗干擾能力差，特別對(duì)這種計(jì)程車的計(jì)價(jià)器需要長(zhǎng)時(shí)間不間斷運(yùn)作的系統(tǒng)，由于主要是軟件運(yùn)作，容易出錯(cuò)，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。速度模塊計(jì)時(shí)模塊計(jì)程模塊計(jì)費(fèi)模塊總里程總費(fèi)用FPGA芯片里程脈沖復(fù)位信號(hào) 圖22 基于FPGA的出租車計(jì)費(fèi)系統(tǒng)總體框圖啟動(dòng)/停止 采用FPGA設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者只需用 HDL 語(yǔ)言完成系統(tǒng)功能的描述，借助 EDA 工具就可得到設(shè)計(jì)結(jié)果，將編譯后的代碼下載到目標(biāo)芯片就可在硬件上實(shí)現(xiàn)。EDA 技術(shù)作為一種現(xiàn)代電子系統(tǒng)開發(fā)方式，具有兩方面特點(diǎn)。修改軟件程序即可改變硬件由于 FPGA／CPLD 可以通過(guò)軟件編程對(duì)該硬件的結(jié)構(gòu)和工作方式進(jìn)行重構(gòu)，修改軟件程序就相當(dāng)于改變了硬件，這使設(shè)計(jì)者把思路概念變?yōu)閷?shí)際芯片和電路的周期越縮越短。軟件可以使用自頂向下的設(shè)計(jì)方案，而且可以多個(gè)人分工并行工作，這些年來(lái)IP核產(chǎn)業(yè)的崛起，將若干軟核結(jié)合起來(lái)就可以構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)，這一切極大地縮短了開發(fā)周期和上市時(shí)間，有利于在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中搶占先機(jī)。速度快，可靠性高M(jìn)CU(Micro Controller Unit)和 DSP(Digital Signal Processor)都是通過(guò)串行執(zhí)行指令來(lái)實(shí)現(xiàn)特定功能，不可避免低速，而 FPGA／CPLD 則可實(shí)現(xiàn)硬件上的并行工作，在實(shí)時(shí)測(cè)控和高速應(yīng)用領(lǐng)域前景廣闊；另一方面，F(xiàn)PGA／CPLD 器件在功能開發(fā)上是軟件實(shí)現(xiàn)的，但物理機(jī)制卻和純硬件電路一樣，十分可靠；而且與其他的設(shè)計(jì)方法相比，F(xiàn)PGA芯片具有比較豐富的存儲(chǔ)單元，可以將原本需要外加的存儲(chǔ)設(shè)備轉(zhuǎn)移到 FPGA 芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，使整體設(shè)計(jì)需要的外圍元器件更少。而 MCU 和 DSP 芯片在強(qiáng)干擾條件下，尤其是強(qiáng)電磁干擾下，很可能越出正常的工作流程，出現(xiàn) PC 跑飛現(xiàn)象。EDA 高可靠性正好克服了它們這一先天不足。采用 PLD 設(shè)計(jì)，將所有器件集成在一塊芯片上，體積大大減小的同時(shí)還提高了穩(wěn)定性，并且可應(yīng)用EDA軟件仿真，調(diào)試，易于進(jìn)行功能擴(kuò)展，外圍電路較少，采用硬件邏輯電路實(shí)現(xiàn)，其最大的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)，非常適合作為計(jì)程車的計(jì)價(jià)器系統(tǒng)的控制核心?；趯?duì)以上各個(gè)因素的考慮，決定采用以 FPGA 為核心，用 VHDL 編程來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)價(jià)器的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)出租車計(jì)價(jià)器的設(shè)計(jì)，提升設(shè)計(jì)的可行性。3 出租車計(jì)價(jià)器功能及要求 出租車計(jì)費(fèi)規(guī)則出租車的計(jì)費(fèi)工作原理分成5個(gè)階段：(1) 車起步開始計(jì)費(fèi)，首先顯示起步價(jià)()，車在行駛3km以內(nèi)。(2) 車行駛到達(dá)或超過(guò)3km后，()，車費(fèi)依次累加。(3) 行駛路程達(dá)到或超過(guò)10km后。(4) 在行駛中遇紅燈或中途暫時(shí)停車情況下，車暫時(shí)停止，計(jì)價(jià)器則按時(shí)間計(jì)費(fèi)。(5) 若停止則車費(fèi)停止計(jì)費(fèi)，按下復(fù)位鍵后，費(fèi)用恢復(fù)至起步價(jià)，等待下一次計(jì)費(fèi)的開始。本設(shè)計(jì)中出租車有起動(dòng)/停止鍵，暫停鍵和加速鍵。啟動(dòng)/停止鍵為一脈沖信號(hào)，當(dāng)有電平發(fā)生變換時(shí)，表示該計(jì)費(fèi)系統(tǒng)已啟動(dòng)。在汽車運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，采用一個(gè)脈沖信號(hào)(計(jì)數(shù)脈沖)來(lái)實(shí)現(xiàn)路程的計(jì)數(shù)，該信號(hào)代替了實(shí)際的車行里程測(cè)速的脈沖信號(hào)，在剛開始LCD1602 顯示的是起始價(jià)；當(dāng)啟動(dòng)/停止鍵使電平有偶次時(shí)，汽車停止前進(jìn)，同時(shí)停止發(fā)生脈沖，此時(shí)路程計(jì)數(shù)和等待時(shí)間計(jì)時(shí)停止；當(dāng)暫停鍵為低電平時(shí)，汽車暫停，計(jì)程脈沖失效，時(shí)間計(jì)數(shù)開始運(yùn)行，最后把等待時(shí)間也這算成車費(fèi)的一部分。跟據(jù)相應(yīng)的計(jì)費(fèi)公式來(lái)計(jì)算出總費(fèi)用，和單價(jià)費(fèi)用，里程總數(shù)，等待時(shí)同時(shí)顯示在液晶上。當(dāng)按復(fù)位鍵后，總費(fèi)用恢復(fù)到起步價(jià)，時(shí)間計(jì)數(shù)器清零，里程計(jì)數(shù)器清零，單價(jià)數(shù)清零。 出租車計(jì)價(jià)器的功能(1) 實(shí)時(shí)顯示每次旅程的總金額和里程數(shù)；(2) 實(shí)時(shí)顯示計(jì)費(fèi)單價(jià)，并能顯示等待時(shí)間；(3) 適應(yīng)價(jià)格調(diào)整，程序修改方便。 出租車計(jì)價(jià)器的性能指標(biāo)(1) 供電電壓5V。注：本設(shè)計(jì)采用5V供電。(2) 計(jì)費(fèi)精度： 元；計(jì)費(fèi)范圍：~ 元。(3) 計(jì)程精度： 公里；計(jì)程范圍：~ 公里。(4) 計(jì)時(shí)精度： 1 秒； 計(jì)時(shí)范圍：1 小時(shí)。 4 出租車計(jì)費(fèi)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中，硬件設(shè)計(jì)部分包括硬件總體方案設(shè)計(jì)、各個(gè)硬件模塊設(shè)計(jì)及其原理分析。下面作詳細(xì)介紹。 硬件總體方案設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用FPGA EP1C3T144C8N 核心板作為中央處理器，采用11個(gè)I/O口控制LCD1602顯示，實(shí)現(xiàn)計(jì)價(jià)器的等待時(shí)間，總費(fèi)用，實(shí)時(shí)費(fèi)用單價(jià)及總里程數(shù)的實(shí)時(shí)顯示。根據(jù)要求通過(guò)按鍵來(lái)模擬出租車運(yùn)行狀態(tài)（開啟/停止，等待，加速功能）以及計(jì)價(jià)器復(fù)位功能。通過(guò)光電傳感器輸送脈沖傳送給FPGA來(lái)作計(jì)數(shù)。本系統(tǒng)主要由FPGA核心模塊、按鍵模塊、液晶顯示模塊、傳感器模塊以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊五部分組成，具體系統(tǒng)框圖如圖41所示：圖41 系統(tǒng)框圖 FPGA核心模塊FPGA核心模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它擔(dān)負(fù)著整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)序控制、數(shù)據(jù)采集和處理的任務(wù)。本系統(tǒng)的FPGA核心模塊主要由FPGA芯片、電源、時(shí)鐘源、復(fù)位電路、FPGA配置電路及下載接口電路組成。FPGA芯片F(xiàn)PGA芯片采用Altera公司的Cyclone系列的EP1C3T144C8N，其I/，一個(gè)鎖相環(huán)，約3萬(wàn)門、6萬(wàn)RAM bit，144個(gè)引腳。FPGA的I/O引腳按其功能可以分為四部分,且每個(gè)BANK的I/O引腳供電是獨(dú)立的，BANK1~BANK4引腳圖如圖42所示：圖41 系統(tǒng)框圖圖42 EP1C3T144 BANK1～BANK4引腳圖電源 如圖43所示,本核心板的所有I/O腳都采用 ，因此所有的VCCIO都連接 ，VCCINT為FPGA內(nèi)核工作電壓輸入，Cyclone 系列的FPGA均采用 ，所以這里連接 。時(shí)鐘源無(wú)論是用離散邏輯、可編程邏輯，還是基于其他類型器件的任何數(shù)字設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的成功運(yùn)行都要依靠可靠的時(shí)鐘。一些對(duì)實(shí)時(shí)性和同步性要求較高的系統(tǒng)，如數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，甚至不能使用任何可能