【正文】 了用 FPGA來實現(xiàn)出租車多功能計費器系統(tǒng)的設(shè)計。使用 FPGA 來進行數(shù)字電路的設(shè)計，可以大大節(jié)省設(shè)計時間，減少 PCB 的面積，還可以提高系統(tǒng)的可靠性。 FPGA 是電子設(shè)計領(lǐng)域中 最具活力和發(fā)展前途的一項技術(shù)，未來必定會取代 那些 落伍的數(shù)字 元 器件。近幾年來，各大城市都在對出租車價格進行調(diào)整， 但是 由于數(shù)量太多，調(diào)價需要很長 一段 時間才能完成，這就會 在 同一時間 內(nèi)出現(xiàn) 幾個價格，司機人工計 費 的情 況 。而且不同國家和地區(qū)的計 費 方式也 存在差異，有些地區(qū) 還 有夜間收費 和 郊區(qū)收費等，而有些地區(qū)則無 這類 收費；即使 是在 同一地區(qū)，不同車型的出租車，其計 費 方式也有 所 差別；由于個別地區(qū)對計 費 器有特殊 的 要求，有時必須修改軟件 系統(tǒng) ；另外，計 費 器還面臨 著 軟件升級 的 問題；因 此 ，所設(shè)計的計 費 器應(yīng)能很方便地重新 進行 編程。 出租車計價器現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 出租車行業(yè)在我國是在八十年代初興起的，隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，出租車已成為我國公共交通的重要組成部分，為人民的日常出行提供了極大的便利。當計費系 統(tǒng)在各大、中城市出租車中的使用越來越普及，用戶對計費器各方面的要求也越來越高。 自我國加入 WTO 以 來，我國出租車行業(yè) 快速發(fā)展 ，出租車已經(jīng)成為我國城市公共交通的重要組成部分和必備的基礎(chǔ)設(shè)施，成為人們 日常 生活中不可 或 缺 的交通工具。 基于 FPGA 的出租車多功能計費系統(tǒng)設(shè)計 第 1 頁 共 52 頁 1 緒論 課題背景及目的 近些年來， 隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，人們生活水平的顯著提高，城市交通的日趨完善， 出租車逐漸成為人們?nèi)粘Ｉ畈豢扇鄙俚慕煌üぞ摺?出租車 費 價器是一種 可以 根據(jù)乘客乘坐 出租車 車行駛距離和等候時間的多少進行計 費 ，并直接顯示車費值的計量 工 具。 傳統(tǒng)的出租車計 費 器由于發(fā)展使用了 很長一段時間 ， 其 在成本 、 穩(wěn)定性以及使用習慣上都具有一 定的 優(yōu)勢 ， 但更多的是存在著很多的不足，例如產(chǎn)品功能升級很麻煩， 需要軟件更新和硬件重組同步進行，成本很高，并且每次升級后都可能出現(xiàn)新的一些不穩(wěn)定因素。 出租車 費 價器是一種按照 設(shè) 定的要求進行自動計 費 的裝置， 其 應(yīng)用在出租車上使出租車行業(yè)的收費更加方便 、 規(guī)范 等 。另一方面，由于油價的不斷 提升 ， 造成 出租車還面臨調(diào)價或調(diào)整計 費 方式等問題。這些都暴露了傳統(tǒng)計 費 器在靈活性和 系統(tǒng) 升級能力上的不足。 基于 FPGA 的出租車多功能計費系統(tǒng)設(shè)計 第 3 頁 共 52 頁 論文研究內(nèi)容 由于基于單片機的出租車計費系統(tǒng)存在 產(chǎn)品更新周期長 、計費方式的不靈活性以及功能太單一等缺點，因此本設(shè)計針對這些不足采取了一些有效的措施來改進，使其更具實用性。 增加計費標準設(shè)定功能 通過設(shè)計此性能可使得計費標準的設(shè)計更加靈活，體現(xiàn)了目前出租車業(yè)發(fā)展的需求，使運價、油價聯(lián)動成為可能。 第三章介紹了基于 FPGA出租車計費器的硬件設(shè)計。 第五章對全文進行了總結(jié)并對未來出租車計費器的發(fā)展進行了展望。 自頂向下設(shè)計流程 伴隨著集成電路技術(shù)的日益發(fā)展，電子系統(tǒng)設(shè)計的規(guī)模與復(fù)雜度逐漸提高，使用自底向上的設(shè)計思路已不能夠適應(yīng)現(xiàn)在的需要，而采用自頂向下的設(shè)計思路的優(yōu)越性卻逐漸顯露出來。描述設(shè)計電路的體系結(jié)構(gòu)。硬件總體設(shè)計的實現(xiàn)已經(jīng)基本確定，門級設(shè)計網(wǎng)表與芯片制造商的工藝庫直接相關(guān)聯(lián)，電路設(shè)計時，所有的工藝器件都 基于 FPGA 的出租車多功能計費系統(tǒng)設(shè)計 第 5 頁 共 52 頁 要確定。 T o p d o w n行 為 設(shè) 計 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計邏 輯 設(shè) 計電 路 設(shè) 計版 圖 設(shè) 計 圖 21 設(shè)計流程圖 在自頂向下的設(shè)計方法中，首先需要對整個系統(tǒng)進行方案 的 設(shè)計 以及 功能 的劃分，擬訂采用專用 的 集成電路 ASIC 來實現(xiàn)系統(tǒng)的電路 設(shè)計 ， 在 完成電路和芯片 的 版圖 后 ，再交 給 IC 工廠投片加工，或者采用可編程 ASIC（如 CPLD和 FPGA等 ）現(xiàn)場編程 來 實現(xiàn) 。邏輯設(shè)計把結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成邏輯圖，設(shè)計中盡可能采用規(guī)則的邏輯結(jié)構(gòu)或采用經(jīng)過考驗的邏輯單元或模塊?，F(xiàn)今越來越多的電子產(chǎn)品向著微型化、低功耗、智能化等方向發(fā)展。 近些年來， FPGA/CPLD器件的不斷成熟，尤其是 FPGA/CPLD向深亞微米領(lǐng)域的發(fā)展，使得 FPGA/CPLD器件得到了廣泛應(yīng)用，以 FPGA/CPLD為物質(zhì)基礎(chǔ)的 EDA技術(shù)誕生了。 關(guān)于出租車計費系統(tǒng)的設(shè)計，有著大量的采用基于單片機進行設(shè)計的方案。這種設(shè)計不僅外圍電路較多，而且時序?qū)崿F(xiàn)能力較弱，調(diào)試復(fù)雜，抗干擾能力差，特別對這種需要長時間不間斷運作的系統(tǒng)，由于主要是軟件運作，容易出錯，而造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。 EDA技術(shù)作為現(xiàn)代電子系統(tǒng)的開發(fā)技術(shù)，具有以下兩方面的特點： 基于 FPGA 的出租車多功能計費系統(tǒng)設(shè)計 第 7 頁 共 52 頁 修改軟件程序即可改變硬件 由于 FPGA／ CPLD可通過對軟件編程實現(xiàn)對該硬件的結(jié)構(gòu)和工作方式進行重新組構(gòu)，修改軟件程序就改變了硬件，這使得設(shè)計者把思路概念變?yōu)槟繕诵酒碗娐贰?EDA 具有高可靠性正好克服了這一缺點。 利用單片機豐富的 I/O 端口，實現(xiàn)基本的里程計費功能和價格調(diào)節(jié)，時鐘顯示功能。 定時中斷服務(wù)程序 在定時中斷服務(wù)程序中，每 100ms 產(chǎn)生一次中斷，當產(chǎn)生 10次中斷的時候，也就到了一秒，送數(shù)據(jù)到相應(yīng)的顯示緩沖單元，并調(diào)用顯示子程序?qū)崟r顯示。當中途等待結(jié)束的時候，也就自動切換到正常的計價。 FPGA 是英文 Field Programmable Gate Array 的縮寫，譯成中文為現(xiàn)場可編程門陣列，它是在 GAL、 PAL、 EPLD等可編程元器件的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展的產(chǎn)物。 （ 2） FPGA 可做半定制或全定制 ASIC 電路的中試樣片。 可以說， FPGA 芯片是提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。 當加電時， FPGA 把 EPROM 中的數(shù)據(jù)讀入到片內(nèi)的編程 RAM 中，配置完成后，F(xiàn)PGA 進入工作狀態(tài)；當?shù)綦姾螅?FPGA 變成白片，內(nèi)部的邏輯關(guān)系消失，因此，F(xiàn)PGA 可以反復(fù)使用。因此， FPGA 的使用很靈活多變。因此，本設(shè)計確定采用基于 FPGA 的出租車多功能計費器的設(shè)計方案。 首先將車輪傳感器送來的車速信號速度值通過車速比較器進行判斷，如低于10 km/h 則進入計時狀態(tài)（依照計費標準每 6 分鐘計為 1km），否則進入計程狀態(tài)。時鐘模塊給自動計費模塊一個信號來判斷是深夜還是白天，自動計費模塊會按照不同的標準自動調(diào)節(jié)計費。同時統(tǒng)計模塊自動執(zhí)行并保存此次記錄。據(jù)調(diào)查和統(tǒng)計，現(xiàn)在出租車輪胎直徑大致以下有五種，直徑分別為 500 mm、 520mm、 540mm、 560mm 和580mm。如圖 32 所示： PW—— 密碼設(shè)定，當密碼輸入 基于 FPGA 的出租車多功能計費系統(tǒng)設(shè)計 第 14 頁 共 52 頁 正確后即 PW=1 時進行輪胎直徑的設(shè)置； AN—— 為設(shè)置輪胎直徑的按鍵，每按一下就可設(shè)定一種直徑； SET—— 把設(shè)定的輪胎直徑大小數(shù)值送到計程模塊； CS、 CG—— 分別送到顯示部分。 圖 33 車速比較模塊 計時模 塊 當速度低于 10km/h 時進入計時模塊。出租車每行駛 1km 輸出端 CC就發(fā)出一個上升沿信號給計程計時選通模塊；輸入端 D為車輪大小的設(shè)定值，根據(jù)車輪直徑的大小，每轉(zhuǎn)一圈行進的路程也不一樣，因此每公里計的 CLK 次數(shù)也會不同，車輪越大計的 CLK 數(shù)越少 CLR 是清零端，每次計費結(jié)束后都會自動清零，以此保證下次計費的準確性。 S—— 選通端； SHI—— 計時 基于 FPGA 的出租車多功能計費系統(tǒng)設(shè)計 第 16 頁 共 52 頁 模塊信號； CHEN—— 計程模塊信號； Y—— 輸 出端。計程計時顯示輸出模塊設(shè)計如圖 37所示。 圖 38 譯碼顯示模塊 計費標準設(shè)定系統(tǒng) 為了滿足計價標準的靈活性，計費標準設(shè)定系統(tǒng)包括了：車輪大小的設(shè)定，密碼保護設(shè)定，低速時的時間設(shè)定，白天起步價設(shè)定、每千米的價格設(shè)定、超出10km 后的加收設(shè)定，以及深夜時對應(yīng)的設(shè)定，共 9 項參數(shù)的設(shè) 定，可以說來是很全面和靈活的。 基于 FPGA 的出租車多功能計費系統(tǒng)設(shè)計 第 18 頁 共 52 頁 圖 39 計費模塊 密碼設(shè)定模塊 為了防止隨意改動計費標準的參數(shù)設(shè)定，設(shè)置了一個密碼保護模塊。模塊如圖311 所示。 基于 FPGA 的出租車多功能計費系統(tǒng)設(shè)計 第 20 頁 共 52 頁 表 33 sel 設(shè)定表 按鍵選通模塊如 312所示： 圖 312 按鍵選通模塊 基于 FPGA 的出租車多功能計費系統(tǒng)設(shè)計 第 21 頁 共 52 頁 按鍵自動加速模塊 按鍵自動加速模塊通過自動加速模塊可以讓加減一開始變化得慢，過了長按5秒后自動變快，不僅可快速的調(diào)到某個數(shù)值，而且還能精確的定位到某個數(shù)值。 圖 314 白天起步費設(shè)定模塊 白天每公里費用設(shè)定模塊 如圖 315所示， UP、 DOWN—— 加減鍵； CLK—— 加減的快慢頻率； DS —— 每千米價格的輸出端，給自動計費模塊，它的初始值設(shè)為 /km。 圖 317 深夜起步費用設(shè)定模塊 基于 FPGA 的出租車多功能計費系統(tǒng)設(shè)計 第 23 頁 共 52 頁 深夜每公里費用設(shè)定模塊 如圖 318所示。 圖 319 深夜過 10 公里后加收費設(shè)定模塊 1計時時間設(shè)定模塊 根據(jù)標準當出租車車速低于 10km/h時，計時間，計費標準是每 6分鐘計為1km。如圖 321所示。 基于 FPGA 的出租車多功能計費系統(tǒng)設(shè)計 第 25 頁 共 52 頁 圖 322 自動計費模塊 過路費或空調(diào)費模塊 目前的計費標準中都有過路費或空調(diào)費這些費用，看實際情況支付，通過按鍵掃描模塊，來給這些費用增加或是減少，每次步進 1元，可達到最大值 99元。 圖 323 過路費或電調(diào)費模塊自動計費模塊 總額計算模塊 如圖 324所示。 TR—— 輸出乘客數(shù)； TF—— 輸出營運額總數(shù)； ZF —— 總費用的輸入端； STOP—— 累計信號，當 STOP 端接到停止計費的信號后就自動累計一次乘客總數(shù)和營運額總數(shù)，輸出給顯示模塊； CLR—— 清零端。 基于 FPGA 的出租車多功能計費系統(tǒng)設(shè)計 第 27 頁 共 52 頁 圖 326 分頻模塊 晶振時 鐘電路 本設(shè)計采用的是 4MHz有源晶振，如圖 327所示，通過 74LS393雙四位二進制計數(shù)器給 4MHz晶振進行分頻和整形。分鐘在按下鍵后 sel端選擇 IN1進入調(diào)節(jié)；否則， IN2進入，每 60秒一個高 電平給分鐘模塊。在圖328中， SECOND為秒模塊，每 60秒給一個高電平到分鐘選擇模塊；前一個 MUX21為分鐘調(diào)節(jié)端，若 sel為高電平，則進行分鐘的設(shè)置，若 sel為低電平，則進行分鐘自動進行計數(shù)； MINTUE為分鐘模塊， QH， QL為分鐘輸出端送 LED中顯示，每 60 基于 FPGA 的出租車多功能計費系統(tǒng)設(shè)計 第 28 頁 共 52 頁 分鐘給一個高電平到小時選擇模塊；后一個 MUX21為小時調(diào)節(jié)端，若 sel為高電平，則進行 小時的設(shè)置，若 sel為低電平，則進行小時自動進行計數(shù)； HOUR為小時模塊， QH， QL為小時輸出端送 LED中顯示。 基于 FPGA 的出租車多功能計費系統(tǒng)設(shè)計 第 29 頁 共 52 頁 圖 330 分鐘模塊 小時模塊 小時模塊與分鐘模塊的設(shè)置相類似，也由兩部份組成，一是小時設(shè)置調(diào)節(jié)模塊 MUX21，一個是自動計數(shù)的模塊 HOUR。使用開關(guān)電源的好處就是比較節(jié)省能源，它的轉(zhuǎn)換效率很高，可 達 85%以上，穩(wěn)壓