【文章內容簡介】 客等人或紅燈時，出租車采用計時收費的方式。通過對速度信號 sp的判斷決定是否開始記錄時間。當 sp=0 時，開始記錄時間。當時間達到足夠長時產(chǎn)生 timecount 脈沖，并重新計時。一個 timecount 脈沖相當于等待的時間達到了時間計費的長度。 計費模塊：由兩個進程組成。其中，一個進程根據(jù)條件對 enable 和 price 賦值，當記錄的距離達到 3 公里后 enable 變?yōu)?1，開始進行每公里收費，當總費用大于 20 元后，則單價 price 由原來的 元每公里變成 元每公里；第 二個進程在每個時鐘周期判斷 timeout 和 clkout 的值。當其為 1時，則在總費用上加上相應的費用。 出租車計費器主要模塊設計 速度模塊 速度模塊首先根據(jù) start 信號判斷是否開始計費，然后根據(jù)輸入的速度檔位 sp 的判斷，確定行駛 100m 所需要的時鐘數(shù)，每前進 100m，輸出一個 clkout 信號。同時由t 對 clk 進行計數(shù)，當 t 等于 kinside 時，把 clkout 信號置 1， t 清 0。 VHDL 語言程序見附錄，模塊原件符號如下。 圖 32 速度模塊框圖 計程模塊 此 模塊主要用于記錄行進的距離，其模塊框圖如圖 33 所示。通過對 clkout 信號的計數(shù)，可以計算行駛的距離 kmcount。一個 clkout 脈沖相當于行進 100m 所以只要記 5 錄 clkout 的脈沖數(shù)目即可確定共行進的距離。 Kmcount1 為十分位， kmcount2 為個位，kmcount3 為十位，分別為十進制數(shù)。 圖 33 計程模塊框圖 計時模塊 速度模塊主要用于計時收費，記錄計程車速度為 0的時間（如等待紅燈），其模塊框圖如圖 34所示。通過對 sp 信號的判斷，當 sp=0，開始記錄時 間。當時間達到足夠長時，產(chǎn)生 timecount 脈沖，并重新計時。 圖 34 計時模塊框圖 計費模塊 計費模塊如圖 36所示，可分為 kmmoney1 和 kmmoney2 兩個進程。 Kmmoney1 用于產(chǎn)生 enable 和 price 信號。當記錄距離達到 3km 后， enable 信號為1，開始進行每公里收費。當總費用大于 40 元后，單價 price 由原來的 2元變成 4 元， 6 用作計時收費。通過對 sp 信號的判斷，當 sp=0，開始記錄時間。當時間達到足 夠長時，產(chǎn)生 timecount 脈沖，并重新計時。 Kmmoney2 用于判斷 timecount 和 clkout 的值，當其為 1 時，總費用加 1。最終輸出為總費用。 圖 35 計費模塊框圖 整體電路圖 整體電路如圖 41。硬件電路由 CycloneⅡ電路板組成， clk 為時鐘周期信號，由試驗箱產(chǎn)生， start/stop 是啟動停止按鍵電路， reset 為自動清零電路。電源又 ADDC開關電源供電。 圖 41 整體門電路 電源電路 電源采用了 ADDC 開關電源，輸入 115VAC 到 230VAC，輸出 +5V(4A)。使用開關電源的好處就是比較節(jié)省能源，它的轉換效率很高，可達 85%以上，穩(wěn)壓范圍寬，除此之外，還具有穩(wěn)壓精度高、不使用電源變壓器等特點。 啟動 /停止按鍵電路 7 如圖 42 所示，采用雙刀雙路開關，一路開關用于清零部分，由于顯示部分特殊要求，即計費停止后屏幕上仍然要保持計費的所有信息，只有當下次計費啟動時才清零從新開始計費。另外兩路開關，其中一路用于啟動指示和啟動 /停止輸出信號給 CPLD 芯片的 I/O 口。當按下鍵后，清零部分和啟動計費部分同時進行，但清零只是瞬間的，計 費指示燈兩起。再次按下鍵后，開關換到另外的兩路，空車指示燈亮起。 圖 42 啟動 /停止按鍵電路 自動清零部分 由于顯示部分的特殊要求，即計費停止后屏幕上仍然要保持計費的所有信息，只有當下次計費啟動時才清零從新開始計費。 VHDL 語言的特殊性，不能在一個結構中用兩個不同的動作使其賦值。所以必須要有一個瞬間清零的信號，當 CPLD 的清零 I/O 端口為“ 1”時就自動清零。使用電容的充放電功能來實現(xiàn)，按鍵斷開時清零輸出端為接地，按鍵閉合時電容充電清零端為高電平，充完電后清零端輸出又為低電平，當按鍵斷開后，通過 一個 2k 歐姆的電阻放電，為下次充電做好準備。如圖 43 所示。 圖 43 自動清零電路 8 QuartusⅡ軟件介紹 QuartusⅡ是 Altera 公司自行設計的一個完全集成化、易學易用的可編程邏輯設計環(huán)境，它提供了完全集成且與電路結構無關的開發(fā)包環(huán)境，具有數(shù)字邏輯設計的全部特性，包括： 可利用原理圖、結構框圖、 VerilogHDL、 AHDL 和 VHDL 完成電路描述，并將其保存為設計實體文件； 芯片 (電路 )平面布局連線編輯； LogicLock 增量設計方法，用戶可建立并優(yōu)化系統(tǒng) ，然后添加對原始系統(tǒng)的性能影響較小或無影響的后續(xù)模塊； 功能強大的邏輯綜合工具； 完備的電路功能仿真與時序邏輯仿真工具； 定時 /時序分析與關鍵路徑延時分析； 可使用 SignalTapⅡ邏輯分析工具進行嵌入式的邏輯分析； 支持軟件源文件的添加和創(chuàng)建，并將它們連接起來生成編程文件； 使用組合編譯方法可一次完成整體設計流程； 自動定位編譯錯誤； 高效的期間編程與驗證工具； 可讀入標準的 EDIF 網(wǎng)表文件、 VHDL 網(wǎng)表文件、和 Verilog 網(wǎng)表文件； 能生成第三方 EDA 軟件使用的 VHDL 網(wǎng)表文件和 Verilog 網(wǎng)表文 件； 仿真結果 整體仿真 對電路整體進行仿真，得出如下仿真波形圖 51。圖中，當復位信號 reset 為高電平時，系統(tǒng)所有寄存器、計數(shù)器都清零；當開始計費信號 start 信號有效時，計費器開始計費，根據(jù)出租車行駛的速度 sp[2..0]的取值計算所用花費和行駛里程；當停止計費信號有效時，計費器停止工作。 9 圖 51 出租車計費器仿真波形圖 速度模塊仿真 速度模塊的仿真波形圖如圖 52 所示。該模塊根據(jù)出租車所處的運行狀態(tài)和不同的形式速度，對相應數(shù)目的時鐘周期進行計數(shù)，車每行駛 100m 時輸出信號 clkout 輸出高電平。 圖 52 速度模塊仿真波形圖 計程模塊仿真 計程模塊的仿真波形如圖 53 所示。圖中，當 reset 信號有效時，系統(tǒng)復位清零；否則，對輸入信號 clkout 進行十進制計數(shù)。 10 圖 53 計程模塊仿真波形圖 計時模塊仿真 計時模塊的仿真波形圖如圖 54 所示。預設 1000 個時鐘周期為 20s，對時鐘周期進行計數(shù)，每計 1000 個時鐘周期輸出高電平，指示計時 20 秒。 圖 54 計時模塊仿真波形圖 計費模塊仿真 計費模塊的仿真波形 圖如圖 55 所示。當 reset 信號有效時，系統(tǒng)復位清零；否則，當計時計費信號 timecount 和計程計費信號 clkout 為高電平時，按照一定計費規(guī)則進行計費。 圖 55 計費模塊仿真功能圖 綜上所述，本設計的出租車計費器完全符合系統(tǒng)設計的要求，實現(xiàn)了出租車計費器所需的各項基本功能。 11 設計測試 利用 QuartusⅡ 對所設計出租車計費器的 VHDL 代碼進行了仿真，并在 CycloneⅡ型可編程數(shù)字實現(xiàn)系統(tǒng)上實現(xiàn)了該控制。該數(shù)字實現(xiàn)系統(tǒng)分成兩部分，一是 FPGA 的下載板，它主要包括所使用的芯片、 RS232 接頭、接腳轉換插槽等；另一部分是 I/O實驗板，它主要包括顯示、脈沖輸出等。出租車計費器的各部分利用數(shù)字實驗系統(tǒng)所附的 RS232 連接線將計算機中的 VHDL 代碼設計的內容燒錄到該實驗系統(tǒng)的EPC2C35F672C8 芯片中進行測試，測試結果基本實現(xiàn)了 總費用 =起費用 +(里程 3km)里程單價 +等待時間等待單價的出租車計費模式。 本文論述了基于 CPLD 的出租車計費器設計，分別介紹了整個系統(tǒng)和各個模塊的設計，使用 CPLD 芯片、 VHDL 硬件描述語言作為設計手段，利用自頂向下的模塊化設計思路，通過在 QuartusⅡ軟件下進行的模擬仿真，并進行相應的硬件下載調試，證明所設計的系統(tǒng)完成了出租車計費器的功能，各項技術指標符合預定標準，具有一定實用性。由于本人在經(jīng)驗水平上的欠缺，設計中可能存在很多不足，請各位老師予以指證！ 近年來， CPLD 在通信、控制、數(shù)據(jù)計算等領域得到了廣泛的應用，利用 CPLD 來設計電子產(chǎn)品可減少電子系統(tǒng)的開發(fā)風險和開發(fā)成本； 縮短了上市時間；通過在系統(tǒng)編程、遠程在線重構等技術降低維護升級成本。并且， CPLD 器件的成本越來越低 ,這些都說明可編程器件已成為現(xiàn)在及未來很長一段時間的主流，用它來實現(xiàn)的出租車計費器省去很多外圍電路，穩(wěn)定，簡單有效，將來必然可以設計出更多更強大的功能，提高產(chǎn)品競爭力。未來基于 CPLD 平臺的出租車計費器將會有更低的成本、更小的體積、更安全、更精確和更多功能。 致謝 本次設計從選題到最后完成，都得到了指導老師邵利敏老師的悉心指導。邵老師淵博的知識、嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度和誨人不倦的精神永遠是我學習