出租車計(jì)價(jià)器的FPGA設(shè)計(jì)

O 引 言
    FPGA(Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)是一種高密度可編程邏輯器件，它支持系統(tǒng)可編程，通過(guò)寫入不同的配置數(shù)據(jù)就可以實(shí)現(xiàn)不同的邏輯功能。使用FPGA來(lái)設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)，具有設(shè)計(jì)周期短、易于修改等明顯特點(diǎn)，特別適合于進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)、樣機(jī)研制和電子產(chǎn)品的小批量生產(chǎn)。
    本文針對(duì)FPGA器件，用EDA工具軟件Max+P1usⅡ，設(shè)計(jì)了一種出租車的計(jì)價(jià)器，它可以以十進(jìn)制數(shù)的形式，直觀地顯示出租車行駛的里程和乘客應(yīng)付的費(fèi)用，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求
    所要設(shè)計(jì)的出租車計(jì)價(jià)器，要求能夠顯示里程數(shù)和乘客應(yīng)付的費(fèi)用，其中里程數(shù)精確到0．1km，乘客應(yīng)付的費(fèi)用精確到O．1元，顯示必須以十進(jìn)制的形式來(lái)進(jìn)行。出租車的計(jì)費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)為：起步價(jià)6元，里程在3 km以內(nèi)均為起步價(jià)；里程在3～7 km之間時(shí)，每行駛1 km增加1．6元；超過(guò)7 km時(shí)，每行駛1 km增加2．4元。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
    該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以采用分立元件來(lái)搭建，也可以通過(guò)單片機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)，而使用可編程FPGA來(lái)設(shè)計(jì)，具有設(shè)計(jì)周期短、易于修改等明顯特點(diǎn)，而且隨著可編程邏輯器件和EDA軟件的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的電子系統(tǒng)采用FPGA來(lái)設(shè)計(jì)，一旦該系統(tǒng)達(dá)到一定的量產(chǎn)規(guī)模，也比較容易轉(zhuǎn)化為ASIC芯片設(shè)計(jì)。因此，基于FPGA來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)出租車的計(jì)價(jià)器。本系統(tǒng)在EDA工具軟件MAX+plusⅡ中，采用硬件描述語(yǔ)言Verilog HDL和原理圖設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法，進(jìn)行各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)，最終將各個(gè)模塊組成整個(gè)系統(tǒng)。
    出租車能夠顯示行駛的里程，可以通過(guò)車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生脈沖，然后通過(guò)計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。假設(shè)出租車每行駛2 m就產(chǎn)生一個(gè)脈沖。由于里程數(shù)要精確到O．1 km，也就是100m，因此每經(jīng)過(guò)50個(gè)脈沖就要輸出一個(gè)新的脈沖信號(hào)，這里稱為100 m脈沖信號(hào)，作為里程計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)，可以通過(guò)一個(gè)模為50的計(jì)數(shù)器進(jìn)行分頻而得到。
    里程計(jì)數(shù)器可以用一個(gè)三位BCD碼計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，最大能顯示到999。以前兩位為整數(shù)，第三位為小數(shù)，也就是最大能顯示里程99．9 km，因?yàn)槌鲎廛嚩荚谑袇^(qū)和近郊活動(dòng)，三位BCD碼計(jì)數(shù)器是可以實(shí)現(xiàn)里程計(jì)數(shù)的。里程計(jì)數(shù)器每計(jì)數(shù)1 km還會(huì)周期性地輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，稱為1 km脈沖信號(hào)，可以通過(guò)一定的組合電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。
    系統(tǒng)最核心的部分就是計(jì)費(fèi)如何實(shí)現(xiàn)。這里就需要設(shè)計(jì)一個(gè)BCD碼的加法器，在起步價(jià)的基礎(chǔ)上，根據(jù)行駛里程的不同，依據(jù)計(jì)費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，每增加1 km加上一個(gè)單價(jià)，單價(jià)的產(chǎn)生可以用Verilog HDL編寫程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2．1 單價(jià)產(chǎn)生模塊
    單價(jià)產(chǎn)生模塊的Verilog HDL源程序如下：

   
    其中輸入信號(hào)bai和shi就是里程計(jì)數(shù)器輸出的兩位整數(shù)里程，輸出信號(hào)jia就是根據(jù)計(jì)費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)而產(chǎn)生的單價(jià)，以三位BCD碼的形式輸出，以前兩位為整數(shù)，第三位為小數(shù)。即里程在3 km以內(nèi)時(shí)，jia=0；里程在3～7 km之間時(shí)，jia=016(1．6元)；超過(guò)7 km時(shí)，jia=024(2．4元)。
    用Verilog HDL編寫程序來(lái)實(shí)現(xiàn)模塊功能的優(yōu)點(diǎn)在于，當(dāng)出租車的計(jì)費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生變化時(shí)，可以很容易地通過(guò)改寫程序來(lái)完成新的設(shè)計(jì)，比起硬件電路的修改要方便得多，這也是用Verilog HDL來(lái)實(shí)現(xiàn)模塊功能的重要優(yōu)勢(shì)。
2．2 三位BCD碼加法器
    系統(tǒng)中用到了三位BCD碼加法器，可以實(shí)現(xiàn)三位十進(jìn)制數(shù)的加法運(yùn)算。加法器輸出的結(jié)果就是乘客應(yīng)付的費(fèi)用，這里同樣以前兩位為整數(shù)，第三位為小數(shù)，也就是最大能顯示99．9元。三位BCD碼加法器由三個(gè)一位BCD碼加法器級(jí)聯(lián)而成。
    一位BCD碼由四位二進(jìn)制數(shù)組成，四位二進(jìn)制數(shù)的加法運(yùn)算會(huì)產(chǎn)生大于9的數(shù)字，必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整才會(huì)產(chǎn)生正確的結(jié)果。一位BCD碼加法器的Verilog HDL源程序如下：

   
    一位BCD碼加法器模塊的仿真波形和生成的模塊符號(hào)如圖2和圖3所示。

    本模塊中A和B為輸入的一位BCD碼，CIN為低位來(lái)的進(jìn)位信號(hào)，CO是本片向高位產(chǎn)生的進(jìn)位輸出信號(hào)，SUM是兩個(gè)數(shù)相加的和。三位BCD碼加法器由三個(gè)本模塊級(jí)聯(lián)而成，其電路原理圖和仿真波形如圖4和圖5所示。

2．3 緩沖器模塊
    三位BCD碼加法器輸出的結(jié)果通過(guò)緩沖器以后，反饋到輸入端重新作為一個(gè)加數(shù)，在1km脈沖信號(hào)的作用下，每來(lái)一個(gè)脈沖就和單價(jià)相加，形成連續(xù)累加的功能。緩沖器還有一個(gè)控制輸入端LD，LD=O時(shí)，在1km脈沖的作用下，輸出起步價(jià)6元；LD=1時(shí)，在1km脈沖的作用下，輸出和輸入相等。緩沖器的Verilog HDL源程序如下：

   
2．4 整體電路
    將各個(gè)模塊按照輸入輸出關(guān)系連接成整體電路如圖6所示。

    在整體電路中，clk為最原始的時(shí)鐘輸入端，cr為異步清零端，q[11．．O]輸出里程，jiaqian[11．．O]輸出乘客應(yīng)付的費(fèi)用。

3 系統(tǒng)仿真驗(yàn)證
    整體電路的仿真波形如圖7所示。

    從系統(tǒng)仿真波形圖7(a)中可以看出，當(dāng)清零端cr=O時(shí)，里程數(shù)立刻清零，乘客應(yīng)付的費(fèi)用顯示三位十進(jìn)制數(shù)060(起步價(jià)6元)，表示乘客剛上車。當(dāng)清零端cr=1時(shí)，出租車開始行進(jìn)，里程和費(fèi)用都開始計(jì)數(shù)，里程顯示三位十進(jìn)制數(shù)，前兩位為整數(shù)，第三位為小數(shù)，也就是每行駛100 m計(jì)一次數(shù)。
    從系統(tǒng)仿真波形圖7(b)中可以看出，行駛到3 km時(shí)，費(fèi)用由6元增加為7．6元，行駛到4 km時(shí)，費(fèi)用由7．6元增加為9．2元，在3～7 km之間時(shí)，每行駛1 km增加1．6元。
    系統(tǒng)仿真波形圖7(c)中顯示了每行駛1 km后，費(fèi)用逐漸累加的情況。系統(tǒng)仿真波形完全驗(yàn)證了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。

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)器能夠正常地顯示行駛的里程數(shù)和乘客應(yīng)付的費(fèi)用，符合預(yù)定的計(jì)費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)和功能要求。基于FPGA的設(shè)計(jì)，集成度高、設(shè)計(jì)周期短。尤其是當(dāng)計(jì)費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生變化時(shí)，容易通過(guò)改寫Verilog HDL源程序來(lái)完成新的設(shè)計(jì)。