基于FPGA的出租車計費系統(tǒng)設(shè)計

摘要：出租車計費系統(tǒng)大多利用單片機進行控制，較易被改裝，且故障率較高。針對這一問題，設(shè)計了一種基于FPGA的出租車計費系統(tǒng)，可模擬汽車行駛、暫停等待，停止等過程，并可同時顯示金額、乘車總路程。設(shè)計采用層次化設(shè)計方法，用VHDL語言進行編程，開發(fā)軟件為MAX+plusⅡ。經(jīng)測試，波形與仿真結(jié)果都滿足設(shè)計要求。
關(guān)鍵詞：出租車計費系統(tǒng)；VHDL語言；MAX+PLUSⅡ；FPGA

0 引言
    隨著城市化水平的提高和人民生活水平的改善，出租車的服務(wù)顯得越來越重要。因此出租車計費器也就應(yīng)運而生了。出租車計費器是一種專用的計量儀器，它安裝在出租車上，指示出載客路程數(shù)，以及乘客應(yīng)付費用的總數(shù)。
    出租車計價系統(tǒng)較多的是利用單片機進行控制，但較易被私自改裝，且故障率相對較高，且不易升級；而FPGA具有高密度、可編程及有強大的軟件支持等特點，所以設(shè)計的產(chǎn)品具有功能強、可靠性高、易于修改等特點。
    本文正是基于FPGA，設(shè)計了一種出租車的計費系統(tǒng)，它可以直觀地顯示出租車行駛的里程和乘客應(yīng)付的費用。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計
    所設(shè)計的計價器的計費標(biāo)準(zhǔn)為：車在行駛3 km以內(nèi)，只收起步價9．0元；車行駛超過3 km后，按每公里2元計費。行駛路程達到或超過9 km后，車費按每公里3．0元開始計費。車遇紅燈或中途暫停時，每3分鐘計0．5元。若停止(rst)則車費清零，等待下一次計費的開始。要求能夠顯示里程數(shù)和乘客應(yīng)付的費用，其中里程數(shù)精確到0．01 km，乘客應(yīng)付的費用精確到0．1元，顯示范圍為：里程為0～99．99公里，費用為0～999.9元。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案
    基于FPGA的出租車計費系統(tǒng)的組成如圖1所示。由外部輸入、FPGA控制部分以及數(shù)碼顯示三部分組成。其中FPGA部分又由分頻模塊、計價模塊、BCD轉(zhuǎn)換模塊以及動態(tài)譯碼掃描模塊組成；外部輸入包括啟動按鍵(start)、暫停按鍵(pause)、停止按鍵(stop即rst)以及兩個脈沖信號(分別是每20 m一個脈沖的路程脈沖信號pulse和32 MHz的工作脈沖信號clk32M)。顯示模塊用8個LED數(shù)碼管分別顯示行駛里程和車費，行駛里程顯示2位整數(shù)和2位小數(shù)，車費顯示3位整數(shù)和1位小數(shù)。

3 各模塊設(shè)計
    設(shè)計FPGA控制部分，包括控制計價模塊，BCD轉(zhuǎn)換模塊，動態(tài)掃描譯碼模塊以及分頻模塊。采用混合設(shè)計的方法，各子部分用VHDL編程，頂層部分用原理圖進行設(shè)計。
3．1 控制計價模塊(jijia)
    控制計價模塊由里程計費模塊、等待計費模塊、總價模塊組成。
    里程計費模塊，主要對傳感器公里脈沖信號pulse計數(shù)(20m一個脈沖)，計算出租車本次交易行駛的路程以及里程費用。每數(shù)到50個pulse為1 km，總路程由lucheng端輸出。在3 km內(nèi)時，里程車費cf1為9元不變，當(dāng)超過3 km時，p=1，開始里程費用計數(shù)，當(dāng)計費停止，即start端口置“0”或出租車停止行駛，即rst端口置“0”時，相關(guān)數(shù)據(jù)復(fù)位，清零。
    等待計費模塊，在3 km之后(p=1)，每當(dāng)pause=1時，則開始計時，當(dāng)秒脈沖數(shù)到180個時(即3分鐘)，此時等待車費cf2加5，表示車費加0．5元。
    總價模塊是將里程計費和等待計費相加，計算出總費用，從chefei端輸出。
3．2 BCD轉(zhuǎn)換模塊(zhuanhuan)
    該模塊將計費模塊的車費和路程轉(zhuǎn)換成4位十進制數(shù)，便于數(shù)碼管顯示。輸入口acf，bcf分別為總路程數(shù)的輸入口和總費用的輸入口，兩者都是二進制碼進行十進制編碼計數(shù)，通過該編碼器生成BCD碼，輸出口分別以BCD碼表示個，十，百，千位的數(shù)據(jù)。Aclk是工作脈沖，即32MHz。
3．3 動態(tài)掃描模塊(dtxianshi)
    該模塊由動態(tài)掃描模塊以及譯碼模塊組成。動態(tài)掃描模塊，該模塊利用視覺暫留效應(yīng)，采用動態(tài)掃描電路，將8進制轉(zhuǎn)換后的路程數(shù)和車費的4位十進制數(shù)顯示在數(shù)碼管上，節(jié)約了硬件資源和能源。該模塊經(jīng)過8進制掃描模塊將路程和車費輪流顯示出來。端口d是選通地址碼的輸入端口，A1，A2，A3，A4，B1，B2，B3，B4分別是個，十，百，千位的數(shù)值輸入端口。根據(jù)輸入的地址碼，模塊每次只有一位數(shù)字向后傳輸?shù)捷敵隹趒，同時輸出小數(shù)點的顯示控制信號(dp)，使路程顯示為00．00公里，費用顯示為000．0元。
    譯碼模塊，該模塊把0-9的BCD碼譯成數(shù)碼管顯示碼，輸入端口q輸入掃描模塊選出要顯示的BCD碼，譯成數(shù)碼管的顯示碼由g[6．．0]輸出。本設(shè)計中數(shù)碼管是共陰數(shù)碼管。
3．4 分頻模塊(fenp)
    本設(shè)計中輸入的系統(tǒng)時鐘為32 MHz，進行分頻，再對數(shù)碼管的地址進行掃描。輸入端口rse為出租車停運信號輸入端口，當(dāng)出租車停止時，該模塊停止工作，清零。當(dāng)出租車行駛時對輸入的32 MHz脈沖信號進行分頻，分別從輸出端口cp1得到秒脈沖，cp32得到32 Hz工作脈沖。
3．5 整體電路
    將各個模塊按照輸入輸出關(guān)系連接，頂層電路原理圖如圖2所示。g[6…0]為七段顯示碼輸出，通過動態(tài)掃描依次控制8個數(shù)碼管的顯示，dp為小數(shù)點位。

4 系統(tǒng)仿真驗證
    用MAX+plusⅡ軟件對各個子模塊及頂層原理圖進行了時序仿真，仿真波形如圖3所示。

    控制計價模塊仿真圖如圖3所示。由圖3(a)可得，當(dāng)reset=1，start=1，且pause=0時，表示出租車處于行駛狀態(tài)，此時路程開始遞增，當(dāng)不超過3 km時，車費為5A即90，起步價9．0元。由圖3(b)可得，當(dāng)超過3 km后，車費每行駛1 km加20(即2元)。由圖3(c)可得，當(dāng)reset= 1，start=1，且pause=1時，出租車處于等待狀態(tài)，此時路程不再遞增，而時間遞增，當(dāng)時間達到3分鐘時，車費加5(即0．5元)。
    頂層電路的仿真圖如圖4所示。從圖中可以看出，隨著輸入的變化，從g[6…0]輸出了共陰的數(shù)碼管顯示編碼，dp也在對應(yīng)的數(shù)碼管處，輸出高電平點亮小數(shù)點。
    綜上分析，本設(shè)計的軟件仿真結(jié)果正確，與設(shè)計要求相符。