基于fpga的出租车计费器-毕业设计

基于fpga的出租车计费器-毕业设计内容摘要：

图 33 速度模块框图 计程模块 此模块主要用于记录行进的距离，其模块框图如图 34 所示。 通过对 clkout 信号的计数，可以计算行驶的距离 kmcount。 一个 clkout 脉冲相当于行进 100m 所以只要记录clkout 的脉冲数目即可确定 共行进的距离。 Kmcount1 为十分位， kmcount2 为个位，kmcount3 为十位，分别为十进制数。 图 34 计程模块框图 ） 10 计时模块 速度模块主要用于计时收费，记录计程车速度为 0 的时间（如等待红灯），其模块框图如图 35所示。 通过对 sp信号的判断，当 sp=0，开始记录时间。 当时间达到足够长时，产生 timecount 脉冲，并重新计时。 图 35 计时模块框图 计费模块 计费模块如图 36所示，可分为 kmmoney1 和 kmmoney2 两个进程。 Kmmoney1 用于产生 enable 和 price 信号。 当记录距离达到 3km 后， enable 信号为1，开始进行每公里收费。 当总费用大于 40 元后，单价 price 由原来的 2元变成 4元，用作计时收费。 通过对 sp信号的判断，当 sp=0，开始记录时间。 当时间达到足够长时，产生 timecount 脉冲，并重新计时。 Kmmoney2 用于判断 timecount 和 clkout 的值，当其为 1 时，总费用加 1。 最终输出为总费用。 图 36 计费模块框图 ） 11 第四章 整体电路设计 整体电路图 整体 RTL电路如图 41。 硬件电路由 CycloneⅡ电路板组成， clk 为时钟周期信号，由试验箱产生， start/stop 是启动停止按键电路， reset 为自动清零电路。 电源又 ADDC开关电源供电。 图 41 整体 RTL 门电路 电源电路 电源采用了是比较流行的开关电源， ADDC 开关电源，输入 115VAC 到 230VAC，输出 +5V(4A)。 使用开关电源的好处就是比较节省能源，它的转换效率很高，可达 85%以上，稳压范围宽，除此之外，还具有稳压精度高、不使用电源变压器等特点。 启动 /停止按键电路 如图 42所示，采用双刀双 路开关，一路开关用于清零部分，由于显示部分特殊要求，即计费停止后屏幕上荏苒要保持计费的所有信息，只有当下次计费启动时才清零从新开始计费。 另外两路开关，其中一路用于启动指示和启动 /停止输出信号给 FPGA 芯片） 12 的 I/O 口。 当按下键后，清零部分和启动计费部分同时进行，但清零只是瞬间的，计费指示灯两起。 再次按下键后，开关换到另外的两路，空车指示灯亮起。 图 42 启动 /停止按键电路 自动清零部分 由于显示部分的特殊要求，即计费停止后屏幕上仍然要保持计费的所有信息，只有当下次计费启动时才清零从新开始计费。 VHDL 语言的特殊性，不能在一个结构中用两个不同的动作使其赋值。 所以必须要有一个瞬间清零的信号，当 FPGA 的清零 I/O 端口为“ 1”时就自动清零。 使用电容的充放电功能来实现，按键断开时清零输出端为接地，按键闭合时电容充电清零端为高电平，充完电后清零端输出又为低电平，当按键断开后，通过一个 2k欧姆的电阻放电，为下次充电做好准备。 如图 43所示。 图 43 自动清零电路 ） 13 第五章 系统仿真与下载实现 QuartusⅡ软件介绍 软件特点 QuartusⅡ是 Altera 公司自行设计的 一个完全集成化、易学易用的可编程逻辑设计环境，它提供了完全集成且与电路结构无关的开发包环境，具有数字逻辑设计的全部特性，包括： 1． 可利用原理图、结构框图、 VerilogHDL、 AHDL 和 VHDL 完成电路描述，并将其保存为设计实体文件； 2． 芯片 (电路 )平面布局连线编辑； 3． LogicLock 增量设计方法，用户可建立并优化系统，然后添加对原始系统的性能影响较小或无影响的后续模块； 4． 功能强大的逻辑综合工具； 5． 完备的电路功能仿真与时序逻辑仿真工具； 6． 定时 /时序分析与关键路径延时分析； 7． 可使用 SignalTapⅡ逻辑分析工 具进行嵌入式的逻辑分析； 8． 支持软件源文件的添加和创建，并将它们连接起来生成编程文件； 9． 使用组合编译方法可一次完成整体设计流程； 10． 自动定位编译错误； 11． 高效的期间编程与验证工具； 12． 可读入标准的 EDIF 网表文件、 VHDL 网表文件、和 Verilog 网表文件； 13． 能生成第三方 EDA软件使用的 VHDL 网表文件和 Verilog 网表文件； ） 14 QuartusⅡ设计流程： 1． 设计输入：完成器件的硬件描述，包括文本编辑器、块与符号编辑器、 MegaWizard插件管理器、约束编辑器和布局编辑器等工具； 2． 综合：包 括分析和综合器、辅助工具和 RTL 查看器等工具； 3． 不惧连线：将设计综合后的网表文件映射到实体器件的过程，包括 Fitter 工具、约束编辑器、布局图编辑器、芯片编辑器和增量布局连线工具； 4． 时序分析； 仿真结果 整体仿真 对电路整体进行仿真，得出如下仿真波形图 51。 图中，当复位信号 reset 为高电平时，系统所有寄存器、计数器都清零；当开始计费信号 start 信号有效时，计费器开始计费，根据出租车行驶的速度 sp[2..0]的取值计算所用花费和行驶里程；当停止计费信号有效时，计费器停止工作。 图 51 出租车计费器仿真波形图 ） 15 速度模块仿真 速度模块的仿真波形图如图 52所示。 该模块根据出租车所处的运行状态和不同的形式速度，对相应数目的时钟周期进行计数，车每行驶 100m 时输出信号 clkout 输出高电平。 图 52 速度模块仿真波形图 计程模块仿真 计程模块的仿真波形如图 53 所示。 图中，当 reset 信号有效时，系统复位清零；否则，对输入信号 clkout 进行十进制计数。 图 53 计程模块仿真波形图 ） 16 计时模 块仿真 计时模块的仿真波形图如图 54所示。 预设 1000 个时钟周期为 20s，对时钟周期进行计数，每计 1000 个时钟周期输出高电平，指示计时 20 秒。 图 54 计时模块仿真波形图 计费模块仿真 计费模块的仿真波形图如图 55所示。 当 reset 信号有效时，系统复位清零；否则，当计时计费信号 timecount 和计程计费信号 clkout 为高电平时，按照一定计费规则进行计费。 图 55 计费模块仿真功能图 综上所述，本设计的出租车计费器完全符合系统设计的要求，实现了出 租车计费器所需的各项基本功能。 ） 17 设计测试 利用 QuartusⅡ 对所设计出租车计费器的 VHDL 代码进行了仿真，并在 CycloneⅡ型可编程数字实现系统上实现了该控制。 该数字实现系统分成两部分，一是 FPGA 的下载板，它主要包括所使用的芯片、 RS232 接头、接脚转换插槽等；另一部分是 I/O实验板，它主要包括显示、脉冲输出等。 出租车计费器的各部分利用数字实验系统所附的 RS232 连接线将计算机中的 VHDL 代码设计的内容烧录到该实验系统的EPC2C35F672C8 芯片中进行测试，测试结果基本实现了 总费 用 =起费用 +(里程 3km)里程单价 +等待时间等待单价的出租车计费模式。 ） 18 第六章 总结及展望 本文论述了基于 FPGA 的出租车计费器设计，分别介绍了整个系统和各个模块的设计，使用 FPGA 芯片、 VHDL 硬件描述语言作为设计手段，利用自顶向下的模块化设计思路，通过在 QuartusⅡ软件下进行的模拟仿真，并进行相应的硬件下载调试，证明所设计的系统完成了出租车计费器的功能，各项技术指标符合预定标准，具有一定实用性。 由于本人在经验水平上的欠缺，设计中可能存在很多不足，请各位 老师予以指证。 近年来， FPGA 在通信、控制、数据计算等领域得到了广泛的应用，利用 FPGA 来设计电子产品可减少电子系统的开发风险和开发成本；缩短了上市时间；通过在系统编程、远程在线重构等技术降低维护升级成本。 并且， FPGA 器件的成本越来越低， Actel 公司发布第三代的基于 Flash 的可编程逻辑方案，这些新的 FPGA 芯片最低价将达到 美元，代表全球最低成本的 FPGA。 这些都说明可编程器件已成为现在及未来很长一段时间的主流，用它来实现的出租车计费器省去很多外围电路，稳定，简单有效，将来必然可以设计出更多更 强大的功能，提高产品竞争力。 未来基于 FPGA 平台的出租车计费器将会有更低的成本、更小的体积、更安全、更精确和更多功能。 致谢 本次设计从选题到最后完成，都得到了指导老师付敏老师的悉心指导。 付老师渊博的知识、严谨的治学态度和诲人不倦的精神永远是我学习的榜样。 同时，感谢论文指导组的刘海力老师和郭仟老师对选题的分析。 在系统设计过程中，我也遇到了较多的困难，我十分感谢我的朋友和老师给与我的帮助和支持，使我能顺利完成本系统的设计与实现。 ） 19 主要参考文献 [1] 刘韬，楼兴华 . 《 FPGA数字电子系统设计 与开发实例导航》 [M]. 北京 :人民邮电出版社， ， 27～ 36. [2] 王辉，殷颖，陈婷，俞一鸣 . MAX+plusⅡ和 QuartusⅡ应用于开发技巧 [M]. 北京。