基于FPGA的出租車(chē)計費系統設計

摘要：出租車(chē)計費系統大多利用單片機進(jìn)行控制，較易被改裝，且故障率較高。針對這一問(wèn)題，設計了一種基于FPGA的出租車(chē)計費系統，可模擬汽車(chē)行駛、暫停等待，停止等過(guò)程，并可同時(shí)顯示金額、乘車(chē)總路程。設計采用層次化設計方法，用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行編程，開(kāi)發(fā)軟件為MAX+plusⅡ。經(jīng)測試，波形與仿真結果都滿(mǎn)足設計要求。
關(guān)鍵詞：出租車(chē)計費系統；VHDL語(yǔ)言；MAX+PLUSⅡ；FPGA

0 引言
隨著(zhù)城市化水平的提高和人民生活水平的改善，出租車(chē)的服務(wù)顯得越來(lái)越重要。因此出租車(chē)計費器也就應運而生了。出租車(chē)計費器是一種專(zhuān)用的計量?jì)x器，它安裝在出租車(chē)上，指示出載客路程數，以及乘客應付費用的總數。
出租車(chē)計價(jià)系統較多的是利用單片機進(jìn)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(diǎn)，所以設計的產(chǎn)品具有功能強、可靠性高、易于修改等特點(diǎn)。
本文正是基于FPGA，設計了一種出租車(chē)的計費系統，它可以直觀(guān)地顯示出租車(chē)行駛的里程和乘客應付的費用。

1 系統功能設計
所設計的計價(jià)器的計費標準為：車(chē)在行駛3 km以?xún)?，只收起步價(jià)9．0元；車(chē)行駛超過(guò)3 km后，按每公里2元計費。行駛路程達到或超過(guò)9 km后，車(chē)費按每公里3．0元開(kāi)始計費。車(chē)遇紅燈或中途暫停時(shí)，每3分鐘計0．5元。若停止(rst)則車(chē)費清零，等待下一次計費的開(kāi)始。要求能夠顯示里程數和乘客應付的費用，其中里程數精確到0．01 km，乘客應付的費用精確到0．1元，顯示范圍為：里程為0～99．99公里，費用為0～999.9元。

2 系統設計方案
基于FPGA的出租車(chē)計費系統的組成如圖1所示。由外部輸入、FPGA控制部分以及數碼顯示三部分組成。其中FPGA部分又由分頻模塊、計價(jià)模塊、BCD轉換模塊以及動(dòng)態(tài)譯碼掃描模塊組成；外部輸入包括啟動(dòng)按鍵(start)、暫停按鍵(pause)、停止按鍵(stop即rst)以及兩個(gè)脈沖信號(分別是每20 m一個(gè)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(gè)LED數碼管分別顯示行駛里程和車(chē)費，行駛里程顯示2位整數和2位小數，車(chē)費顯示3位整數和1位小數。

3 各模塊設計
設計FPGA控制部分，包括控制計價(jià)模塊，BCD轉換模塊，動(dòng)態(tài)掃描譯碼模塊以及分頻模塊。采用混合設計的方法，各子部分用VHDL編程，頂層部分用原理圖進(jìn)行設計。
3．1 控制計價(jià)模塊(jijia)
控制計價(jià)模塊由里程計費模塊、等待計費模塊、總價(jià)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(20m一個(gè)脈沖)，計算出租車(chē)本次交易行駛的路程以及里程費用。每數到50個(gè)pulse為1 km，總路程由lucheng端輸出。在3 km內時(shí)，里程車(chē)費cf1為9元不變，當超過(guò)3 km時(shí)，p=1，開(kāi)始里程費用計數，當計費停止，即start端口置“0”或出租車(chē)停止行駛，即rst端口置“0”時(shí)，相關(guān)數據復位，清零。
等待計費模塊，在3 km之后(p=1)，每當pause=1時(shí)，則開(kāi)始計時(shí)，當秒脈沖數到180個(gè)時(shí)(即3分鐘)，此時(shí)等待車(chē)費cf2加5，表示車(chē)費加0．5元。
總價(jià)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轉換模塊(zhuanhuan)
該模塊將計費模塊的車(chē)費和路程轉換成4位十進(jìn)制數，便于數碼管顯示。輸入口acf，bcf分別為總路程數的輸入口和總費用的輸入口，兩者都是二進(jìn)制碼進(jìn)行十進(jìn)制編碼計數，通過(guò)該編碼器生成BCD碼，輸出口分別以BCD碼表示個(gè)，十，百，千位的數據。Aclk是工作脈沖，即32MHz。
3．3 動(dòng)態(tài)掃描模塊(dtxianshi)
該模塊由動(dòng)態(tài)掃描模塊以及譯碼模塊組成。動(dòng)態(tài)掃描模塊，該模塊利用視覺(jué)暫留效應，采用動(dòng)態(tài)掃描電路，將8進(jìn)制轉換后的路程數和車(chē)費的4位十進(jìn)制數顯示在數碼管上，節約了硬件資源和能源。該模塊經(jīng)過(guò)8進(jìn)制掃描模塊將路程和車(chē)費輪流顯示出來(lái)。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(gè)，十，百，千位的數值輸入端口。根據輸入的地址碼，模塊每次只有一位數字向后傳輸到輸出口q，同時(shí)輸出小數點(diǎn)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，譯成數碼管的顯示碼由g[6．．0]輸出。本設計中數碼管是共陰數碼管。
3．4 分頻模塊(fenp)
本設計中輸入的系統時(shí)鐘為32 MHz，進(jìn)行分頻，再對數碼管的地址進(jìn)行掃描。輸入端口rse為出租車(chē)停運信號輸入端口，當出租車(chē)停止時(shí)，該模塊停止工作，清零。當出租車(chē)行駛時(shí)對輸入的32 MHz脈沖信號進(jìn)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。