1、石家庄铁道大学四方学院毕业设计基于 FPGA 出租车计费系统的设计The Design of Taxi Meter Based on FPGA毕业设计成绩单学生姓名 学号 20086287 班级 方 0809-1 专业 电子信息工程毕业设计题目 基于 FPGA 出租车计费系统的设计指导教师姓名指导教师职称 讲师评 定 成 绩指导教师 得分评阅人 得分答辩小组组长 得分成绩：院长(主任) 签字：年 月 日毕业论文任务书题 目 基于 FPGA 出租车计费系统的设计学生姓名 宋雨薇 学号 20086287 班级 方 0809-1 专业 电子信息工程承担指导任务单位 电气工程系 导师姓名 尚燕 导师职
2、称 讲师一、 主要内容该项目主要由硬件电路设计和软件控制两部分组成。硬件部分主要完成出租车计费系统设计需要的 FPGA 芯片及外围显示和拨档开关控制电路设计。软件部分由主控器 EP1C12 控制完成，通过 VHDL 语言完成出租车计费系统的整个程序设计。二、 基本要求1、车起步开始计费；2、超过起步里程后，按规定的费用累加计费；3、车暂停不计费或按折扣计费；4、超过最大所规定里程后，可增加计费比例；三、主 要 技 术 指 标1、 完 成 主 要 功 能 。2、 原 理 图 ， 波 形 图 。3、 使 用 说 明 书 撰 写 。4、 论文正文不少于 1 万字，查阅文献资料不少于 10 篇，其中外
3、文文献 2 篇以上，翻译与课题有关的外文资料不少于 3000 汉字。四、应收集的资料及参考文献VHDL 语 言 开 发 。Quartus II 开发工具。关 于 cyclone 系 列 相 关 FPGA 开 发 文 档 。EP1C12Q240C8 芯 片 的 使 用 手 册 和 接 口 电 路 。五、进度计划第 1 周 第 2 周 收 集 资 料 ， 完 成 开 题 报 告第 3 周 第 4 周 需 求 分 析 ， 概 要 设 计第 5 周 第 7 周 详 细 设 计第 8 周 中 期 检 查第 9 周 第 12 周 写 论 文第 13 周 第 14 周 论 文 审 核 定 稿第 15 周 第
4、 16 周 答 辩教研室主任签字 时间 年 月 日毕业设计开题报告题 目 基于 FPGA 出租车计费系统的设计学生姓名 宋雨薇 学号 20086287 班级 方 0809-1 专业 电气工程系一、研究背景在我国社会经济发展的今天，随着城市化水平的提高和人民生活水平的改善，各大中小城市的出租车营运事业也迅速发展，出租车的服务显得越来越重要。出租车计价器是出租车营运收费的专用智能化仪表，它安装在出租车上，指示出载客路程数，以及乘客应付费用的总数，是出租车市场规范化、标准化以及减少司机与乘客之间发生纠纷的重要设备。一种功能完备、简单易用、计量准确的出租车计价器是加强出租车行业管理、提高服务质量的必备
5、品。当计费系统在各大、中城市出租车中使用越来越广泛，用户对计费器的要求也越来越高。以出租车多功能计费器为例，用户不仅要求计费器性能稳定，计费准确，有防作弊功能;同时还要求其具有车票打印、语音报话识别、电脑串行通信及税控等功能;不同国家和地区的收费方式存在差异，即使在同一地区，不同车型的出租车其收费方式也有差别，而且出租车还面临几年一次的调价或调整收费方式等问题。出租车计价系统较多的是利用单片机进行控制，但较易被私自改装，且故障率相对较高，且不易升级；而 FPGA 具有高密度、可编程及有强大的软件支持等特点，所以设计的产品具有功能强、可靠性高、易于修改等特点。基于现场可编程逻辑阵列(FPGA)的
6、出租车多功能计费器，采用硬件描述语言 VHDL 和逻辑综合为基础的自顶向下的电路设计方法，开发成本低，周期短，可靠性高，功能升级方便，满足了用户的要求。该系统在不改变硬件电路的前提下，具有可以重构系统的功能；采用完全相同电路结构，只要根据各地区的要求在 VHDL 程序中设置各参数，就可以适应各地区出租车不同计费标准的需要，还可以根据各地区需求增加其他功能。二、国内外研究状况我国在 70 年代开始出现出租车，但那时的计时系统大都是国外进口，不但不够准确，价格还十分昂贵。随着改革开放日益深入，出租车行业的发展势头已十分突出，国内各机械厂家纷纷推出国产计价器。出租车计价器的功能从刚开始的只显示路程，
7、到能够自主计费，以及现在的能够打发票和语音提示、按时间自主变更单价等功能。在国外，现在各大中城市出租车行业都已普及自动计价器，所以计价器技术的发展已成定局，而部分小城市尚未普及，但随着城市建设日益加快，计价器的普及也是毫无疑问的。从国内外的各种研究方法来看，实现出租车计费系统总共有三种方案。利用大规模的数字逻辑器件来实现，利用 89C51 实现，利用 CPLD/FPGA 来实现。二十世纪后半期，数字系统得到了飞速发展，同时为了提高系统的可靠性与通用性，微处理器和专业集成电路逐渐取代了通用全硬件电路。目前，业界大量可编程逻辑器件，尤其是现场可编程器件被大量地应用在集成电路的制作当中。理想的可编程
8、逻辑开发系统能符合大量的设计要求：它能支持不同结构的器件。在多种平台运行，提供易于使用的界面，并且有广泛的特征。可编程器件的逻辑功能描述一般分为原理图描述和硬件语言描述，原理图描述是一种直观简便的方法，它可以讲现有的小规模集成电路实现的功能直接用可编程器件来实现，而不必去将现有的电路用语言来描述，但电路图描述方法无法做到简练。而语言描述可以精确和简练地表示电路的逻辑功能，现在可编程器件的设计过程中广泛使用。常用的硬件描述语言有 ABEL、VHDL 语言等，其中 VHDL 语言是一种行为描述语言，其编程结构类似于计算机中的 C 语言，在描述复杂逻辑设计时，非常简洁，具有很强的逻辑描述和仿真能力，
9、是未来硬件设计语言的主流。三、研究方案整个出租车计费系统大致可以分为控制电路模块、分频模块和扫描显示模块，其中控制电路模块包括速度模块、计程模块、计时模块、计费模块，扫描显示模块包括模 8 计数器模块、8 选 1 选择器模块、七段数码管显示模块。其系统设计框图如图 1 所示。脉冲信号速度 开始键 复位键 时钟信号图 1 出租车计费器系统设计框图四、预期结果经过对任务书的分析，本课题要求对出租车计费系统的原理进行分析，熟悉出租车计费系统的组成结构图，并对其进行仿真设计。该电路系统能够模拟实际出租汽车的行驶、停止、暂停等状态，并根据不同状态进行计费。以十进制显示出租车行驶路程与车费。车起步开始计费
10、，首先显示起步价，起步费为 3.00 元，车在行驶 3km 以内，只收起步价。车行驶超过 3km 后，每 km 收费 2 元，车费依次累加。当总费用达到或超过 40 元时，每 km 收费 4 元。当遇到红灯或遇客户需要停车等待时，则按时间计费，计费单价为每 20s收费 1 元。指导教师签字 时间 年 月 日速度模块计时模块 计费模块计程模块总费用总里程译码显示摘 要我国在70年代开始出现出租车，但那时的计费系统大都是国外进口，不但不够准确，价格还十分昂贵。随着改革开放日益深入，出租车行业的发展势头已十分突出，国内各机械厂家纷纷推出国产计价器。出租车计价器的功能从刚开始的只显示路程，发展到能够自
11、主计费，以及现在的能够打发票和语音提示、按时间自主变动单价等。随着城市旅游业的发展，出租车行业已成为城市的窗口，象征着一个城市的文明程度。 本文中所用到的VHDL就能解决上述问题，因为本设计就是采用VHDL硬件描述语言作为设计手段，采用自顶向下的设计思路，得到一种出租车计价系统的硬件结构，通过在Quartus II软件中编译和下载测试，得到了仿真波形和关键的设计结果。经过在实验箱上进行硬件测试，证明出租车计价系统具有出租车计价器的基本功能。文章首先简述了出租车控制系统的意义和发展现状以及VHDL语言的特点，然后介绍了出租车控系统的设计要求，设计思路，并给出了总体设计框图，通过分析方框图绘出详细
12、的模块电路流程图并写出程序源代码，将代码在Quartus II软件上进行编译仿真，波形基本符合设计要求。关键字： 出租车计费器 VHDL语言 Quartus IIAbstractChina began to appear in the 1970s, but then the taxi billing system mostly imported not only accurate, the price also is very expensive. Along with the reform and opening-up, the taxi industry development momen
13、tum has a very prominent, the domestic various machinery manufacturers have domestic meter. The meter taxi from the beginning of the function to display only the driver himself away, pricing, and are able to independently rounding billing, and now can play an invoice and audio, according to time ind
14、ependent functions such as price changes. Along with the development of urban tourism industry has become a city, taxi window, a symbol of a citys civilization.In this paper the VHDL can solve the above problem, because of this design is described by VHDL Language as a design method of Hardware, usi
15、ng the top-down design ideas, get a taxi pricing system Hardware structure, software by Quartus II compiler and download in the simulation results of the design and key waveforms. After the experiment box on hardware tested prior taxi cab pricing system is the basic function of the meter.This articl
16、e first introduced the meaning and taxi control system development status and the characteristics of the language of VHDL, then introduces the design of the control system of the taxi, design ideas, and presents the overall design, through the analysis of the block diagram of the draw detailed modul
17、es circuit chart and write program source code, will in Quartus II compiled on software simulation, waveform basic comply with the design requirements.Key words: Taxi meter VHDL Quartus III目 录第 1 章 绪论 11.1 设计研究的相关背景 11.2 设计研究的意义 11.3 课题研究的主要内容 2第 2 章 实现工具简介 32.1 FPGA 简介 32.2 开发软件 Quartus II 简介 42.3
18、硬件描述语言 VHDL 简介 4第 3 章 系统软件设计 73.1 设计任务 73.1.1 方案拟定 73.1.2 模块的划分 83.2 速度模块 93.2.1 速度模块元件图设计 93.2.2 速度模块仿真 93.3 计程模块 93.3.1 计程模块元件图设计 103.3.2 计程模块仿真 103.4 计时模块 103.4.1 计时模块元件图设计 113.4.2 计时模块仿真 113.5 计费模块 113.5.1 计费模块元件图设计 123.5.2 计费模块仿真 123.6 控制电路顶层例化模块 123.6.1 控制电路顶层例化模块元件图设计 133.6.2 控制电路顶层例化模块仿真 133
19、.7 分频模块 143.7.1 分频模块元件图设计 143.7.2 分频模块仿真 143.8 模 8 计数器模块 143.8.1 模 8 计数器模块元件图设计 153.8.2 模 8 计数器模块仿真 153.9 8 选 1 选择器模块 15II3.9.1 8 选 1 选择器模块元件图设计 153.9.2 8 选 1 选择器模块仿真 163.10 七段数码管显示模块 163.10.1 七段数码管显示模块元件图设计 173.10.2 七段数码管显示模块仿真 173.11 顶层模块 173.11.1 顶层模块电路图设计 173.11.2 顶层模块仿真 18第 4 章 硬件环境及调试过程 194.1
20、芯片介绍 194.2 硬件实现 194.2.1 选择芯片 194.2.2 引脚锁定 204.2.3 下载到硬件环境 21第 5 章 总结及完善 235.1 总结 235.2 完善 23参考文献 24致谢 25附录 26附录 A 外文资料 26附录 B 顶层文件电路图 43附录 C 源代码 44石家庄铁道大学四方学院毕业设计1第 1 章 绪 论1.1 设计研究的相关背景在我国社会经济发展的今天，随着城市化水平的提高和人民生活水平的改善，各大中小城市的出租车营运事业也迅速发展，出租车的服务显得越来越重要。出租车计价器是出租车营运收费的专用智能化仪表，它安装在出租车上，指示出载客路程数，以及乘客应付
21、费用的总数，是出租车市场规范化、标准化以及减少司机与乘客之间发生纠纷的重要设备。一种功能完备、简单易用、计量准确的出租车计价器是加强出租车行业管理、提高服务质量的必备品。当计费系统在各大、中城市出租车中使用越来越广泛，用户对计费器的要求也越来越高。以出租车多功能计费器为例，用户不仅要求计费器性能稳定，计费准确，有防作弊功能；同时还要求其具有车票打印、语音报话识别、电脑串行通信及税控等功能；不同国家和地区的收费方式存在差异，即使在同一地区，不同车型的出租车其收费方式也有差别，而且出租车还面临几年一次的调价或调整收费方式等问题。出租车计价系统较多的是利用单片机进行控制，但较易被私自改装，且故障率相
22、对较高，且不易升级；而FPGA 具有高密度、可编程及有强大的软件支持等特点，所以设计的产品具有功能强、可靠性高、易于修改等特点 1。基于现场可编程逻辑阵列(FPGA)的出租车多功能计费器，采用硬件描述语言VHDL和逻辑综合为基础的自顶向下的电路设计方法，开发成本低，周期短，可靠性高，功能升级方便，满足了用户的要求。该系统在不改变硬件电路的前提下，具有可以重构系统的功能；采用完全相同电路结构，只要根据各地区的要求在VHDL程序中设置各参数，就可以适应各地区出租车不同计费标准的需要，还可以根据各地区需求增加其他功能。1.2 设计研究的意义随着我国市场经济的发展，交通也越来越便利，特别是出租车，以快捷、方便的特点早已盛行各个城市，成为城市交通的重要工具。计程车市场从 90 年代初的起步阶段到现在已经进入了高峰期。随着城市化水平的提高和人民生活水平的改善，计程车的服务也就显得越来越重要，因此计程车计价器也就应运而生了。由于现场可编程逻辑阵列 FPGA 具有开发简单、静态可重复编程和动态再系统编程等特点，已经成为当今应用最广泛的可编程专用集成电路之一。随着微电子技
