出租车计费器的EOA设计与实现

摘要：以现场可编程逻辑器件(FPGA)为设计载体，以硬件描述语言(VHDL)为主要表达方式，以QuartusⅡ开发软件和GW48EDA开发系统为设计工具，给出了一种出租车计费器的工作原理和软硬件实现方法。同时对该出租车计费器进行时序仿真和硬件验证。
关键词：出租车计费器；FPGA；VHDL；QuartusⅡ

O 引言
    随着人民生活水平的提高。以车代步已成为很多人的出行方式；而在选择交通工具时，很多人倾向于方便快捷的出租车。基于EDA技术设计的出租车计费器，以其价格便宜、安全可靠、使用方便等优点，而受到人们的普遍关注。本文以现场可编程逻辑器件(FPGA)为设计载体，以硬件描述语言(VHDE)为主要表达方式，以QuartusⅡ开发软件和GW48EDA开发系统为设计工具设计的出租车计费器，能够实现起步定价、行驶计费和等待计费等功能，完全能够满足出租车计费的要求。

l 出租车计费器的主要功能
    出租车计费器能够实现的功能主要包括计费和显示两项功能。
    一般费用的计算是按行驶的里程和等待时间收费。设出租车的起价为7．00元，当里程小于3km时，按起价计算费用；当里程大于等于3 km时按每公里2．5元计费。等待累计时间大于等于4min时，按每分钟1．8元计费。所以，总费用应按下式计算：
    总费用=起始费用+(里程-3 km)×里程单价+(等候时间-4 min)×等候单价
    显示功能的主要显示行驱里程、等候时间和总费用。其中显示汽车行驶里程用两位数字显示，显示方式为“××”，单位为km。计程范围为0～99 km，计程分辨率为1 km；而显示等候时间用两位数字显示分钟，显示方式为“XX”。计时范围为0～59 min，计时分辨率为1 mi-n；最后显示总费用用四位数字显示，显示方式为“XXX．X”，单价为元。计价范围为0～999．9元。计价分辨率为0．1元。

2 计费器结构和工作原理
2．1 出租车计费器的整体结构
    出租车计费器的整体结构如图1所示，它包括分频器模块、计量模块、计价模块和整数转换BCD模块等。

2．2 分频模块的设计
    鉴于GW48EDA开发系统仅有两个时钟输入端口，而系统需要三个时钟，且各个时钟信号的频率不同，故需要对已有的时钟信号进行分频操作。
    图2所示为分频得到的秒信号仿真图，其输入信号是整数转换为BCD码的转换信号。该转换信号频率要求非常高，这样可保证整数转换BCD
码时输出与输入不会产生太大的延时。仿真结果证明，该设计是正确的。
    图3给出了分频得到的车轮走100米的输出信号，其输入信号为驱动车轮转动信号。因为对不同车轮直径，车轮走100米所需圈数不同，所以，对不同车轮进行分类讨论。图3所示的仿真波形为车轮直径是520 mm的分频结果。
2．3 计量模块设计
    根据出租车计费器的功能设计要求，费用的计算是按行驶的里程和等待时间来收费。当行驶里程小于3 km时，按起价计算费用；当里程大于等于3 km时每公里按2．5元计费。另外，等待累计时间大于等于4 min时，应按每分钟1．8元计费。因此应按要求设计行驶计费使能信号clk_length和等待计费使能信号clk_time。图4所示是这两种信号的仿真波形图。由图4可知，当出租车启动信号start为高电平有效，而等待信号stop为低电平无效时，出租车处于行驶状态，当行驶的里程数大于等于3公里时，系统将产生有效的行驶计费使能信号；而当出租车启动信号start为高电平有效，且等待信号stop也为高电平有效时，出租车处于等待状态，当等待时间大于等于4分钟时，即可产生有效的等待计费使能信号。

    在此要特别说明的是，因为QuartusⅡ综合器不支持小数，因此，在设计出租车费用的时候，应将人民币角这个单位放在个位，元放在十位。依次类推，这样便于综合器进行综合。
2．4 转换模块的设计
    由于出租车最终的价格要由7段数码管来显示，而7段数码管的输入信号为高电平‘l’或低电平‘0’：且该设计的前面部分将价格的数据类型定义为整数，因而需要附加整数到BCD码的转换电路。图5所示为整数转换BCD码的仿真波形。由图5可以看出，当整数类型的价格(pri-ce)为8时，经过8个时钟周期，BCD码的个位就变为8；而当价格(price)为54时，经过54个时钟周期，BCD码的个位变为4，BCD码的十位变为5。在此需要说明的是，图5中的整数转变为BCD码需要一段时间的延时，整数数据越大，转化输出产生的延时就越大。为了实时的实现整数到BCD码的转化，需要提高转换的时钟信号频率(clk_convert)。在图2中设计的100分频的频率计，目的就是减小这一时间。在实际的应用中，还可以考虑提高clk_convert的频率，设计更高的分频倍数。

3 出租车计费器的硬件验证
    本设计选用杭州康芯电子有限公司生产的GW48EDA系统作为硬件验证系统，同时选用Altera公司的EPlK30TCl44-3作为主控芯片。该主控芯片是一种基于查找表结构的现场可编程逻辑器件，它的基本逻辑单元是可编程的查找表。它能够实现组合逻辑的运算，而可编程寄存器则可实现时序逻辑运算。因此，只要对出租车计费器整体设计中的输入输出引脚作引脚锁定，然后重新编译和下载，就可以进行出租车计费器的硬件验证。实验表明：本设计能够实现出租车计费器的全部功能，从而证明设计是正确的。

4 结束语
    本文以现场可编程逻辑器件(FPGA)为设计载体，以硬件描述语言(VHDL)为主要表达方式，以QuartusⅡ开发软件和GW48EDA开发系统为设计工具，从而设计出具有起步定价、行驶计价和等待计价功能的出租车计费器。结果表明，本设计能够实现所要求的全部功能。同时，因为
FPGA芯片体积小，功耗低，价格便宜，安全可靠，稍加修改就可以改变起步的价格、每公里行驶的价格和等待时间的价格等，而且维护和升级比较方便，也很容易做成ASIC芯片，因而具有较好的应用前景。