基于vhdl出租车计费器设计说明书.doc

EDA设计论文 题 目 基于VHDL出租车计费器设计 学 院 专 业 班 级 学 号 姓 名 指导教师 职称 讲师 2011年12月21日摘要：在科技高度发展的今天，集成电路和计算机应用得到了高速发展。尤其是计算机应用的发展。它在人们日常生活已逐渐崭露头角。大多数电子产品多是由计算机电路组成。而且将来的不久他们的身影将会更频繁的出现在我们身边。本设计利用VHDL语言、CPLD设计出租车计费系统，以Quartus软件作为开发平台，设计了出租车计费器系统程序并进行了程序仿真。使其实现计费以及预置和模拟汽车启动、停止、暂停等功能，并动态扫描显示车费数目和路程数目。引言：1、VHDL语言VHDL(Very High Speed Integrated Circuit Hardw are Description Language，超高集成电路硬件描叙语言)诞生于1982年，是由美国国防部开发的一种快速设计电路的工具，目前已经成为IEEE(The Institute of Electrical and Electronics)的一种工业标准硬件描叙语言。VHDL主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口，非常适合用于可编程逻辑芯片的应用设计。除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL的语言形式和描述风格与句法十分类似于一般的计算机高级语言。VHDL的程序特点是将一项工程设计，或称为设计实体（可以是个元件、电路模块或一个系统）分成外部（或称可示部分，即端口）和内部（或称为不可视部分，即结构体）两部分，外部负责对设计实体和端口引脚命名和说明，内部负责对模块功能和算法进行描述。在对一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部结构、功能开发完成，即可生成共享功能模块，这就意味着，在顶层综合或其他设计中可以直接调用这个实体模块。VHDL具有较强的行为描述能力，可避开具体的器件结构，从逻辑功能和行为上进行描述和设计。2、 Quartus6.0简介 Quartus II 是Alera公司推出的一款功能强大，兼容性最好的EDA工具软件。该软件界面友好、使用便捷、功能强大，是一个完全集成化的可编程逻辑设计环境，具有开放性、与结构无关、多平台完全集成化丰富的设计库、模块化工具、支持多种硬件描述语言及有多种高级编程语言接口等特点。 Quartus II是Altera公司推出的CPLD/FPGA开发工具，Quartus II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：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；芯片平面布局连线编辑；功能强大的逻辑综合工具；完备的电路功能仿真与时序逻辑仿真工具；定时/时序分析与关键路径延时分析；可使用SignalTap II逻辑分析工具进行嵌入式的逻辑分析；支持软件源文件的添加和创建，并将它们链接起来生成编程文件；使用组合编译方式可一次完成整体设计流程；自动定位编译错误；高效的期间编程与验证工具；可读入标准的EDIF网表文件、VHDL网表文件和Verilog网表文件；能生成第三方EDA软件使用的VHDL网表文件和Verilog网表文件。3、Quartus II软件设计流程（1) 打开Quartus II软件。（2) 选择路径。注意：工作目录名不能有中文。（3) 添加设计文件。（4) 选择FPGA器件。Family选择Cyclone，240，8。（5) 建立原理图或用VHDL语言描述设计电路。（6) 对原理图或用VHDL语言进行编译，无误后进行添加信号。（7) 对上述电路进行仿真。（8) 进行管脚分配。（9) 全局编译。（10) 采用JTAG或AS模式进行下载测试。Quartus II软件运行界面4、可编程逻辑器件简介 FPGA是英文Field Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。 FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。FPGA的基本特点主要有：（1）采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。 （2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。（3）FPGA内部有丰富的触发器和IO引脚。（4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一（5）FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。 出租车计费系统功能简介： 1. 计费标准为按行驶里程收费，起步费为10.00元，并在车7公里后再按1元/公里，当计费器计费达到或超过一定收费(如20元)时，再按1.5元/公里的车费，车停止不计费。2. 能预置起步费、每公里收费、车行加费里程。3. 能模拟汽车启动、停止、暂停等状态。4. 将车费、里程动态的显示出来。EDA设计方法及其设计过程：1、设计规划 本系统设计采用自顶向下的设计方案，系统的整体组装设计原理图如图所示，它主要由分频模块、行驶状态模块、累加模块、里程计数模块、车费计数模块和译码显示模块六部分组成。各模块的功能：1)分频器：将时钟信号进行分频。2)车行状态模块：将汽车的启动、停止、暂停状态输出。3)里程计数模块：当来一个脉冲信号时，里程值加1。4车费计数模块：白天计费：其初值为9元，当里程超过3公里后才接受计数车速控制模块发出的脉冲的驱动，之后每来一个脉冲（代表运行了1公里）其数值加1元，当车程超过10公里时每来一个脉冲其数值加1元。夜间计费：其初值为11元，当里程超过3公里后才接受计数车速控制模块发出的脉冲的驱动，之后每来一个脉冲（代表运行了1公里）其数值加2元，当车程超过10公里时每来一个脉冲其数值加3元5）译码模块：实现将车费计数模块和里程计数模块输出的十进制数转换成二进制数输出。车速控制模块分频器里程计数模块车费计数模块车行驶状态 译码模块2、系统的总体设计（1）、顶层电路设计 顶层的VHDL设计实际就是将分频器模块、车行状态模块、里程计数模块、车费计数模块、数码管选择模块、译码模块这几个模块连接起来就行。 顶层电路图（2）、仿真波形 3、各模块源程序（1）、分频模块 元件符号： VHDL设计： LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; ENTITY PULSE IS PORT(CLK0:IN STD_LOGIC; FOUT:OUT STD_LOGIC); END PULSE; ARCHITECTURE ONE OF PULSE IS BEGIN PROCESS(CLK0) VARIABLE CNT:STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0); VARIABLE FULL :STD_LOGIC; BEGIN IF CLK0EVENT AND CLK0=1 THEN IF CNT=100 THEN CNT:=000 ; FULL:=1; ELSE CNT:=CNT+1; FULL:=0; END IF; END IF; FOUT0); ELSIF CLKEVENT AND CLK=1 THEN IF STO=1 THEN STATE:=00;CQI:=CQI; ELSIF ENABLE =1 THEN CQI:=CQI+1; IF CQI15 AND CQI=50 THEN STATE:=10; ELSE STATE:=11; END IF; END IF; END IF; ST=STATE; END PROCESS; END ONE; 波形仿真： （3）、累加模块 元件符号： VHDL设计： library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_unsigned.all; entity cc is port(clks,en:in std_logic; kk:out std_logic); end entity cc; architecture one of cc is begin process(clks,en) variable q1:std_logic_vector(3 downto 0); variable q2:std_logic_vector(3 downto 0); variable k:std_logic; begin if clksevent and clks=1 then if en=1 then q1:=q1+1;q2:=q1; if q20101 then k:=0; q2:=q2; else if q2=0101 then k:=1;q2:=0000;q1:=0000; elsif en=0 then q1:=q1; end if; end if; end if; end if; kkq1:=q1;q2:=q2; -出租车行驶状态下的里程计数 when others = -sf为00时不进行加 if q21001 then q1:=0000; end if; end if; end case; end if; k2=q2; k1 IF K=0 THEN Q2:=Q2; Q3:=Q3; ELSE IF K=1 THEN IF Q21001 THEN Q2:=Q2+1; ELSE Q2:=0000; IF Q3 Q2:=1001;Q3:=0000; WHEN 10= IF Q21001 THEN Q2:=Q2+1; ELSE Q2:=0000; IF Q3 IF Q21000 THEN Q2:=Q2+2; ELSE IF Q2=8 THEN IF Q31001 THEN Q2:=0000; Q3:=Q3+1; ELSE Q3:=0000; END IF; ELSE IF Q2=9 then IF Q3NULL; END CASE; END IF; ELSE IF CLR1=0 THEN Q2:=0000;Q3:=0000; ELSIF CLK_DIVEVENT AND CLK_DIV=1 THEN CASE SI IS WHEN 00 =IF K=0 THEN Q2:=Q2;Q3:=Q3; ELSE IF K=1 THEN IF Q21001 THEN Q2:=Q2+1; ELSE Q2:=0000; IF Q3 Q2:=0001;Q3:=0001; WHEN 10= IF Q21000 THEN Q2:=Q2+2; ELSE IF Q2=8 then IF Q31001 THEN Q2:=0000; Q3:=Q3+1; ELSE Q3:=0000; END IF; ELSE IF Q2=9 THEN IF Q3 IF Q20111 THEN Q2:=Q2+3; ELSE IF Q2=7 THEN IF Q31001 THEN Q2:=0000; Q3:=Q3+1; ELSE Q3:=0000; END IF; ELSE IF Q2=8 THEN IF Q31001 THEN Q2:=0001; Q3:=Q3+1; ELSE Q3:=0000; END IF; ELSE IF Q2=9 THEN IF Q31001 THEN Q2:=0010; Q3:=Q3+1; ELSE Q3:=0000; END IF; ELSE Q2:=0000; IF Q3NULL; END CASE; END IF; END IF; C2=Q2; C3=Q3; END PROCESS; END ONE;波形仿真： （6）、数码管选择模块：元件符号: VHDL设计： library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_unsigned.all; use ieee.std_logic_arith.all; entity seltime is port( clk,clr:in std_logic; q1:in std_logic_vector(3 downto 0); q2:in std_logic_vector(3 downto 0); q3:in std_logic_vector(3 downto 0); q4:in std_logic_vector(3 downto 0); sel:out std_logic_vector(2 downto 0); dout:out std_logic_vector(3 downto 0); end; architecture one of seltime is signal count :std_logic_vector(2 downto 0); begin sel=count; process (clk,clr) begin if clr =1 then count = 011 then count = 000; else count doutdoutdoutdoutdoutdoutdoutdoutdoutdoutdoutdoutdoutdoutdoutdout=0000000; end case; end process;end one;波形仿真：总结： 课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的日新日异，EDA技术已经成为数字电路的一个重要使用领域，在生活中可以说得是无处不在。因此作为二十一世纪的大学来说掌握EDA技术是十分重要的。 这次课程设计中，我们主要是运用VHDL语言设计了一个出租车计费器，并且用层次化的设计方法来实现了这个电路。在程序编写结束后，我们还对该程序进行了调试,能按预期的效果进行模拟汽车启动、停止、暂停等功能，并设计了动态显示车费和里程的硬件电路。出租车暂停时不计费，车费保持不变，且里程也保持不变，若复位则车费和里程清零，等待下一次计费的开始。 在这次课程设计中，使我学到很多的东西，不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合的重要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以遇到了很多的问题，最主要的是对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固. 总之，这次实验不仅仅加强了我的动手编程能力，也大大加强了团队合作以及设计能力，使我在理论学习和编程练习方面都获得了较大的收获。参考文献：1 曾繁泰，陈美金著.VHDL程序设计M.清华大学出版社,2000.2 黄正谨等编著.CPLD系统设计技术入门与应用M.电子工业出版社, 2002.3 褚振勇,翁木云编著.FPGA设计及应用M.西安电子科技大学出版社, 2002.4 王乐毅,EDA设计技术与方法(I)EDA方法及其进展J,青岛化工学院学报,2000年04期.5 王烈军.电子综合设计与设计.西安交通大学出版社,20106 江国强.EDA技术与应用.M.电子工业出版社，2011 16大学本科生毕业设计（论文）撰写规范本科生毕业设计（论文）是学生在毕业前提交的一份具有一定研究价值和实用价值的学术资料。它既是本科学生开始从事工程设计、科学实验和科学研究的初步尝试，也是学生在教师的指导下，对所进行研究的适当表述，还是学生毕业及学位资格认定的重要依据。毕业论文撰写是本科生培养过程中的基本训练环节之一，应符合国家及各专业部门制定的有关标准，符合汉语语法规范。指导教师应加强指导，严格把关。1、论文结构及要求论文包括题目、中文摘要、外文摘要、目录、正文、参考文献、致谢和附录等几部分。1.1 题目论文题目应恰当、准确地反映论文的主要研究内容。不应超过25字，原则上不得使用标点符号，不设副标题。1.2 摘要与关键词1.2.1 摘要本科生毕业设计（论文）的摘要均要求用中、英两种文字给出，中文在前。摘要应扼要叙述论文的研究目的、研究方法、研究内容和主要结果或结论，文字要精炼，具有一定的独立性和完整性，摘要一般应在300字左右。摘要中不宜使用公式、图表，不标注引用文献编号，避免将摘要写成目录式的内容介绍。1.2.2 关键词关键词是供检索用的主题词条，应采用能覆盖论文主要内容的通用技术词条（参照相应的技术术语标准），一般列35个，按词条的外延层次从大到小排列，应在摘要中出现。1.3 目录目录应独立成页，包括论文中全部章、节的标题及页码。1.4 论文正文论文正文包括绪论、论文主体及结论等部分。1.4.1 绪论绪论一般作为论文的首篇。绪论应说明选题的背景、目的和意义，国内外文献综述以及论文所要研究的主要内容。文管类论文的绪论是毕业论文的开头部分，一般包括说明论文写作的目的与意义，对所研究问题的认识以及提出问题。绪论只是文章的开头，不必写章号。毕业设计（论文）绪论部分字数不多于全部论文字数的1/4。1.4.2 论文主体论文主体是论文的主要部分，要求结构合理，层次清楚，重点突出，文字简练、通顺。论文主体的内容要求参照大学本科生毕业设计（论文）的规定第五章。论文主体各章后应有一节“本章小结”。1.4.3 结论结论作为单独一章排列，但不加章号。结论是对整个论文主要成果的归纳，要突出设计（论文）的创新点，以简练的文字对论文的主要工作进行评价，一般为4001 000字。1.5 参考文献参考文献是论文不可缺少的组成部分，它反映了论文的取材来源和广博程度。论文中要注重引用近期发表的与论文工作直接有关的学术期刊类文献。对理工类论文，参考文献数量一般应在15篇以上，其中学术期刊类文献不少于8篇，外文文献不少于3篇；对文科类、管理类论文，参考文献数量一般为1020篇，其中学术期刊类文献不少于8篇，外文文献不少于3篇。在论文正文中必须有参考文献的编号，参考文献的序号应按在正文中出现的顺序排列。产品说明书、各类标准、各种报纸上刊登的文章及未公开发表的研究报告（著名的内部报告如PB、AD报告及著名大公司的企业技术报告等除外）不宜做为参考文献引用。但对于工程设计类论文，各种标准、规范和手册可作为参考文献。引用网上参考文献时，应注明该文献的准确网页地址，网上参考文献不包含在上述规定的文献数量之内。1.6 致谢对导师和给予指导或协助完成论文工作的组织和个人表示感谢。内容应简洁明了、实事求是，避免俗套。1.7 附录如开题报告、文献综述、外文译文及外文文献复印件、公式的推导、程序流程图、图纸、数据表格等有些不宜放在正文中，但有参考价值的内容可编入论文的附录中。2、论文书写规定2.1 论文正文字数理工类 论文正文字数不少于20 000字。文管类 论文正文字数12 00020 000字。其中汉语言文学专业不少于7 000字。外语类 论文正文字数8 00010 000个外文单词。艺术类 论文正文字数3 0005 000字。2.2 论文书写本科生毕业论文用B5纸计算机排版、编辑与双面打印输出。论文版面设置为：毕业论文B5纸、纵向、为横排、不分栏，上下页边距分别为2.5cm和2cm，左右页边距分别为2.4cm和2cm，对称页边距、左侧装订并装订线为0cm、奇偶页不同、无网格。论文正文满页为29行，每行33个字，字号为小四号宋体，每页版面字数为957个，行间距为固定值20磅。页眉。页眉应居中置于页面上部。单数页眉的文字为“章及标题”；双数页眉的文字为“大学本科生毕业设计（论文）”。页眉的文字用五号宋体，页眉文字下面为2条横线（两条横线的长度与版芯尺寸相同，线粗0.5磅）。页眉、页脚边距分别为1.8cm和1.7cm。页码。页码用小五号字，居中标于页面底部。摘要、目录等文前部分的页码用罗马数字单独编排，正文以后的页码用阿拉伯数字编排。2.3 摘要中文摘要一般为300字左右，外文摘要应与中文摘要内容相同，在语法、用词和书写上应正确无误，摘要页勿需写出论文题目。中、外文摘要应各占一页，编排装订时放置正文前，并且中文在前，外文在后。2.4 目录目录应包括论文中全部章节的标题及页码，含中、外文摘要；正文章、节题目；参考文献；致谢；附录。正文章、节题目（理工类要求编写到第3级标题，即.。文科、管理类可视论文需要进行，编写到23级标题。）2.5 论文正文2.5.1 章节及各章标题论文正文分章、节撰写，每章应另起一页。各章标题要突出重点、简明扼要。字数一般在15字以内，不得使用标点符号。标题中尽量不用英文缩写词，对必须采用者，应使用本行业的通用缩写词。2.5.2 层次层次以少为宜，根据实际需要选择。层次代号格式见表1和表2。表1 理工类论文层次代号及说明层次名称示 例说 明章第1章 章序及章名居中排，章序用阿拉伯数字节1.1 题序顶格书写，与标题间空1字，下面阐述内容另起一段条1.1.1 款1.1.1.1 题序顶格书写，与标题间空1字，下面阐述内容在标题后空1字接排项 (1) 题序空2字书写，以下内容接排，有标题者，阐述内容在标题后空1字 版心左边线 版心右边线表2 文管类论文层次代号及说明章节条款项一、 （一） 1. （1）居中书写空2字书写空2字书写空2字书写空2字书写 版心左边线 版心右边线各层次题序及标题不得置于页面的最后一行（孤行）。2.6 参考文献正文中引用文献标示应置于所引内容最末句的右上角，用小五号字体。所引文献编号用阿拉伯数字置于方括号“ ”中，如“二次铣削1”。当提及的参考文献为文中直接说明时，其序号应该与正文排齐，如“由文献8，1014可知”。经济、管理类论文引用文献，若引用的是原话，要加引号，一般写在段中；若引的不是原文只是原意，文前只需用冒号或逗号，而不用引号。在参考文献之外，若有注释的话，建议采用夹注，即紧接文句，用圆括号标明。不得将引用文献标示置于各级标题处。参考文献书写格式应符合GB77141987文后参考文献著录规则。常用参考文献编写项目和顺序应按文中引用先后次序规定如下：著作图书文献序号作者书名（版次）出版地：出版者，出版年:引用部分起止页 第一版应省略翻译图书文献序号作者书名（版次）译者出版地: 出版者，出版年:引用部分起止页 第一版应省略学术刊物文献序号作者文章名学术刊物名年，卷（期）：引用部分起止页学术会议文献序号作者文章名编者名会议名称，会议地址，年份出版地，出版者，出版年:引用部分起止页学位论文类参考文献序号研究生名学位论文题目出版地学校（或研究单位）及学位论文级别答辩年份:引用部分起止页 西文文献中第一个词和每个实词的第一个字母大写，余者小写；俄文文献名第一个词和专有名词的第一个字母大写，余者小写；日文文献中的汉字须用日文汉字，不得用中文汉字、简化汉字代替。文献中的外文字母一律用正体。作者为多人时，一般只列出前3名作者，不同作者姓名间用逗号相隔。外文姓名按国际惯例，将作者名的缩写置前，作者姓置后。学术会议若出版论文集者，可在会议名称后加上“论文集”字样。未出版论文集者省去“出版者”、“出版年”两项。会议地址与出版地相同者省略“出版地”。会议年份与出版年相同者省略“出版年”。学术刊物文献无卷号的可略去此项，直接写“年，（期）”。参考文献序号顶格书写，不加括号与标点，其后空一格写作者名。序号应按文献在论文中的被引用顺序编排。换行时与作者名第一个字对齐。若同一文献中有多处被引用，则要写出相应引用页码，各起止页码间空一格，排列按引用顺序，不按页码顺序。参考文献书写格式示例见附录1。2.7 名词术语科技名词术语及设备、元件的名称，应采用国家标准或部颁标准中规定的术语或名称。标准中未规定的术语要采用行业通用术语或名称。全文名词术语必须统一。一些特殊名词或新名词应在适当位置加以说明或注解。文管类专业技术术语应为常见、常用的名词。采用英语缩写词时，除本行业广泛应用的通用缩写词外，文中第一次出现的缩写词应该用括号注明英文全文。2.8 计量单位物理量计量单位及符号一律采用中华人民共和国法定计量单位（GB310031021993，见附录2），不得使用非法定计量单位及符号。计量单位符号，除用人名命名的单位第一个字母用大写之外，一律用小写字母。非物理单位（如件、台、人、元、次等）可以采用汉字与单位符号混写的方式，如“万tkm”，“t/（人a）”等。文稿叙述中不定数字之后允许用中文计量单位符号，如“几千克至1 000kg”。表达时刻时应采用中文计量单位，如“上午8点45分”，不能写成“8h45min”。计量单位符号一律用正体。2.9 外文字母的正、斜体用法按照GB310031021986及GB71591987的规定使用，即物理量符号、物理常量、变量符号用斜体，计量单位等符号均用正体。2.10 数字按国家语言文字工作委员会等七单位1987年发布的关于出版物上数字用法的规定，除习惯用中文数字表示的以外，一般均采用阿拉伯数字（参照附录3）。2.11 公式原则上居中书写。若公式前有文字（如“解”、“假定”等），文字顶格书写，公式仍居中写。公式末不加标点。公式序号按章编排，如第1章第一个公式序号为“（1-1）”，附录2中的第一个公式为（-1）等。 文中引用公式时，一般用“见式（1-1）”或“由公式（1-1）”。公式中用斜线表示“除”的关系时，若分母部分为乘积应采用括号，以免含糊不清，如a/(bcosx)。通常“乘”的关系在前，如acosx/b而不写（a/b）cosx。2.12 插表表格不加左、右边线。表序一般按章编排，如第1章第一个插表的序号为“表11”等。表序与表名之间空一格，表名中不允许使用标点符号，表名后不加标点。表