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宋雨薇毕业论文(终稿) 毕业论文 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 Designof TaxiMeter Basedon FPGAxx届电气工程系专业电子信息工程学号xx6287学生姓名宋雨薇指导教师尚燕完成日期xx年5月15日毕业设计成绩单学生姓名宋雨薇学号xx6287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尚燕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xx6287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xx6287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guo产计价器。 出租车计价器的功能从刚开始的只显示路程，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，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。 脉冲信号计时模块速度开始键速度模块复位键时钟信号图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，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guo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 IIAbstract Chinabegan toappear inthe1970s,but thenthe taxibilling systemmostly importednot onlyaurate,the pricealso isvery expensive.Along withthe reformand opening-up,the taxiindustry developmentmomentum hasa veryprominent,the domesticvarious machinerymanufacturers havedomestic meter.The metertaxi fromthe beginningof thefunction todisplay onlythe driverhimself away,pricing,and areable toindependently roundingbilling,and nowcan playan invoiceand audio,aording totime independentfunctions suchas pricechanges.Along withthe developmentof urbantourism industryhas beea city,taxi window,a symbolof acitys civilization.In thispaper theVHDL cansolve theabove problem,because ofthis designis describedby VHDLLanguage asa designmethod ofHardware,using thetop-down design ideas,get ataxi pricing system Hardwarestructure,software byQuartus IIpiler anddownload inthe simulationresults of the designand keywaveforms.After theexperiment boxon hardwaretested priortaxi cabpricingsystemis thebasic functionof themeter.This articlefirst introducedthe meaningand taxicontrol systemdevelopment statusand thecharacteristics of the languageof VHDL,then introducesthe designofthecontrol systemofthetaxi,designideas,and presentsthe overalldesign,through theanalysis ofthe blockdiagram ofthe drawdetailed modulescircuit chartand writeprogram sourcecode,will inQuartus IIpiled onsoftware simulation,waveform basiomply withthe designrequirements.Key words:Taxi meterVHDL Quartus II专业文档，值得下载！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32.1FPGA简介32.2开发软件Quartus II简介42.3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133.7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153.8.1模8计数器模块元件图设计153.8.2模8计数器模块仿真153.98选1选择器模块15专业文档，值得下载！3.9.18选1选择器模块元件图设计163.9.28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专业文档，值得下载！专业文档，值得下载！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。 随着微电子技术的专业文档，值得下载！专业文档，值得下载！迅猛发展，速度更快、集成度更高的FPGA不断出现，芯片上包含的资源也越来越丰富，可实现的功能越来越强，这使得FPGA在电子电路设计中扮演的角色越来越重要。 1.3课题研究的主要内容我国在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guo产计价器。 出租车计价器的功能从刚开始的只显示路程，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，是未来硬件设计语言的主流。 专业文档，值得下载！专业文档，值得下载！第2章实现工具简介2.1FPGA简介FPGA是英文Field ProgrammableGate 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2。 FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic CellArray）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable LogicBlock）、输出输入模块IOB（Input OutputBlock）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I/O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。 可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。 目前FPGA的品种很多，有XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等3。 FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。 用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。 加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。 掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。 FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。 当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。 这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。 因此，FPGA的使用非常灵活。 FPGA有多种配置模式并行主模式为一片FPGA加一片EPROM的方式；主从模式可以支持一片PROM编程多片FPGA；串行模式可以采用串行PROM编程FPGA；外设模式可以将FPGA作为微处理器的外设，由微处理器对其编程。 专业文档，值得下载！专业文档，值得下载！2.2开发软件QuartusII简介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。 Quartus II设计流程 1、设计输入完成期间的硬件描述，包括文本器、块与符号器、MegaWizard插件管理器、约束器和布局器等工具； 2、综合包括分析和综合器以、辅助工具和RTL查看器等工具； 3、布局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、约束器、布局图器、芯片器和增量布局连线工具； 4、仿真Quartus II提供了功能仿真和时序仿真两种工具； 5、器件编程与配置包括四种编程模式，即被动串行模式、JTAG模式、主动串行模式和插座内编程模式。 使用New ProjectWizard新建一个工程的过程 1、制定工程的文件存放目录、工程名以及最顶层的设计实体名，在默认情况下，工程名与最顶层的设计实体名是相同的。 2、添加文件，包括最顶层的设计实体文件以及一些额外的电路模块描述文件或定制的功能库。 3、选择目标芯片，具体芯片最好让编译器根据工程设计的实际情况自动选择。 4、第三方EDA工具设定，包括设计输入与综合工具、仿真工具、时序分析工具等，默认为Quartus II自带的仿真器、综合器以及时序分析器。 5、最后一步系统将整体工程的各项参数和设置总结并显示出来，这时即可完成工程的创建4。 2.3硬件描述语言VHDL简介VHDL全名Very-High-Speed IntegratedCircuit HardwareDescription Language(超高速集成电路硬件描述语言),诞生于1982年。 1987年底，VHDL被IEEE和美国国防部确认为标准硬件描述语言。 自IEEE公布了VHDL的标准版本，IEEE-1076（简称87版)之后，各EDA公司相继推出了自己的VHDL设计环境，或宣布自己的设计工具可以和VHDL接口。 此后VHDL在电子设计领域得到了广泛的接受，并逐步取代了原有的非标准的硬件描述语言。 1993年，IEEE对VHDL进行了修订，从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展VHDL的内容，公布了新版本的VHDL，即IEEE标专业文档，值得下载！专业