出租车自动计费器设计(课程设计报告模板)课件

目目 录录 1 绪论.1 1.1 设计背景.1 1.2 QUARTUS II 简介.1 1.3 VHDL 语言基础 .2 2 出租车计费器总体设计结构.2 2.1 系统设计要求和目的.2 2.2.1 系统设计要求.2 2.2.1 系统设计目的.2 2.2 设计思路.3 2.3 系统总体结构.3 2.4 出租车计费器系统工作流程图.4 3 出租车计费器的实现.5 3.1 出租车计费器的顶层原理图.5 3.2 系统各功能模块的实现.5 3.2.1 计费模块 JIFEI.5 3.2.2 计量模块 JILIANG.6 3.2.3 显示控制模块 SELTIME.7 3.2.4 显示模块 DELED .7 4 出租车计费器系统仿真及分析.8 4.1 计费系统的仿真.8 4.2 单元模块的仿真及分析.10 4.2.1 译码显示模块的仿真及分析.10 4.2.2 显示控制模块的仿真及分析.11 4.2.3 计量模块的仿真及分析.12 4.2.4 计费模块的仿真及分析.12 5 锁定管脚及硬件实现.13 5.1 锁定管脚图.13 5.2 硬件实现.13 5.2.1 显示结果的几种情况.14 5.2.2 硬件实现总结.15 6 设计体会与总结.16 参考文献.17 附 录.18 1 JILIANG 模块的 VHDL 程序.18 2 JIFEI 模块的 VHDL 程序.19 3 SELTIME 控制模块的 VHDL 程序.20 4 DELED 模块的 VHDL 程序 .21 巢湖学院 2013 级EDA 技术课程设计 出租车自动计费器设 计 1 1 绪论绪论 1.1 设计背景设计背景 随着我国社会经济的全面发展，各大中小城市的出租车营运事业发展迅速， 出租车已经成为人们日常出行选择较为普通的交通工具。于是，出租车行业以 低价高质的服务给人们带来了出行的享受。但是总存在着买卖纠纷困扰着行业 的发展。而在出租车行业中解决这一矛盾的最好方法就是改良计价器。汽车计 价器是乘客与司机双方的交易准则，它是出租车行业发展的重要标志，是出租 车中最重要的工具，它关系着交易双方的利益。具有良好性能的计价器无论是 对广大出租车司机朋友还是乘客来说都是很必要的。因此，汽车计价器的研究 也是具有一定意义的。出租车计费器是出租车营运收费的专用智能化仪表，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费器是加强出租车行业管理，提 高服务质量的必需品。本设计就是采用 VHDL 硬件描述语言作为设计手段，采 用自己的设计思路，得到一种出租车计价系统的软件结构，通过 Quartus II 6.0 软件下进行仿真，证明所设计的电路系统完成了出租车计价的功能，各项指标 符合设计要求，具有一定的实用性。 1.2 QUARTUS II 简介简介 QUARTUS II 是 Altera 公司的综合性 CPLD/FPGA 开发软件，支持原理图、 VHDL、VerilogHDL 等多种设计输入形式，内嵌自有的综合器以及仿真器，可 以完成从设计输入到硬件配置的完整 CPLD 设计流程。QUARTUS II 支持 Altera 的片上可编程系统（SOPC）开发，集系统级设计、嵌入式软件开发、可 编程逻辑设计于一体，是一种综合性的开发平台。Altera QUARTUS II 作为一 种可编程逻辑的设计环境, 由于其强大的设计能力和直观易用的接口，越来越 受到数字系统设计者的欢迎。 巢湖学院 2013 级EDA 技术课程设计 出租车自动计费器设 计 2 1.3 VHDL 语言基础语言基础 一般而言，一个相对完整的 VHDL 语言程序至少应三个基本组成部分： 库（Library）、程序包（Package）使用说明；实体（Entity）说明；实体 对应的结构体（Architecture）说明。其中，库、程序包使用说明用于打开（调 用）本设计实体将要用到的库、程序包；实体说明用于描述该设计实体与外界 的接口信号说明，是可视部分；结构体说明用于描述该设计实体内部工作的逻 辑关系，是不可视部分。在一个实体中，允许含有一个或多个结构体，而在每 一个结构体中又可以含有一个或多个进程以及其他的语句。根据需要，实体还 可以有配置说明语句。配置说明语句主要用于以层次化的方式对特定的设计实 体进行元件例化，或是为实体选定某个特定的结构体。 2 出租车计费器出租车计费器总体设计结构总体设计结构 2.1 系统设计要求和目的系统设计要求和目的 2.2.1 系统设计要求系统设计要求 1.起步价为 5.0 元，起步公里为 3 公里； 2.超过 3 公里，每公里按 1 元收费，也可每 0.1 公里按 0.1 元收费； 3.等候时间累计 1 分钟，按每分钟 0.1 元收费； 4.用三个数码管显示总金额，最大值为 99.9 元；用三个数码管显示总里程， 最大值 99.9 公里；用两个数码管显示等待时间，最大值 99 分钟。 2.2.1 系统设计目的系统设计目的 1.通过这次实验设计使我们加深对 EDA 技术与数字系统设计相关理论和概 念的理解，培养我们的理论联系实际的能力，特别是实际动手能力。 2.学习使用 QUARTUS II 软件设计。 3.根据原理图学会用 VHDL 语言设计时序电路。 4.学会绘制功能仿真波形图。 巢湖学院 2013 级EDA 技术课程设计 出租车自动计费器设 计 3 2.2 设计思路设计思路 根据设计要求，电路具有计时、计程、计费功能，用数码管显示行驶公里 数、等待时间、收费金额，行车里程和等待时间的处理电路将汽车行驶的里程 数、转换成与之成正比的计费脉冲，然后由计费电路转换成收费金额，实验中 以一个脉冲模拟汽车前进十米，则每 100 个脉冲表示 1 公里，3 公里以后每 0.1 公里产生一个计费脉冲，一个 1HZ 的脉冲用来表示等待时间，60 个脉冲代表 1 分钟，1 分钟即 60 个脉冲产生一个等待计费脉冲，然后用计费电路对计费脉冲 进行计费。 2.3 系统总体结构系统总体结构 图 2-1 系统总体结构图 出租车计费器的组成如上图所示，通过控制模块以高低脉冲模拟出租汽车 启动、行驶、暂停，具有控制作用；通过控制模块控制出租车的状态来选择出 租车是计里程还是计等待时间，相应产生的时间计费脉冲信号和里程脉冲信号 来计费，译码/动态扫描模块将等待时间、路程与费用的数值译码后用动态扫描 的方式驱动数码管；数码管显示模块将里程数、等待时间和计费金额用数码管 显示。 巢湖学院 2013 级EDA 技术课程设计 出租车自动计费器设 计 4 2.4 出租车计费器系统工作流程图出租车计费器系统工作流程图 图 2-2 出租车计费系统工作流程图 出租车载客后，启动计费器，整个系统开始工作，进入初始化状态，即计 程从 0 开始，计费从 5.0 元开始。再根据 BREAK 信号判断行驶还是暂停。若是 行驶状态，计费器开始进行里程计数，当里程超过 3 公里时，计费器开始累加， 按每 0.1 公里收费 0.1 元计算，计程器则继续，否则计费器不变。若是暂停状态， 计费器开始进行等候时间计数，当等候时间累计 1 分钟，则每分钟 0.1 元计费。 最后将等候时间、里程、计费都显示出来。 巢湖学院 2013 级EDA 技术课程设计 出租车自动计费器设 计 5 3 出租车计费器的实现出租车计费器的实现 3.1 出租车计费器的顶层原理图出租车计费器的顶层原理图 图 3-1 出租车计费器顶层原理图 原理图中输入部分分别是 CLK：秒脉冲信号，1 个脉冲代表 1 秒，则 60 个 脉冲表示 1 分钟。CLK1：10 米脉冲信号，1 个脉冲代表 10 米，则 10 个脉冲表 示 100 米，100 个脉冲代表 1 公里。START:计程车开启信号；DRIVE：计费器 启动信号；BREAK：等待信号，SEL 为计数控制信号输出端。 3.2 系统各功能模块的实现系统各功能模块的实现 3.2.1 计费模块计费模块 JIFEI 计费（JIFEI）模块也是本系统的核心，完成起步价计费，等待时间计费， 巢湖学院 2013 级EDA 技术课程设计 出租车自动计费器设 计 6 里程计费功能。计费器启动，显示起步价 5.0 元，之后每来一个行驶里程计费 脉冲或者等待时间计费脉冲，计费金额自动加 0.1 元。计费显示用 3 位数码管， 所以计费最大值为 99.9 元。其中 CH2 表示费用的十位，CHI 表示费用的个位， CH0 表示费用的十分位。B 为等待时间计费脉冲信号或里程计费脉冲信号。 图 3-2 JIFEI 模块图 3.2.2 计量模块计量模块 JILIANG 图 3-3 JILIANG 模块图 本模块是系统的核心模块之一，能够对外部的行驶距离脉冲、等待时间脉 冲进行计数。因为行驶距离每脉冲代表 10 米，所以计满 100 个数就输出一个行 驶距离计费脉冲，因为 3 公里之内属于起步价，所以前 3 公里内不输出行驶距 离计费脉冲，因为用 3 位数码管来显示行驶距离，其中两位整数，一位小数， 所以行驶距离最小分辨率为 0.1 公里，行驶距离脉冲每计 10 个数，行驶距离输 出加 0.1，行驶距离最大值为 99.9 公里。其中 KM2 为里程的十位，KM1 为里程 的个位，KM0 为里程的十分位。等待时间脉冲频率为 1HZ，所以一个脉冲代表 1 秒，60 个等待脉冲是 1 分钟，输出等待时间加 1，等待时间满 1 分钟计一次 费，所以对等待时间脉冲计数，计满 60 个数就输出一个等待计费脉冲。等待时 巢湖学院 2013 级EDA 技术课程设计 出租车自动计费器设 计 7 间最大值为 99 分钟。MIN1 为等待时间的十位，MIN0 为等待时间的个位。将 行驶距离、等待时间送到 SELTIME 模块，时间与里程计费脉冲送到计费模块完 成里程、等待时间的计费功能。B1 为超过 3 公里后，每 0.1 公里产生的计费脉 冲。B2 为每等待一分钟产生的计费脉冲。 3.2.3 显示控制模块显示控制模块 SELTIME 图 3-4 SELTIME 模块图 SELTIME 模块起显示控制作用，控制等待时间、行驶里程、费用在数码管 上的显示位置。sel 为计数控制信号输出端，功能主要是利用其计数的八个状态， 使 daout 在其每个状态下选择某一输入数据，进而将选择的的数据送入到 DELED 模块。dp 为小数点脉冲控制信号，当该模块输出的值为里程的个位、 费用的个位时，需要考虑小数点的存在，即此时 dp=1，在其他不需要小数 点的情况下，dp=0，最后 dp 将信号输出到 DELED 模块。 3.2.4 显示模块显示模块 DELED 巢湖学院 2013 级EDA 技术课程设计 出租车自动计费器设 计 8 图 3-5 DELED 模块图 DELED 模块把送入的每个四位数据转换为 7 段码送出显示，能够使数码管 正常显示送入的数据。其中 DP 为小数点输入信号。 4 出租车计费器系统仿真及分析出租车计费器系统仿真及分析 4.1 计费系统的仿真计费系统的仿真 图 4-1 出租车启动时计费系统功能仿真图 由图 4-1 可知，当出租车未启动时，里程、等待时间、费用均为 0。出租 车刚启动时，里程、等待时间为 0，费用为出租车起步价 5 元。 巢湖学院 2013 级EDA 技术课程设计 出租车自动计费器设 计 9 图 4-2 出租车等待时计费系统功能仿真图 由图 4-2 可知，当出租车在等待过程中，行驶里程 16.2 公里，等待时间为 32 分钟时，出租车的费用为：5+（16.2-3）1+320.1=21.4 元，与仿真结果 一致。 图 4-3 出租车行驶时计费系统功能仿真图 由图 4-3 可知，当出租车行驶到 66.6 千米，等待时间 60 分钟时，由仿真结 果可得出费用为 74.6 元；根据设计要求计算可得费用为：5+（66.6-3） 1+600.1=74.6 元。仿真结果与计算值一致，验证了设计的正确性。 巢湖学院 2013 级EDA 技术课程设计 出租车自动计费器设 计 10 图 4-4 出租车停车时计费系统功能仿真图 当出租车停车时，出租车上的时间、里程和费用清零，为下次计费的开始 做准备。 4.2 单元模块的仿真及分析单元模块的仿真及分析 4.2.1 译码显示模块的仿真及分析译码显示模块的仿真及分析 图 4-5 译码显示模块的功能仿真图 巢湖学院 2013 级EDA 技术课程设计 出租车自动计费器设 计 11 图 4-5 为译码显示模块的功能仿真波形图，DP、S 为信号输入端，也是显 示控制模块的信号输出端口，ABCDEFGH 八个端口为八位二进制的输出端口。 假设 DOUT=“HGFEDCBA”,由上图可以看出： 1. DP=0 时： 当 S(3 downto 0)=”0000”,则 DOUT=”； 当 S(3 downto 0)=”0001”,则 DOUT=”； 当 S(3 downto 0)=”0010”,则 DOUT=”； 当 S(3 downto 0)=”0011”,则 DOUT=”； 当 S(3 downto 0)=”0100”,则 DOUT=”； 当 S(3 downto 0)=”0101”,则 DOUT=”； 当 S(3 downto 0)=”0110”,则 DOUT=”； 当 S(3 downto 0)=”0111”,则 DOUT=”； 当 S(3 downto 0)=”1000”,则 DOUT=”； 当 S(3 downto 0)=”1001”,则 DOUT=”； 当 S(3 downto 0)等于上述值以外的值时，则 DOUT=”。 2. DP=1 时： 当 S(3 downto 0)=”0000”,则 DOUT=”； 当 S(3 downto 0)=”0001”,则 DOUT=”； 当 S(3 downto 0)=”0010”,则 DOUT=”； 当 S(3 downto 0)=”0011”,则 DOUT=”； 当 S(3 downto 0)=”0100”,则 DOUT=”； 当 S(3 downto 0)=”0101”,则 DOUT=”； 当 S(3 downto 0)=”0110”,则 DOUT=”； 当 S(3 downto 0)=”0111”,则 DOUT=”； 当 S(3 downto 0)=”1000”,则 DOUT=”； 当 S(3 downto 0)=”1001”,则 DOUT=”； 当 S(3 downto 0)等于上述值以外的值时，则 DOUT=”。 4.2.2 显示控制模块的仿真及分析显示控制模块的仿真及分析 巢湖学院 2013 级EDA 技术课程设计 出租车自动计费器设 计 12 图 4-6 显示控制模块的功能仿真图 图 4-6 为显示控制模块功能仿真图，其中 clk 为时钟脉冲输入端，sel 为计 数控制信号输出端，daout 为 sel 所控制状态下的输出到数码管的位选信号，dp 为小数点控制输出信号。可以看出，当时钟沿上升时刻到来时，计数器的输出 sel 就自动加 1,当计数器输出端加到“111”时，再来一个脉冲上升沿，则计数的 输出端 sel 变为“000”，该显示控制模块的功能主要是利用其计数的八个状态， 进而去轮流控制数码管的位选信号。由图 4-6 可知：当 sel=“000”时，则 daout=CH0；当 sel=“001”时，daout=CH1；当 sel=“010”时，daout=CH2； 当 sel=“011”时，daout=KM0；当 sel=“100”时，daout=KM1；当 sel=“101”时，daout=KM2；当 sel=“110”时，daout=MIN0；当 sel=“111” 时，daout=MIN1。由于 KM1、CH1 表示里程的个位和费用的个位，其后都存 在小数，故在设计中当显示 KM1、CH1 时须加入小数点，此时 dp=1，在 其他没有小数点的情况时 dp=0。 4.2.3 计量模块的仿真及分析计量模块的仿真及分析 巢湖学院 2013 级EDA 技术课程设计 出租车自动计费器设 计 13 图 4-7 计量模块的功能仿真图 图 4-7 为计量模块的功能仿真图，START 信号为高电平时（即出租车启动） 。当 DRIVE 为高电平且 BREAK 为低电平时，出租车为行驶状态，此时里程计 数模块开始计数，每经过 10 个 CLK1 脉冲信号，里程加 0.1 公里，当里程计数 大于 3 公里时，每计 0.1 公里产生 1 个 B1 脉冲信号。当 DRIVE 为高电平且 BREAK 为高电平时，出租车为暂停状态，此时等待时间计数模块开始计数，每 经过 60 个 CLK 脉冲信号，时间加 1 分钟，每计 1 分钟产生一个 B2 脉冲信号。 B1 和 B2 分别为里程计费脉冲和等待时间计费脉冲。 4.2.4 计费模块的仿真及分析计费模块的仿真及分析 图 4-8 为计费模块的功能仿真图当 START 处于高电平且 DRIVE 处于高电 平时，每送入一个计费脉冲且计费脉冲处于上升沿时，CH0 自动加 1（即每送 入一个计费脉冲加 0.1 元）。CH0、CH1、CH2 为十进制计数。CH2 表示费用 的十位，CH1 表示费用的个位，CH0 表示费用的十分位，计费的最大值为 99.9 元。 巢湖学院 2013 级EDA 技术课程设计 出租车自动计费器设 计 14 图 4-8 计费模块的功能仿真图 5 锁定管脚及硬件实现锁定管脚及硬件实现 5.1 锁定管脚图锁定管脚图 在验证出租车计费器系统的功能之前，需要清楚实验箱与各个信号之间的 对应关系，参照资料得出本设计中各引脚的对应情况如下： 图 5-1 顶层原理图 5.2 硬件实现硬件实现 通过硬件下载，该电路可以完成硬件实现，芯片管脚定义可以直接用编 辑pin 文件。完成管脚定义后选择器件，编译后生成.sof 文件。选择.sof 文件 巢湖学院 2013 级EDA 技术课程设计 出租车自动计费器设 计 15 进行下载。 下载完成后，将第一全局时钟 CLK1 的跳线器接 1Hz(作为秒脉冲信号)，将 第二全局时钟 CLK2 的跳线器接 1Hz(作为十米脉冲信号)，将第三全局时钟 CLK3 的跳线器接 32768Hz，用拨位开关模拟控制出租车的启动、行驶、暂停。 观察数码管上数据的变化是否符合设计标准。在试验箱上八个数码管从左至右 分别显示的是：等待时间的十位、等待时间的个位、里程的十位、里程的个位、 里程的十分位、费用的十位、费用的个位、费用的十分位。 5.2.1 显示结果的几种情况显示结果的几种情况 图 5-2 验证结果 1 图 5-2 表示出租车等待了 1 分钟，行驶了 3.9 公里，即时车费为 6.0 元。根 据设计要求计算所得费用为：5 元+（3.9-3）公里1 元/公里+1 分钟0.1 元/分 钟=6.0 元，计算结果与试验箱上所得显示结果相同。 图 5-3 表示出租车等待了 3 分钟，行驶了 6.8 公里，即时车费为 9.1 元。根 据设计要求计算所得费用为：5 元+（6.8-3）公里1 元/公里+3 分钟0.1 元/分 钟=9.1 元，计算结果与试验箱上所得显示结果相同。 在试验箱验证过程中，我们可以看到，八位数码管的右三位显示起步价 05.0，中间三个数码管在以 0.1 为步长进行加法显示行驶里程，当行驶里程超过 3 公里之后，每 0.1 公里计费金额加 0.1 元，当我们按下等待暂停键，每分钟左 边两个数码管加 1，其显示的等待时间，当等待时间到 1 分钟时，计费金额加 0.1 元，由此我们可以判断，系统设计符合要求。 巢湖学院 2013 级EDA 技术课程设计 出租车自动计费器设 计 16 图 5-3 验证结果 2 5.2.2 硬件实现总结硬件实现总结 通过对每一模块的仿真和下载，可以实现各个模块的逻辑功能，验证了各 个模块的正确性。在出租车计费系统的 4 个模块中，重点在于计量模块 （JILIANG），计费模块（JIFEI），显示控制模块（SELTIME），译码显示模 块（DELED）。JILIANG 模块主要有汽车的开始、运行、暂停，JILIANG 模块 主要记录出租车的行驶里程和等待时间，并将等待时间计费脉冲和行驶里程计 费脉冲送入 JIFEI 模块；JIFEI 模块主要是完成起步价计费、等待时间计费、行 驶里程计费，并完成总费用；SELTIME 模块起显示控制作用，控制等待时间、 行驶里程、费用在八个数码管上的位置。DELED 模块是把送入的每个四位数据 转换为 7 段码，从而能在数码管上正确的显示。这四个模块的组合成完整的出 租车系统，在设计过程中还需要改进的是控制出租车计费系统的控制功能。 出租车计费器系统的设计已全部完成，能按预期的效果进行模拟汽车开始、 启动、暂停、停止等功能，由数码管显示出租车等待时间，行驶里程，费用。 车暂等待时停止行驶里程计费，车费仅由等待时间计费；出租车正常行驶时， 仅根据里程收费方式。若停止则车费清零，等待下一次计费的开始。出租车计 费系统的设计中体现了 VHDL 覆盖面广，描述能力强，是一个多层次的硬件描 述语言本设计在实用方面具有一定的价值。 该计费器实现了按预置参数自动计费(最大计费金额为 99.9 元)、自动计程 (最大计程公里数为 99.9 公里)等功能；能够实现起步价、每公里收费、等待时 巢湖学院 2013 级EDA 技术课程设计 出租车自动计费器设 计 17 间计费的参数预置(如：起步价 5.0 元；3 公里后 1 元每公里；等待时间 0.1 元每 分钟)，且预置参数可调范围广。由于采用 CPLD 大规模可编程逻辑器件，整机 功耗小、抗干扰能力强、系统稳定、工作可靠、升级方便。 6 设计体会与总结