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基于CPLD／FPGA的出租車計費器
摘要：介紹了出租車計費器系統(tǒng)的組成及工作原理，簡述了在EDA平臺上用單片CPLD器件構(gòu)成該數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計思想和實現(xiàn)過程。論述了車型調(diào)整模塊、計程模塊、計費模塊、譯碼動態(tài)掃描模塊等的設(shè)計方法與技巧。關(guān)鍵詞：CPLD／PPGA硬件描述語言出租車計費器MAX+PLUS軟件數(shù)字系統(tǒng)
隨著EDA技術(shù)的高速發(fā)展，電子系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)和工具發(fā)生了深刻的變化，大規(guī)模可編程邏輯器件CPLD／FPGA的出現(xiàn)，給設(shè)計人員帶來了諸多方便。利用它進行產(chǎn)品開發(fā)，不僅成本低、周期短、可靠性高，而且具有完全的知識產(chǎn)權(quán)。本文介紹了一個以Altera公司可編程邏輯芯片EPM7128SLC84-15為控制核心、附加一定外圍電路組成的出租車計費器系統(tǒng)。
1系統(tǒng)組成
基于CPLD／FPGA的出租車計費器的組成如圖1所示。各部分主要功能如下：(1)A計數(shù)器對車輪傳感器送來的脈沖信號進行計數(shù)(每轉(zhuǎn)一圈送一個脈沖)。不同車型的車輪直徑可能不一樣，通過“設(shè)置1”對車型做出選擇，以實現(xiàn)對不同車輪直徑的車進行調(diào)整。(2)B計數(shù)器對百米脈沖進行累加，并輸出實際公里數(shù)的BCD碼給譯碼動態(tài)掃描模塊。每計滿500送出一個脈沖給C計數(shù)器�！霸O(shè)置2”實現(xiàn)起步公里數(shù)預(yù)制。(3)C計數(shù)器實現(xiàn)步長可變(即單價可調(diào))的累加計數(shù)，每500米計費一次�！霸O(shè)置3”用來完成超價加費、起步價預(yù)制等。(4)譯碼／動態(tài)掃描將路程與費用的數(shù)值譯碼后用動態(tài)掃描的方式驅(qū)動數(shù)碼管。(5)數(shù)碼管顯示將公里數(shù)和計費金額均用四位LED數(shù)碼管顯示(三位整數(shù)，1位小數(shù))。
2功能模塊設(shè)計
出租車計費器由車型調(diào)整模塊、計程模塊、計費模塊、譯碼動態(tài)及掃描等模塊組成，整個系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，首先用VHDL編寫功能模塊，然后用頂層原理圖將各功能模塊連接起來。
2．1車型調(diào)整模塊
出租車車型并非單一，各個車型的輪胎直徑亦有所不同。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，現(xiàn)行出租車輪胎直徑大致有四種，直徑分別為520mm、540mm、560mm和580mm。若要使不同車型的出租車每行駛一百米均送出一個脈沖，可通過設(shè)置“可預(yù)制分頻器”的系數(shù)來完成。根據(jù)上述車輪直徑計算出的分頻系數(shù)分別為61、59、57和55。預(yù)制數(shù)據(jù)受兩個車型設(shè)置開關(guān)控制，DIP開關(guān)狀態(tài)與車輪直徑對應(yīng)關(guān)系如表1所示(表中“1”為高電平，“0”為低電平)。
表1車型設(shè)置
車輪直徑（mm）520540560580DIP開關(guān)（兩位）00011011
在參數(shù)預(yù)制中，使用With_Select語句(查表法)做分頻選擇：
withcartypeselect
typecounter<=“111101”when“00”，--520mm
“111011”when“01”，--540mm
“111001”when“10”，——560mm
“111000”when“11”，--580mm
“000000”whenothers；
分頻器采用的是加法分頻電路，其占空比可通過datal(x)進行調(diào)整，并且分頻器帶有“開始”／“清零”端(高電平清零)。時序仿真波形如圖2所示。從圖中可以看出，對于設(shè)置開關(guān)為“10”的車型，當(dāng)?shù)?7個脈沖到來時，該模塊oclk端從高變低，輸出一低電平信號。車型調(diào)整模塊(以下簡稱FP)封裝見圖4。
2．2計程模塊
計程模塊是一個模為10、步長為1的加法計數(shù)器。該模塊可以預(yù)制參數(shù)，使其實際計數(shù)值大于預(yù)制數(shù)值后，每500米送出一個脈沖，并將計數(shù)值送譯碼動態(tài)掃描模塊進行顯示。預(yù)制參數(shù)采用非壓縮BCD碼，所以在計數(shù)器設(shè)計時必須將二進制1010至1111六個狀態(tài)跳過去。在VHDL程序中，用IF語句來實現(xiàn)。
ifkm(3downto0)＝“1001”thenkm：＝km+“0111”：
elsekm：＝kin+1；
endif；
計程模塊也帶有“開始”／“清零”端。參數(shù)預(yù)制同樣使用With_Select語句�！捌鸩嚼锍獭焙汀伴_關(guān)設(shè)置”對應(yīng)關(guān)系如表2所示。計程模塊(以下簡稱MILE)封裝見圖4。
表2起步里程設(shè)置
起步里程（km）1.02.03.04.05.06.07.08.0DIP開關(guān)（3位）000001010011100101110111
2．3計費模塊
計費模塊是一個模為10、步長可變的加法計數(shù)器。該模塊通過開關(guān)量預(yù)制步長，當(dāng)超過一定預(yù)制參數(shù)時改變步長。計費模塊也采用非壓縮BCD碼，但因步長不為1，所以在做非壓縮BCD加法時必須調(diào)整，否則可能導(dǎo)致在超過或未超過預(yù)置參數(shù)時出現(xiàn)超程錯誤。這里采用模仿微機的AF標(biāo)志位，在其設(shè)立一個半進位標(biāo)志，當(dāng)累加和大于9或半進位標(biāo)志為“1”時，對累加和進行調(diào)整。
ifdatal(3downto0)>9ordatal(4)＝‘1’then
datal(3downto0)：＝datal(3downto0)＋“0110”；
datal(8downto5)：＝datal(8downto5)＋1；
endif；
其中，data(4)為半進位標(biāo)志�！捌鸩絻r格”和“超價加費”設(shè)置參數(shù)分別如表3和表4所示。計費模塊(以下簡稱MONEY)封裝見圖4。
表3起步價格設(shè)置
起步價格（元）1.21.62.02.42.83.23.6DIP開關(guān)（3位）001010011100101110111
表4超價加費設(shè)置
超價加費（元）10.015.020.025.0DIP開關(guān)（2位）00011011
2．4顯示模塊
顯示模塊由七段LED數(shù)碼管譯碼和動態(tài)掃描顯示兩部分組成。
2．4．1七段LED數(shù)碼管譯碼
本次設(shè)計采用的是共陰極七段數(shù)碼管，根據(jù)16進制數(shù)和七段顯示段碼表的對應(yīng)關(guān)系，用VHDL的With_Select或When_Else語句可方便實現(xiàn)它們的譯碼。
圖2
2．4．2動態(tài)掃描顯示
動態(tài)掃描是利用人眼的視覺暫留原理，只要掃描頻率不小于24Hz，人眼就感覺不到顯示器的閃爍。本系統(tǒng)24Hz的掃描脈沖由相應(yīng)的外圍電路提供。動態(tài)掃描電路設(shè)計的關(guān)鍵在于位選信號要與顯示的數(shù)據(jù)在時序上一一對應(yīng)，因此電路中必須提供同步脈沖信號。這里采用八進制計數(shù)器提供同步脈沖，VHDL程序段如下：
cIkl_label：PROCESS(scp)
BEGIN
IFscp’ventandscp=‘1’THENcount<=count+1；
ENDIF；
ENDPROCESSclkl_label；
顯示數(shù)據(jù)的選擇由計數(shù)器控制，VHDL程序段如下：
temp<=counterlwhencount=“000”else．．．
counter4whencount=“011”else
milelwhencount=“100”else．．．
mile4whencount=“111”；
位選信號時序仿真如圖3所示。從時序仿真圖和上述程序可以看出，位選信號和要顯示的數(shù)據(jù)實現(xiàn)了同步。
圖3
動態(tài)掃描電路中小數(shù)點的顯示無法在譯碼電路中完成。由于小數(shù)點的位置是固定的，因此可由計數(shù)器提供的同步信號產(chǎn)生另一信號控制DP。VHDL程序?qū)崿F(xiàn)如下：
if(count：“101”orcount=“001”)thendata(0)<＝‘1’；
elsedata(0)<＝‘0’；
endif；
顯示模塊(以下簡稱SHOW)封裝見圖4。此模塊中應(yīng)用了兩個過程，在過程內(nèi)程序順序執(zhí)行，其中第一個過程觸發(fā)第二個過程。
3系統(tǒng)綜合
3．1模塊聯(lián)調(diào)
各個功能子模塊設(shè)計完成后，利用MAXPLUSⅡ的圖形編輯器(GraphicEditor)將各功能子模塊(．sym)進行連接。由于MILE模塊中存在毛刺，故不能直接與后級相連，通過對輸出脈沖信號加門電路延時，再與原始信號相“與”的方法即可消除毛刺。系統(tǒng)頂層原理圖如圖4所示。
芯片管腳定義可以直接用編輯．pin文件或在Floor—PlanEditor下進行。完成管腳定義后選擇器件(EPM7128SIC84—15)，編譯后生成．sof、．pof及報告文件．rpt。查看報告文件可得到器件管腳的利用情況及器件內(nèi)部資源的使用情況。通過更換適當(dāng)?shù)钠骷蛊滟Y源配置達到最優(yōu)。選擇器件的一般原則是系統(tǒng)所使用的資源不要超過器件資源的80％，若超過90％，系統(tǒng)功耗將增大，工作不穩(wěn)定。從本次設(shè)計器件部分報告中得知：輸入、輸出管腳各用16只，芯片資源利用率僅為51％，具有較大的擴展空間。
圖4
3．2硬件設(shè)計說明
本次設(shè)計的出租車計費器計數(shù)脈沖CP來自車輪轉(zhuǎn)速傳感器(干簧管)，脈沖經(jīng)器件內(nèi)部整形后送計數(shù)器；動態(tài)掃描脈沖由外圍電路給出；系統(tǒng)使用整流、濾波、降壓后的出租車電源供電；由于CPLD／FPGA的驅(qū)動能力有限，為了增強數(shù)碼管的亮度，提高系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計中在LED驅(qū)動和位驅(qū)動上分別增加了電流驅(qū)動器件ULN2803和2SCl015。
現(xiàn)場實驗表明：該計費器實現(xiàn)了按預(yù)制參數(shù)自動計費(最大計費金額為999．9元)、自動計程(最大計程公里數(shù)為999．9公里)等功能；能夠?qū)崿F(xiàn)起步價、每公里收費、車型及加費里程的參數(shù)預(yù)制(如：起步價5．00元；3公里后，1．20元／公里；計費超過15．00元，每公里加收50％的車費等)，且預(yù)置參數(shù)可調(diào)范圍大。由于采用了CPLD／FPGA大規(guī)模可編程邏輯器件，整機功耗小、抗干擾能力強、系統(tǒng)穩(wěn)定、工作可靠、升級方便。另外，根據(jù)實際需要，系統(tǒng)可方便地增加以下功能：①通過芯片內(nèi)部編程增加時鐘功能(器件內(nèi)部資源足夠)，既可為司機和乘客提供方便，又能為夜間行車自動調(diào)整收費標(biāo)準(zhǔn)提供參考；②用CPLD／FPGA的輸出引線控制語音芯片，可向乘客發(fā)出問候語、提醒乘客告訴司機所要到達的地點、報出應(yīng)收繳的費用等。
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