基于FPGA的出租车计费器设计(49页).docx
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1、-基于FPGA的出租车计费器设计-第 43 页基于FPGA的出租车计费器设计摘 要本文介绍了一种基于FPGA 芯片上实现出租车计价器功能的设计方法,主要阐述如何使用新兴的EDA 器件取代传统的电子设计方法,不仅实现了出租车计价器所需的一些基本功能,同时考虑到出租车行业的一些特殊性,更注重了把一些新的思路加入到设计中。本设计主要借助了FPGA 芯片,使用Verilog HDL语言灵活编程来实现多方面的计费,这样不仅使其不拘泥于硬件,具有更强的移植性,而且增强了实用价值,更加利于产品升级。本设计参考成都的出租车计费标准,利用Verilog HDL语言设计出租车计价器,主要具有行驶路程动态显示计费,
2、等待累计时间计费及最后的总费用动态显示功能,突出了其作为硬件描述语言的良好的可读性、可移植性和易理解等优点。此程序通过下载到特定的芯片后,可应用于实际的出租车计费系统中。关键词:出租车计价器; Verilog HDL语言; FPGA; Quartus II; EDAABSTRACTThis article presents a method of how to use FPGA to design a taxi meter, and how to replace traditional electrical design with burgeoning EDA parts. Besides t
3、he basic functions of taxi count meter, some new ideas are added concerning about the particularity of this calling. This design has mainly drawn support from the FPGA chip, uses Verilog the HDL language nimble programming to realize various cost, which not only causes it not to rigidly adhere to th
4、e hardware with a stronger portability, but also strengthens the use value, even more favors the product promotion.This design acts according to chengdus rental car cost standard to design rental car fare register with Verilog the HDL language,which includes the travel distance,the waited for the ac
5、cumulation time cost and the final all-in cost dynamic demonstration function, it, as the hardware description language, has highlighted the advantages of good readability, the probability, and easy to understand and so on. This procedure may apply in the actual rental car cost system through downlo
6、ads into the specific chip.Key words:Taxi meter; Verilog HDL language; FPGA; Quartus II; EDA目 录第一章 绪论31.1 课题背景:31.2 出租车计价器现状及发展趋势:31.3 本设计的主要工作:31.4 现代数字系统的设计方法 :31.4.1 设计步骤:31.4.2 设计优点:31.5 EDA技术:31.5.1 EDA技术的内涵:31.5.2 EDA技术的基本特征:31.5.3 EDA的基本工具:31.6 EDA 技术简介:3第二章 出租车计价器的设计32.1 出租车计价器的要求:32.2 系统组成框
7、图:3第三章 各模块设计33.1分频模块:33.1.1 计数器的分频模块:33.1.2 计数器的分频模块VerilogHDL源代码:33.1.3 仿真的结果:33.1.4 数码管的分频模块:33.1.5 数码管的分频模块VerilogHDL源代码:33.2 计程模块:33.2.1 计程模块的框图:33.2.2 计程模块的VerilogHDL源代码:33.2.3 计程模块的仿真结果:33.3计时模块:33.3.1 计时模块的框图:33.3.2 计时模块的VerilogHDL源代码:33.3.3 计时模块的仿真结果:33.4控制模块:33.4.1 控制模块的框图:33.4.2 控制模块的Veril
8、ogHDL源代码:33.4.3 控制模块的仿真结果:33.5 计费模块:33.5.1 计费模块的框图:33.5.2 计费模块的VerilogHDL源代码如下所示:33.5.3 计费模块的仿真结果:33.6 数码管显示模块:33.6.1 数码管显示模块的框图:33.6.2 数码管显示的VerilogHDL源代码:33.7 顶层模块:3第四章 验证方案34.1 验证的流程图:34.2 验证的VerilogHDL源代码:34.3 系统仿真:3第五章 结论35.1 Quartus II软件综合的报表:35.2 综合的RTL级电路:35.3 设计总结:35.4 FPGA设计展望:3参考文献3致谢3附录3
9、外文资料(原文)3外文资料(译文)3第一章 绪论1.1 课题背景:随着我国经济的迅速发展,人们生活水平的显著提高,城市交通的日趋完善,出租车逐渐成为人们日常生活不可缺少的交通工具。而计价器作为出租车的一个重要组成部分,关系着出租车司机和乘客之间的双方利益,起着重要的作用,因而出租车计价器的发展非常迅猛,应用也越来越广泛。近年来,我国出租车行业的迅速发展,出租车已经成为我国城市公共交通的重要组成部分和现代化城市必备的基础设施,成为人们工作、生活中不可缺少的交通工具。出租车服务行业和出租车计价器紧密联系,因为出租车必须安装出租车计价器才能投入运营。出租车计价器是一种能根据乘客乘坐汽车行驶距离和等候
10、时间的多少进行计价,并直接显示车费值的计量器具。计价器是出租汽车的经营者和乘坐出租汽车的消费者之间用于公平贸易结算的工具,因而计价器计价准确与否,直接关系到经营者和消费者的经济利益。依据国家有关法律、法规,出租车计价器是列入国家首批强制检定的工作计量器具之一,也是近年来国家质量技术监督部门强化管理的六类重点计量器具之一。出租车行业在我国是八十年代初兴起的一项新兴行业,随着我国国民经济的高速发展,出租汽车已成为城市公共交通的重要组成部分。多年来国内普遍使用的计价器只具备单一的计量功能。目前全世界的计价器中有90%为台湾所生产。现今我国生产计价器的企业有上百家,主要是集中在北京,上海,沈阳和广州等
11、地。传统的出租车计价器由于发展使用了十几年,在稳定性、成本、以及使用习惯上都具有一些优势。如89C51单片机实现汽车计价器的设计,大部分的功能可以用单片机来实现。但是单片机程序是不通用的,不同的芯片有不同的指令集,因此设计研发比较困难,周期长。如果系统设计的不好,则系统不是很稳定,而且灵活度不够,不易实现功能复杂的设计。随着中国经济的发展,许多因素主导了出租车行业成本的波动。而传统的用89C51为基础设计出来的出租车计价系统已经很难满足现在的需要,而FPGA等数字可编程器件的出现彻底解决了这些问题,FPGA不同逻辑可以并行执行,可以同时处理不同任务,这就导致了FPGA工作更有效率,同时可以根据
12、不同的需要来设计不同模块,能够很快的实现其需要的功能。 正因为在出租车需求不断增大的情况下,未来汽车计价器的市场还是相当有潜力,通过FPGA设计出各种出租车的计价需求,能满足当地出租车的计价需要的系统是十分有必要的,而且这个课题还能有效解决传统计价器系统上的一些不足,以实现更好的计价功能。 1.2 出租车计价器现状及发展趋势:出租车计价器是一种按照一定的要求自动进行计价的装置,应用在出租车上使出租车行业的收费更加规范、方便。目前市场上使用的出租车计价器主要采用的都是利用微控器如89C51、PD78F0034单片机实现的计价器设计。传统的出租车计价器由于发展使用了十几年,在稳定性、成本、以及使用
13、习惯上都具有一些优势,但在营运过程中系统不是很稳定,有时造成死机的现象。而且不同国家和地区的计价方式存在差异,有些地区有夜间收费及郊区收费等,而有些地区则无夜间收费和郊区收费;即使同一地区,不同车型的出租车,其计价方式也有差别;由于个别地区对计价器有特殊要求,有时必须修改软件;另外,计价器还面临软件升级问题;因而,所设计的计价器应能很方便地重新编程。另一方面,由于油价的不断上涨,出租车还面临调价或调整计价方式等问题。因此,所设计的计价器不仅要能满足不同国家和地区的要求,而且计价方式的调整也应当很方便。这都对传统的出租车计价器提出了更高的要求。近几年来,各大城市都在对出租车价格进行调整,由于数量
14、太多,很多城市的调价需要很长时间才能完成,这就会出现同一时间几个价格,司机人工计价的尴尬情形。这些都暴露了传统计价器在灵活性和升级换代能力上的不足。现在计价器大多数以单片机为平台的,但是单片机程序是不通用的,不同的芯片有不同的指令集,因此设计研发比较困难。而FPGA等数字可编程器件的出现彻底解决了这个问题,而且性能更稳定、设计更灵活、能实现较复杂的功能,运用EDA软件可方便的在电脑上实现设计与仿真。FPGA是电子设计领域中最具活力和发展前途的一项技术,未来必定会取代部分落伍的数字器件。面对这些问题我所认识到传统计价器的不足:(1)产品更新周期长传统计价器利用微控器,如89C51或PD78F00
15、34单片机实现汽车计价器的设计,大部分的功能可以用单片机来实现。但是单片机程序是不通用的,不同的芯片有不同的指令集,因此设计研发比较困难,周期长。如果系统设计的不好,则系统不是很稳定,而且灵活度不够,不易实现功能复杂的设计。(2)计价方式的不灵活每次计价标准的修改都需要将芯片重新烧录,使得每次调价都需要耗费大量的人力物力,很难达到目前油价联动的需求。1.3 本设计的主要工作: 考虑到目前出租车行业迅猛发展的趋势以及对计费器更高的灵活性要求,本设计希望尝试一些新的方法来予以解决,随着FPGA等数字可编程器件的出现解决传统电子设计不能完成的任务,利用 FPGA来实现出租车计价器。可行性很高,而且电
16、路简单,大大减少外围器件,可以用软件完全仿真,灵活度高,可以设计一些复杂的系统,而且编好的系统可以在不同的 FPGA或CPLD芯片上通用。FPGA能完成任何数字器件的功能,使用FPGA来开发数字电路,可以大大缩短设计时间,减少PCB面积,提高系统的可靠性。同时由于FPGA的功能完全取决于语言编写的程序,不拘泥于某种芯片的特殊指令,更加提高了产品的更新换代能力。1.4 现代数字系统的设计方法 :1.4.1 设计步骤: 现代数字系统的设计采用“ Topdown”(自顶向下)设计方法,设计步骤如图1-1所示。 图 1-1 设计流程图 在“Topdown”(自顶向下)的设计方法中,设计者首先需要对整个
17、系统进行方案设计和功能划分,拟订采用一片或几片专用集成电路ASIC来实现系统的关键电路,系统和电路设计师亲自参与这些专用集成电路的设计,完成电路和芯片版图,再交由IC工厂投片加工,或者采用可编程ASIC(例如 CPLD和 FPGA)现场编程实现。 在“Topdown”(自顶向下)的设计中,行为设计确定该电子系统或VLSI芯片的功能、性能及允许的芯片面积和成本等。结构设计根据系统或芯片的特点,将其分解为接口清晰、相互关系明确、尽可能简单的子系统,得到一个总体结构。这个结构可能包括算术运算单元、控制单元、数据通道、各种算法状态机等。逻辑设计把结构转换成逻辑图,设计中尽可能采用规则的逻辑结构或采用经
18、过考验的逻辑单元或模块。电路设计将逻辑图转换成电路图,一般都需进行硬件仿真,以最终确定逻辑设计的正确性。版图设计将电路图转换成版图,如果采用可编程器件就可以在可编程器件的开发工具时进行编程制片。 利用HDL语言,采用“ Topdown”(自顶向下)设计方法的设计系统硬件电路,一般分为三个步骤,如图1-2所示。图1-2 “ Topdown”(自顶向下)设计系统硬件的过程(1)行为描述 对系统进行行为描述的目的是在系统设计的初始阶段,通过对系统行为描述的仿真来发现系统设计中存在的问题。在行为描述阶段,考虑的是系统的结构及其工作过程是否能达到系统设计规格书的要求,并不考虑其实际的操作和算法用什么方法
19、来实现。行为描述是对整个系统的数学模型的描述,其设计与器件工艺无关。(2)寄存器传输描述RTL 将行为方式描述的HDL程序,采用RTL方式描述,导出系统的逻辑表达式,再用仿真工具对RTL方式描述的程序进行仿真。如果仿真通过,就可以利用逻辑综合工具进行综合了。 (3)逻辑综合 利用逻辑综合工具,将RTL方式描述的程序转换成用基本逻辑元件表示的文件(门级网络表),也可将综合结果以逻辑原理图方式输出。此后再对逻辑综合结果在门电路级上进行仿真,并检查定时关系,如果一切正常,那么系统的硬件设计基本结束。如果在某一层上仿真发现问题,就应返回上一层,寻找和修改相应的错误,然后再向下继续未完的工作。 由逻辑综
20、合工具产生门级网络表后,在最终完成硬件设计时,还可以有两种选择:一种是由自动布线程序将网络表转换成相应的ASIC芯片的制造工艺,定制ASIC芯片;第二种是将网络表转换成相应的PLD编程码点,利用PLD完成硬件电路的设计7。1.4.2 设计优点: 利用HDL语言,采用“Topdown”(自顶向下)设计方法具有以下优点:(1)在“Topdown”(自顶向下)的设计过程中,每一步都可以进行仿真,可以在系统设计过程发现设计存在的问题,可大大缩短系统的设计周期,降低费用,使电路设计更趋合理,其体积和功耗也可减小。 (2)采用HDL语言,就可免除编写逻辑表达式或真值表的过程,使设计难度大幅度下降,从而可以
21、缩短设计周期。(3) 采用HDL语言设计系统硬件电路时,主要的设计文件是用HDL语言编写的源程序,也可以将HDL语言编写的源程序转换成电原理图形式输出,降低了硬件电路设计难度。(4)用HDL语言的源程序作为归档文件资料量小,便于保存,可继承性好。1.5 EDA技术:1.5.1 EDA技术的内涵: EDA(Electronics Design Automation)即电子设计自动化。现在数字系统设计依靠手工已经无法满足设计要求,设计工作需要在计算机上采用EDA技术完成。EDA技术以计算机硬件和系统软件为基本工作平台,采用EDA通用支撑软件和应用软件包,在计算机上帮助电子设计工程师完成电路的功能设
22、计、逻辑设计、性能分析、时序测试直至PCB(印刷电路板)的自动设计等。在EDA软件的支持下,设计者完成对系统功能的进行描述,由计算机软件进行处理得到设计结果。利用EDA设计工具,设计者可以预知设计结果,减少设计的盲目性,极大地提高设计的效率。EDA通用支撑软件和应用软件包涉及到电路和系统、数据库、图形学、图论和拓扑逻辑、计算数学、优化理论等多学科,EDA软件的技术指标有自动化程度,功能完善度,运行速度,操作界面,数据开放性和互换性(不同厂商的EDA软件可相互兼容)等。 EDA技术包括电子电路设计的各个领域:即从低频电路到高频电路、从线性电路到非线性电路、从模拟电路到数字电路、从分立电路到集成电
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