出租车计价器的FPGA设计

　　O 引 言

　　 FPGA (FiELD Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)是一种高密度可编程逻辑器件，它支持系统可编程，通过写入不同的配置数据就可以实现不同的逻辑功能。使用FPGA来设计电子系统，具有设计周期短、易于修改等明显特点，特别适合于进行科学实验、样机研制和电子产品的小批量生产。

　　本文针对FPGA器件，用EDA工具软件Max+P1usⅡ，设计了一种 出租车 的 计价器 ，它可以以十进制数的形式，直观地显示出租车行驶的里程和乘客应付的费用，具有一定的实际应用价值。

　　1 系统设计要求

　　所要设计的出租车计价器，要求能够显示里程数和乘客应付的费用，其中里程数精确到0．1km，乘客应付的费用精确到O．1元，显示必须以十进制的形式来进行。出租车的计费标准为：起步价6元，里程在3 km以内均为起步价；里程在3～7 km之间时，每行驶1 km增加1．6元；超过7 km时，每行驶1 km增加2．4元。

　　2 系统设计方案

　　该系统的设计可以采用分立元件来搭建，也可以通过单片机来设计，而使用可编程FPGA来设计，具有设计周期短、易于修改等明显特点，而且随着可编程逻辑器件和EDA软件的飞速发展，越来越多的电子系统采用FPGA来设计，一旦该系统达到一定的量产规模，也比较容易转化为ASIC芯片设计。因此，基于FPGA来设计一个出租车的计价器。本系统在EDA工具软件MAX+plusⅡ中，采用硬件描述语言 Verilog HDL和原理图设计相结合的方法，进行各个模块的设计，最终将各个模块组成整个系统。

　　出租车能够显示行驶的里程，可以通过车轮的转动产生脉冲，然后通过计数器对脉冲进行计数来实现。假设出租车每行驶2 m就产生一个脉冲。由于里程数要精确到O．1 km，也就是100m，因此每经过50个脉冲就要输出一个新的脉冲信号，这里称为100 m脉冲信号，作为里程计数器的时钟信号，可以通过一个模为50的计数器进行分频而得到。

　　里程计数器可以用一个三位BCD码计数器来实现，最大能显示到999。以前两位为整数，第三位为小数，也就是最大能显示里程99．9 km，因为出租车都在市区和近郊活动，三位BCD码计数器是可以实现里程计数的。里程计数器每计数1 km还会周期性地输出一个脉冲信号，称为1 km脉冲信号，可以通过一定的组合电路来实现。

　　系统最核心的部分就是计费如何实现。这里就需要设计一个BCD码的加法器，在起步价的基础上，根据行驶里程的不同，依据计费标准，每增加1 km加上一个单价，单价的产生可以用Verilog HDL编写程序来实现。系统的总体设计框图如图1所示。

　　2．1 单价产生模块

　　单价产生模块的Verilog HDL源程序如下：

　　其中输入信号bai和shi就是里程计数器输出的两位整数里程，输出信号jia就是根据计费标准而产生的单价，以三位BCD码的形式输出，以前两位为整数，第三位为小数。即里程在3 km以内时，jia=0；里程在3～7 km之间时，jia=016(1．6元)；超过7 km时，jia=024(2．4元)。

　　用Verilog HDL编写程序来实现模块功能的优点在于，当出租车的计费标准发生变化时，可以很容易地通过改写程序来完成新的设计，比起硬件电路的修改要方便得多，这也是用Verilog HDL来实现模块功能的重要优势。

　　2．2 三位BCD码加法器

　　系统中用到了三位BCD码加法器，可以实现三位十进制数的加法运算。加法器输出的结果就是乘客应付的费用，这里同样以前两位为整数，第三位为小数，也就是最大能显示99．9元。三位BCD码加法器由三个一位BCD码加法器级联而成。

　　一位BCD码由四位二进制数组成，四位二进制数的加法运算会产生大于9的数字，必须进行适当的调整才会产生正确的结果。一位BCD码加法器的Verilog HDL源程序如下：

　　一位BCD码加法器模块的仿真波形和生成的模块符号如图2和图3所示。

　　本模块中A和B为输入的一位BCD码，CIN为低位来的进位信号，CO是本片向高位产生的进位输出信号，SUM是两个数相加的和。三位BCD码加法器由三个本模块级联而成，其电路原理图和仿真波形如图4和图5所示。

　　2．3 缓冲器模块

　　三位BCD码加法器输出的结果通过缓冲器以后，反馈到输入端重新作为一个加数，在1km脉冲信号的作用下，每来一个脉冲就和单价相加，形成连续累加的功能。缓冲器还有一个控制输入端LD，LD=O时，在1km脉冲的作用下，输出起步价6元；LD=1时，在1km脉冲的作用下，输出和输入相等。缓冲器的Verilog HDL源程序如下：

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　　2．4 整体电路

　　将各个模块按照输入输出关系连接成整体电路如图6所示。

　　在整体电路中，clk为最原始的时钟输入端，cr为异步清零端，q[11．．O]输出里程，jiaqian[11．．O]输出乘客应付的费用。

　　3 系统仿真验证

　　整体电路的仿真波形如图7所示。

　　从系统仿真波形图7(a)中可以看出，当清零端cr=O时，里程数立刻清零，乘客应付的费用显示三位十进制数060(起步价6元)，表示乘客刚上车。当清零端cr=1时， 出租车 开始行进，里程和费用都开始计数，里程显示三位十进制数，前两位为整数，第三位为小数，也就是每行驶100 m计一次数。

　　从系统仿真波形图7(b)中可以看出，行驶到3 km时，费用由6元增加为7．6元，行驶到4 km时，费用由7．6元增加为9．2元，在3～7 km之间时，每行驶1 km增加1．6元。

　　系统仿真波形图7(c)中显示了每行驶1 km后，费用逐渐累加的情况。系统仿真波形完全验证了预期的设计要求。

　　4 结 语

　　通过仿真验证表明，本文所设计的出租车 计价器 能够正常地显示行驶的里程数和乘客应付的费用，符合预定的计费标准和功能要求。基于 FPGA 的设计，集成度高、设计周期短。尤其是当计费标准发生变化时，容易通过改写 Verilog HDL源程序来完成新的设计。

本文关键字：出租车  计价器  DSP/FPGA技术，单片机-工控设备 - DSP/FPGA技术