基于FPGA的出租车计费系统设计

摘要：出租车计费系统大多利用单片机进行控制，较易被改装，且故障率较高。针对这一问题，设计了一种基于FPGA的出租车计费系统，可模拟汽车行驶、暂停等待，停止等过程，并可同时显示金额、乘车总路程。设计采用层次化设计方法，用VHDL语言进行编程，开发软件为MAX+plusⅡ。经测试，波形与仿真结果都满足设计要求。
关键词：出租车计费系统；VHDL语言；MAX+PLUSⅡ；FPGA

    随着城市化水平的提高和人民生活水平的改善，出租车的服务显得越来越重要。因此出租车计费器也就应运而生了。出租车计费器是一种专用的计量仪器，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。
    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。
    本文正是基于FPGA，设计了一种出租车的计费系统，它可以直观地显示出租车行驶的里程和乘客应付的费用。

1 系统功能设计
    所设计的计价器的计费标准为：车在行驶3 km以内，只收起步价9．0元；车行驶超过3 km后，按每公里2元计费。行驶路程达到或超过9 km后，车费按每公里3．0元开始计费。车遇红灯或中途暂停时，每3分钟计0．5元。若停止(rst)则车费清零，等待下一次计费的开始。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0．01 km，乘客应付的费用精确到0．1元，显示范围为：里程为0～99．99公里，费用为0～999.9元。

2 系统设计方案
    基于FPGA的出租车计费系统的组成如图1所示。由外部输入、FPGA控制部分以及数码显示三部分组成。其中FPGA部分又由分频模块、计价模块、BCD转换模块以及动态译码扫描模块组成；外部输入包括启动按键(start)、暂停按键(pause)、停止按键(stop即rst)以及两个脉冲信号(分别是每20 m一个脉冲的路程脉冲信号pulse和32 MHz的工作脉冲信号clk32M)。显示模块用8个LED数码管分别显示行驶里程和车费，行驶里程显示2位整数和2位小数，车费显示3位整数和1位小数。

3 各模块设计
    设计FPGA控制部分，包括控制计价模块，BCD转换模块，动态扫描译码模块以及分频模块。采用混合设计的方法，各子部分用VHDL编程，顶层部分用原理图进行设计。
3．1 控制计价模块(jijia)
    控制计价模块由里程计费模块、等待计费模块、总价模块组成。
    里程计费模块，主要对传感器公里脉冲信号pulse计数(20m一个脉冲)，计算出租车本次交易行驶的路程以及里程费用。每数到50个pulse为1 km，总路程由lucheng端输出。在3 km内时，里程车费cf1为9元不变，当超过3 km时，p=1，开始里程费用计数，当计费停止，即start端口置“0”或出租车停止行驶，即rst端口置“0”时，相关数据复位，清零。
    等待计费模块，在3 km之后(p=1)，每当pause=1时，则开始计时，当秒脉冲数到180个时(即3分钟)，此时等待车费cf2加5，表示车费加0．5元。
    总价模块是将里程计费和等待计费相加，计算出总费用，从chefei端输出。
3．2 BCD转换模块(zhuanhuan)
    该模块将计费模块的车费和路程转换成4位十进制数，便于数码管显示。输入口acf，bcf分别为总路程数的输入口和总费用的输入口，两者都是二进制码进行十进制编码计数，通过该编码器生成BCD码，输出口分别以BCD码表示个，十，百，千位的数据。Aclk是工作脉冲，即32MHz。
3．3 动态扫描模块(dtxianshi)
    该模块由动态扫描模块以及译码模块组成。动态扫描模块，该模块利用视觉暂留效应，采用动态扫描电路，将8进制转换后的路程数和车费的4位十进制数显示在数码管上，节约了硬件资源和能源。该模块经过8进制扫描模块将路程和车费轮流显示出来。端口d是选通地址码的输入端口，A1，A2，A3，A4，B1，B2，B3，B4分别是个，十，百，千位的数值输入端口。根据输入的地址码，模块每次只有一位数字向后传输到输出口q，同时输出小数点的显示控制信号(dp)，使路程显示为00．00公里，费用显示为000．0元。
    译码模块，该模块把0-9的BCD码译成数码管显示码，输入端口q输入扫描模块选出要显示的BCD码，译成数码管的显示码由g[6．．0]输出。本设计中数码管是共阴数码管。
3．4 分频模块(fenp)
    本设计中输入的系统时钟为32 MHz，进行分频，再对数码管的地址进行扫描。输入端口rse为出租车停运信号输入端口，当出租车停止时，该模块停止工作，清零。当出租车行驶时对输入的32 MHz脉冲信号进行分频，分别从输出端口cp1得到秒脉冲，cp32得到32 Hz工作脉冲。
3．5 整体电路
    将各个模块按照输入输出关系连接，顶层电路原理图如图2所示。g[6…0]为七段显示码输出，通过动态扫描依次控制8个数码管的显示，dp为小数点位。

4 系统仿真验证
    用MAX+plusⅡ软件对各个子模块及顶层原理图进行了时序仿真，仿真波形如图3所示。

    控制计价模块仿真图如图3所示。由图3(a)可得，当reset=1，start=1，且pause=0时，表示出租车处于行驶状态，此时路程开始递增，当不超过3 km时，车费为5A即90，起步价9．0元。由图3(b)可得，当超过3 km后，车费每行驶1 km加20(即2元)。由图3(c)可得，当reset= 1，start=1，且pause=1时，出租车处于等待状态，此时路程不再递增，而时间递增，当时间达到3分钟时，车费加5(即0．5元)。
    顶层电路的仿真图如图4所示。从图中可以看出，随着输入的变化，从g[6…0]输出了共阴的数码管显示编码，dp也在对应的数码管处，输出高电平点亮小数点。
    综上分析，本设计的软件仿真结果正确，与设计要求相符。