基于FPGA的出租車計費系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

姚利彬，許 勇，潘 明

（桂林電子科技大學 電子工程與自動化學院，廣西 桂林 541004）

隨著出租車行業(yè)的發(fā)展，出租車在交通運輸中承擔著重要的角色，具有良好性能的計價器對加強行業(yè)管理以及減少乘客與司機之間的糾紛是必不可少的。采用模擬電路和數(shù)字電路設(shè)計的計費系統(tǒng)整體電路較復雜，器件多，故障率高且難調(diào)試。目前市場上的出租車計費器主要采用的都是利用微控器如89C51、μPD78F0034單片機設(shè)計的計費器[1]。

傳統(tǒng)的出租車計費器由于發(fā)展使用了十幾年，在穩(wěn)定性、成本、以及使用習慣上都具有一定優(yōu)勢，但在運行過程中系統(tǒng)不是很穩(wěn)定，有時會造成死機的現(xiàn)象。而且基于單片機設(shè)計的計費器產(chǎn)品更新周期長，大部分功能可用單片機來實現(xiàn)，但是單片機程序是不通用的，不同的芯片有不同的指令集，因此設(shè)計研發(fā)比較困難，周期長。如果系統(tǒng)設(shè)計的不好，則系統(tǒng)不穩(wěn)定，且靈活度不夠，不易實現(xiàn)功能復雜的設(shè)計。再者，計價方式也不夠不靈活，每次計價標準的修改都需要將芯片重新燒錄，使得每次調(diào)價都需要耗費大量的人力物力，很難達到目前油價聯(lián)動的需求[2-3]。這些都體現(xiàn)了目前對出租車計費器市場更新?lián)Q代的需求。比較而言，基于FPGA的計費系統(tǒng)不像微控制器那樣會漏掉某些特性，它可以編程，并根據(jù)需要重新編程，快速完成原型開發(fā)，更迅速地將產(chǎn)品推向市場[4]。如果需求變化了，還可以在現(xiàn)場對其進行更新。

本設(shè)計采用Alter的CycloneⅢ系列EP3C5E144C8型芯片，利用VHDL語言，實現(xiàn)對出租車的多功能計費器設(shè)計，采用LCD1602液晶輸出顯示，如需要，只需重新鎖定輸出端口，便可外接七段數(shù)碼管顯示。該計費系統(tǒng)，不但能實現(xiàn)基本的計費，而且還能根據(jù)行駛的路程、總費用等調(diào)節(jié)行駛單價。最后將可執(zhí)行文件下載到康芯公司的KX_7C CycloneⅢ系列EP3C5E144C8型實驗開發(fā)系統(tǒng)上進行驗證。經(jīng)實際電路驗證，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)通過程序設(shè)置起步價格、行駛單價、等待計費價格，并且計費正常，達到了預先設(shè)計要求。

1 出租車計費器的系統(tǒng)要求

出租車計費系統(tǒng)應有的功能有：1）車起步開始計費，起步價為7元，車行駛5 km以內(nèi)，只收取起步價。2）車行駛超過5 km后，每千米收費1.6元，在起步價的基礎(chǔ)上每行駛1 km累加計費。3）當總費用達到或超過100元時或行駛公里數(shù)超過50 km后，每千米收費上升為2.4元。4）當遇到等紅燈或客戶需要停車等待時，前5分鐘等待時間計價器不計費，超出5分鐘后的等待時間按每60 s收費0.8元計費。5）若計價器收到暫停命令，則不計費，車費保持不變。若收到停止命令，則車費清零，計費標準返回初始值，等待下一次計費開始。

要求本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)計費器預置功能，即能夠預置起步價、單價、漲價里程、漲價費用、計時收費標準等。并且可以模擬汽車行駛、暫停、停止等狀態(tài)，根據(jù)不同狀態(tài)進行計費。以十進制顯示租車行駛路程、收費標準、總費用及等待時間[5]。

2 出租車計費系統(tǒng)的整體設(shè)計方案

從上述設(shè)計要求中可以得出出租車計費器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。整個出租車計費系統(tǒng)按功能主要分為分頻模塊、速度模塊、時間模塊、倒/正計時模塊、計程模塊、計費模塊和LCD1602顯示模塊。

系統(tǒng)接收到reset信號后，總費用變?yōu)槠鸩絻r7元，倒計時寄存器變?yōu)?5:00（5分鐘），同時其他計數(shù)器、寄存器等全部復位。

系統(tǒng)接收到start_stop信號后，首先把部分寄存器賦值，總費用不變，通過對總費用和總路程的判斷后單價unit_price賦值為1.6元，其他寄存器和計數(shù)器繼續(xù)保持原始狀態(tài)。

Grade信號是速度傳感器的輸入信號，本設(shè)計采用4位二進制數(shù)來模擬輸入脈沖頻率的大小，并與速度模塊中預先設(shè)置好的速度大小進行比較，為計程模塊提供100 m路程標志脈沖。系統(tǒng)采用經(jīng)過分頻模塊產(chǎn)生的1 Hz和500 Hz的時鐘信號[6]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure

3 具體電路模塊的功能

Key_stable模塊：通過對reset信號的采樣判斷處理，能夠?qū)eset按鍵進行消抖處理[7-8]，防止由于微小震動而產(chǎn)生的復位信號。

Divider模塊：生成適合于本系統(tǒng)需要的500 Hz與1 Hz的時鐘信號。

Speed模塊：通過對速度信號Grade的判斷，決定變量need_100m的值。need_100m即是行進100 m所需要的時鐘周期數(shù)，當?shù)竭_到所需的時鐘周期數(shù)后，產(chǎn)生一個脈沖clk_100m。

Timer模塊：在汽車啟動后，當遇到顧客等人、紅燈或堵車不能前進時，出租車采用計時收費的方式。通過對速度信號Grade的判斷決定是否開始記錄時間。當Grade為零時，開始記錄時間。當時間達到預設(shè)時長時則產(chǎn)生clk_time脈沖，并重新計時。一個clk_time脈沖相當于等待的時間達到了計時收費單位。本設(shè)計采用60 s的計時收費單位。

Do_undo模塊：通過對速度信號Grade與Start_stop信號的判斷，來控制Watch模塊工作還是暫停狀態(tài)。

Watch模塊：通過對do_undo輸出信號的判斷，當輸出1時，本模塊內(nèi)的倒計時dec_watch模塊先開始工作，并使得二選一mux2_1模塊選擇倒計時顯示輸出；當?shù)褂嫊r到00:00時，倒計時停止的同時正計時inc_watch模塊從00:00開始計時，并使得mux2_1模塊選擇正計時顯示輸出。dec_watch模塊與inc_watch模塊分別由模為十和模為六的減/加法計數(shù)器構(gòu)成，其內(nèi)部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 Watch電路模塊內(nèi)部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of watch circuit module

Dff1模塊：由Watch模塊輸出的flag信號來控制Dff1的選通，當flag=0時，即還處在倒計時狀態(tài)下，dff1關(guān)閉，使得Timer模塊輸出的 clk_time不能通過 dff1傳送給Money模塊；當在正計時狀態(tài)下，flag=1，dff1打開，使clk_time傳送給Money模塊進行計費，這樣就實現(xiàn)了預設(shè)時間內(nèi)不收取等待時間費用的功能[9-10]。

Kilometers模塊：由于Speed模塊傳送來的一個clk_100m信號代表行駛100 m，故通過對clk_100m計數(shù)，可以獲得總行進的距離km_cnt。

Money模塊：由兩個進程組成。其中，一個進程根據(jù)Kilometers模塊輸出的行駛里程判斷是否超過5 km，超過后開始按每公里進行收費，當行駛公里數(shù)大于50 km或者總費用大于100后，則單價unit_price由原來的1.6元/km漲為2.4元/km；第二個進程在每個時鐘周期檢測Speed模塊的輸出信號clk_100m是否累積到10個（即1 km），同時檢測Dff1模塊的輸出信號clk_time_ok的值。當行駛公里超過5 km且clk_100m累積到10個后總費用加上行駛單價，當檢測到clk_time_ok=1時，總費用上加上計時收費單價。模塊中嵌入了將二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制的B_to_BCD模塊，將行駛單價和總費用轉(zhuǎn)化為可讀性更強的十進制輸出。

LCD顯示模塊：系統(tǒng)采用字符型液晶顯示數(shù)據(jù)，將行駛單價、總公里、總費用以及等待時間在LCD上顯示。1602液晶具有體積小、外圍電路簡單、穩(wěn)定性好而且價格低廉，綜合考慮所以選用LCD1602而并沒有采用電路較為復雜的LED數(shù)碼管。但為適應實際應用中不同的顯示方式，在程序設(shè)計時，將數(shù)據(jù)輸出格式調(diào)整為BCD碼，可以很方便地將LCD1602更換為七段LED數(shù)碼管顯示，滿足不同客戶的要求。

4 系統(tǒng)部分核心模塊的實現(xiàn)

4.1 速度Speed電路模塊

該模塊是模擬實際速度脈沖信號的模塊。通過對開始信號start_stop和速度信號grade進行判斷，對系統(tǒng)時鐘進行計數(shù)，當計數(shù)達到與grade值相對應的數(shù)目時輸出一個clk_100m脈沖。Speed電路模塊仿真波形如圖3所示。

圖3 Speed電路模塊仿真波形Fig.3 Simulation waveform of Speed circuit module

仿真時采用的是100MHz的時鐘脈沖，當reset無效且stat_stop為高電平時，輸出clk_100m信號的頻率隨著grade的大小發(fā)生相應變化。

4.2 計時Timer電路模塊

Timer模塊用于計時收費，記錄允許計費后出租車速度為零的時間。通過對Grade信號的判斷，當Grade=0時開始記時。當累積時間達到預設(shè)時長，則產(chǎn)生clk_time脈沖，并重新計時。模塊的仿真波形如圖4所示。從圖中可以清楚看到，在允許計費時段，當Grade=0時，每隔固定時間會有一個clk_time脈沖，在Grade不為零時，沒有clk_time脈沖輸出。

圖4 Timer電路模塊仿真波形Fig.4 Simulation waveform of Timer circuit module

4.3 等待時間W atch電路模塊

該模塊是完成倒/正計時的功能模塊，輸入頻率為1 Hz，當do_undo=1時開始計時，當do_undo=0時暫停計時。無論在什么狀態(tài)下，只要reset=0，則該模塊輸出為程序中設(shè)定好的05:00（5 分鐘）。

Watch電路模塊內(nèi)部是由3部分構(gòu)成的，第一部分就是倒計時鐘dec_watch模塊，該電路根據(jù)對信號do_undo的判斷，開啟倒計時工作，當?shù)褂嫷?0:00時，輸出端flag置1，并反饋給dec_watch模塊，使其停止工作。dec_watch電路模塊仿真波形如圖5所示。由dec_watch電路模塊的仿真波形可以看出，當?shù)褂嫊r到00:00時，再來一個clk脈沖后flag被置為1，且停止倒計時。

圖5 dec_watch電路模塊仿真波形Fig.5 Simulation waveform of dec_watch circuit module

第二部分就是正計時鐘inc_watch模塊，該電路通過對信號do_undo和dec_watch模塊輸出信號flag的判斷，開啟正計時電路。inc_watch電路模塊仿真波形如圖6所示。由仿真波形圖可以看出，復位信號結(jié)束后，當do_undo=1且flag=1時，inc_watch電路開始正計時，當do_undo=0時，正計時處于保持狀態(tài)。

圖6 inc_watch電路模塊的仿真波形Fig.6 Simulation waveform of inc_watch circuit module

4.4 里程Kilometers電路模塊

此模塊主要用于記錄行進的距離，通過對clk_100m信號的計數(shù)，計算行駛的距離km_cnt。一個clk_100m脈沖表示行駛100 m，所以只要記錄clk_100m脈沖的數(shù)目即可確定行駛的距離。km_cnt0為十分位，km_cnt1為個位，km_cnt2為十位，分別為十進制數(shù)，F(xiàn)lag_100 km為滿量程溢出標志位，light是為了體現(xiàn)速度快慢的輸出端口，順序連接上LED燈后，能夠直觀的看到速度的大小。此模塊的仿真波形如圖7所示。

由仿真波形圖可以看出，當行駛公里數(shù)達到99.9 km后，F(xiàn)lag_100km加1，公里數(shù)又重新從零開始計數(shù)。而且伴隨著公里的增加，light也在進行循環(huán)變化。

圖7 Kilometers電路模塊的仿真波形Fig.7 Simulation waveform of kilometers circuit module

4.5 Money電路模塊

計費模塊可分為M1、M2兩個進程和二進制轉(zhuǎn)BCD碼模塊。M1進程用于設(shè)置公里收費的單價unit_price和產(chǎn)生允許按公里計費的en_km信號。當記錄距離達到5 km后，en_km=1，允許開始按公里收費。當總費用大于100元或行駛總公里數(shù)超過50 km后，單價unit_price由原來的1.6/km變?yōu)?.4/km。

M2進程用于進行總費用的累計。當clk_time_ok=1時，總費用加上等待時間單價wait_unit_price；當en_km=1且對clk_100m=1計數(shù)達到10時，總費用加上公里收費的單價unit_price。為了進行加法運算時候更便捷，此處采用的是二進制加法，要顯示出十進制數(shù)字，需將總費用和單價經(jīng)過B_to_BCD模塊進行轉(zhuǎn)換，輸出總費用以及單價的BCD碼，以便顯示模塊進行顯示輸出。

4.6 LCD顯示電路模塊

將各個模塊輸出的需要顯示的數(shù)據(jù)（總費用，行駛公里，等待時間，當前行駛單價 ）傳送給此電路模塊，經(jīng)本電路將數(shù)據(jù)輸出顯示到LCD1602上。由于LCD1602顯示的是數(shù)據(jù)的ASCⅡ碼值，故在將要顯示的數(shù)據(jù)前先轉(zhuǎn)換為對應數(shù)字的ASCⅡ碼值，再將此值傳送給LCD1602[11]。利用VHDL編寫的LCD1602顯示核心程序為：

利用VHDL狀態(tài)機實現(xiàn)對LCD1602的數(shù)據(jù)寫入。圖8為LCD1602顯示屏的初始狀態(tài)。

圖8 LCD1602顯示屏的初始狀態(tài)Fig.8 Original state of LCD1602

5 整個系統(tǒng)的測試

根據(jù)以上10個模塊的程序，編寫頂層程序文件（TAXI_TOP.vhd），進行編譯，鎖定引腳。整個系統(tǒng)的輸入引腳共有 7位，一位時鐘信號（clk_20M），一位復位信號（reset），一位啟動/暫停信號（start_stop）和4位速度信號（grade）。輸出引腳共有 27位，其中 3位 LCD1602控制位（RS/RW/EN），8位數(shù) 據(jù) （DATA），8 位 速 度 指 示 燈 （light），4 位 百 公 里 標 志（Flag_100km），4 位千元標志（Flag_1000RMB）。

由clk_20 M引入20MHz時鐘頻率，reset鎖定到一個常高按鍵，start_stop鎖定到一位撥碼開關(guān)，grade[3..0]由4位撥碼開關(guān)輸入。Light[7..0]鎖定到8個LED燈上，F(xiàn)lag_100km[3..0]和Flag_1000RMB[3..0]分別鎖定到兩位LED數(shù)碼管上，RS、RW、EN、DATA[7..0]分別鎖定到對應的LCD1602的輸入引腳上。通過編譯把程序下載到康芯 KX_7C CycloneⅢ 系列EP3C5E144C8型實驗開發(fā)系統(tǒng)上進行實驗測試。

首先將start_stop和grade[3..0]置零，然后按下復位鍵reset，液晶屏上顯示免費等待時間“<05:00>”，公里計費單價“<1.6/km>”，起步價“￥:007.0”，行駛公里數(shù)“km:00.0”。

當把start_stop置1后，倒計時鐘開始倒計時，表示開始計費，處在等待狀態(tài)。若此時將grade置為任何一個非零值，則倒計時鐘停止倒計時，并且公里數(shù)開始增加，同時8位LED數(shù)碼管順序點亮，點亮的速度隨著grade的值增大而增大。公里數(shù)超過5 km后，每增加1 km，總費用累加1.6元。當公里數(shù)漲到50 km后，行駛單價由1.6變?yōu)?.4，每再增加1 km，總費用累加2.4元。直到公里數(shù)增至100 km，公里數(shù)溢出標志數(shù)碼管加1，而LCD1602顯示公里數(shù)變?yōu)?。此時，如果將grade置零，則倒計時鐘又接著開始倒計時。當?shù)褂嫷?0:00時，開始正計時，且每1分鐘，總費用累加0.8元。當總費用達到1 000時，總費用標志數(shù)碼管加1，LCD1602顯示的總費用從零開始繼續(xù)計費。我們還可以復位后重新開始測試，讓公里數(shù)未到達50 km時，使grade為零，系統(tǒng)進入等待計費狀態(tài)，直到總費用增至100元后，行駛單價也會由1.6元變?yōu)?.4元。

在上述過程中，一旦start_stop置0，整個系統(tǒng)將處于暫停狀態(tài)，停留在暫停前一時刻的狀態(tài)。一旦reset置0，整個系統(tǒng)復位，回到初始狀態(tài)。

本系統(tǒng)中各個收費參數(shù)標準都可精確到0.1元，在程序中可輕松更改起步價、里程單價、等待時間收費單價等參數(shù)，而無需費力更改大量程序。

由于在數(shù)字電路的輸入信號中抖動是不可避免的，抖動會造成嚴重的后果。所以對輸入信號去抖是邏輯電路設(shè)計中的必要環(huán)節(jié)，也是提高數(shù)字系統(tǒng)電磁兼容能力的關(guān)鍵技術(shù)[10]。所以在系統(tǒng)中加入了復位按鍵去抖電路 （Key_stable電路模塊），有效的防止在汽車上嘈雜震動環(huán)境下的誤操作。

在使用康芯CycloneⅢ系列EP3C5E144C8型芯片實驗板時，為了實驗演示清晰明了，利用僅有的8個LED燈順序點亮快慢以表示行駛速度的大小，以為客戶顯示更直觀的效果。由于系統(tǒng)總費用的量程范圍為999.9元，總公里數(shù)的量程范圍為99.9 km，為了能夠顯示更大的量程范圍，利用實驗板上的兩位LED數(shù)碼管分別表示總費用和總量程的溢出標志位，即每到1 000元或100 km后，相應的溢出位加1，其范圍為（1～F），這樣該系統(tǒng)顯示的總費用量程能夠達到 15 999.9元，行駛總公里數(shù)能夠達到1 599.9 km。

6 結(jié)束語

文中運用VHDL語言采用電子產(chǎn)品設(shè)計中比較先進的FPGA技術(shù)設(shè)計了一款出租車計費系統(tǒng)，實現(xiàn)了出租車計費器的主要功能，運行穩(wěn)定、可靠。EDA技術(shù)是以計算機為工具來完成數(shù)字系統(tǒng)的邏輯綜合、布局布線和設(shè)計仿真等工作，電路設(shè)計者只需要完成對系統(tǒng)功能的描述，就可由計算機軟件進行系統(tǒng)處理，得到設(shè)計結(jié)果，且修改設(shè)計方案如同修改軟件一樣方便。如本出租車計費系統(tǒng)中設(shè)定的起步價、行駛單價、免費行駛公里數(shù)、等待時間計費標準、免費等待時間等均不需要硬件電路的支持而直接可以在VHDL源程序中進行修改?？梢?，利用FPGA可以極大地提高設(shè)計效率和靈活度并且修改快捷。

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