一種出租車計價器FPGA的設(shè)計和實現(xiàn)

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FPGA（Field-ProgrammableGateArray），即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。FPGA具有靈活性和及時面市的優(yōu)勢，越來越多地被設(shè)計者用來作為消費類、工業(yè)和汽車、有線和無線通信以及醫(yī)療市場等系統(tǒng)中ASIC的替代方案。Altera新款CycloneII器件系列是建立在Altera代Cyclone系列所創(chuàng)建的低成本FPGA領(lǐng)導(dǎo)地位之上的，提供了低風(fēng)險和低成本的解決方案，是中低規(guī)模ASIC吸引力的替代方案。

本文針對FPGA器件，用EDA工具軟件Max+P1usⅡ，設(shè)計了一種出租車的計價器，它可以以十進(jìn)制數(shù)的形式，直觀地顯示出租車行駛的里程和乘客應(yīng)付的費用，具有一定的實際應(yīng)用價值。

1系統(tǒng)設(shè)計要求

所要設(shè)計的出租車計價器，要求能夠顯示里程數(shù)和乘客應(yīng)付的費用，其中里程數(shù)到0.1km,乘客應(yīng)付的費用到O.1元，顯示必須以十進(jìn)制的形式來進(jìn)行。出租車的計費標(biāo)準(zhǔn)為：起步價6元，里程在3km以內(nèi)均為起步價；里程在3~7km之間時，每行駛1km增加1.6元；超過7km時，每行駛1km增加2.4元。

2系統(tǒng)設(shè)計方案

該系統(tǒng)的設(shè)計可以采用分立元件來搭建，也可以通過單片機來設(shè)計，而使用可編程FPGA來設(shè)計，具有設(shè)計周期短、易于修改等明顯特點，而且隨著可編程邏輯器件和EDA軟件的飛速發(fā)展，越來越多的電子系統(tǒng)采用FPGA來設(shè)計，一旦該系統(tǒng)達(dá)到一定的量產(chǎn)規(guī)模，也比較容易轉(zhuǎn)化為ASIC芯片設(shè)計。因此，基于FPGA來設(shè)計一個出租車的計價器。本系統(tǒng)在EDA工具軟件MAX+plusⅡ中，采用硬件描述語言VerilogHDL和原理圖設(shè)計相結(jié)合的方法，進(jìn)行各個模塊的設(shè)計，終將各個模塊組成整個系統(tǒng)。

里程計數(shù)器可以用一個三位BCD碼計數(shù)器來實現(xiàn)，能顯示到999.以前兩位為整數(shù)，第三位為小數(shù)，也就是能顯示里程99.9km,因為出租車都在市區(qū)和近郊活動，三位BCD碼計數(shù)器是可以實現(xiàn)里程計數(shù)的。里程計數(shù)器每計數(shù)1km還會周期性地輸出一個脈沖信號，稱為1km脈沖信號，可以通過一定的組合電路來實現(xiàn)。

系統(tǒng)的部分就是計費如何實現(xiàn)。這里就需要設(shè)計一個BCD碼的加法器，在起步價的基礎(chǔ)上，根據(jù)行駛里程的不同，依據(jù)計費標(biāo)準(zhǔn)，每增加1km加上一個單價，單價的產(chǎn)生可以用VerilogHDL編寫程序來實現(xiàn)。系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖如圖1所示。

2.1單價產(chǎn)生模塊

單價產(chǎn)生模塊的VerilogHDL源程序如下：

其中輸入信號bai和shi就是里程計數(shù)器輸出的兩位整數(shù)里程，輸出信號jia就是根據(jù)計費標(biāo)準(zhǔn)而產(chǎn)生的單價，以三位BCD碼的形式輸出，以前兩位為整數(shù)，第三位為小數(shù)。即里程在3km以內(nèi)時，jia=0;里程在3~7km之間時，jia=016（1.6元）；超過7km時，jia=024（2.4元）。

用VerilogHDL編寫程序來實現(xiàn)模塊功能的優(yōu)點在于，當(dāng)出租車的計費標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生變化時，可以很容易地通過改寫程序來完成新的設(shè)計，比起硬件電路的修改要方便得多，這也是用VerilogHDL來實現(xiàn)模塊功能的重要優(yōu)勢。

2.2三位BCD碼加法器

系統(tǒng)中用到了三位BCD碼加法器，可以實現(xiàn)三位十進(jìn)制數(shù)的加法運算。加法器輸出的結(jié)果就是乘客應(yīng)付的費用，這里同樣以前兩位為整數(shù)，第三位為小數(shù)，也就是能顯示99.9元。三位BCD碼加法器由三個一位BCD碼加法器級聯(lián)而成。

一位BCD碼由四位二進(jìn)制數(shù)組成，四位二進(jìn)制數(shù)的加法運算會產(chǎn)生大于9的數(shù)字，必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整才會產(chǎn)生正確的結(jié)果。一位BCD碼加法器的VerilogHDL源程序如下：

一位BCD碼加法器模塊的仿真波形和生成的模塊符號如圖2和圖3所示。

本模塊中A和B為輸入的一位BCD碼，CIN為低位來的進(jìn)位信號，CO是本片向高位產(chǎn)生的進(jìn)位輸出信號，SUM是兩個數(shù)相加的和。三位BCD碼加法器由三個本模塊級聯(lián)而成，其電路原理圖和仿真波形如圖4和圖5所示。

2.3緩沖器模塊

緩沖寄存器又稱緩沖器，它分輸入緩沖器和輸出緩沖器兩種。前者的作用是將外設(shè)送來的數(shù)據(jù)暫時存放，以便處理器將它取走；后者的作用是用來暫時存放處理器送往外設(shè)的數(shù)據(jù)。有了數(shù)控緩沖器，就可以使高速工作的CPU與慢速工作的外設(shè)起協(xié)調(diào)和緩沖作用，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送的同步。由于緩沖器接在數(shù)據(jù)總線上，故必須具有三態(tài)輸出功能。另有電梯緩沖器，汽車彈簧緩沖器。

三位BCD碼加法器輸出的結(jié)果通過緩沖器以后，反饋到輸入端重新作為一個加數(shù)，在1km脈沖信號的作用下，每來一個脈沖就和單價相加，形成連續(xù)累加的功能。緩沖器還有一個控制輸入端LD,LD=O時，在1km脈沖的作用下，輸出起步價6元；LD=1時，在1km脈沖的作用下，輸出和輸入相等。緩沖器的VerilogHDL源程序如下：

2.4整體電路

將各個模塊按照輸入輸出關(guān)系連接成整體電路如圖6所示。

在整體電路中，clk為原始的時鐘輸入端，cr為異步清零端，q[11O]輸出里程，jiaqian[11O]輸出乘客應(yīng)付的費用。

3系統(tǒng)仿真驗證

整體電路的仿真波形如圖7所示。

從系統(tǒng)仿真波形圖7（a）中可以看出，當(dāng)清零端cr=O時，里程數(shù)立刻清零，乘客應(yīng)付的費用顯示三位十進(jìn)制數(shù)060（起步價6元），表示乘客剛上車。當(dāng)清零端cr=1時，出租車開始行進(jìn)，里程和費用都開始計數(shù)，里程顯示三位十進(jìn)制數(shù)，前兩位為整數(shù)，第三位為小數(shù)，也就是每行駛100m計數(shù)。

從系統(tǒng)仿真波形圖7（b）中可以看出，行駛到3km時，費用由6元增加為7.6元，行駛到4km時，費用由7.6元增加為9.2元，在3~7km之間時，每行駛1km增加1.6元。

系統(tǒng)仿真波形圖7（c）中顯示了每行駛1km后，費用逐漸累加的情況。系統(tǒng)仿真波形完全驗證了預(yù)期的設(shè)計要求。