基于FPGA的出租車計費模擬系統設計

□袁家兵 汪金成 楊 瑞 于玉亭

可編程邏輯器件自20世紀70年代以來，經歷了PAL、GAL、CPLD、FPGA幾個發展階段，目前CPLD/FPGA器件已成為現代高層次電子設計方法的實現載體[1]。VHDL是一種全方位的硬件描述語言，包括系統行為級、寄存器傳輸級和邏輯門級多個設計層次，支持結構、數據流和行為3種描述形式的混合描述，因此VHDL幾乎覆蓋了以往各種硬件描述語言的功能，整個自頂向下或自底向上的電路設計過程都可以用VHDL來完成[2]。本文通過QuartusII軟件運用VHDL語言編程實現在以FPGA為核心的硬件平臺上的出租車計費模擬系統的設計。

一、系統設計要求

本設計主要實現以下要求，并運用QuartusⅡ軟件對各個模塊及頂層電路的功能進行仿真分析，將所設計的系統寫入FPGA器件中，在實驗箱上實現系統的硬件測試：一是設計一個電機驅動模塊。實現電機的加速、減速、勻速、暫停、正轉和反轉等功能。二是設計一個出租車計費模塊。要求出租車有4種車型可選，4種起步價可選，起步里程可設置1到8公里。等待時間滿一分鐘加一元。最終在6位七段數碼管上顯示行駛里程和計費值；三是設計紅外遙控模塊，以此來控制電機的各個功能以及設置計價器的各項設置。

二、系統實現與仿真

根據以上系統要求，本系統總體設計方案如圖1所示，分為時鐘模塊、電機控制模塊、出租車計費模塊、紅外遙控模塊和顯示模塊等模塊。其中時鐘模塊和顯示模塊比較簡單，時鐘模塊采用PLL模塊和分頻模塊產生所需的不同頻率；顯示模塊為七段數碼管和數碼管顯示；這兩個模塊比較簡單，此處不再展開介紹設計實現過程。

圖1 系統總體設計方案

(一)電機控制模塊設計。電機控制模塊主要分為調速模塊和正反轉模塊。調速模塊的作用就是用來調節直流電機的轉速，核心就是通過改變PWM的占空比。此處通過定值計數器來控制周期大小，可變計數器調整占空比，數值比較器完成高低電平的變化。正反轉控制模塊則是實現通過按鍵來控制電機的轉向。電機控制模塊的設計原理圖如圖2所示。

圖2 電機控制模塊原理圖

(二)出租車計費模塊設計。現代出租車車輪直徑大概有4種，起步價各個城市都有自己的定價，這里設置4種，起步里程設置從1到8公里。出租車計費模塊由車型選擇模塊、里程計算模塊、計費模塊等模塊組成。

1.車型選擇模塊。電機轉一圈進過光敏傳感器會產生一個脈沖信號，一圈周長為C，圈數為N，里程為S，則S=C*N。車型選擇模塊輸出的脈沖信號一個脈沖代表100米，由上述公式可算出圈數N，即為分頻數。

4種車輪直徑(d)為52.21cm,53.98cm,55.87cm,57.90cm。經公式N=100/(3.14*d)，可得分頻數為60,58,56,54，如表1所示。

表1 車型選擇

2.里程計算模塊。車型選擇模塊輸出百米脈沖到里程計算模塊，里程計算模塊在脈沖上升沿到來時計數一次，計數滿10次即為一公里。輸入”DIP”為設置起步里程，超過起步里程每計數滿10次，起步里程加一，同時輸出一個公里脈沖給計費模塊。

3.計費模塊。計費模塊接收到一公里脈沖信號后，再其上升沿到來時計費一次，當計費小于設置的起步價時數碼管顯示起步價，超過起步價時上升沿到來一次按2元或3元加價一次。當出租車停止等待時，由紅外控制輸出等待信號waite為高電平，此時進入等待計費，滿一分鐘加一元。

4.出租車計費模塊設計。出租車計費模塊的設計原理圖如圖3所示。

圖3 出租車計費模塊原理圖

5.出租車計費模塊仿真。起步價輸入為“00”即5元，當計費超過5元時，price輸入為“0”則按2元計價，price輸入為“1”則按3元加價，如圖4所示。

圖4 出租車計費模塊仿真結果

(三)紅外遙控模塊設計。紅外控制模塊設計分為紅外解碼和紅外控制兩個模塊。開發板板載的紅外接收頭，其型號為HS0038B。紅外控制模塊用于控制電機及計價器的設置，以此模擬出租車從打火啟動到乘客上下車最后熄火的過程。

三、系統硬件測試

將所設計的代碼下載到FPGA上進行系統功能測試，可以實現在遙控器控制下系統的正常工作，其中S6狀態載客計費的硬件測試結果如圖5所示。

圖5 S6狀態，載客計費