基于FPGA的出租车计费模拟系统设计

□袁家兵 汪金成 杨 瑞 于玉亭

可编程逻辑器件自20世纪70年代以来，经历了PAL、GAL、CPLD、FPGA几个发展阶段，目前CPLD/FPGA器件已成为现代高层次电子设计方法的实现载体[1]。VHDL是一种全方位的硬件描述语言，包括系统行为级、寄存器传输级和逻辑门级多个设计层次，支持结构、数据流和行为3种描述形式的混合描述，因此VHDL几乎覆盖了以往各种硬件描述语言的功能，整个自顶向下或自底向上的电路设计过程都可以用VHDL来完成[2]。本文通过QuartusII软件运用VHDL语言编程实现在以FPGA为核心的硬件平台上的出租车计费模拟系统的设计。

一、系统设计要求

本设计主要实现以下要求，并运用QuartusⅡ软件对各个模块及顶层电路的功能进行仿真分析，将所设计的系统写入FPGA器件中，在实验箱上实现系统的硬件测试：一是设计一个电机驱动模块。实现电机的加速、减速、匀速、暂停、正转和反转等功能。二是设计一个出租车计费模块。要求出租车有4种车型可选，4种起步价可选，起步里程可设置1到8公里。等待时间满一分钟加一元。最终在6位七段数码管上显示行驶里程和计费值；三是设计红外遥控模块，以此来控制电机的各个功能以及设置计价器的各项设置。

二、系统实现与仿真

根据以上系统要求，本系统总体设计方案如图1所示，分为时钟模块、电机控制模块、出租车计费模块、红外遥控模块和显示模块等模块。其中时钟模块和显示模块比较简单，时钟模块采用PLL模块和分频模块产生所需的不同频率；显示模块为七段数码管和数码管显示；这两个模块比较简单，此处不再展开介绍设计实现过程。

图1 系统总体设计方案

(一)电机控制模块设计。电机控制模块主要分为调速模块和正反转模块。调速模块的作用就是用来调节直流电机的转速，核心就是通过改变PWM的占空比。此处通过定值计数器来控制周期大小，可变计数器调整占空比，数值比较器完成高低电平的变化。正反转控制模块则是实现通过按键来控制电机的转向。电机控制模块的设计原理图如图2所示。

图2 电机控制模块原理图

(二)出租车计费模块设计。现代出租车车轮直径大概有4种，起步价各个城市都有自己的定价，这里设置4种，起步里程设置从1到8公里。出租车计费模块由车型选择模块、里程计算模块、计费模块等模块组成。

1.车型选择模块。电机转一圈进过光敏传感器会产生一个脉冲信号，一圈周长为C，圈数为N，里程为S，则S=C*N。车型选择模块输出的脉冲信号一个脉冲代表100米，由上述公式可算出圈数N，即为分频数。

4种车轮直径(d)为52.21cm,53.98cm,55.87cm,57.90cm。经公式N=100/(3.14*d)，可得分频数为60,58,56,54，如表1所示。

表1 车型选择

2.里程计算模块。车型选择模块输出百米脉冲到里程计算模块，里程计算模块在脉冲上升沿到来时计数一次，计数满10次即为一公里。输入”DIP”为设置起步里程，超过起步里程每计数满10次，起步里程加一，同时输出一个公里脉冲给计费模块。

3.计费模块。计费模块接收到一公里脉冲信号后，再其上升沿到来时计费一次，当计费小于设置的起步价时数码管显示起步价，超过起步价时上升沿到来一次按2元或3元加价一次。当出租车停止等待时，由红外控制输出等待信号waite为高电平，此时进入等待计费，满一分钟加一元。

4.出租车计费模块设计。出租车计费模块的设计原理图如图3所示。

图3 出租车计费模块原理图

5.出租车计费模块仿真。起步价输入为“00”即5元，当计费超过5元时，price输入为“0”则按2元计价，price输入为“1”则按3元加价，如图4所示。

图4 出租车计费模块仿真结果

(三)红外遥控模块设计。红外控制模块设计分为红外解码和红外控制两个模块。开发板板载的红外接收头，其型号为HS0038B。红外控制模块用于控制电机及计价器的设置，以此模拟出租车从打火启动到乘客上下车最后熄火的过程。

三、系统硬件测试

将所设计的代码下载到FPGA上进行系统功能测试，可以实现在遥控器控制下系统的正常工作，其中S6状态载客计费的硬件测试结果如图5所示。

图5 S6状态，载客计费