出租车计费器.docx
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出租车计费器
广州大学松田学院
课程设计说明书
题目出租车计费器
姓名
专业电子信息工程
班级09级电子一班
系(部)电气与汽车工程系
指导教师詹宝容
年月日
目录
摘 要I
AbstractII
第1章绪论1
1.1选题的背景1
1.2EDA发展概况3
1.3出租车计价器简介4
1.3.1出租车计费器的特点4
1.3.2出租车计费器发展趋势4
1.4本设计所要实现的目标4
第2章系统的工作原理6
第3章出租车计费器硬件设计7
3.1QuartusII7
3.2主要元器件介绍8
3.2.1计数器8
3.2.2数据选择器9
3.2.3LED9
3.2.4施密特触发器10
第4章出租车计费器软件设计12
4.1各个模块介绍12
4.1.1计量模块12
4.1.2分频模块13
4.1.3控制模块14
4.1.4计费模块15
4.1.5译码显示模块16
4.1.6顶层模块,元件例化语句16
4.2各个模块源程序17
4.2.1计量模块17
4.2.2分频源程序:
19
4.2.3控制源程序21
4.2.4计费源程序21
第5章结束语23
参考文献:
24
摘 要
该系统利用VHDL语言、PLD设计出租车计费系统,以QuartusII软件作为开发平台,设计了出租车计费器系统程序并进行了程序仿真。
使其实现计费以及预置和模拟汽车启动、停止、暂停等功能,并动态扫描显示车费数目。
关键词:
出租车计费器、计数器、VHDL语言、QuartusII
Abstract
ThissystemusingtheVHDLlanguage,PLDdesignrentalcarcoststhesystem,developstheplatformbytheQuartusIIsoftwareachievement,hasdesignedtherentalcarfareregistersystemprogramandhascarriedontheproceduresimulation.Causesitsrealizationtocostaswellastheinitializationandthesimulationautomobilestarts,stops,functionandsoonsuspension,anddynamicscanningdemonstrationfarenumber.
Keywords:
Therentalcarcoststhesystem、thecounter、theVHDLlanguage、QuartusII
第1章绪论
1.1选题的背景
随着出租车行业的发展,对出租车计费器的要求也越来越高。
二十世纪后半期,随着集成电路和计算机技术的飞速发展,数字系统也得到了飞速发展,其实现方法经历了由分立元件、SSI、MSI到LSI、VLSI以及UVLSI的过程。
同时为了提高系统的可靠性与通用性,微处理器和专业集成电路(ASIC)逐渐取代了通用全硬件LSI电路,而ASIC以其体积小、重量轻、功耗低、速度快、成本低、保密性好而脱颖而出。
目前,业界大量可编程逻辑器件(PLD),尤其是现场可编程逻辑器件(FPLD)被大量地应用在ASIC的制作当中。
在可编程集成电路的开发过程中,以计算机为工作平台,融合了应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果的电子设计自动化(EDA)技术主要能辅助进行三方面的设计工作:
IC设计,电子电路设计以及PCB设计。
理想的可编程逻辑开发系统能符合大量的设计要求:
它能够支持不同结构的器件,在多种平台运行,提供易于使用的界面,并且有广泛的特征。
此外,一个设计系统应该能给设计师提供充分自由的设计输入方法和设计工具选择。
理想的可编程逻辑开发系统能符合大量的设计要求:
它能够支持不同结构的器件,在多种平台运行,提供易于使用的界面,并且有广泛的特征。
此外,一个设计系统应该能给设计师提供充分自由的设计输入方法和设计工具选择。
Altere公司开发的QuartusII开发系统能充分满足可编程逻辑设计所有要求。
QuartusII设计环境所提供的灵活性和高效性是无可比拟的。
其丰富的图形界面,辅之以完整的、可及时访问的在线文档,使设计人员能够轻松、愉快地掌握和使用QuartusII软件。
编程器是一种专门用于对可编程器(如EPROM,EEPROM,GAL,CPLD,PAL等)进行编程的专业设备
PLD器件的逻辑功能描述一般分为原理图描述和硬件描述语言描述,原理图描述是一种直观简便的方法,它可以将现有的小规模集成电路实现的功能直接用PLD器件来实现,而不必去将现有的电路用语言来描述,但电路图描述方法无法做到简练;硬件描述语言描述是可编程器件设计的另一种描述方法,语言描述可能精确和简练地表示电路的逻辑功能,现在PLD的设计过程中广泛使用。
常用的硬件描述语言有ABEL,VHDL语言等,其中ABEL是一种简单的硬件描述语言,其支持布尔方程、真值表、状态机等逻辑描述,适用于计数器、译码器、运算电路、比较器等逻辑功能的描述;VHDL语言是一种行为描述语言,其编程结构类似于计算机中的C语言,在描述复杂逻辑设计时,非常简洁,具有很强的逻辑描述和仿真能力,是未来硬件设计语言的主流。
VHDL就是超高速集成电路硬件描述语言。
覆盖面广,描述能力强,是一个多层次的硬件描述语言。
在VHDL语言中,设计的原始描述可以非常简练,经过层层加强后,最终可成为直接付诸生产的电路或版图参数描述。
具有良好的可读性,即容易被计算机接受,也容易被读者理解。
使用期长,不会因工艺变化而使描述过时。
因为VHDL的硬件描述与工艺无关,当工艺改变时,只需修改相应程序中的属性参数即可。
支持大规模设计的分解和已有设计的再利用。
一个大规模的设计不可能由一个人独立完成,必须由多人共同承担,VHDL为设计的分解和设计的再利用提供了有力的支持。
随着EDA技术的高速发展,电子系统的设计技术和工具发生了深刻的变化,大规模可编程逻辑器件CPLD/FPGA的出现,给设计人员带来了诸多方便。
利用它进行产品开发,不仅成本低、周期短、可靠性高,而且具有完全的知识产权。
利用VHDL语言设计出租车计费系统,使其实现计费以及预置和模拟汽车启动、停止、暂停等功能,并设计动态扫描电路显示车费数目,突出了其作为硬件描述语言的良好的可读性、可移植性和易读性等优点。
此程序通过下载到特定芯片后,可应用于实际的出租车计费系统中。
1.2EDA发展概况
电子设计技术的核心就是EDA技术,EDA是指以计算机为工作台,融合应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成的电子CAD通用软件包,主要能辅助进行三方面的设计工作,即IC设计、电子电路设计和PCB设计。
EDA技术已有30年的发展历程,大致可分为三个阶段。
70年代为计算机辅助设计(CAD)阶段,人们开始用计算机辅助进行IC版图编辑、PCB布局布线,取代了手工操作。
80年代为计算机辅助工程(CAE)阶段。
与CAD相比,CAE除了有纯粹的图形绘制功能外,又增加了电路功能设计和结构设计,并且通过电气连接网络表将两者结合在一起,实现了工程设计。
CAE的主要功能是:
原理图输入,逻辑仿真,电路分析,自动布局布线,PCB后分析。
90年代为电子系统设计自动化(EDA)阶段。
中国EDA市场已渐趋成熟,不过大部分设计工程师面向的是PC主板和小型ASIC领域,仅有小部分(约11%)的设计人员开发复杂的片上系统器件。
为了与台湾和美国的设计工程师形成更有力的竞争,中国的设计队伍有必要购入一些最新的EDA技术。
在信息通信领域,要优先发展高速宽带信息网、深亚微米集成电路、新型元器件、计算机及软件技术、第三代移动通信技术、信息管理、信息安全技术,积极开拓以数字技术、网络技术为基础的新一代信息产品,发展新兴产业,培育新的经济增长点。
要大力推进制造业信息化,积极开展计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工程(CAE)、计算机辅助工艺(CAPP)、计算机机辅助制造(CAM)、产品数据管理(PDM)、制造资源计划(MRPII)及企业资源管理(ERP)等。
有条件的企业可开展“网络制造”,便于合作设计、合作制造,参与国内和国际竞争。
开展“数控化”工程和“数字化”工程。
自动化仪表的技术发展趋势的测试技术、控制技术与计算机技术、通信技术进一步融合,形成测量、控制、通信与计算机(M3C)结构。
在ASIC和PLD设计方面,向超高速、高密度、低功耗、低电压方向发展。
外设技术与EDA工程相结合的市场前景看好,如组合超大屏幕的相关连接,多屏幕技术也有所发展。
1.3出租车计价器简介
1.3.1出租车计费器的特点
出租汽车计价器是一种专用的计量器具,它安装在出租汽车上,是出租汽车运营者和乘客之间贸易结算的工具。
出租汽车计价器的主要计量性能是计程和计时。
随着电子及计算机技术的发展及应用,出租汽车计价器增加了许多新的功能,如各种收费点的自动转换、大量运营数据的存储、税控功能、自动打印发票、城市交通一卡通及其他的管理功能等。
出租汽车计价器的产品质量主要体现在以下几个方面:
计量性能的准确度、对环境的适应性、抗电磁及汽车干扰的能力。
它的产品质量直接影响到出租汽车运营者及消费者的切身利益。
1.3.2出租车计费器发展趋势
我国出租汽车计价器制造业是随着城市出租汽车行业的发展而发展起来的,随着城市出租汽车数量的不断增加,国家法制计量管理的不断加强,我国出租汽车计价器已成为各管理部门对出租车行业管理不可缺少的重要手段。
同时就计价器本身而言,当今先进技术的综合应用已使其技术含量得到很大的提升。
出租汽车计价器发展前景是不错的。
现在各大中城市出租车行业都已普及自动计费器,所以计费器技术的发展已成定局。
而部分小城市尚未普及,但随着城市建设日益加快,象征着城市面貌的出租车行业也将加速发展,计费器的普及也是毫无疑问的,所以未来汽车计费器的市场还是十分有潜力的。
1.4本设计所要实现的目标
一、能够实现计费功能
一般分成3个阶段:
(1)车起步开始计费。
首先显示起步价(本次设计起步费为3.00元),车在行驶3km以内,只收起步价3.00元。
(2)车行驶超过3km后,按每公里1.5元计费(在3.00元基础上每行驶1km车费加1.5元),车费依次累加。
(3)在行驶途中,若停下来等待,累计时间超过2min,按每分钟1.6元计费。
总费用=起步价+(里程-3km)*里程单价+等候时间*等候单价。
二、能够实现显示功能
(1)显示汽车行驶里程:
用四位数字显示,显示方式为“XXXX”,单价为km。
计程范围为0~99km,计程分辨率为1km。
(2)显示等候时间:
用两位数字显示分钟,显示方式为“XX”。
计时范围为0~59min,计时分辨率为1min。
(3)显示总费用:
用四位数字显示,显示方式为“XXX.X”,单位为元。
计价范围为999.9元,计价分辨率为0.1元。
在本次设计中,最重要的是计费功能的设计与实现,而显示功能是针对在哪里去实现与检验,有的实验箱上自带数码管译码显示电路,因此不需再写译码程序,选定模式直接管脚锁定在对用的数码管上即可实现。
也可以用译码/动态扫描模块将路程与费用的数值译码后用动态扫描的方式驱动数码管;数码管显示模块将公里数和计费金额均用4位LED数码管显示(3位整数,1位小数)。
第2章系统的工作原理
根据设计要求,系统的输入信号clk,计价开始信号Start,等待信号Stop,里程脉冲信号fin。
系统得输出信号有:
总费用数cha0~cha3,行驶距离km0~km1,等待时间min0~min1等。
系统有两个脉冲输入信号clk_240、lc,其中clk_240将根据设计要求分频成13hz、15hz和1hz分别作为公里计费和超时计费的脉冲。
两个控制输入开关start、stop;控制过程为:
start作为计费开始开关,当start为高电平时,系统开始根据输入的情况计费。
当有乘客上车并开始行驶时,fin脉冲到来,进行行驶计费,此时的stop需要置为0;如需停车等待,就把stop变为高电平,并去除fin输入脉冲,进行等待计费;当乘客下车且不等待时,直接将start置为0,系统停止工作;价格开始归为起步价5.00元。
整个设计由分频模块、计量模块、计费模块、控制模块等四个部分组成。
其中计量模块是整个系统实现里程计数和时间计数的重要部分;控制模块是实现不同计费方式的选择部分,根据所设计的使能端选择是根据里程计费还是根据等待时间计费;同时设计通过分频模块产生不同频率的脉冲信号来实现系统的计费。
计量模块采用1HZ的驱动信号,计费模块采用15HZ、16HZ的驱动信号;计量模块每计数一次,计费模块就实现15次或者16次计数,即为实现计时时的1.5元/min、计程时的1.6元/km的收费。
组成框图如下所示。
第3章出租车计费器硬件设计
3.1QuartusII
QuartusII是Altera公司的综合性PLD开发软件,支持原理图、VHDL、VerilogHDL以及AHDL(AlteraHardwareDescriptionLanguage)等多种设计输入形式,内嵌自有的综合器以及仿真器,可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程。
QuartusII可以在XP、Linux以及Unix上使用,除了可以使用Tcl脚本完成设计流程外,提供了完善的用户图形界面设计方式。
具有运行速度快,界面统一,功能集中,易学易用等特点。
QuartusII支持Altera的IP核,包含了LPM/MegaFunction宏功能模块库,使用户可以充分利用成熟的模块,简化了设计的复杂性、加快了设计速度。
对第三方EDA工具的良好支持也使用户可以在设计流程的各个阶段使用熟悉的第三方EDA工具。
此外,QuartusII通过和DSPBuilder工具与Matlab/Simulink相结合,可以方便地实现各种DSP应用系统;支持Altera的片上可编程系统(SOPC)开发,集系统级设计、嵌入式软件开发、可编程逻辑设计于一体,是一种综合性的开发平台。
MaxplusII作为Altera的上一代PLD设计软件,由于其出色的易用性而得到了广泛的应用。
目前Altera已经停止了对MaxplusII的更新支持,QuartusII与之相比不仅仅是支持器件类型的丰富和图形界面的改变。
Altera在QuartusII中包含了许多诸如SignalTapII、ChipEditor和RTLViewer的设计辅助工具,集成了SOPC和HardCopy设计流程,并且继承了MaxplusII友好的图形界面及简便的使用方法。
AlteraQuartusII作为一种可编程逻辑的设计环境,由于其强大的设计能力和直观易用的接口,越来越受到数字系统设计者的欢迎。
3.2主要元器件介绍
3.2.1计数器
计数是一种最简单基本的运算,计数器就是实现这种运算的逻辑电路,计数器在数字系统中主要是对脉冲的个数进行计数,以实现测量、计数和控制的功能,同时兼有分频功能,计数器是由基本的计数单元和一些控制门所组成,计数单元则由一系列具有存储信息功能的各类触发器构成,这些触发器有RS触发器、T触发器、D触发器及JK触发器等。
计数器在数字系统中应用广泛,如在电子计算机的控制器中对指令地址进行计数,以便顺序取出下一条指令,在运算器中作乘法、除法运算时记下加法、减法次数,又如在数字仪器中对脉冲的计数等等。
计数器可以用来显示产品的工作状态,一般来说主要是用来表示产品已经完成了多少份的折页配页工作。
它主要的指标在于计数器的位数,常见的有3位和4位的。
很显然,3位数的计数器最大可以显示到999,4位数的最大可以显示到9999。
计数器作用:
在数字电子技术中应用的最多的时序逻辑电路。
计数器不仅能用于对时钟脉冲计数,还可以用于分频、定时、产生节拍脉冲和脉冲序列以及进行数字运算等。
但是并无法显示计算结果,一般都是要通过外接LCD或LED屏才能显示。
计数器的种类:
1、如果按照计数器中的触发器是否同时翻转分类,可将计数器分为同步计数器和异步计数器两种。
常见的同步计数器有74160系列,74LS190系列,常见的异步计数器有74LS290系列。
2、如果按照计数过程中数字增减分类,又可将计数器分为加法计数器、减法计数器和可逆计数器,随时钟信号不断增加的为加法计数器,不断减少的为减法计数器,可增可减的叫做可逆计数器。
在本次设计,用74160芯片就能实现各模块的计数功能,把输出端连接7400芯片的与非门接入到置零端,就能实现任意进制的计数器。
3.2.2数据选择器
在多路数据传送过程中,能够根据需要将其中任意一路选出来的电路,叫做数据选择器,也称多路选择器或多路开关。
数据选择器(MUX)的逻辑功能是在地址选择信号的控制下,从多路数据中选择一路数据作为输出信号。
数据选择器分类有2选1,4选1、8选1和16选1等类型的数据选择器,又叫“多路开关”。
在本次设计,用2选1数据选择器就行了。
3.2.3LED
LED(LightEmittingDiode),发光二极管,是一种固态的半导体器件,它可以直接把电转化为光。
LED的心脏是一个半导体的晶片,晶片的一端附在一个支架上,一端是负极,另一端连接电源的正极,使整个晶片被环氧树脂封装起来。
半导体晶片由两部分组成,一部分是P型半导体,在它里面空穴占主导地位,另一端是N型半导体,在这边主要是电子。
但这两种半导体连接起来的时候,它们之间就形成一个“P-N结”。
当电流通过导线作用于这个晶片的时候,电子就会被推向P区,在P区里电子跟空穴复合,然后就会以光子的形式发出能量,这就是LED发光的原理。
而光的波长决定光的颜色,是由形成P-N结材料决定的。
LED(Light-Emitting-Diode中文意思为发光二极管)是一种能够将电能转化为光能的半导体,它改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理,而采用电场发光。
据分析,LED的特点非常明显,寿命长、光效高、无辐射与低功耗。
LED的光谱几乎全部集中于可见光频段,其发光效率可超过150lm/W(2010年)。
将LED与普通白炽灯、螺旋节能灯及T5三基色荧光灯进行对比,结果显示:
普通白炽灯的光效为12lm/W,寿命小于2000小时,螺旋节能灯的光效为60lm/W,寿命小于8000小时,T5荧光灯则为96lm/W,寿命大约为10000小时,而直径为5毫米的白光LED光效可以超过150lm/W,寿命可大于100000小时。
有人还预测,未来的LED寿命上限将无穷大。
大功率,指发光功率大,一般指0.5W,1W3W5W或更高的。
光强与流明是比小功率大,但同样散热也很大,现在大功率都是单颗应用,加很大的散热片。
小功率一般是0.06W左右的。
现在LED手电一般是用小功率用的,光散不散,取决于LED的发光角度,有大角度小角度之分,小角度不散,大角度才散。
市面上的手电筒一般是用草帽头做的。
效果很好。
现在就担心有些厂家不重质量,拿的次品LED做电筒,用不了多久就有死灯。
LED的亮度是跟LED的发光角度有必然关系的,LED的角度越小它的亮度越高,没有什么超亮不超亮的,那是骗小孩的,如果是质量好的LED不管是哪家LED厂家生产的大家的亮度都差不多的,只是生产工艺不一样,使用寿命略有不同,因为大家用的都是那几家国外的LED芯片.如果是5MM的LED180度角的白光的亮度只有几百MCD,如果是15度角的亮度就要去到一万多两万MCD的亮度了,亮度相差好几十倍了,如果是用于照明用的,在户外最好是用大功率的LED了,亮度就更高了,单个功率有1W,3W,5W,还有的是用多个大功率组合成一个大功率的LED,功率去到几百都有。
在本次设计,用LED分别显示等待时间,路程与费用。
3.2.4施密特触发器
施密特触发器也有两个稳定状态,但与一般触发器不同的是,施密特触发器采用电位触发方式,其状态由输入信号电位维持;对于负向递减和正向递增两种不同变化方向的输入信号,施密特触发器有不同的阀值电压。
门电路有一个阈值电压,当输入电压从低电平上升到阈值电压或从高电平下降到阈值电压时电路的状态将发生变化。
施密特触发器是一种特殊的门电路,与普通的门电路不同,施密特触发器有两个阈值电压,分别称为正向阈值电压和负向阈值电压。
在输入信号从低电平上升到高电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为正向阈值电压,在输入信号从高电平下降到低电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为负向阈值电压。
正向阈值电压与负向阈值电压之差称为回差电压。
它是一种阈值开关电路,具有突变输入——输出特性的门电路。
这种电路被设计成阻止输入电压出现微小变化(低于某一阈值)而引起的输出电压的改变。
利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用,可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。
输入的信号只要幅度大于vt+,即可在施密特触发器的输出端得到同等频率的矩形脉冲信号。
当输入电压由低向高增加,到达V+时,输出电压发生突变,而输入电压Vi由高变低,到达V-,输出电压发生突变,因而出现输出电压变化滞后的现象,可以看出对于要求一定延迟启动的电路,它是特别适用的.
从传感器得到的矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变。
当传输线上的电容较大时,波形的上升沿将明显变坏;当传输线较长,而且接受端的阻抗与传输线的阻抗不匹配时,在波形的上升沿和下降沿将产生振荡现象;当其他脉冲信号通过导线间的分布电容或公共电源线叠加到矩形脉冲信号时,信号上将出现附加的噪声。
无论出现上述的那一种情况,都可以通过用施密特反相触发器整形而得到比较理想的矩形脉冲波形。
只要施密特触发器的vt+和vt-设置得合适,均能收到满意的整形效果。
施密特触发器常用芯片有74LS18双四输入与非门(施密特触发);74LS14六反相器(施密特触发);74132、74LS132、74S132、74F132、74HC132四2输入与非施密特触发器触发器;74221、74LS221、74HC221、74C221双单稳态多谐振荡器(有施密特触发器)
本次设计时用来产生CLK脉冲信号,使路程、等待时间还有计费开始计数。
第4章出租车计费器软件设计
4.1各个模块介绍
4.1.1计量模块
计量模块主要完成计时和计程功能。
计时部分:
计算乘客的等待累积时间,当等待时间大于2min时,本模块中en1使能信号变为1;当clk1每来一个上升沿,计时器就自增1,计时器的量程为59min,满量程后自动归零。
计程部分:
计算乘客所行驶的公里数,当行驶里程大于3km时,本模块中en0使能信号变为1;当clk1每来一个上升沿,计程器就自增1,计程器的量程为99km,满量程后自动归零。
元件框图为:
计量模块仿真波形
等待时间计数
里程计数
计量
从以上图中课看出,当start为‘1’时,只要lc为‘1’且stop为‘0’时,里程就会开始计数,k0计数到9,k1就会计数加1,量程为99;若stop为‘1’且lc为‘0’时,等待时间就开始计数,m0计数到9,m1就会计数加1,量程为59
4.1.2分频模块
本设计中通过以上三种不
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