2021年度基于FPGA的出租车计价器的设计

论文题目:基于FPGA出租车计价器设计

专 业:微电子科学和工程

摘要

含有良好性能计价器不管是对广大出租车司机好友还是乘客来说全部是很必需。现在各大中城市出租车行业全部已普及自动计价器,而部分小城市还未普及,但伴随城市建设日益加紧,象征着城市面貌出租车行业也将加速发展,所以计价器普及也是毫无疑问。

FPGA发展趋势及结构特点和VHDL语言优点及语法结构,并分析了出租车计价器各模块功效要求、基础原理和实现方法。

本论文设计采取VHDL硬件描述语言进行编程,基于Quartus
同时给出了具体仿真波形,实现了出租车基础计费功效,还能模拟汽车开启, 停止,暂停等状态, 同时提升了计费系统可靠性、通用性。 本设计在FPGA试验箱上运行良好,实现了计费器各项功效。

关键字FPGA,VHDL, Quartus II, 出租车计价器

Subject:Thedesign of the taxi meter based on FPGA

Specialty:Microeletronics Science and Engineering

Name:DanShen (Signature) ___________

Instructor:Gaili Yue (Signature) ___________

ABSTRACT

Taximeter is the rule of passenger and driver. Have a good performance ofthe meter for

and some small city has not been popular, but with the quickening ofcity construction, the
our taxi driver or passenger is verynecessary. Now the automatic taxi meter has popularized,

structureofthe FPGA, andexplains the advantages and grammarstructure of VHDL ,meanwhile, analysed the function request, thebasic principle as well as the method ofaccomplishment of each parts.This system's design programmes in the VHDL, compiled and emulatedbasing on Quartus II platform of Altera consists of four modules,that is speed, mileage, timing and billing module. This paperintroduce one method that can use a chip of FPGA to design taximeter, which consists of four modules, that is speed, mileage, timingand billing module, and then, describe the design of each module andgive out the simulation. This taxi meter can be self-chargingaccording to mileage, which also can simulate the state of speed,suchas start, stop, and pause, at the same time, its reliability andcommonality also can be improved. This design FPGA test box onrunning well, realize the different functions of the
messageaccounting device.

目录

第1章绪论.................................................................1

1.1课题研究背景及目标...................................................11.2课题研究现实状况.....................................................21.3课题研究方法.........................................................3

第2章设计相关工具介绍.....................................................4

2.1.1EDA发展..........................................................4
2.1EDA介绍..............................................................4

2.2.2FPGA结构及其特点.................................................7 2.3VHDL介绍.............................................................7 2.3.1VHDL介绍.........................................................7 2.3.2VHDL代码结构.....................................................8 2.3.3 VHDL语言设计硬件电路优点.........................................9 2.4QUARTUS II............................................................10 2.4.1QuartusⅡ介绍...................................................10 2.4.2 QuartusⅡ设计步骤...............................................10 2.5试验箱简述..........................................................11
第3章系统设计............................................................13

3.1总体设计............................................................13 3.1.1 出租车计价器设计要求............................................13 3.1.2 总体框架设计....................................................13 3.1.3步骤图...........................................................14 3.2关键模块设计.........................................................16 3.2.1 出租车总体模块设计..............................................16 3.2.2 车轮大小选择模块设计............................................17 3.2.3 计程模块设计....................................................18 3.2.4 计时模块设计....................................................18 3.2.5 计费模块设计....................................................19 3.2.6数据分配模块设计................................................21
第4章仿真及调试结果......................................................23

4.1仿真结果............................................................234.1.1 出租车总体模块仿真波形..........................................234.1.2 车轮大小选择模块仿真波形........................................234.1.3 计程模块仿真波形................................................244.1.4 计时模块仿真波形................................................244.1.5 计费模块仿真波形................................................254.1.6 数据分配模块仿真波形............................................254.1.7译码模块仿真波形................................................26
4.1.8分频模块仿真波形................................................26

4.2管脚分配及说明......................................................27

4.3调试结果及分析......................................................27

第5章总结................................................................31

致谢.....................................................................34

参考文件..................................................................35

附录.....................................................................36

源代码..................................................................36

第1章绪论

1.1课题研究背景及目标

出租车计价器是乘客和司机之间用于公平贸易工具,

所以含有良好性能出租车计价器不管是对司机还是乘客来说全部是很关键。所以,

设计出租车计价器是很有价值。

在 70年代 开始 时中国出 现 了 第 一 辆 出 租 车 ,

伴随经济快速发展,出租车行业发展趋势已十分突出,
不过那时出租车计价器几乎全部是进口,不仅不够正确, 而且价格还十分贵。

但伴随城市建设日益加紧,实现计价器全方面普及是毫无疑问,

所以未来出租车计价器市场是难以想象。

现在中国普遍使用出租车计价器关键是利用单片机来实现计价功效。

出租车计价器功效由刚开始时只能显示旅程,而价钱却需要司机自己经过旅程来计算,

计算后进行四舍五入得到,到现在能实现显示总价而且语音提醒和打印发票。

不过多年来,因为国际油价大幅度变动,所以出租车价格也伴随油价变动而进行调整,

但因为计价器是采取单片机来实现,而单片机程序并是不通用,

且不一样芯片有不一样指令集,所以价格改动全部需要将芯片从新烧录,

使得每次调价全部需要花费大量人力物力,所以极难达成现在油价变动需求。

而且出租车计价器采取硬件模块化设计,分别为:主控模块,

电源模块和按键显示模块。所以其硬件电路很复杂,而且因为分立元器件太多,

造成电源功耗大,使得芯片不易散热,影响计价器使用寿命。

而基于FPGA出租车计价器不仅能够处理由单片机设计引发很多问题,

而且现场可编程门阵列FPGA含有开发简单,静态可反复编程和动态系统编程等优点。

伴随微电子技术迅猛发展,使得FPGA在电子电路设计中能够实现速度愈加快、

集成度更高显著优势,即可实现功效也越来越多。

所以基于FPGA出租车计价器已成为未来计价方法首选。

所以 这次 毕业 设 计在 实现 计 价 功 效 同 时 ,

考虑到现在出租车行业发展趋势和对计价器灵活性高要求,

期望利用现场可编程门阵列FPGA来处理现在出租车计价器存在问题。

1.利用FPGA替换MCU

同时可设计相对复杂功效,而且已经编好程序在不一样FPGA芯片上是通用。

还能够利用FPGA实现任何数字器件功效,基于FPGA数字电路,能够缩短设计周期,

降低PCB面积,提升系统可靠性。又因为FPGA功效只取决于利用VHDL语言或Verilog-

所以基于FPGA出租车计价器含有愈加好更新换代能力。

2．计价标准设定

增加该模块,关键考虑在不改变硬件电路前提下,

能够使计价标准设计显得愈加灵活,即依据各地域需求能够在VHDL程序中设置参数,

就能 够 适 应各 地 域出 租 车不 一 样 计 价 标 准 需 要 ,

还可实现依据各地域需求增加其它所需功效。同时还表现现在出租车行业发展,

3．等候时间计价
该模块增加是为了响应了出租车行业发展需求,使出租车计价愈加合理,让乘客和出租车司机之间一个平衡点更轻易达成。

1.2课题研究现实状况

对于出租车计价器,现在市面上已经出现了很多采取不一样方法设计,譬如有可编程门器件FPGA,单片机和ARM等,但其中以单片机为主流。下来就以单片机为例讲述一下现在市面上出租车计价器存在弊端。采取单片机实现出租车计价器因为而单片机程序不是通用,且不一样芯片有不一样指令集,所以价格改动全部需要将芯片从新烧录,使得每次调价全部需要花费大量人力物力而且所需时间长,
而且因为分立元器件太多,造成电源功耗大, 使得芯片不易散热,影响计价器使用寿命。

在我这次设计中就利用FPGA来设计出租车计价器,因为基于FPGA出租车计价器能够处理由单片机设计引发很多问题。

采取FPGA设计出租车计费功效在很大程度上凸显了EDA优势。因为利用EDA,不仅能够实现在线仿真和测试,还能够将全部设计全部集中在统一文件中,即依据系统需求,设计所需要各个模块,最终对各个模块进行系统综合,从而得到我们所需整个系统设计。

1.3课题研究方法

依据系统总体功效,采取分层次、分模块、 自顶向下设计方法,首先实现系统框图中各个子模块,然后由顶层模块调用各子模块实现整个系统。编程完成后就利用QuartusⅡ软件进行各模块仿真,实现后,分别创建原件符号,新建一个电路图,在图中添加各模块原件符号并进行端口定义和功效划分,经过合理连接和协调各相关各个不一样端口,得到整个电路系统。然后连接电路,检验电路是否连接正确,最终将程序下载到试验装置中,进行引脚分配及编译,检验电路是否能实现所设计功效和要求。

和6个拨码开关,软件部分仿真在QuartusⅡ7.2环境中进行。首先,
此次设计硬件部分采取EP2C5Q208芯片作为主控芯片,8个共阴极数码管,

复位信号和等候时间信号等信息经过控制器处理,得到总价钱和旅程,

并最终将所行驶旅程和所需支付金额经过LED8段数码管显示出来。

第2章设计相关工具介绍

2.1EDA介绍

2.1.1EDA发展

伴随科学技术飞速发展,电子设计规模越来越大,复杂度也越来越高,集成电路制作工艺达成90nm甚至更小尺寸。以计算机为工作平台,融合了电子技术和智能化技术EDA(ElectronicDesign Automation, 电子设计自动化)工具已经在高速,复杂数字系统设计中得到了广泛应运。

就能够由计算机软件进行处理,得到设计结果,而且修改设计如同修改软件一样方便,可极大地提升设计效率。

大家就不停开发多种计算机辅助设计工具来帮助设计人员进行电子系统设计。电路理论和半导体工艺水平提升,对EDA技术发展起了巨大推进作用,使EDA作用范围从PCB版设计延伸到电子线路和集成电路设计,甚至整个系统设计,也使IC芯片系统应用,电路制作和整个电子系统生产过程全部集成在一个环境之中。依据电子设计技术发展特诊,EDA技术发展可大致分为三个阶段。

CAD阶 段 : CAD（ Computer Aided Design, 计算机辅助设计）阶段是从20世纪60年代中期到20世纪80年代早期,

该阶段特点是部分单独工具软件,关键有PCB（PrintedCircuit Board）布线设计,电路模拟,逻辑模拟及版图绘制等,经过计算机使用,从而将设计人员从大量繁锁反复计算和绘图工作中解脱出来。

计算机辅助工程）阶段是从20世纪80年代早期到20世纪90年代早期,这个阶段在集成电路和电子设计方法学和设计工具集成化方面取得了很多结果。多种设计工具, 如原理图输入,编译和连接, 逻辑模拟,测试码生成, 版图自动布局和多种单元库已齐全。这个阶段关键采取基于单元库半定制设计方法,采取门阵列和标准单元设计多种ASIC（ApplicationSpecific Integrated Circuit, 专用集成电路）得到了极大发展,将集成电路工业推入ASIC时代。 EDA阶段: 20世纪90年代以来,电子设计技术发展到EDA阶段。
将精力集中于发明性方案和概念构思上。

2.1.2EDA优势

电子产品设计生产,从选题大,方案论证,性能指标确定,装修电路,修改,定型参数直到批量生产,是一个复杂而又费时过程。

传统电路装配, 调试过程,通常均采取专门焊接板,经过手工连线装配, 检验无误后,进行电路测量, 最终评定电路性能。若性能和设计值不符时, 需调换参数并重新调试测量,直至电路符合设计要求为止,不过, 当电路很复杂时,采取焊接板组装电路时所产生连接错误,器件损坏等人为错误,常会造成人力, 财力,时间浪费及错误性能评定。尤其是集成电路设计,
器件在焊接班上就无法组成向集成电路内部那样机密复杂电子电路,

装配版上寄生参数和集成环境中完全不一样。所以,在装配班测试特征将无法正确描述集成电路真实特征。所以,电子电路传统设计发法已经不适应该前电子技术发展要求,这就要借助计算机完成电子电路辅助设计,即电子电路EDA技术。

EDA包含电子工程设计全过程,如系统结构模拟,电路特征分析,

就是把电子器件或电路模块以数学模型表示,并配合数值分析方法,实现电路功效模拟及特征分析。假如采取电路模型足够正确, 则模拟结果将真实反应电路特征,甚至能够方便地实现电路结构及性能优化设计,并提供相当完整而具体数据库资料。较之传统电路设计方法, EDA优点是显而易见。
2.2 FPGA介绍

它是一个新型高密度PLD,采取CMOS-SRAM工艺制作。

FPGA是一个基于查找表（LUT,Look Up Table）可编程逻辑器件,关键由逻辑单元（LE,LogicElement）组成可配置逻辑块,可编程I/O和可编程内部互联模块组成。用户也能够依据需要对它进行编程,使之生成特定电路结构,完成一定功效。FPGA内部阵列块之间采取分段式进行互连,所以结构比较灵活,不过延时不可估计。

2.2.1FPGA发展趋势

FPGA器件在过去几十年里已经取得了巨大成就,在功效、成本、 功耗、 容量和编程能力方面性能不停提升,在未来发展中,将展现以下多个方面趋势。

因为微电子制作工艺超高速发展,FPGA在性能、容量方面取得进步很显著,有些人认为:现在多数系统瓶颈是处理器、音频及数据系统引发I/O带宽问题。I/O带宽关键在于收发器性能,这正是FPGA优于其它处理方案之处,AlteraStrative IV GT产品中提供了可达11.3Gb/s高性能收发器,并将40nm工艺、高密度和高性能收发器完美结合,从而使FPGA能更完善地用于视频、音频、 图像处理领域。

2.向低电压、 低功耗方向发展
现在,电子设计一个显著趋势是功耗特征变得日益关键,功耗已经成为电子系统开发中最关键考虑原因之一,并影响着最终产品体积、 重量和效率。FPGA器件内核电压呈不停降低趋势,经历了5V-3.3V-2.5V-1.8V-1.2V演变,未来将会更低。 工作电压降低使得芯片功耗也显著降低,

个人数字助理等。 3.向高速可估计延时方向发展
时间特征也是FPGA器件一个关键标志。因为在部分高速处理系统中, 为了确保系统稳定性,FPGA器件延时可估计性变得十分关键。用户在进行系统重构同时, 担心是延时特征会不会因重新布线而改变,是否将造成系统性能不稳定性,所以, 为了适合未来复杂高速电子系统要求,FPGA高速可估计延时也是一个发展趋势。

4.在FPGA器件内嵌入更多功效模块
现在,FPGA器件中已经广泛嵌入RAM/ROM等存放模块,嵌入了DSP模块、硬件乘法器等,可实现快速乘法累加操作,比DSP芯片快很多倍。

未来FPGA器件还将嵌入更多功效模块,实现更多复杂运算,

5.向模数混合可编程方向发

迄今为止,FPGA开发和应用大部分工作全部集中在数字逻辑上,

模拟电路及数模混合电路可编程技术在未来将得到深入发展。

2.2.2FPGA结构及其特点

FPGA结构通常分为三部分,可编程逻辑块,可编程I/O模块和可编程内部连线。

FPGA发展很快速,形成了多种不一样结构。按逻辑功效模块大小分类,

FPGA能够分为细粒度FPGA和粗粒度FPGA。细粒度FPGA逻辑功效块比较小,

资源能够充足利用,不过伴随设计密度增加,信号不得不经过很多开关,

路由延迟也快速增加,从而减弱了整体性能,造成速度降低;

能够用较少功效块和内部连线就能完成较复杂逻辑功效,易于取得很好性能,
粗粒度FPGA逻 辑 功 , 功 效 强 ,

可分为分段互联型FPGA和连续互连性、型FPGA两种。

分段互 连 型FPGA中 含 有多 个 不一 样 长度 金 属线 ,

各金属线段之间经过开关矩阵或反熔丝编程链接,走线灵活方便,

但走线延时无法估计;连续互连型FPGA是利用相同长度金属线,连接和距离远近无关,

FPGA可分为一次编程型和可反复编程型两类。一次编程型采取反熔丝开关元件,

含有体积小、集成密度高、 互连线特征阻抗低、 寄生电容小和高速度特点,

另外还含有加密位、防拷贝、 抗辐射、 抗干扰、 不需外接PROM或EPROM特点,

但只能一次编程。可反复编程型FPGA采取SRAM开关元件或快闪EPROM控制开关元件,

配置数据存放在SRAM或快闪EPROM中。SRAM型FPGA突出优点是可反复编程,

系统上电时,给FPGA加载不一样配置数据就能够完成不一样硬件功效,

甚至在系统运行中改变配置,实现系统功效动态重构。快闪EPROM型FPGA含有非易失性和可反复编程双重优点,但不能动态重构,功耗也较SRAM型高。

2.3VHDL介绍

2.3.1VHDL介绍

VHDL是一个硬件描述语言,它能够对电子电路系统和系统行为进行描述。基于这种描述,结合相关软件工具,能够得到所期望实际电路系统。

VHDL是VHSIC Hardwar DescriptionLanguage（VHSIC硬件描述语言）。VHSIC是HDL（超高 Very 速 集 成 High 电路硬 件 描 述 Integrated 语言 ） 缩 Circuit 写 , 是 在

它第一个规范版本为VHDL87, VHDL 93是其后续升级版本。

使用VHDL语言描述电路,能够进行综合和仿真。然而,值得注意是,尽管全部VHDL代码全部是可仿真,但并不是全部代码全部是可综合。VHDL语言被广泛使用基础原因在于它是一个标准语言,是和工具和工艺无关,

VHDL语言两个最直接应用领域是可编程逻辑器件和专用集成电路,其中可编程逻辑器件包含复杂可编程逻辑器件和现场可编程门阵列。一段VHDL代码编写完成后,用户能够使用可编程逻辑器件来实现整个电路。

VHDL语言和常规次序实施计算机程序不一样,VHDL从根本上将是并发实施。 所以,我们通常称之为代码, 而不是程序。在VHDL中, 只有在进程（PROCESS）,

2.3.2VHDL代码结构

1．代码基础单元
一段独立VHDL代码最少包含3个组成部分:
库（LIBRARY）申明:列出了目前设计中需要用到全部库文件,如ieee,std和work等。

实体(ENTITY):定义了电路输入/输出引脚。

结构体(ARCHITECTURE):所包含代码描述了电路要实现功效。

2.代码语法结构
库申明:使用一个库之前, 需要首先对库进行申明。经过申明以后, 在设计中就能够调用库中代码了。库申明方法以下:
实体:是用来描述电路全部输入/输出引脚,其语法结构以下:
ENTITYentity_name IS
POQT (
Pore_name:signal_modelsignal_type;
Pore_name:signal_model signal_type;
…);
END entity_name;

ENTITY名称选择没有严格要求,但须注意不要和VHDL保留关键字发生冲突。

结构体: 结构体中代码用来描述电路行为和实现功效,其语法结构以下:

ARCHITECTUREarchitecture_name OF entity_name IS

[declarations]

BEGIN

(code)

ENDarchitecture_name;

从语法结构中能够看到,一个ARCHITECTURE包含两部分:申明部分（可选）,

用于对信号和常量等进行申明;代码部分（BEGIN和END之间部分）,

用来 描述 电 路 行为 或工 功效 。 和 ENTITY一样 ,

能够采取除VHDL关键字以外任何名称为ARCHITECTURE命名,

而且许可和ENTITY含有相同名称。

设计者从系统整体要求出发,自上而下将系统内容细化, 2.3.3 VHDL语言设计硬件电路优点

最终将模块组合成完整整体设计。

能够从系统到门级电路不一样层次对数字进行建模和描述,

不一样描述还能够混合使用,大大简化了硬件设计任务,提升了设计效率和可靠性,

缩短了产品开发周期。

EDA开发工具供给商和IC芯片生产商全部要遵照这一标准,所以它含有设计和开发环境,

含有电路实现工艺和采取实现芯片无关特点,设计结果便于移植,交流和二次开发。

不仅能够很好地描述系统和电路逻辑功效,也能够真实地反应系统和电路时间特征。

5.VHDL能够支持多种不一样类型数字电路和系统设计。既支持同时电路也支持异步电路;既支持TTL电路,也支持CMOS电路;即能够采取CPLD芯片实现,也能够采取FPGA芯片实现。

2.4Quartus II

2.4.1QuartusⅡ介绍

QuartusⅡ是Altera企业在二十一世纪初推出可编程逻辑器件集成开发软件,这个软件是该企业前一代可编程逻辑器件集成开发软件MAX+PLUSⅡ更新换代产品。

QuartusⅡ集成开发软件支持可编程逻辑器件开发整个过程,它提供一个和器件结构五官设计环境。软件界面友好,
计,而且该软件也提供类似传统电子设计中绘制电路图输入方法。

设计者能够很方便地使用开发软件提供多种元件来提升设计及速度和设计质量。

2.4.2QuartusⅡ设计步骤

编译器包含功效模块有分析/综合器、适配器、 装配器、 时序分析器、 设计辅助模块和EDA网表文件生成器。

利用QuartusⅡ集成开发软件进行可编程逻辑器件开发全部过程包含以下步骤:设计输入、 综合、 布局布线、验证和仿真, 和可编程逻辑器件编程和配置。
QuartusⅡ集成开发软件功效模块和可编程逻辑器件开发过程之间关系图2-2所表示。

设计输入是将设计者所需要电路构思已开发软件要求形式表示出来。QuartusⅡ软件支持模块/原理图输入方法、文本输入方法、

QuartusⅡ软件同时许可用户在需要对器件编译或变成进行必需条件约束环境下,使用分配编辑器设定初始设计约束条件。

原理图等设计输入依据给定硬件结构组件和约束控制条件进行编译、优化、 转换和综合, 生成门级电路,或更底层电路描述网表文件,以供适配器实现。
适配 也 称为 布 局布 线 ,这个步骤利用适配器将逻辑综合生成网表文件映射到某一具体器件。该过程包含将设计逻辑和时序要求和器件可用资源相匹配;

选 择生成可用于时序仿真仿真文件和可用于编程编程文件。

功效仿真实在不考虑期间延时理想情况下仿真设计项目,以验证其逻辑功效正确性,功效仿真又称前仿真。时序仿真是在考虑具体适配器多种延时情况下仿真设计项目,它是靠近真实器件运行特征仿真,时序仿真又称后仿真。

设计者试用器件编译器将编程文件下载到实际器件过程。

QuartusⅡ集成开发软件许可用户在开发过程中使用QuartusⅡ图形用户界面、EDA工具界面和命令实施界面。用户能够在整个开发过程中使用这些界面中任意一个,也能够在开发过程中不一样时骤中使用不一样界面。

上述任何一步犯错,均需要回到设计输入阶段纠正错误,

并重新按设计步骤进行设计。

2.5试验箱简述

本设计采取试验箱为LTE_EDA_02F型EDA/SOC试验开发系统,选择芯片为EP2C5Q208C8。相关FPGA/CPLD器件配置:
当在QuartusⅡ中完成设计后,就应该将所设计电路下载到CPLD芯片中,结适用户系统进行统一调试。针对CPLD器件不一样内部结构,Altera企业提供了不一样器件配置方法。Altera可编程逻辑器件配置可经过编程器、JATG接口在线编程及Altera在线配置三种方法进行。

ByteBlasterMV并口下载电缆,MasterBlaster串行/USB 通信电缆, Altera器件编程连接硬件包含ByteBlaster并口下载电缆,
BitBlaster串

ByteBlaster并口下载电缆提供两种下载模式:
1.标准串行模式(AS模式)——用来产品定型后,完成对FPGA代码固化,在下次上电后,能够自动对FPGA进行配置,使产品独立工作;
2.JTAG模式——含有工业标准JTAG边界扫描测试电路(符合IEEE1149.1: 1990标准),用来调试FPGA或NiosⅡCPU,多在产品开发早期使用。

3.1.1 出租车计价器设计要求 3.1总体设计

根据计价标准能实现计价功效;实现预置功效:能预置起步价、每公里收价、

行车加价里程;实现模拟功效:能模拟汽车开启、停止、 暂停等状态。

该计价系统可靠性高、成本低、 通用性强;该系统在不改变硬件电路前提下,

要含有能够重构系统功效,采取完全相同电路结构,