基于VHDL的出租车计价器设计.docx
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基于VHDL的出租车计价器设计
基于VHDL的出租车计价器设计
出租汽车是城市公共交通的重要组成部分，出租汽车计价器是～种专用的计量仪器，它安装在出租汽车上，指示出载客里程数，以及乘客应付费用的总数。
出租车计价器在最初使用时具备的基本功能是根据行驶里程计价，要求精度高，可靠性好。
随着电子技术的发展以及对计价器的不断改进和完善，产生了诸多的附加功能。
VHDL是一种应用广泛的硬件描述语言，设计者可以通过它编写代码，通过模拟器仿真验证其功能，完成逻辑综合与逻辑优化，最后通过下载到相应的可编程逻辑器件（如FPGA）中来实现设计。
关键词：
出租车计价器；VHDL语言；MAX+PLUSII；
TheDesignofTaximeterBasedonVHDL
Abstract
Thetaxiisthemostimportantpartinacitypublictraffic．Thetaximileometerisaspecialcomputationinstrument，whichshowthemilemeterandthetotalexpenseforpassengersthroughinstallingtaxi．Intheinitialutilization，thebasicfunctionoftaximileometeriscalculatingtheexpensebymileage，therequirementsfocusonthehigherprecisionandbeRerreliability．Nowtherearelotsofadditionalfunctionalongwiththeelectronictechnologydevelopmentandthemileometerimprovement．VHDLishardwaredescriptivelanguageincomprehensiveapplication．ThedesignerCanwritecodethroughit，andthroughthesimulatorsimulationfunctionalitytocompletethelogicsynthesisandlogicoptimization．Finally,completingthedesign
throughdownloadtocorrespondingprogrammablelogicinstrument（e．g．FPGA）
Keywords：
Therentalcal"coststhesystem；theVHDLlanguage：
MAX+PLUS
II：
1．1设计背景
弟第一早章々引I言百
‘出租车行业在我国是八十年代初兴起的一项新兴行业，随着我国国民经济的高
速发展，出租汽车已成为城市公共交通的重要组成部分。
多年来国内普遍使用的计
价器只具备单一的计量功能。
目前全世界的计价器中有90％为台湾所生产。
现今我
国生产计价器的企业有上百家，主要是集中在北京，上海，沈阳和广州等地。
出租汽车计价器是一种专用的计量仪器，它安装在出租汽车上，能连续累加，
并指示出行程中任一时刻乘客应付费用的总数，其金额值是计程和计时时间的函
数。
我国第一家生产计价器的是重庆市起重机厂，最早的计价器全部采用机械齿轮
构，只能完成简单的计程功能，可以说，早期的计价器就是个里程表。
随着科学技
术的发展，产生了第二代计价器。
它采用了手摇计算机与机械结构相结合的方式，
实现了半机械半电子化，在计程的同时还可完成计价的工作。
大规模集成电路的发
展产生了第三代计价器，也就是全电子化的计价器，其功能在不断完善中。
出租车计价器在最初使用时具备的主要功能是根据行驶里程计价，要求精度
高，可靠性好。
随着电子技术的发展以及对计价器的不断改进和完善，便产生了诸
多的附加功能。
例如：
（1）LED显示功能，数码管的使用让计价器实现多屏显示的
功能，可同时显示各项营运数据，使乘客一目了然；
（2）永久时钟功能，在非营运状
态下，日历时钟芯片的使用使计价器可以显示永久时钟；（3）存储功能，可存储多项
营运数据，便于查询。
新型数据存储器的应用使得计价器的营运数据在掉电情况下
还可以保存10年。
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、小规模集成电路SSI（Small．scale
Integration）、中规模集成电路MSI（Meium．scaleeIntegration）到大规模集成电路
LSI（Large—scaleIntegrate）、超大规模集成电路VLSI（VeryLarge-scaleIntegrate）以
及特大规模集成电路ULSI（UltraLarge．scaleIntegrate）的过程。
同时为了提高系统
基于VHDL的出租车计价器设计第一章引言
的可靠性与通用性，微处理器和专业集成电路ASIC（ApplicationSpecificIntegrated
Circuit）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
（programmablelogicdevice），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（ElectronicDesignAutomation）技术主要能辅助进行三方面的设计工作：
IC（IntegratedCircuit）设计，电子电路设计以及PCB（PrintedCircuitBoard）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。
Altered公司
开发的MAX+PLUSII开发系统能充分满足可编程逻辑设计所有要求。
MAX+PLUSII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MAX+PLUSII软件。
编程器是一种专门用于对可编程器（如EPROM（ErasableProgrammable
ROM），EEPROM（ElectricallyErasableProgrammableROM），GAL（GenerieArray
Logic），CPLD（ElectricallyErasableProgrammableROM），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。
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基于VHDL的出租车计价器设计第一章引言
VHDL（VHSIC（VeryHighSpeedIC）HardwareDescriptionLanguage）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。
随着出租车行业的发展，对出租车计费器的要求也越来越高。
本课题通过软件
编程来完成计价器更多的附加功能，具有一定的应用价值。
由于科技的发展，芯片
中的数据可保持十年不变，且芯片体积小，容量大，因此这种方式具有十分重要的
现实意义和广阔的市场前景。
1．2目前出租车计价器存在的问题和改进方案
1．2．1出租车计价器存在的问题
随着我国国民经济的高速发展，出租汽车已成为城市公共交通的重要组成部
分。
近几年来，出租车汽车行业在各地蓬勃发展，出租车经营也从无序状态逐渐走
入正轨。
出租车计价器成为出租车运营中必配的、可靠的计量器具，其使用准确性
直接关系到经营者与乘客的经济利益。
但在实际运营中，总有不少经营者或乘客反
映相同路径，不同的出租车的收费有较大的出入。
目前出租车计价器存在的问题主
要有：
1计价器作弊的问题，有些出租汽车司机在计价器上做手脚，多收乘客租金。
常见的手段是：
输入非法脉冲，计价器主要靠传感器发出的脉冲来计数，脉冲数的
多少即汽车行驶里程的多少。
作弊者利用这一原理，额外向计价器输入脉冲，其方
法多种多样如利用车内收音机、电动剃须刀。
2毛刺（竞争一冒险）现象。
主要影响数字系统设计有效性和可靠性的主要因素，
由于毛刺的存在，使得系统存在诸多潜在的不稳定因素，尤其是对尖峰脉冲或脉冲
边沿敏感的电路就更是如此。
毛刺通常主要对电路的触发清零端CLR、触发复位端
基于VHDL的出租车计价器设计第一章引言
RESET、CP端、锁存器的门控端和专用芯片的控制端等产生严重的影响，会使电
路发生误动作，从而造成数字系统的逻辑混乱。
1．2．2改进方法
1、相对于计价器作弊的问题，改进的方法：
（1）传感器输出编码脉冲。
传感器输出的脉冲其脉冲宽度、占空比等参数都
是可变的，使计价器与传感器对号入座。
（2）传感器输出加密脉冲，近年来由于电子技术的发展，已有商品化的加、
解密器件供应，只要在传感器与计价器之间加入这种器件，就可以使计价器发出的
加密脉冲，而其他传感器或脉冲一概不认。
（3）加入启动速度的判别电路：
利用汽车启动时速度总是由零逐步增高的道理，而非法
的外加脉冲总是以固定速度加入的，当加入了判别电路后，如果速度不是由低到高则计价器拒
绝接受。
2、在竞争冒险消除毛刺的主要的方法：
（1）调整路径延时，毛刺归根到底是由于延时不同而引起的，因此只要让门
电路的所有输入信号具有相同的延时，毛刺就不会产生。
所以消除毛刺最原始、最
直接的方法就是调整延时；
（2）引入选通信号，由于竞争仅仅发生在输入信号变化转换的瞬间，在稳定
状态是没有竞争的，所以在输入信号稳定后进行选通就可以彻底消除尖峰脉冲。
3、本设计课题拟解决的问题：
本课题采用CPLD芯片为核心，用较少的硬件和适当的软件相互配合主要解决
以下问题：
（1）不同地区的计费方式存在差异；即使同一地区，不同车型的出租车，其计
费方式也有差别；另一方面，出租车还面临几年一次的调价或调整计费方式等问题。
因此，所设计的计费器不仅要能满足不同地区的要求，而且计费方式的调整也应当
很方便。
（2）由于个别地区对计费器有特殊要求，有时必须修改软件；另外，计费器还
面临软件的升级；因而，所设计的计费器应能很方便地重新编程。
（3）计费器必须要有防作弊功能，能有效防止司机作弊；同时要防止计费器在
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基于VHL的出租车计价器设计第一章引言
营运过程中死机。
1．3VHDL简介
在传统的硬件电路设计中，主要的设计文件是电路原理图，而采用HDL设计
系统硬件电路时主要使用HDL编写源程序。
所谓硬件描述语言HDL（Hardware
DescriptionLanguage），就是该语言可以描述硬件电路的功能，信号连接关系及定
时关系。
许多公司开发了自己专有的HDL，包括Zycad公司的ISP，GatewayDesign
Automation公司的Verilog以及MentorGraphics公司的BLM。
其中，SiliconCompiler
公司的M及Gateway公司的Verilog以C语言为基础。
UDL／I在日本以标准HDL
的形式出现。
多年来设计者一直使用这些专用的HDL。
1982年，各ASIC芯片厂
商相继开发了用于各自目的的HDL。
1987年底，IEEE确认美国国防部开发的VHDL
为标准硬件描述语言（IEEE．1076）。
之后，各EDA公司研制的硬件电路设计工具
逐渐向VHDL靠拢，VHDL在电子设计领域得到广泛的接受，1993年，IEEE对
VHDL进行了修订，公布了新版本的VHDL（即IEEE．1076．1993）。
现在，VHDL
和Verilog作为IEEE的工业标准硬件描述语言，在电子工程领域，从各公司的设
计人员到各大学的教授、学生，都极其重视对其的学习研究，VHDL已成为事实上
的通用硬件描述语言。
有专家认为，在21世纪中，几乎全部的数字系统设计任务
将由VHDL与Verilog语言承担，VHDL将是电子工程设计人员的必备知识。
VHDL
和其他语言相比，最大的区别在于设计方法上的差别。
VHDL的主要优点有：
（1）VHDL支持自顶至下的和基于库的设计方法，而且支持同步电路、异步电
路、现场可编程门阵列器件FPGA（fieldprogrammablegatearray）以及其他随机电
路的设计。
VHDL具有比其他硬件描述语言更强的行为描述能力，基于抽象的行为
描述风格避开了具体的器件结构，使设计人员能从逻辑行为上描述和设计大规模电
子系统。
目前流行的EDA工具和VHDL综合器大都能实现行为描述到RTL
（RegisterTransferLevel）描述的转换。
（2）VHDL语句的行为描述能力和程序结构决定了它具有支持大规模设计的分
解和已有设计再利用的功能，它支持系统的数学模型直到门级电路的描述，并且高
层次的行为描述与低层次的门级电路描述、结构描述可以混合使用。
这些特点符合
IC设计的市场要求。
VHDL支持系统级描述，这是它优于其他VHDL的最重要的
基于VHDL的出租车计价器设计第一章引言
特点。
例如，Verilog语言是一种门级电路描述语言，其风格接近于电路原理图，
设计者需要搞清楚具体的电路结构的细节，因此工作量通常较大。
VHDL语言却最
适合于描述电路的行为，即描述电路的功能，然后由综合器来生成符合要求的电路
网络。
设计者在熟悉基本单元电路的描述风格，积累一定的设计经验后，就会为用
VHDL设计同等性能电路的高效率所鼓舞。
（3）VHDL的硬件描述与具体的工艺技术和硬件结构无关，当门级或门级以上
的描述通过仿真检验后，再利用相应的工具将设计映射成不同的工艺，因此电路的
设计与工艺的改变是相互独立的。
彼此的改变不会产生不良影响，并且VHDL硬
件描述语言的实现目标器件的选择范围广泛，可使用各系列的CPLD、FPGA及各
种门阵列器件。
（4）VHDL具有类属描述语句和子程序调用等功能，对于己完成的设计源程序，
可以通过修改类属参数表和函数的办法来改变设计的规模和结构。
VHDL具有丰富
的仿真语句和库函数，使得门电路级的功能仿真、检查成为可能，使设计者对整个
工程设计的结构和功能的可行性做出决策。
（5）VHDL作为一种IEEE的工业标准，使VHDL的设计成果便于重复利用和
交流。
这就更进一步推动了VHDL语言的推广及完善。
另外，由于其语法严格，
给阅读和使用带来极大的便利。
VHDL的设计流程如图1．1所示。
VHDL的系统级描述缺乏设计概念上的抽象性，面向对象的VHDL可提高设
计者在较高的设计层次上描述模型的能力，帮助设计者实现更复杂设计、更大规模
的元件的重用。
VHDL面向对象的发展是语言本身进步的方向之～。
面向对象的
方法在软件开发中已被广泛地接受，它不仅仅是一种新的程序设计技术，而且是一
种全新设计和构造软件的思维方法，它是计算机解决问题的方式更加类似于人类的
思维方式和更强的管理能力。
面向对象的语言必须包含抽象性、可封装性、模块化、
层次化及信息机制。
抽象性意味着一个对象的特性可以在类描述中文档化。
可封装
性是指代码和数据必须保存在同一单元中，封装性可有选择性的隐藏信息，使得某
些信息对外界不可取。
模块化定义了单元的重用。
层次化使得对象的行为精炼，不
必重复设立前驱中已有的内容。
一般的，VHDL的设计均自RTL开始，模拟验证正确后综合到门级。
最后移
植到非VHDL模拟器上进行处理。
这样做是因为ASIC开发缺少VHDL库。
而且
存在的VHDL库的速度太慢，实用性差。
另一方面，在用VHDL设计电路时，缺
乏统一的、有效的时序处理的描述方法。
以前的唯一方法是通过组装实现，但此方
法编译太慢，而且VHDL库过分依赖模拟器环境。
VITAL（VHDLInitiativeTowards
ASICLibraries）的应运而生为面向ASIC设计的VHDL模型的标准化研究开辟了
新思路。
1995年9月VITAL正式通过成为IEEEstd1076．4—1995标准。
VITAL
标准包括4个部分：
时序程序包，基本元件包，延时机制，模型建立的规范文档。
时序程序包和基本元件包与std．1一起放在库中。
具有以下．109ic．164IEEEVITAL
特点：
（1）灵活的功能定义：
VITAL以过程和函数的形式提供元件功能的描述。
函数计算元件的行为，过程实现电路的结构描述。
（2）延时定义精确：
延时可以以
端到端的方式定义，可以依赖信号状态定义条件。
（3）具有精确的时序检查功能：
可进行建立时间和保持时间的检查，提供最小脉冲宽度、周期检查及事件冲突检查
功能。
（4）两级模型描述规范：
VITALLevel0描述外部接121，VITALLevel1描述
内部实现，定义了统一的、形式化的建模风格，利于在工具内部实现和优化，以提
高模拟速度。
（5）以工业标准为基础。
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基于VHDL的出租车计价器设计第一章引言
1．4论文研究内容
本课题实现了出租车计价器的设计要求，且灵活性强，可以通过软件编程来完
成更多的附加功能，具有一定的应用价值。
本论文从介绍VHDL语言开始，设计
了出租车计价器的方案，并运用MAXplusII对设计的电路进行模拟仿真，最终实
现了设计要求。
全文结构如下：
第一章介绍课题的背景、意义，VHDL语言的特点和本文研究内容。
第二章介绍了可实现设计的几种课题方案，并做出了优劣比较，最终决定采
用VHDL、PLD来实现设计。
第三章介绍了设计要求和设计思路。
第四章以第三章的设计思路为基础，运用VHDL编写了各功能模块的程序。
第五章对第四章中各个功能模块进行仿真，以确定其可行性。
第六章对全文的工作进行总结，并对今后的研究工作进行了展望。
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基于VHDL的出租车计价器设计第二章设计方案的选择
第二章设计方案的选择
2．1单片机与FPGA的设计比较
信息技术正在快速发展，其应用已经深入到各个领域各个方面。
如今越来越多
的电子产品向着智能化、微型化、低功耗方向发展，其中有的产品还需要实时控制
和信号处理。
电子系统的复杂性在不断增加，它迫切要求电子设计技术也有相应的
变革和飞跃。
使用纯SSI数字电路设计系统工作量大，灵活性低，而且系统可靠性
差。
广泛使用单片机（MCU）设计系统克服了纯SSI数字电路系统许多不可逾越的困
难，是一个具有里程碑意义的飞跃。
近年来，PLD器件迅速发展，尤其是CPLD／FPGA向深亚微米领域进军，PLD器
件得到了广泛应用，以CPLD／FPGA为物质基础的EDA技术诞生了。
它具有电子技
术高度智能化、自动化的特点，打破了软硬件最后的屏障，使得硬件设计如同软件
设计一样简单。
它作为一种创新技术正在改变着数字系统的设计方法、设计过程和
设计观念。
单片机，PLD／EDA以其各自的特点满足了各种需要，正从各个领域各个层面改
变着世界，它们已经成为数字时代的核心动力，推动着信息技术的快速发展。
关于本设计，有着大量的采用单片机设计的方案。
单片机是集成了CPU，ROM，
RAM和I／O口的微型计算机。
它有很强的接口性能，非常适合于工业控制，因此
又叫微控制器（MCU）。
它与通用处理器不同，它是以工业测控对象、环境、接口等
特点出发，向着增强控制功能，提高工业环境下的可靠性、灵活方便地构成应用计算
机系统的界面接口的方向发展。
所以，单片机有着自己的特点。
1、品种齐全，型号多样
自从INTEL推出5l系列单片机，许多公司对它做出改进，发展成为增强型51系
列，而且新的单片机类型也不断涌现。
如MOTOROLA和PHILIPS均有几十个系列，
几百种产品。
CPU从8，16，32到64位，多采用RISC技术，片上I／O非常丰富，有的单
片机集成有刖D，．“看门狗",PWM，显示驱动，函数发生器，键盘控制等，它们的价格也
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基于VHDL的出租车计价器设计第二章设计方案的选择
高低不等，这样极大地满足了开发者的选择自由。
2、低电压和低功耗
随着超大规模集成电路的发展，NMOS工艺单片机被CMOS代替，并开始向
HMOS过渡。
供电电压由5V降到3V，2V甚至到1V，工作电流由mA降至“A，这
在便携式产品中大有用武之地。
采用单片机设计具有成本低、易于控制的优点。
设计大多是：
通过软件编程，
仿真，调试，符合要求后将程序用编程器写入到单片机芯片上。
利用单片机的中断
响应乘客开车或者等待的请求，进行相应的处理。
利用寄存器存放计价器系统运行
状态，从而可以根据整个行程的状态进行计价。
但这种设计外围电路较多而时序实
现能力较弱，调试复杂，抗干扰能力差，特别对这种计程车的计价器需要长时间不
问断运作的系统，由于主要是软件运作，容易出错，造成系统不稳定。
EDA（ElectronicDesignAutomation）即电子设计自动化，它是以计算机为工具，在
EDA软件平台上，对用硬件描述语言HDL完成的设计文件自动地逻辑编译、逻辑化
简、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真，直至对于特定目标芯
片进行适配编译、逻辑影射和编程下载等。
设计者只需用HDL语言完成系统功能
的描述，借助EDA工具就可得到设计结果，将编译后的代码下载到目标芯片就可在
硬件上实现。
这里的目标芯片就是PLD器件（FPGA／CPLD）。
FPGA／CPLD是
EDA技术的物质基础，这两者是分不开的。
可以说没有PLD器件，EDA技术就成为
无源之水。
EDA技术作为一种现代电子系统开发方式，具有两方面特点。
1、修改软件程序即可改变硬件
由于FPGA／CPLD可以通过软件编程对该硬件的结构和工作方式进行重构，修
改软件程序就相当于改变了硬件，这使设计者把思路
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