出租车计费系统的设计.docx

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出租车计费系统的设计

摘要

本系统电源电压为+16V，速度传感器具有汽车每运行1㎞提供1000个脉冲信号的特性。

显示器可以采用LED数码管。

系统采用单片机和FPGA的结合进行系统的主体设计,测控FPGA芯片通过采集传感器脉冲信号WCLK进行里程计算,里程计费,利用外部脉冲信号SCLK产生标准时钟信号,以计算等待时间,等待费用,并产生里程标志（LCBZ）,等待标志（DDBZ）,熄灯标志（XDBZ）等有关控制标志信号,同时根据单片机发出的开始信号（START），时段标志（SDBZ），传输数据选择（SEL）等控制信号将有关计算结果传送给FPGA芯片。

单片机MCU除了完成键盘扫描，显示控制外，还通过P0口与FPGA进行数据交换，并向测控FPGA芯片发出有关控制信号。

本设计方案利用单片机和FPGA的结合，发挥它们各自的长处，分工清晰，实际使用和操作符合大众逻辑，容易被人接受。

而且，单片机丰富的I/O口和FPGA模块化的设计为系统功能的扩展提供了空间和便利。

关键词计费系统，单片机，FPGA芯片

第1章绪论

出租车是现代人类的重要交通工具，而出租车的计费系统的安全性和先进性是人们普遍关心的问题，要求计费器性能稳定，计费准确，以及预防司机作弊行为等等都关系到乘客的切身利益。

因此，设计出符合人们普遍要求及放心的产品具有重要的意义。

同时，设计该系统所应用的知识涉及范围广，通过设计可以牢固掌握所学理论知识，对电子信息工程专业的就业方向有初步认识，将理论与实际有机联系起来。

应该是对以前所学知识的一次审核吧！

本设计主要介绍了出租车计费系统的设计思路和过程，并给出了所涉及的相关知识的详细介绍。

EDA技术应用，单片机的功能及应用，传感器检测技术，VHDL编程语言及汇编语言程序，显示系统设计及按键控制，等等。

第一部分为绪论,第二部分为方案论证，第三部分为系统设计，第四部分是硬件及软件实现，第五部分系统检测及分析，第六部分是结论，第七部分是附录,第八部分是参考文献，第九部分是致谢.

目前，普遍的出租车计费器仅仅具有时钟，起步价，里程计费，等待计费及显示几个功能。

其发展前景是可观的，将来的产品除具有这些功能外，另外还可增加如下功能：

防作弊功能，IC卡付费：

顾客能在制定点购买一定额度的“顾客IC卡”，乘车后可用IC卡付帐，付帐是否成功有相应的提示。

车主可定期将总营业额写入“车主IC卡”中，并据此IC卡向所属公司领取报酬。

车票资料打印：

顾客付费后可打印发票，打印内容包括车主信息和车费信息等。

可打印车主总营业额信息。

语音播报：

当乘客上车时，可自动问候乘客，当到达目的地，自动播报乘车费用并礼貌再见，表达希望下次乘坐的意思。

增加的这些功能将会更好地为乘客服务。

本系统设计也可应用于其他计费系统中，如电脑计费系统等等，其应用技术也有相当范围的应用面，如显示和播报部分也可应用于智能饭卡﹑智能电动车﹑机器人等电子相关产品中。

可见掌握了该系统的设计和分析可实现对电子专业知识的具体应用，增强理论联系实际的能力。

除此以外，所涉及的知识面也联系到现实生活中很多相关电子产品，也将对其他电子产品有一定理论基础。

第2章系统设计

2.1系统组成

其中系统电源电压为+16V。

速度传感器不需要进行设计，假设它具有汽车每运行1㎞提供1000个脉冲信号的特性。

显示器采用LED数码管。

具体功能要求如下：

图2.1系统方框图

2.1.1计费及显示

①里程，即汽车行程里程，用四位数字显示，显示方式为“XXX.X”，单位为㎞，精确到0.1㎞。

②单价，即里程单价，用三位数字显示，显示方式为“X.XX”，单价为元/㎞，根据每天不同的时间段有两种情况：

当时间段为06：

00～23：

00时单价为1.4元/㎞，其他时间段内单价为1.80元/㎞。

③等候时间，用四位数字显示分钟和秒，显示方式为“XX：

XX”，等候的定义是：

当汽车行驶速度小于或等于12㎞/h时为“等候”。

在等候时间大于1小时的情况下，可以不显示等候时间，但必须对等候时间进行统计计算。

④等候单价，等候单价有两种情况：

在等候时间小于1小时的情况下，等候单价为1元每5分钟；在等候时间大于1小时的情况下，等候单价为20元每小时。

⑤费用的计算，出租车的起价为5.00元，当里程小于2㎞时，按起价计算费用；当里程大于2㎞时按下式计算费用：

费用=里程*里程单价+等候时间*等候单价。

⑥费用的显示，用五位数字显示，显示方式为“XXX.XX”，单价为元。

2.1.2时钟及显示

当出租车在通常运行状态下，应能显示当前的时间，在汽车熄火的情况下，时钟必须正常运行，但是可以不显示时钟.

2.1.3计费开始提示

当出租车载上乘客并起步后，将空车指示牌扳倒时，空车指示牌里的指示灯熄灭，并有语音或灯光提示信号。

图2.2总体原理框图

2.2功能模块设计

根据系统的设计要求，将整个测控FPGA系统CZJFXT分为七个模块，它们分别是：

分频器模块FPQ，等待判别模块DDPB，里程计算模块LCJS，里程计费模块LCJF，等待计时模块DDJS，等待计费模块DDJF，输出数据选择模块SCXZ。

分频器模块FPQ：

将外部时钟信号SCLK（设计时假设为1024HZ）经过适当分频后，产生1HZ的系统工作用基准时钟信号CLK1HZ，供给系统中的有关模块计时用。

等待判别模块DDPB：

根据速度传感器脉冲信号WCLK和分频器产生的基准时钟信号CLK1HZ，计算单位时间里WCLK的脉冲个数（每㎞产生1000个脉冲信号，即每米产生1个脉冲信号），亦即出租车行驶速度，从而判别出租车是否处于等待状态，发出等待标志信号DDBZ。

当速度大于12㎞/H，即速度大于200M/MIN时，出租车处于运行状态，这时等待标志DDBZ=0；当速度小于等于12㏎/H，即速度小于等于200M/MIN时，出租车处于等待状态，这时等待标志DDBZ=1。

该模块的VHDL程序设计可分为三个进程：

60S周期性跳变信号产生进程，每分钟行驶距离计算进程，等待标志判别进程。

等待标志判别进程就是比较每分钟WCLK脉冲个数与等待状态WCLK脉冲临界个数200的大小，从而确定DDBZ的赋值。

里程计算模块LCJS：

根据速度传感器脉冲信号WCLK和等待标志DDBZ，对出租车行驶的里程数XSLC进行计算，同时发出里程标志信号LCBZ和里程计费标志信号JFBZ。

如果LCBZ=1，说明行驶距离超过2㎞，里程计费启动；如果LCBZ=0，说明没超过2㎞，按起价计费，每行驶1㏎应计费1次，并且计费的启动信号应是某一时刻，因此每行驶1㎞，计费标志信号JFBZ应跳变1次。

该模块的VHDL程序设计可分为两个进程：

里程计算及标志产生进程，产生计费信号进程。

产生计费信号进程就是每行驶10百米（即1㎞）JFBZ由低电平0变为1，经过一个系统时钟周期后JFBZ又回复到低电平0，里程计费模块LCJF就是在JFBZ脉冲信号的上升沿到来时进行计费的加法操作。

里程计费模块LCJF：

在计费标志信号JFBZ，等待标志信号DDBZ，里程标志信号LCBZ和时段标志信号SDBZ等信号的控制下，计算行驶里程超过2㎞以上里程的费用LCFY。

该模块的VHDL程序是通过由多个条件控制的加法进程来完成里程计费的，里程计费的条件是在DDBZ=0，并且在JFBZ的上升沿根据SDBZ分别进行加法计费操作。

当SDBZ=1时，表示在06：

00～23：

00时段，其单价SD1为1.4元/㎞；当SDBZ=0时，表示其他时段，其单价SD2为1.8元/㎞。

如果LCBZ=1，说明行驶距离超过2㎞，里程计费启动；如果LCBZ=0，说明没超过2㎞，按起价计费。

等待计时模块DDJS：

在等待标志信号DDBZ和基准时钟信号CLK1HZ的控制下，进行等待时间DDSJ的计算，其中DDSJ的低8位表示等待时间的秒数，DDSJ的高8位表示等待时间的分钟数，同时根据等待时间的长短发出一个熄灯标志信号XDBZ。

当等待时间小于等于1小时，XDBZ=0，等待时间显示灯亮；当等待时间大于1小时，XDBZ=1，等待时间显示不亮。

该模块的VHDL程序是通过一个多层嵌套的加法进程来完成等待计时的。

等待计费模块DDJF：

在等待标志信号DDBZ和熄灯标志信号XDBZ控制下，进行等待费用DDFY的计费操作。

该模块的VHDL程序包括两个进程：

60S周期性跳变信号产生进程，等待费用计算进程。

等待费用计算的条件是在DDBZ=1并且在60S周期性跳变信号T60S的上升沿，根据XDBZ分别进行加法计费操作。

当DDBZ=1且XDBZ=0时，按1元/5分钟，即20分/分钟计费；当DDBZ=0且XDBZ=1时，按20元/小时，即33分/分钟计费。

输出数据选择模块SCXZ：

根据单片机发出的数据传输选择控制信号SEL，选择有关计算处理结果传输给单片机。

第3章硬件及软件实现

3.1传感器

传感器通常是指能感受并能按一定规律将所感受的被测非电量（包括物理量、化学量、生物量等）转换成便于处理与传输的电量（一般为电量,也有少数为其他物理量,如光信号）的器件或装置。

光电传感器是把光信号转换为电信号的传感器，光电传感器的种类极多。

它们共同的特点是响应速度快，易于实现非接触测量，非常适于与计算机接口。

3.1.1光电传感器电路设计

光电传感器工作时，大致应用了三种效应：

通过光子与物质的相互作用能直接得到电信号的量子效应；光被物质吸收变成热量后，利用热电转换得到电信号的热效应；光作为一种电磁波，直接与物质相互作用，从而感应出电信号的波动相互作用效应。

反射式光电传感器是用来检测黑白线条的，如图3.1.1（a）所示

由于黑白物体的反射系数不同，利用反射光可以使光敏三极管实现导通和断开，调节传感器与被测对象之间的距离，使光敏三极管只能接受到白色物体反射回来的光束。

而黑色物体的反射系数小，所反射回来的光束很弱，光敏三极管无法接受到反射光。

从而实现对黑白线条的检测。

还要在输出信号处加个控制电路,如图3.1.1（b）起隔离强信号和方波整形的作用.

（a）

（b）

图3.1.1反射式光电传感器

3.1.2车轮光电开关检测电路

由于要测出出租车的运行速度，每1千米产生1000个脉冲信号并计算出单位时间里的脉冲个数，转换成车轮所转的圈数，即产生脉冲数的多少。

在该设计中采用在车轮的转盘上安装一个3条黑白线均匀的圆盘，再用光电开关来检测，如下图4.1.2所示，当出租车运动时，车轮转动，光电传感器利用接收黑白电平时输出的高低电平，当光电传感器检测到黑色条纹时，输出高电平给单片机，相反当检测到白色条纹时输出低电平，从而把连续输出高低电平转化为脉冲数，也就把电机转动时带动有黑白线的圆盘黑白条数转换成脉冲数，从而测试出出租车运行速度。

图3.1.2光电检测电路

用一张贴有黑色胶带的白纸,让光电传感器离纸不到5cm的平面上与胶带垂直经过,看计数是否与所经过的的胶带数目相等,若多次测试都是吻合的,则此光电传感器良好.

3.2单片机

单片机既是一个微型的计算机，它具有组成计算机系统的三个要素：

CPU、内存与I/O。

CPU：

运算或逻辑上的判断；

内存：

存放程序与数据；

I/O：

与外界沟通的桥梁。

CPU中央处理器

Memory

内存

I/O

输入/出设备

图3.2.1单片机简图

3.2.18051单片机功能方块图

SERIALPORT

4I/OPROT

BUSCONTROL

OSC

振荡与时序

CPU

8051CORE

ETC

（TIMER2）

TIMER1

TIMER0

ON-CHIP

RAM

128/（256）

Bytes

ON-CHIP

PROGRAM

MEMORY

4K/（8K）

INTERRUPT

CONTROL

INT1

INT0

EXTRNAL

INTERRUPTS

指令分析

中断系统统

控制总线