基于EDA的出租车计费控制器的设计.docx

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基于EDA的出租车计费控制器的设计

基于EDA的出租车计费控制器的设计

摘要：

该设计是在EDA的基础上利用VHDL语言、PLD设计出租车计费控制器，以MAX+PLUSⅡ软件作为开发平台,使用文本输入VHDL设计各个功能模块，然后在顶层设计作为元件,设计了出租车计费器程序并进行了仿真,使其实现计费，计程和显时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、行驶路程和当前时间,从而实现一个完整的出租车费控制器。

显示了硬件描述语言VHDL设计数字逻辑电路的优越性。

突出了其作为硬件描述语言的良好的可读性、可移植性和易理解等优点。

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控制器中.

目录

摘要．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1

前言．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3

1.设计背景．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3

1.1EDA发展概述．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3

1.2硬件描述语言VHDL．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4

1.3VHDL语言的特点．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4

1.4EDA系统框架结构．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5

1.5设计工具．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6

2.出租车计费系统的设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6

2.1出租车计费设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6

2.2基本设计思想．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6

2.3程序流程图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7

3.出租车计费系统的实现．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8

3.1系统的总体框图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9

3.2系统各功能模块的实现．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．.．．．．．9

4.系统仿真与调试．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13

5.结论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15

谢辞．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15

参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15

附录．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15

前言

近年来，随着改革开放的深入，市场日益繁荣，作为现代城市象征之一的出租汽车得到了蓬勃发展，经济的发展，人民生活水平的提高，促使出租汽车越来于普及。

与此相应，人们对出租汽车的合理收费也提出了越来越高的要求。

国外出租汽车上的专用装备如：

出租汽车TAXI顶灯；空车FORHIRE标志；出租汽车计价器TAXIMETER等，也逐步安装在国内出租汽车上，已成为必不可少的应运专用设施，受到客运管理部门的监督。

出租车计价器已成为乘客与驾驶员之间公正合理收费的依据，起到双方“公平秤”的作用。

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。

1设计背景

1.1EDA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.[1]

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.[2]

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。

[3]

中国自1995年以来加速开发半导体产业，先后建立了几所设计中心，推动系列设计活动以应对亚太地区其它EDA市场的竞争。

在EDA软件开发方面，目前主要集中在美国。

但各国也正在努力开发相应的工具。

日本、韩国都有ASIC设计工具，但不对外开放。

中国华大集成电路设计中心，也提供IC设计软件，但性能不是很强。

相信在不久的将来会有更多更好的设计工具有各地开花并结果。

据最新统计显示，中国和印度正在成为电子设计自动化领域发展最快的两个市场，年复合增长率分别达到了50%和30%。

[4]

EDA技术发展迅猛，完全可以用日新月异来描述。

EDA技术的应用广泛，现在已涉及到各行各业。

EDA水平不断提高，设计工具趋于完美的地步。

EDA市场日趋成熟，但我国的研发水平还很有限，需迎头赶上。

可编程逻辑器件自70年代以来，经历了PAL、GALGPLD、FPGA几个发展阶段，其中CPLD/FPGA高密度可编程逻辑器件，目前集成度已高达200万门/片，它将各模块ASC集成度高的优点和可编程逻辑器件设计生产方便的特点结合在一起，特别适合于样品研制或小批量产品开发，使产品能以最快的速度上市，而当市场扩大时，它可以很容易地转换掩模ASIC实现，因此开发风险也大为降低。

[5]

1.2硬件描述语言VHDL

硬件描述语言（HDL）是一种用于设计硬件电子系统的计算机语言，它用软件编程的方式来描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连接形式，与传统的门级描述方式相比，它更适合大规模系统的设计。

例如一个32位的加法器，利用图形输入软件需要输人500至1000个门，而利用VHDL语言只需要书写一行“A=B+C”即可。

而且VHDL语言可读性强，易于修改和发现错误。

早期的硬件描述语言，如ABEL、HDL、AHDL，由不同的EDA厂商开发，互不兼容，而且不支持多层次设计，层次间翻译工作要由人工完成。

为了克服以上不足，1985年美国国防部正式推出了高速集成电路硬件描述语言VHDL，1987年IEEE采纳VHDL为硬件描述语言标准（IEEE-STD-1076）。

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多个设计层次，支持结构、数据流和行为三种描述形式的混合描述，因此VHDL几乎覆盖了以往各种硬件俄语言的功能，整个自顶向下或由下向上的电路设计过程都可以用VHDL来完成。

VHDL还具有以下优点：

（1）VHDL的宽范围描述能力使它成为高层进设计的核心，将设计人员的工作重心提高到了系统功能的实现与调试，而花较少的精力于物理实现。

（2）VHDL可以用简洁明确的代码描述来进行复杂控制逻辑设计，灵活且方便，而且也便于设计结果的交流、保存和重用。

（3）VHDL的设计不依赖于特定的器件，方便了工艺的转换。

（4）VHDL是一个标准语言，为众多的EDA厂商支持，因此移植性好。

[6]

传统的硬件电路设计方法是采用自下而上的设计方法，即根据系统对硬件的要求，详细编制技术规格书，并画出系统控制流图；然后根据技术规格书和系统控制流图，对系统的功能进行细化，合理地划分功能模块，并画出系统的功能框图；接着就进行各功能模块的细化和电路设计；各功能模块电路设计、调试完成后，将各功能模块的硬件电路连接起来再进行系统的调试，最后完成整个系统的硬件设计。

采用传统方法设计数字系统，特别是当电路系统非常庞大时，设计者必须具备较好的设计经验，而且繁杂多样的原理图的阅读和修改也给设计者带来诸多的不便。

为了提高开发的效率，增加已有开发成果的可继承性以及缩短开发周期，各ASIC研制和生产厂家相继开发了具有自己特色的电路硬件描述语言（HardwareDescriptionLanguage，简称HDL）。

但这些硬件描述语言差异很大，各自只能在自己的特定设计环境中使用，这给设计者之间的相互交流带来了极大的困难。

因此，开发一种强大的、标准化的硬件描述语言作为可相互交流的设计环境已势在必行。

于是，美国于1981年提出了一种新的、标准化的HDL，称之为VHSIC（VeryHighSpeedIntegratedCircuit）HardwareDescriptionLanguage，简称VHDL。

这是一种用形式化方法来描述数字电路和设计数字逻辑系统的语言。

设计者可以利用这种语言来描述自己的设计思想，然后利用电子设计自动化工具进行仿真，再自动综合到门电路，最后用PLD实现其功能。

[7]

1.3VHDL语言的特点

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。

当电路系统采用VHDL语言设计其硬件时，与传统的电路设计方法相比较，具有如下的特点：

即从系统总体要求出发，自上而下地逐步将设计的内容细化，最后完成系统硬件的整体设计。

在设计的过程中，对系统自上而下分成三个层次进行设计：

第一层次是行为描述。

所谓行为描述，实质上就是对整个系统的数学模型的描述。

一般来说，对系统进行行为描述的目的是试图在系统设计的初始阶段，通过对系统行为描述的仿真来发现设计中存在的问题。

在行为描述阶段，并不真正考虑其实际的操作和算法用何种方法来实现，而是考虑系统的结构及其工作的过程是否能到达系统设计的要求。

第二层次是RTL方式描述。

这一层次称为寄存器传输描述（又称数据流描述）。

如前所述，用行为方式描述的系统结构的程序，其抽象程度高，是很难直接映射到具体逻辑元件结构的。

要想得到硬件的具体实现，必须将行为方式描述的VHDL语言程序改写为RTL方式描述的VHDL语言程序。

也就是说，系统采用RTL方式描述，才能导出系统的逻辑表达式，才能进行逻辑综合。

第三层次是逻辑综合。

即利用逻辑综合工具，将RTL方式描述的程序转换成用基本逻辑元件表示的文件（门级网络表）。

此时，如果需要，可将逻辑综合的结果以逻辑原理图的方式输出。

此后可对综合的结果在门电路级上进行仿真，并检查其时序关系。

应用逻辑综合工具产生的门网络表，将其转换成PLD的编程码，即可利用PLD实现硬件电路的设计。

由自上而下的设计过程可知，从总体行为设计开始到最终的逻辑综合，每一步都要进行仿真检查，这样有利于尽早发现设计中存在的问题，从而可以大大缩短系统的设计周期。

由于目前众多制造PLD芯片的厂家，其工具软件均支持VHDL语言的编程。

所以利用VHDL语言设计数字系统时，可以根据硬件电路的设计需要，自行利用PLD设计自用的ASIC芯片，而无须受通用元器件的限制。

[8]

1.4EDA系统框架结构

EDA系统框架结构（FRAMEWORK）是一套配置和使用EDA软件包的规范。

目前主要的EDA系统都建立了框架结构，如CADENCE公司的DesignFramework，Mentor公司的FalconFramework，而且这些框架结构都遵守国际CFI组织制定的统一技术标准。

框架结构能将来自不同EDA厂商的工具软件进行优化组合，集成在一个易于管理的统一的环境之下，而且还支持任务之间、设计师之间以及整个产品开发过程中的信息传输与共享，是并行工程和自顶向下设计施的实现基础。

EDA技术的每一次进步，都引起了设计层次上的一次飞跃，从设计层次上分，70年代为物理级设计（CAD），80年代为电路级设计（CAE），90年代进入到系统级设计（EDA）。

物理级设计主要指IC版图设计，一般由半导体厂家完成，对电子工程师没有太大的意义，因此本文重点介绍电路级设计和系统级设计。

仿真通过后，根据原理图产生的电气连接网络表进行PCB板的自动布局布线。

在制作PCB板之前还可以进行PCB后分析，其中包括热分析、噪声及窜扰分析、电磁兼容分析、可靠性分析等，并可将分析后的结果参数反标回电路图，进行第二次仿真，也称为后仿真。

后仿真主要是检验PCB板在实际工作环境中的可行性。

由此可见，电路级的EDA技术使电子工程师在实际的电子系统产生前，就可以全面地了解系统的功能特性和物理特性，从而将开发风险消灭在设计阶段，缩短了开发时间，降低了开发成本。

系统级设计进人90年代以来，电子信息类产品的开发明显呈现两个特点：

一是产品复杂程度提高；二是产品上市时限紧迫。

然而，电路级设计本质上是基于门级描述的单层次设计，设计的所有工作（包括设计忙人、仿真和分析、设计修改等）都是在基本逻辑门这一层次上进行的，显然这种设计方法不能适应新的形势，一种高层次的电子设计方法，也即系统级设计方法，应运而生。

[9]

高层次设计是一种“概念驱动式”设计，设计人员无须通过原理图描述电路，而是针对设计目标进行功能描述。

由于摆脱了电路细节的束缚，设计人员可以把精力集中于创造性的方案与概念的构思上，而且这些概念构思以高层次描述的形式输人计算机，EDA系统就能以规则驱动的方式自动完成整个设计。

这样，新的概念就能迅速有效地成为产品，大大缩短了，产品的研制周期。

不仅如此，高层次设计只是定义系统的行为特性，可以不涉及实现工艺，因此还可以在厂家综合库的支持下，利用综合优化工。

1.5设计工具

Altered公司开发的MAX+PLUSⅡ开发系统能提供充分自由的设计输入方法和设计工具选择，可满足编程逻辑设计所有要求。

MAX+PLUSⅡ开发系统是一个完全集成化、易学易用的可编程逻辑设计环境，它可以在多种平台上运用。

它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，使学生能够轻松掌握和使用MAX+PLUSⅡ软件。

MAX+PLUSⅡ软件支持各种HDL设计输入选项，包括VHDL、VerilogHDL和Altera自己的硬件描述语言AHDL，它允许设计人员添加自己认为有价值的宏函数。

MAX+PLUSⅡ系统的核心Compiler支持Altera公司的FLEX10K、FLEX8000、FLEX6000、MAX9000、MAX7000、MAX5000和Classic可编程逻辑器件系列，提供了商业界唯一真正与结构无关的可编程逻辑设计环境。

MAX+PLUSⅡ的编译器还提供了强大的逻辑综合与优化功能，使用户比较容易地将设计集成到器件中。

[10]

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,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。

2出租车计费控制器的设计

2.1出租车计费设计要求

（1）本计费器设计分白天（8:

00—23:

00）跟夜间（23:

00—8:

00）。

其收费标准白天跟夜间不同。

白天时间：

〈1〉车起步开始计费。

首先显示起步价（本次设计起步费为10.0元）,车在行驶3km以内，只收起步价10.0元。

〈2〉车行驶超过3km而小于8公里时,按每公里2.0元计费（在10.0元基础上每行驶1km车费加2.0元）,车费依次累加。

〈3〉行驶路程达到或超过8km后，每公里加收3.0元的车费,车费变成按每公里3.0元开始计费。

车暂时停止（行驶中遇红灯或中途暂时停车）不计费，车费保持不变。

若停止则车费清零，等待下一次计费的开始。

夜间时间：

〈1〉车起步开始计费。

首先显示起步价（本次设计起步费为12.0元）,车在行驶3km以内，只收起步价12.0元。

〈2〉车行驶超过3km而小于8公里时,按每公里3.0元计费（在12.0元基础上每行驶1km车费加3.0元）,车费依次累加。

〈3〉行驶路程达到或超过8km后，每公里加收4.0元的车费,车费变成按每公里4.0元开始计费。

车暂时停止（行驶中遇红灯或中途暂时停车）不计费，车费保持不变。

若旅客下车则车费清零，等待下一次计费的开始。

（2）功能:

能模拟汽车启动、停止、暂停、车速变化等状态

（3）设计动态扫描电路：

本系统共8位数码管,分别用3位显示路程,3位显示车费和2位显示小时时间,路程的最小分辨为0.1千米,车费的最小分辨为0.1元,另外分别用7个二极管来显示分钟和秒。

2.2基本设计思想

（1）根据计费器设计要求，可将该系统分成大的三模块，一块为计费模块，一块为时间计时模块，另一块为输出显示模块。

其中计费模块又可分为路程和车费模块。

（2）计费器模拟中采用脉冲来检测车所行驶距离，当检测到一脉冲便使系统路程加100米。

（3）通过分析可以设计出计费器的顶层框图如图（2-1）和（2-2）所示：

图（2-1）

图（2-2）

2．3程序流程图

程序流程图如图（2-3）

图（2-3）

3出租车计费控制器的实现

3.1计费器的总体框图

（1）计费器的总体框图如图（3-1）和图（3-2）.

在图（3-1）中,模块（second1）,模块（minute11）和模块（hour1）共同构成一个时间计数器,其中模块（second1）和模块（minute11）都是为60进制的计数器,分别实现秒和分钟计数的功能.模块（hour1）为24进制小时计数器,当小时计数器为（8—22）时,其输出端口（qiuhuan）输出为高电平,否则为低电平.模块（SOUT1）为计费系统的控制模块.其中输入端（enable）实现启动功能,并对输入脉冲（clk）进行检测从而实现路程计算并输出.输入端（stop）和（clear）分别实现路程暂停计数和显示清零功能.该模块输出端口（SI）可对路程不同阶段进行各状态表示.模块（counter11）为计费模块.当有脉冲来时,对输入端（qiuhuan）进行逻辑判断,从而确定计费标准.同时也对输入端（SI）进行判断,实现根据所行驶的路程的不同而进行不同的计费.该模块同时对车费进行计算并输出显示.模块（PULSE）在该系统中为分频器,它有两个用处,分别可当作模拟低速和对路程每500米进行车费计算.模块（MS）为模拟变速模块,由输入端（js）控制.在图（3-2）中,模块（se）为8进制选择模块.模块（xxx2）通过模块（se）选择实现控制输出.模块（DI）译码器,实现输出在数码管上显示.

图（3-1）

图（3-2）

3.2计费器各功能模块的实现

（1）模块second1实现

该模块为秒计数模块.有四个输入端和两个输出端，其中输入端有一个秒脉冲信号和一个分

位设置并有一清零端，实现60进制功能。

如下图（3-3）所示.

图（3-3）

（2）模块minute11实现

该模块为分钟计时器模块，其结构,功能都和上面second1模块一样，如下图（3-4）所示.

图（3-4）

（3）模块hour1的实现

该模块为24进制,实现