完整版基于FPGA的出租车计价器的设计毕业设计.docx

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完整版基于FPGA的出租车计价器的设计毕业设计

论文题目：

基于FPGA的出租车计价器的设计

专业：

微电子科学与工程

摘要

出租车计价器是乘客与司机双方的交易准则。

具有良好性能的计价器无论是对广大出租车司机朋友还是乘客来说都是很必要的。

现在各大中城市出租车行业都已普及自动计价器，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，所以计价器的普及也是毫无疑问的。

本论文阐述了EDA的发展及其优势、FPGA的发展趋势及结构特点和VHDL语言的优点及语法结构，并分析了出租车计价器各模块的功能要求、基本原理以及实现方法。

本论文的设计采用VHDL硬件描述语言进行编程，基于QuartusII软件平台进行编译和仿真。

论文介绍了采用FPGA芯片设计出租车计价器的方法，阐述了该计价器的主要组成单元：

车轮大小选择模块、计程模块、计时模块及计费模块、数据分配模块、分频模块、译码模块的设计方法，同时给出了详细的仿真波形，实现了出租车基本计费功能，还能模拟汽车启动，停止，暂停等状态，同时提高了计费系统的可靠性、通用性。

本设计在FPGA试验箱上运行良好，实现了计费器的各项功能。

关键字FPGA，VHDL，QuartusII，出租车计价器

Subject:

ThedesignofthetaximeterbasedonFPGA

Specialty:

MicroeletronicsScienceandEngineering

Name:

DanShen（Signature）___________

Instructor:

GailiYue（Signature）___________

ABSTRACT

Taximeteristheruleofpassengeranddriver.Haveagoodperformanceofthemeterforourtaxidriverorpassengerisverynecessary.Nowtheautomatictaximeterhaspopularized,andsomesmallcityhasnotbeenpopular,butwiththequickeningofcityconstruction,thesymbolofthecitywillacceleratedevelopmentofthetaxiindustry.

ThisarticleelaboratestheconceptanddevelopmentofEDA,thedevelopmenttrendandstructureoftheFPGA,andexplainstheadvantagesandgrammarstructureofVHDL,meanwhile,analysedthefunctionrequest,thebasicprincipleaswellasthemethodofaccomplishmentofeachparts.Thissystem'sdesignprogrammesintheVHDL,compiledandemulatedbasingonQuartusIIplatformofAlteraconsistsoffourmodules,thatisspeed,mileage,timingandbillingmodule.ThispaperintroduceonemethodthatcanuseachipofFPGAtodesigntaximeter,whichconsistsoffourmodules,thatisspeed,mileage,timingandbillingmodule,andthen,describethedesignofeachmoduleandgiveoutthesimulation.Thistaximetercanbeself-chargingaccordingtomileage,whichalsocansimulatethestateofspeed,suchasstart,stop,andpause,atthesametime,itsreliabilityandcommonalityalsocanbeimproved.ThisdesignFPGAtestboxonrunningwell,realizethedifferentfunctionsofthemessageaccountingdevice.

KEYWORDSFPGA,VHDL,QuartusII,Thetaximeter

第1章绪论

1.1课题研究背景及目的

出租车计价器是乘客与司机之间用于公平贸易的工具，同时它也是出租车行业发展的重要标志。

所以具有良好性能的出租车计价器无论是对司机还是乘客来说都是很重要的。

因此，设计出租车计价器是很有价值的。

在70年代开始时我国出现了第一辆出租车，但是那时的出租车计价器几乎都是进口的，不但不够准确，而且价格还十分贵。

随着经济的快速发展，出租车行业的发展趋势已十分突出，直接导致国内各机械厂纷纷研发计价器。

同时经济的发展也意味着城市旅游业的迅猛发展，使得出租车已经成为看一个城市的窗口，也是象征这个城市的文明程度。

现在各大中城市的出租车计价器已经普及，部分小城市虽尚未普及，但随着城市建设的日益加快，实现计价器的全面普及是毫无疑问的，所以未来出租车计价器的市场是难以想象的。

现在我国普遍使用的出租车计价器主要是利用单片机来实现计价功能。

出租车计价器的功能由刚开始时只能显示路程，而价钱却需要司机自己通过路程来计算，计算后进行四舍五入得到，到现在能实现显示总价并且语音提示和打印发票。

但是近年来，由于国际油价的大幅度变动，所以出租车的价格也随着油价的变动而进行调整，但由于计价器是采用单片机来实现的，而单片机程序并是不通用的，且不同的芯片有不同的指令集，因此价格的改动都需要将芯片从新烧录，使得每次调价都需要耗费大量的人力物力，所以很难达到目前油价变动的需求。

并且出租车计价器采用硬件模块化设计，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，并且由于分立元器件太多，造成电源功耗大，使得芯片不易散热，影响计价器的使用寿命。

而基于FPGA的出租车计价器不仅可以解决由单片机设计引起的诸多问题，而且现场可编程门阵列FPGA具有开发简单，静态可重复编程和动态系统编程等优点。

随着微电子技术的迅猛发展，使得FPGA在电子电路设计中可以实现速度更快、集成度更高的显著优势，即可实现的功能也越来越多。

所以基于FPGA的出租车计价器已成为未来计价方式的首选。

所以这次的毕业设计在实现计价功能的同时，考虑到现在出租车行业的发展趋势以及对计价器灵活性的高要求，希望利用现场可编程门阵列FPGA来解决现在出租车计价器存在的问题。

1.利用FPGA代替MCU

现场可编程门阵列FPGA的出现，解决了传统电子设计不能完成的任务。

基于FPGA的出租车计价器电路简单，可采用软件进行编译与仿真，同时可设计相对复杂的功能，而且已经编好的程序在不同的FPGA芯片上是通用的。

还可以利用FPGA实现任何数字器件的功能，基于FPGA的数字电路，可以缩短设计周期，减少PCB面积，提高系统的可靠性。

又因为FPGA的功能只取决于利用VHDL语言或Verilog-HDL语言编写的程序，而不受具体芯片的特殊控制，所以基于FPGA的出租车计价器具有更好的更新换代能力。

2．计价标准设定

增加该模块，主要考虑在不改变硬件电路的前提下，可以使计价标准设计显得更加灵活，即根据各地区的需求可以在VHDL程序中设置参数，就可以适应各地区出租车不同计价标准的需要，还可实现根据各地区的需求增加其他所需功能。

同时还体现目前出租车行业的发展，使因油价变动而方便改变运价成为可能。

3．等待时间计价

该模块的增加是为了响应了出租车行业的发展需求，使出租车计价更加合理，让乘客与出租车司机之间的一个平衡点更容易达到。

1.2课题研究现状

对于出租车计价器，目前市面上已经出现了许多采用不同方式的设计，譬如有可编程的门器件FPGA，单片机以及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的出租车计价器存在的弊端。

采用单片机实现的出租车计价器因为而单片机程序不是通用的，且不同的芯片有不同的指令集，因此价格的改动都需要将芯片从新烧录，使得每次调价都需要耗费大量的人力物力并且所需时间长，所以很难达到目前油价高频率变动的需求。

而且采用了硬件模块化设计，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，并且由于分立元器件太多，造成电源功耗大，使得芯片不易散热，影响计价器的使用寿命。

在我的这次设计中就利用FPGA来设计出租车计价器，因为基于FPGA的出租车计价器可以解决由单片机设计引起的诸多问题。

与利用单片机设计的出租车计价器相比，采用FPGA设计的出租车计费功能在很大程度上凸显了EDA的优势。

因为利用EDA，不仅可以实现在线仿真和测试，还可以将所有的设计都集中在统一的文件中，即根据系统需求，设计所需要的各个模块，最后对各个模块进行系统综合，从而得到我们所需的整个系统设计。

1.3课题研究方法

根据系统的总体功能，采用分层次、分模块、自顶向下的设计方式，首先实现系统框图中的各个子模块，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软件进行各模块的仿真，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能划分，通过合理连接和协调各相关的各个不同端口，得到整个电路系统。

然后连接电路，检查电路是否连接正确，最后将程序下载到实验装置中，进行引脚分配及编译，检验电路是否能实现所设计的功能和要求。

本次设计硬件部分采用EP2C5Q208芯片作为主控芯片，8个共阴极数码管，以及6个拨码开关，软件部分的仿真在QuartusⅡ7.2环境中进行。

首先，对系统时钟分频以得到各个模块所需的时钟频率，并将所得到的频率送至主控芯片，同时对等待时间脉冲数，里程脉冲数，计费方式信号，复位信号和等待时间信号等信息经过控制器的处理，得到总价钱和路程，并最终将所行驶的路程和所需支付的金额通过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的发展

随着科学技术的飞速发展，电子设计的规模越来越大，复杂度也越来越高，集成电路的制作工艺达到90nm甚至更小的尺寸。

以计算机为工作平台，融合了电子技术和智能化技术的EDA（ElectronicDesignAutomation，电子设计自动化）工具已经在高速，复杂的数字系统设计中得到了广泛的应运。

EDA是指利用计算机完成电子系统的设计。

EDA技术是以计算机和微电子技术为先导，汇集了计算机图形学，拓扑学，逻辑学，微电子工艺与结构学和计算数学等多种计算机应运学科最新成果先进技术。

EDA技术以计算机为工具，代替人完成数字系统的逻辑综合，布局布线和设计仿真等工作。

设计人员只需要完成对系统功能的描述，就可以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，可极大地提高设计效率。

从20世纪60年代中期开始，人们就不断开发各种计算机辅助设计工具来帮助设计人员进行电子系统的设计。

电路理论和半导体工艺水平的提高，对EDA技术的发展起了巨大的推动作用，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，甚至整个系统的设计，也使IC芯片系统应用，电路制作和整个电子系统生产过程都集成在一个环境之中。

根据电子设计技术的发展特诊，EDA技术发展可大体分为三个阶段。

CAD阶段：

CAD（ComputerAidedDesign，计算机辅助设计）阶段是从20世纪60年代中期到20世纪80年代初期，该阶段的特点是一些单独的工具软件，主要有PCB（PrintedCircuitBoard）布线设计，电路模拟，逻辑模拟及版图的绘制等，通过计算机的使用，从而将设计人员从大量繁锁重复的计算和绘图工作中解脱出来。

CAE阶段：

CAE（ComputerAidedEngineering，计算机辅助工程）阶段是从20世纪80年代初期到20世纪90年代初期，这个阶段在集成电路与电子设计方法学以及设计工具集成化方面取得了许多成果。

各种设计工具，如原理图输入，编译与连接，逻辑模拟，测试码生成，版图自动布局以及各种单元库已齐全。

这个阶段主要采用基于单元库的半定制的设计方法，采用门阵列和标准单元设计的各种ASIC（ApplicationSpecificIntegratedCircuit，专用集成电路）得到了极大的发展，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。

此阶段主要出现了高级语言描述，系统仿真和综合技术为特诊的第三代EDA技术，不仅极大地提高了系统的设计效率，而且使设计人员摆脱了大量的辅助性及基础性工作，将精力集中于创造性的方案与概念的构思上。

2.1.2EDA的优势

电子产品的设计生产，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的过程。

传统的电路装配，调试过程，一般均采用专门的焊接板，通过手工连线装配，检查无误后，进行电路测量，最后评估电路性能。

若性能与设计值不符时，需调换参数并重新调试测量，直至电路符合设计要求为止，但是，当电路非常复杂时，采用焊接板组装电路时所产生的连接错误，器件损坏等人为错误，常会造成人力，财力，时间的浪费及错误的性能评估。

尤其是集成电路的设计，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的电子电路，装配版上的寄生参数与集成环境中的完全不同。

因此，在装配班测试的特性将无法准确的描述集成电路的真实特性。

所以，电子电路的传统设计发法已经不适应当前电子技术发展的要求，这就要借助计算机完成电子电路的辅助设计，即电子电路EDA技术。

EDA包括电子工程设计的全过程，如系统结构模拟，电路特性分析，绘电路图和制作PCB等。

EDA还可进行电路仿真，就是把电子器件或电路模块以数学模型表示，并配合数值分析的方法，实现电路的功能模拟及特性分析。

如果采用的电路模型足够精确，则模拟结果将真实的反映电路特性，甚至可以方便地实现电路结构及性能的优化设计，并提供相当完整而详细的数据库资料。

较之传统的电路设计方法，EDA的优点是显而易见的。

2.2FPGA介绍

现场可编程门阵列FPGA器件是Xilinx公司于1985年首家推出的，它是一种新型的高密度PLD，采用CMOS-SRAM工艺制作。

FPGA是一种基于查找表（LUT,LookUpTable）的可编程逻辑器件，主要由逻辑单元（LE,LogicElement）构成的可配置逻辑块，可编程I/O和可编程内部互联模块组成。

用户也可以根据需要对它进行编程，使之生成特定的电路结构，完成一定的功能。

FPGA内部阵列块之间采用分段式进行互连，因此结构比较灵活，但是延时不可预测。

2.2.1FPGA的发展趋势

FPGA器件在过去的几十年里已经取得了巨大成就，在功能、成本、功耗、容量和编程能力方面的性能不断提高，在未来的发展中，将呈现以下几个方面的趋势。

1.向大规模、高集成度方向进一步发展

由于微电子制作工艺的超高速发展，FPGA在性能、容量方面取得的进步非常显著，有人认为：

目前多数系统的瓶颈是处理器、音频及数据的系统引起的I/O带宽问题。

I/O带宽的关键在于收发器性能，这正是FPGA优于其他解决方案之处，Altera的StrativeIVGT产品中提供了可达11.3Gb/s的高性能收发器，并将40nm工艺、高密度与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、低功耗的方向发展

目前，电子设计的一个显著趋势是功耗特性变得日益重要，功耗已经成为电子系统开发中的最重要考虑因素之一，并影响着最终产品的体积、重量和效率。

FPGA器件的内核电压呈不断降低的趋势，经历了5V-3.3V-2.5V-1.8V-1.2V的演变，未来将会更低。

工作电压的降低使得芯片的功耗也显著减少，这样使FPGA器件可适用于便携、低功耗应用场合，如移动通信设备、个人数字助理等。

3.向高速可预测延时的方向发展

时间特性也是FPGA器件的一个重要标志。

由于在一些高速处理系统中，为了保证系统的稳定性，FPGA器件的延时可预测性变得十分重要。

用户在进行系统重构的同时，担心的是延时特性会不会因重新布线而改变，是否将导致系统性能的不稳定性，因此，为了适合未来复杂高速电子系统的要求，FPGA的高速可预测延时也是一个发展趋势。

4.在FPGA器件内嵌入更多功能模块

现在，FPGA器件中已经广泛嵌入RAM/ROM等存储模块，嵌入了DSP模块、硬件乘法器等，可实现快速的乘法累加操作，比DSP芯片快很多倍。

将来的FPGA器件还将嵌入更多功能模块，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的开发和应用的大部分工作都集中在数字逻辑上，模拟电路及数模混合电路的可编程技术在未来将得到进一步发展。

2.2.2FPGA结构及其特点

FPGA结构一般分为三部分，可编程逻辑块，可编程I/O模块和可编程内部连线。

FPGA的发展非常迅速，形成了各种不同的结构。

按逻辑功能模块的大小分类，FPGA可以分为细粒度FPGA和粗粒度FPGA。

细粒度FPGA的逻辑功能块比较小，资源可以充分利用，但是随着设计密度的增加，信号不得不通过许多开关，路由延迟也快速增加，从而削弱了整体性能，导致速度降低；粗粒度FPGA的逻辑功能块规模大，功能强，可以用较少的功能块和内部连线就能完成较复杂的逻辑功能，易于获得较好的性能，但其缺点是资源不能充分利用。

从逻辑功能的结构上分类，可分为查找表结构、多路开关结构和多级与非门结构。

根据FPGA内部连线的结构不同，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中具有多种不同长度的金属线，各金属线段之间通过开关矩阵或反熔丝编程链接，走线灵活方便，但走线延时无法预测；连续互连型FPGA是利用相同长度的金属线，连接与距离远近无关，布局走线是固定的和可预测的。

根据编程方式，FPGA可分为一次编程型和可重复编程型两类。

一次编程型采用反熔丝开关元件，具有体积小、集成密度高、互连线特性阻抗低、寄生电容小和高速度的特点，此外还具有加密位、防拷贝、抗辐射、抗干扰、不需外接PROM或EPROM的特点，但只能一次编程。

可重复编程型FPGA采用SRAM开关元件或快闪EPROM控制的开关元件，配置数据存储在SRAM或快闪EPROM中。

SRAM型FPGA的突出优点是可反复编程，系统上电时，给FPGA加载不同的配置数据就可以完成不同的硬件功能，甚至在系统运行中改变配置，实现系统功能的动态重构。

快闪EPROM型FPGA具有非易失性和可重复编程的双重优点，但不能动态重构，功耗也较SRAM型高。

2.3VHDL介绍

2.3.1VHDL简介

VHDL是一种硬件描述语言，它可以对电子电路系统和系统的行为进行描述。

基于这种描述，结合相关的软件工具，可以得到所期望的实际电路系统。

VHDL是VHSICHardwarDescriptionLanguage（VHSIC硬件描述语言）。

VHSIC是VeryHighSpeedIntegratedCircuitHDL（超高速集成电路硬件描述语言）的缩写，是在ADA语言基础上发展起来的硬件描述语言。

是20世纪80年代在美国国防部资助下始创的，并最终导致了VHDL语言的出现。

它的第一个规范版本为VHDL87，VHDL93是其后续的升级版本。

使用VHDL语言描述的电路，可以进行综合与仿真。

然而，值得注意的是，尽管所有VHDL代码都是可仿真的，但并不是所有代码都是可综合的。

VHDL语言被广泛使用的基本原因在于它是一种标准语言，是与工具和工艺无关的，从而可以方便的进行移植和重用。

VHDL语言的两个最直接的应用领域是可编程逻辑器件和专用集成的电路，其中可编程逻辑器件包括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，用户可以使用可编程逻辑器件来实现整个电路。

VHDL语言与常规的顺序执行的计算机程序不同，VHDL从根本上将是并发执行的。

因此，我们通常称之为代码，而不是程序。

在VHDL中，只有在进程（PROCESS），函数（FUNCTION）和过程（PROCEDURE）内部的语句才是顺序执行的。

2.3.2VHDL代码结构

1．代码基本单元

一段独立的VHDL代码至少包含3个组成部分：

库（LIBRARY）声明：

列出了当前设计中需要用到的所有库文件，如ieee,std和work等。

实体（ENTITY）：

定义了电路的输入/输出引脚。

构造体（ARCHITECTURE）：

所包含的代码描述了电路要实现的功能。

2.代码语法结构

库声明：

使用一个库之前，需要首先对库进行声明。

经过声明之后，在设计中就可以调用库中的代码了。

库的声明方式如下：

LIBRARYlibray_name;

USElibray_name.package_name.package_parts;

其中LIBRARY和USE是VHDL保留的关键字。

实体：

是用来描述电路的所有输入/输出引脚，其语法结构如下：

ENTITYentity_nameIS

POQT（

Pore_name:

signal_modelsignal_type;

Pore_name:

signal_modelsignal_type;

…）;

ENDentity_name;

端口的信号模式是以下4中之一：

IN,OUT,INOUT,BUFFER。

ENTITY名称的选取没有严格的规定，但须注意不要与VHDL保留的关键字发生冲突。

构造体：

构造体中的代码用来描述电路行为和实现的功能，其语法结构如下：

ARCHITECTUREarchitecture_nameOFentity_nameIS

[declarations]

BEGIN

（code）

ENDarchitecture_name;

从语法结构中可以看到，一个ARCHITECTURE包含两部分：

声明部分（可选），用于对信号和常量等进行声明；代码部分（BEGIN和END之间的部分），用来描述电路的行为或工功能。

与ENTITY一样，可以采用除VHDL关键字以外的任何名称为ARCHITECTURE命名，并且允许和ENTITY具有相同的名称。

2.3.3VHDL语言设计硬件电路的优点

1.VHDL支持结构化和自顶向下的设计方法，这样非常便与设计的模块化。

设计者从系统整体要求出发，自上而下将系统内容细化，最后将模块组合成完整的整体设计。

2.VHDL具有多层次描述和仿真系统硬件功能的能力，可以从系统到门级电路不同层次对数字进行建模和描述，不同的描述还可以混合使用，大大简化了硬件设计任务，提高了设计效率和可靠性，缩短了产品开发周期。

3.VHDL是一种工业语言，设计者，EDA开发工具的供应商和IC芯片生产商都要遵循这一标准，因此它具有设计和开发环境，具有电路实现工艺以及采用的实现芯片无关的特点，设计成果便于移