基于FPGA的出租车计费器的设计

1 概述

EDA(Electronic Design Automation)即电子设计自动化，是电子设计技术的核心，它的系统级高层次电子设计方法，对整个系统进行方案设计和功能划分，无须通过门级原理图描述电路，而是针对设计目标进行功能描述。

FPGA 是现场可编程门阵列的简称。它结合了微电子技术、电路技术和EDA技术，使设计者可以集中精力进行所需逻辑功能的设计，缩短设计周期，提高设计质量。FPGA的开发系统包括软件和硬件两个部分，开发系统软件指专用的编程语言和相应的汇编程序或编译程序。开发系统硬件部分包括计算机和编程器。编程器是对FPGA进行写入和擦除的专用装置,能够供写入或擦除操作所需要的电源电压和控制信号，并通过串行接口从计算机接收编程数据,最终写进FPGA之中。

基于FPGA的计费器系统利用Verilog HDL语言，采用模块化程序设计，自顶向下、由粗到细、逐步求精的方法，将基于FPGA的计费器系统的整体逐步分解各个模块。它不需要专门的硬件，只通过软件编程即可实现计费器系统的逻辑功能、电路结构和连接形式。Verilog HDL语言类似C语言，可读性强、更易理解，这种语言几乎覆盖了以往各种硬件描述语言的功能，在编程的过程中一般采用自顶向下的电路设计过程。

本设计利用Verilog HDL语言，在QuartusⅡ13.0软件中将出租车计费器基本结构分成6个模块对其进行程序汇编。将各块程序生成的.v文件组合在一起，生成数字钟源代码的.bdf 图形文件，最后下载到CycloneⅡ系列芯片EP20C8Q208C8N中，验证试验结果。

1.1 设计要求1.1.1 设计任务

设计并制作一台出租车计费器。

1.1.2 性能指标要求

① 用EDA实训仪的I/O设备和PLD芯片实现出租车计费器的设计。

② 出租车起步开始计程和计费，计程系统按实际公里数计程，计费系统首先显示起步价（如7.0），车行驶2km以内，只收起步价7元。

③ 出租车行驶超过2km后，按每公里1.6元在7.0元的基础上增加。

④ 出租车行驶超过10km后（或超过20元路费），每公里加收50％的车费，即车费变为每公里2.4元。

⑤ 出租车达到目的地后，（用一个按钮）计程和计费数据清零，为下一次计费开始。

1.2 总体设计基本原理及框图1.2.1 基本原理

该出租车计费器的基本原理方框图如图1所示，由时钟模块、控制模块、计程模块、音乐模块、LCD显示模块、计费模块6部分组成。该计费系统通过分频模块将20MHz的时钟信号通过分频器变成1Hz的时钟信号和50Hz的显示输出信号。该出租车计费的标准是起步价是6元，2公里之内费用不变，当超过2公里时，每行驶1公里，费用加收50％元；由peo信号来控制有人或者没人，高电平有人，低电平显示空车，出租车计费显示模块显示相应的费用和行驶的里程。当res为低电平时，计费系统复位。该计费系统的显示费用是0~999.9元

1.2.2 总体框图

图1 总体框图

2 系统软件设计分析

整个系统由6个模块组成：

2.1时钟模块

时钟模块，提供实时时间，并可以通过按键调节分钟和小时并由其qs、qm、qh分别输出秒、分、时，clk20m输入20Mhz，clrn清零，fj和hj为调分和调时。用于区分白天与夜间计费，白天时间6：00~00：00、夜间时间00：00~6：00，由两个60进制计数器和一个24进制计数器组成，生成一个元件符号。

图2-1 时钟模块元件符号图

60进制计数器程序：

module cont60(clk,clrn,q,cout,j);
input j,clrn,clk;
output reg [7:0] q;
output reg cout;
always @( posedge clk^j or posedge clrn )
begin
if(clrn) q=0;
else
begin
q = q+1; if(q[3:0] >= 10)
begin q[3:0] = 0;q[7:4] = q[7:4]+1;
if(q[7:4] >= 6) q[7:4] = 0;
end
if( q == 'h00 ) cout = 1;else cout = 0;
end
end
endmodule
24进制计数器程序：
module cont24(clk,clrn,q,cout,j);
input j,clk,clrn;
output reg [7:0] q;
output reg cout;
[email protected]( posedge clk^j or posedge clrn )
begin
if(clrn)begin q=0;cout = 0;end
else
begin
q = q+1; if(q[3:0] >= 10)
begin q[3:0] = 0; q[7:4] = q[7:4]+1;
end
if( q >= 'h24 )
begin q = 0; cout = 1; end
else cout = 0; end
end
endmodule

图2-2 时钟仿真图

2.2控制模块

控制模块是用于控制车速的模块clk输入20Mhz，res清零作用，key_up是加速、key_down是减速，对应速度有0km/h、20km/h、40km/h——260km/h、280km/h、300km/h共15个速度调节来产生不同的频率由clk_speed输出，20km/h即11.1m每秒，所以20km/h要产生一秒为11100个上升沿，20Mhz/（2*11100），而gear输出不同的档位，通过对20MHz分频来产生不同的频率对应不同的速度，1秒内10000个上升沿表示1秒行驶了1m，改变频率即改变了1秒内上升沿的个数，就改变了速度。

图2-3 按键控制模块元件符号图

控制模块程序：

module key(clk,
key_up,
gear,
res,
key_down,
clk_speed,
people);
input res,people;
input key_up,clk,key_down;
output reg clk_speed;
reg [29:0] clk_sp_reg;
output reg[3:0]gear;
reg [29:0]up_c,down_c,n;
initial begin
gear='b1000;up_c=0;down_c=0;n=0;
clk_sp_reg=0;
end
[email protected]( posedge clk or posedge res)//加速减速控制
begin
if(res) begin down_c=0;up_c=0;end
else if(!people)begin up_c=0; down_c =0; end else
begin
if(key_up)
begin
up_c=up_c+1'b1;
end
else
begin
up_c=0;
end
if(key_down)
begin
down_c=down_c+1'b1;
end
else
begin
down_c=0;
end
end
end
always @(posedge clk or posedge res)//速度对应的分频数，
begin
if(res) begin gear=0; end
else if(!people)begin gear=0; clk_sp_reg=0; end else
begin
if(key_up ^ key_down )
begin
if(key_up==1)
begin
if(up_c==5 && gear<='b1110)//200000)
gear=gear+1;
if(gear>='b1111)
gear='b1111;
end
if(key_down==1)
begin
if(down_c==5)//200000)
if(gear=='b0)
gear='b0;else gear=gear-1;
end
end
case (gear)
0 : ; //速度为0
1 : clk_sp_reg=909;
2 : clk_sp_reg=454;
3 : clk_sp_reg=303;
4 : clk_sp_reg=227;
5 : clk_sp_reg=181;
6 : clk_sp_reg=151;
7 : clk_sp_reg=129;
8 : clk_sp_reg=113;
9 : clk_sp_reg=101;
10 : clk_sp_reg=90;
11 : clk_sp_reg=82;
12 : clk_sp_reg=75;
13 : clk_sp_reg=69;
14 : clk_sp_reg=64;
15 : clk_sp_reg=60;
endcase
end
end
always @( posedge clk or posedge res) //把20MHz分频，产生相对应速度的频率
begin
if(res)begin n<=0;clk_speed<=0;end
else if(!people)begin n<=0;clk_speed<=0; end else
begin
if (n>=clk_sp_reg && gear!=0)
begin n<=0;clk_speed<=~clk_speed; end
else
begin n<=n+1; clk_speed<=clk_speed;end
end
end
endmodule

图2-4 控制模块仿真图

2.3计程模块

计程模块由五个100进制的计数器组成，clk输入控制模块分频出来的频率，然后在计程模块进行计数，只显示qshiwan到qshiyi的计程其中qshiwan[7:4]是百米计程，这样能使计费精确到分以下，所以计程用1000个上升沿记为1米，

图2-5 计程模块元件符号图

计程模块程序：

module counter0_99(clk,clr,q,cout,people);
input clk,clr,people;
output reg [7:0] q;
output reg cout;
reg one='b1;
initial q='h99;
[email protected]( posedge clk or posedge clr or negedge people )
begin
if(clr ) q=0;
else
begin if(!people) q=0;
else
begin
q = q+1;
if(q[3:0] >= 10)
begin
q[3:0] = 0;
q[7:4] = q[7:4]+one;
if(q[7:4] >= 10)
q[7:4] = 0;
end
if( q == 0 )
cout = 1;
else
cout = 0;
end end end endmodule

图2-6 计程模块仿真图

2.4音乐模块

音乐模块的clk是时钟输入，people是有人和没人的状态标志，beep外接蜂鸣器，并设定了两个音乐《送别》和《起风了》，作为乘客上车下车时播放的音乐，播放音乐的原理是通过改变频率来改变音高，改变延时时间来确定一小节拍的时间是240ms，通过分频产生。

//音高与频率的对应关系

//| | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |

//|低音 |261.6Hz |293.7Hz |329.6Hz |349.2Hz | 392Hz | 440Hz |493.9Hz |

//|中音 |523.3Hz |587.3Hz |659.3Hz |698.5Hz | 784Hz | 880Hz |987.8Hz |

//|高音 |1045.5Hz|1174.7Hz|1318.5Hz|1396.9Hz| 1568Hz | 1760Hz |1975.5Hz|

//乐谱参数:D=F/2K (D:参数,F:时钟频率,K:音高频率)

图2-7 音乐模块元件符号图

音乐模块程序：

module music( clk,people, beep);
input clk,people;
output reg beep;
reg flag ,flag1;
reg[7:0] state,state1; //乐谱状态机
reg[16:0]count,count_end;
reg[23:0]count1,count2; //乐谱参数:D=F/2K (D:参数,F:时钟频率,K:音高频率)
parameter S_0=8'd20000000,
L_1 = 17'd38226, M_1 = 17'd19109, H_1 = 17'd09564, //音1
L_2 = 17'd34048, M_2 = 17'd17027, H_2 = 17'd08512, //音2
L_3 = 17'd30339, M_3 = 17'd15167, H_3 = 17'd07584, //音3
L_4 = 17'd28636, M_4 = 17'd14316, H_4 = 17'd07158, //音4
L_5 = 17'd25510, M_5 = 17'd13368, H_5 = 17'd06377, //音5
L_6 = 17'd22727, M_6 = 17'd11363, H_6 = 17'd05681, //音6
L_7 = 17'd20247, M_7 = 17'd10123, H_7 = 17'd05062; //音7
parameter TIME = 2400000; //控制每一个音的长短(480ms)
parameter TIME1 = 4800000; //控制每一个音的长短(240ms)
always @(posedge clk)
begin
if(people==0)
begin
flag=1; state1 =0;count2=0;
if(flag1==1)
begin
count = count + 1'b1; //计数器加1
if(count == count_end && count_end!=S_0)
begin count = 17'h0; //计数器清零
beep = !beep;end //输出取反
if(count1 < TIME) count1 = count1 + 1'b1;
//一个节拍240mS data=F/2/ms T=2*N*Tc
else begin count1 = 24'd0;
if(state == 8'd127)
begin flag = 0;state=8'd0; end
else state = state + 1'b1;
case(state)
8'd0,8'd1,8'd2,8'd3: count_end = M_5;//低音"3",4个节拍
8'd4,8'd5: count_end = M_3;//低音"5",持续2个节拍
8'd6,8'd7: count_end = M_5;//低音"6",持续2个节拍
8'd8,8'd9,8'd10,8'd11,
8'd12,8'd13,8'd14,8'd15: count_end = H_1;//高音"1",8拍
8'd16,8'd17,8'd18,8'd19: count_end = M_6;//中音"6",4拍
8'd20,8'd21,8'd22,8'd23: count_end = H_1;//高音"1",4拍
8'd24,8'd25,8'd26,8'd27,
8'd28,8'd29,8'd30,8'd31,
8'd32,8'd33,8'd34,8'd35: count_end = M_5;//中音"5",8拍
8'd36,8'd37: flag1=0;//count_end = M_1;//低音"5",2拍
endcase
end
end
end
else
if(people==1)
begin
flag1=1; state =0;count1=0;
if(flag==1)
begin
count = count + 1'b1; //计数器加1
if(count == count_end)
begin count = 17'h0; //计数器清零
beep = !beep;end //输出取反
if(count2 < TIME1) count2 = count2 + 1'b1;
//一个节拍240mS data=F/2/ms T=2*N*Tc
else begin count2 = 24'd0;
if(state1 == 8'd229)
begin flag = 0;state1=8'd0; end
else state1 = state1 + 1'b1;
case(state1)
8'd0,8'd1 : count_end = M_1;
8'd2,8'd3 : count_end = M_2;
8'd4,8'd5 : count_end = M_3;
8'd6,8'd7 : count_end = M_1;//
8'd8,8'd9 : count_end = M_6;
8'd10 : count_end = M_5;
8'd11 : count_end = M_6;
8'd12 : count_end = M_6;
8'd13,8'd14 : flag=0;//count_end = S_0;
endcase
end
end
end
end
endmodul

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2.5 LCD显示模块

显示模块是使用LCD1602液晶屏，其中clk是时钟，people是有人和没人的状态为rstn是清零，in_data是档位输入，q0到q4是公里数输入，qs、qm、qh是时钟输入，cost_lcd_in是费用输入，显示界面可以显示时间、行驶路程、速度、费用，由于程序数据转换太多，这里只给出一部分程序，后面的程序在附录。

LCD1602主要技术参数：显示容量:16×2个字符、芯片工作电压:4.5—5.5V、工作电流:2.0mA(5.0V)、模块最佳工作电压:5.0V、字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm。

图2-8 LCD1602模型图

编号	符号	引脚说明	编号	符号	引脚说明
1	VSS	电源地	9	D2	数据
2	VDD	电源正极	10	D3	数据
3	VL	液晶显示偏压	11	D4	数据
4	RS	数据/命令选择	12	D5	数据
5	R/W	读/写选择	13	D6	数据
6	E	使能信号	14	D7	数据
7	D0	数据	15	BLA	背光源正极
8	D1	数据	16	BLK	背光源负极

表1 引脚接口说明表

序号	指令	RS	R/W	D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0
1	清显示	0	0	0	0	0	0	0	0	0	1
2	光标返回	0	0	0	0	0	0	0	0	1	*
3	置输入模式	0	0	0	0	0	0	0	1	I/D	S
4	显示开/关控制	0	0	0	0	0	0	1	D	C	B
5	光标或字符移位	0	0	0	0	0	1	S/C	R/L	*	*
6	置功能	0	0	0	0	1	DL	N	F	*	*
7	置字符发生存贮器地址	0	0	0	1	字符发生存贮器地址
8	置数据存贮器地址	0	0	1	显示数据存贮器地址
9	读忙标志或地址	0	1	BF	计数器地址
10	写数到CGRAM或DDRAM）	1	0	要写的数据内容
11	从CGRAM或DDRAM读数	1	1	读出的数据内容

表2 控制指令表

1602液晶模块的读写操作，屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明1为高电平，0为低电平）

指令1：清显示，指令码01H，光标复位到地址00H位置

指令2：光标复位，光标返回到地址00H

指令3：光标和显示位置设置I/D，光标移动方向，高电平右移，低电平左移，S：屏幕上所有文字是否左移或右移，高电平表示有效，低电平表示无效。

指令4：显示开关控制。D：控制整体的显示开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示。C:控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。

指令5：光标或显示移位 S/C ：高电平时显示移动的文字，低电平时移动光标

指令6：功能设置命令 DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线 N：低电平时为单行显示，高电平时为双行显示，F：低电平时显示5X7的点阵字符，高电平时显示5X10的显示字符。

指令7：字符发生器RAM地址设置。

指令8：DDRAM地址设置。

指令9：读忙信号和光标地址 BF：忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或数据，如果为低电平表示不忙。

图2-9 LCD显示模块元件符号图

LCD显示模块程序：

module lcd1602(sys_clk ,
sys_rstn ,
lcd_rs ,
lcd_rw ,
lcd_en ,
lcd_data ,
in_data,
q0,q1,q2,q3,q4,qs,qm,qh,people,
cost_lcd_in
); //输入输出信号定义
input [31:0] cost_lcd_in;
input [7:0] q0,q1,q2,q3,q4,qs,qm,qh;
input sys_clk ;//系统时钟输入
input people, sys_rstn ;//系统复位信号，低电平有效
input [3:0] in_data;
output lcd_rs ;//lcd的寄存器选择输出信号
output lcd_rw ;//lcd的读、写操作选择输出信号
output lcd_en ;//lcd使能信号
output [7:0] lcd_data ;//lcd的数据总线（不进行读操作，故为输出）
reg lcd_rs ;
reg clk_div ;
reg [7:0] q1h,q1l,q2h,q2l,q3h,q3l,q4l;
reg [7:0] sp_reg1,sp_reg2,sp_reg3;
reg [7:0] qsl,qsh,qml,qmh,qhl,qhh;
reg [7:0] in_data_reg;
reg [7:0] cost_reg0,cost_reg1,cost_reg2,cost_reg3;
reg [17:0] delay_cnt ;
reg [7:0] lcd_data ;
reg [4:0] char_cnt ;
reg [7:0] data_disp ;
reg [9:0] state ;
parameter
idle = 10'b000000000, //初始状态，下一个状态为CLEAR
clear = 10'b000000001, //清屏
set_function = 10'b000000010,
switch_mode = 10'b000000100,
set_mode = 10'b000001000,
shift = 10'b000010000,
//光标、画面位移设置：光标向左平移一个字符位
set_ddram1 = 10'b000100000,
//设置DDRAM的地址：第一行起始为0x00（注意输出时DB7一定要为1）
set_ddram2 = 10'b001000000, //设置DDRAM的地址：第二行为0x40 write_ram1 = 10'b010000000, //数据写入DDRAM相应的地址
write_ram2 = 10'b100000000; //数据写入DDRAM相应的地址
assign lcd_rw = 1'b0; //没有读操作，R/W信号始终为低电平
assign lcd_en = clk_div; //E信号出现高电平以及下降沿的时刻与LCD时钟相同 [email protected](posedge sys_clk or posedge sys_rstn) /////分频
begin if(sys_rstn) begin delay_cnt<=18'd0; clk_div<=1'b0;
end else if(delay_cnt==18'd200000)
begin
delay_cnt<=18'd0; clk_div<=~clk_div; end else
begin delay_cnt<=delay_cnt+1'b1; clk_div<=clk_div;
end end
[email protected](posedge clk_div or posedge sys_rstn) //State Machine
begin if(sys_rstn)
begin state <= idle; lcd_data <= 8'b0; char_cnt <= 5'd0;
lcd_rs<=1'b0;//地址\数据
end else begin
case(state)
idle: begin //初始状态
state <= clear; lcd_data <= 8'b0; end
clear: begin //清屏
state <= set_function;
lcd_rs<=1'b0;
lcd_data <= 8'b00000001;
end
set_function: //功能设置(38H)：8位数据接口/2行显示/5*8点阵字符
begin state <= switch_mode; lcd_rs<=1'b0;
lcd_data <= 8'b00111000; end
switch_mode: //显示开关控制(0CH)：开显示，光标和闪烁关闭
begin state <= set_mode; lcd_rs<=1'b0;
lcd_data <= 8'b00001110; end
set_mode:begin //输入方式设置(06H)：数据读写操作后，地址自动加一/画面不动
state <= shift; lcd_rs<=1'b0;
lcd_data <= 8'b00000110; end
shift: begin //光标、画面位移设置(10H)：光标向左平移一个字符位
//（光标显示是关闭的，所以实际上设置是看不出效果的）
state <= set_ddram1; lcd_rs<=1'b0;
lcd_data <= 8'b0001_0000; end
set_ddram1: //设置DDRAM的地址：第一行起始为00H（注意输出时DB7一定要为1）
begin state <= write_ram1;
lcd_rs<=1'b0; lcd_data <= 8'b1000_0000;//Line1
end
set_ddram2: //设置DDRAM的地址：第二行为40H（DB7一定要为1）
begin state <= write_ram2;
lcd_rs<=1'b0; lcd_data <= 8'b1100_0000;//Line2
end
write_ram1:
begin
if(char_cnt <=5'd15)
begin char_cnt <= char_cnt + 1'b1;
lcd_rs<=1'b1; lcd_data <= data_disp;
state <= write_ram1; end
else begin state <= set_ddram2; end
end
write_ram2:
begin
if(char_cnt <=5'd30)
begin char_cnt <= char_cnt + 1'b1;
lcd_rs<=1'b1; lcd_data <= data_disp;
state <= write_ram2; end
else begin char_cnt <=5'd0; state <= shift; end
end
default: state <= idle;
endcase
end
end

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2.6计费模块

计费模块其中clk是20MHz输入，clrn清零，people是有人没人的状态位，q0到q4为里程输入，qh为小时输入，用于判断白天计程和夜间计费，其中又分0~2km不计程，2~10km加20%费用，且白天和夜间的四个计费阶段都有相对应的指示灯闪烁（L12到L15），白天：7元2km内7元，2km-10km每公里收费1.6元，10km以上每公里收费2.4元；夜间：起步价8元2km内8元，2km-10km每公里收费2元，10km以上每公里收费3元。cost_q输出费用。10km以上加收费用，1000个上升沿即为1米，则1km——1.6元，1000000个上升沿对应160分，1分即6250个上升沿，由于程序数据转换太多，这里只给出一部分程序，后面的程序在附录。