基于FPGA出租車計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

1、石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)基于fpga出租車計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)the design of taxi meter based on fpga畢業(yè)設(shè)計(jì)成績(jī)單學(xué)生姓名學(xué)號(hào)20086287班級(jí)方0809-1專業(yè)電子信息工程畢業(yè)設(shè)計(jì)題目基于fpga出租車計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師姓名指導(dǎo)教師職稱講師評(píng) 定 成 績(jī)指導(dǎo)教師得分評(píng)閱人得分答辯小組組長(zhǎng)得分成績(jī)：院長(zhǎng)(主任) 簽字：年 月 日畢業(yè)論文任務(wù)書題目基于fpga出租車計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)學(xué)生姓名宋雨薇學(xué)號(hào)20086287班級(jí)方0809-1專業(yè)電子信息工程承擔(dān)指導(dǎo)任務(wù)單位電氣工程系導(dǎo)師姓名尚燕導(dǎo)師職稱講師一、 主要內(nèi)容該項(xiàng)目主要由硬件電路設(shè)計(jì)和軟件控制兩部分組成

2、。硬件部分主要完成出租車計(jì)費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要的fpga芯片及外圍顯示和撥檔開(kāi)關(guān)控制電路設(shè)計(jì)。軟件部分由主控器ep1c12控制完成，通過(guò)vhdl語(yǔ)言完成出租車計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的整個(gè)程序設(shè)計(jì)。二、 基本要求1、車起步開(kāi)始計(jì)費(fèi)；2、超過(guò)起步里程后，按規(guī)定的費(fèi)用累加計(jì)費(fèi)；3、車暫停不計(jì)費(fèi)或按折扣計(jì)費(fèi)；4、超過(guò)最大所規(guī)定里程后，可增加計(jì)費(fèi)比例；三、主要技術(shù)指標(biāo)1、完成主要功能。2、原理圖，波形圖。3、使用說(shuō)明書撰寫。4、論文正文不少于1萬(wàn)字，查閱文獻(xiàn)資料不少于10篇，其中外文文獻(xiàn)2篇以上，翻譯與課題有關(guān)的外文資料不少于3000漢字。四、應(yīng)收集的資料及參考文獻(xiàn)vhdl語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。quartus ii開(kāi)發(fā)工具。關(guān)于cyc

3、lone系列相關(guān)fpga開(kāi)發(fā)文檔。ep1c12q240c8芯片的使用手冊(cè)和接口電路。五、進(jìn)度計(jì)劃第 1 周第 2周 收集資料，完成開(kāi)題報(bào)告第 3 周第 4周 需求分析，概要設(shè)計(jì)第 5 周第 7周 詳細(xì)設(shè)計(jì)第 8 周 中期檢查第 9 周第12周 寫論文第13周第14周 論文審核定稿第15周第16周 答辯教研室主任簽字時(shí)間年 月 日畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告題 目基于fpga出租車計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)學(xué)生姓名宋雨薇學(xué)號(hào)20086287班級(jí)方0809-1專業(yè)電氣工程系一、研究背景在我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的今天，隨著城市化水平的提高和人民生活水平的改善，各大中小城市的出租車營(yíng)運(yùn)事業(yè)也迅速發(fā)展，出租車的服務(wù)顯得越來(lái)越重要。出

4、租車計(jì)價(jià)器是出租車營(yíng)運(yùn)收費(fèi)的專用智能化儀表，它安裝在出租車上，指示出載客路程數(shù)，以及乘客應(yīng)付費(fèi)用的總數(shù)，是出租車市場(chǎng)規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化以及減少司機(jī)與乘客之間發(fā)生糾紛的重要設(shè)備。一種功能完備、簡(jiǎn)單易用、計(jì)量準(zhǔn)確的出租車計(jì)價(jià)器是加強(qiáng)出租車行業(yè)管理、提高服務(wù)質(zhì)量的必備品。當(dāng)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)在各大、中城市出租車中使用越來(lái)越廣泛，用戶對(duì)計(jì)費(fèi)器的要求也越來(lái)越高。以出租車多功能計(jì)費(fèi)器為例，用戶不僅要求計(jì)費(fèi)器性能穩(wěn)定，計(jì)費(fèi)準(zhǔn)確，有防作弊功能;同時(shí)還要求其具有車票打印、語(yǔ)音報(bào)話識(shí)別、電腦串行通信及稅控等功能;不同國(guó)家和地區(qū)的收費(fèi)方式存在差異，即使在同一地區(qū)，不同車型的出租車其收費(fèi)方式也有差別，而且出租車還面臨幾年一次的調(diào)價(jià)

5、或調(diào)整收費(fèi)方式等問(wèn)題。出租車計(jì)價(jià)系統(tǒng)較多的是利用單片機(jī)進(jìn)行控制，但較易被私自改裝，且故障率相對(duì)較高，且不易升級(jí)；而fpga具有高密度、可編程及有強(qiáng)大的軟件支持等特點(diǎn)，所以設(shè)計(jì)的產(chǎn)品具有功能強(qiáng)、可靠性高、易于修改等特點(diǎn)?；诂F(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列(fpga)的出租車多功能計(jì)費(fèi)器，采用硬件描述語(yǔ)言vhdl和邏輯綜合為基礎(chǔ)的自頂向下的電路設(shè)計(jì)方法，開(kāi)發(fā)成本低，周期短，可靠性高，功能升級(jí)方便，滿足了用戶的要求。該系統(tǒng)在不改變硬件電路的前提下，具有可以重構(gòu)系統(tǒng)的功能；采用完全相同電路結(jié)構(gòu)，只要根據(jù)各地區(qū)的要求在vhdl程序中設(shè)置各參數(shù)，就可以適應(yīng)各地區(qū)出租車不同計(jì)費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)的需要，還可以根據(jù)各地區(qū)需求增加其他功

6、能。二、國(guó)內(nèi)外研究狀況我國(guó)在70年代開(kāi)始出現(xiàn)出租車，但那時(shí)的計(jì)時(shí)系統(tǒng)大都是國(guó)外進(jìn)口，不但不夠準(zhǔn)確，價(jià)格還十分昂貴。隨著改革開(kāi)放日益深入，出租車行業(yè)的發(fā)展勢(shì)頭已十分突出，國(guó)內(nèi)各機(jī)械廠家紛紛推出國(guó)產(chǎn)計(jì)價(jià)器。出租車計(jì)價(jià)器的功能從剛開(kāi)始的只顯示路程，到能夠自主計(jì)費(fèi)，以及現(xiàn)在的能夠打發(fā)票和語(yǔ)音提示、按時(shí)間自主變更單價(jià)等功能。在國(guó)外，現(xiàn)在各大中城市出租車行業(yè)都已普及自動(dòng)計(jì)價(jià)器，所以計(jì)價(jià)器技術(shù)的發(fā)展已成定局，而部分小城市尚未普及，但隨著城市建設(shè)日益加快，計(jì)價(jià)器的普及也是毫無(wú)疑問(wèn)的。從國(guó)內(nèi)外的各種研究方法來(lái)看，實(shí)現(xiàn)出租車計(jì)費(fèi)系統(tǒng)總共有三種方案。利用大規(guī)模的數(shù)字邏輯器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，利用89c51實(shí)現(xiàn)，利用cpld/

7、fpga來(lái)實(shí)現(xiàn)。二十世紀(jì)后半期，數(shù)字系統(tǒng)得到了飛速發(fā)展，同時(shí)為了提高系統(tǒng)的可靠性與通用性，微處理器和專業(yè)集成電路逐漸取代了通用全硬件電路。目前，業(yè)界大量可編程邏輯器件，尤其是現(xiàn)場(chǎng)可編程器件被大量地應(yīng)用在集成電路的制作當(dāng)中。理想的可編程邏輯開(kāi)發(fā)系統(tǒng)能符合大量的設(shè)計(jì)要求：它能支持不同結(jié)構(gòu)的器件。在多種平臺(tái)運(yùn)行，提供易于使用的界面，并且有廣泛的特征?？删幊唐骷倪壿嫻δ苊枋鲆话惴譃樵韴D描述和硬件語(yǔ)言描述，原理圖描述是一種直觀簡(jiǎn)便的方法，它可以講現(xiàn)有的小規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)的功能直接用可編程器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，而不必去將現(xiàn)有的電路用語(yǔ)言來(lái)描述，但電路圖描述方法無(wú)法做到簡(jiǎn)練。而語(yǔ)言描述可以精確和簡(jiǎn)練地表示電路的邏

8、輯功能，現(xiàn)在可編程器件的設(shè)計(jì)過(guò)程中廣泛使用。常用的硬件描述語(yǔ)言有abel、vhdl語(yǔ)言等，其中vhdl語(yǔ)言是一種行為描述語(yǔ)言，其編程結(jié)構(gòu)類似于計(jì)算機(jī)中的c語(yǔ)言，在描述復(fù)雜邏輯設(shè)計(jì)時(shí)，非常簡(jiǎn)潔，具有很強(qiáng)的邏輯描述和仿真能力，是未來(lái)硬件設(shè)計(jì)語(yǔ)言的主流。三、研究方案 整個(gè)出租車計(jì)費(fèi)系統(tǒng)大致可以分為控制電路模塊、分頻模塊和掃描顯示模塊，其中控制電路模塊包括速度模塊、計(jì)程模塊、計(jì)時(shí)模塊、計(jì)費(fèi)模塊，掃描顯示模塊包括模8計(jì)數(shù)器模塊、8選1選擇器模塊、七段數(shù)碼管顯示模塊。其系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。速度模塊計(jì)時(shí)模塊計(jì)費(fèi)模塊計(jì)程模塊總費(fèi)用總里程譯碼顯示 脈沖信號(hào) 速度 開(kāi)始鍵 復(fù)位鍵 時(shí)鐘信號(hào)圖1出租車計(jì)費(fèi)器系統(tǒng)

9、設(shè)計(jì)框圖四、預(yù)期結(jié)果經(jīng)過(guò)對(duì)任務(wù)書的分析，本課題要求對(duì)出租車計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的原理進(jìn)行分析，熟悉出租車計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)圖，并對(duì)其進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。該電路系統(tǒng)能夠模擬實(shí)際出租汽車的行駛、停止、暫停等狀態(tài)，并根據(jù)不同狀態(tài)進(jìn)行計(jì)費(fèi)。以十進(jìn)制顯示出租車行駛路程與車費(fèi)。車起步開(kāi)始計(jì)費(fèi)，首先顯示起步價(jià)，起步費(fèi)為3.00元，車在行駛3km以內(nèi)，只收起步價(jià)。車行駛超過(guò)3km后，每km收費(fèi)2元，車費(fèi)依次累加。當(dāng)總費(fèi)用達(dá)到或超過(guò)40元時(shí)，每km收費(fèi)4元。當(dāng)遇到紅燈或遇客戶需要停車等待時(shí)，則按時(shí)間計(jì)費(fèi)，計(jì)費(fèi)單價(jià)為每20s收費(fèi)1元。指導(dǎo)教師簽字時(shí)間年 月 日摘要我國(guó)在70年代開(kāi)始出現(xiàn)出租車，但那時(shí)的計(jì)費(fèi)系統(tǒng)大都是國(guó)外進(jìn)口，不但不

10、夠準(zhǔn)確，價(jià)格還十分昂貴。隨著改革開(kāi)放日益深入，出租車行業(yè)的發(fā)展勢(shì)頭已十分突出，國(guó)內(nèi)各機(jī)械廠家紛紛推出國(guó)產(chǎn)計(jì)價(jià)器。出租車計(jì)價(jià)器的功能從剛開(kāi)始的只顯示路程，發(fā)展到能夠自主計(jì)費(fèi)，以及現(xiàn)在的能夠打發(fā)票和語(yǔ)音提示、按時(shí)間自主變動(dòng)單價(jià)等。隨著城市旅游業(yè)的發(fā)展，出租車行業(yè)已成為城市的窗口，象征著一個(gè)城市的文明程度。 本文中所用到的vhdl就能解決上述問(wèn)題，因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)就是采用vhdl硬件描述語(yǔ)言作為設(shè)計(jì)手段，采用自頂向下的設(shè)計(jì)思路，得到一種出租車計(jì)價(jià)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，通過(guò)在quartus ii軟件中編譯和下載測(cè)試，得到了仿真波形和關(guān)鍵的設(shè)計(jì)結(jié)果。經(jīng)過(guò)在實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行硬件測(cè)試，證明出租車計(jì)價(jià)系統(tǒng)具有出租車計(jì)價(jià)器的基

11、本功能。文章首先簡(jiǎn)述了出租車控制系統(tǒng)的意義和發(fā)展現(xiàn)狀以及vhdl語(yǔ)言的特點(diǎn)，然后介紹了出租車控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)思路，并給出了總體設(shè)計(jì)框圖，通過(guò)分析方框圖繪出詳細(xì)的模塊電路流程圖并寫出程序源代碼，將代碼在quartus ii軟件上進(jìn)行編譯仿真，波形基本符合設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵字：出租車計(jì)費(fèi)器vhdl語(yǔ)言quartus iiabstractchina began to appear in the 1970s, but then the taxi billing system mostly imported not only accurate, the price also is very expen

12、sive. along with the reform and opening-up, the taxi industry development momentum has a very prominent, the domestic various machinery manufacturers have domestic meter. the meter taxi from the beginning of the function to display only the driver himself away, pricing, and are able to independently

13、 rounding billing, and now can play an invoice and audio, according to time independent functions such as price changes. along with the development of urban tourism industry has become a city, taxi window, a symbol of a citys civilization.in this paper the vhdl can solve the above problem, because o

14、f this design is described by vhdl language as a design method of hardware, using the top-down design ideas, get a taxi pricing system hardware structure, software by quartus ii compiler and download in the simulation results of the design and key waveforms. after the experiment box on hardware test

15、ed prior taxi cab pricing system is the basic function of the meter.this article first introduced the meaning and taxi control system development status and the characteristics of the language of vhdl, then introduces the design of the control system of the taxi, design ideas, and presents the overa

16、ll design, through the analysis of the block diagram of the draw detailed modules circuit chart and write program source code, will in quartus ii compiled on software simulation, waveform basic comply with the design requirements.key words:taxi metervhdlquartus ii目錄第1章緒論11.1設(shè)計(jì)研究的相關(guān)背景11.2設(shè)計(jì)研究的意義11.3課

17、題研究的主要內(nèi)容2第2章實(shí)現(xiàn)工具簡(jiǎn)介32.1fpga簡(jiǎn)介32.2開(kāi)發(fā)軟件quartus ii簡(jiǎn)介42.3硬件描述語(yǔ)言vhdl簡(jiǎn)介4第3章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)73.1設(shè)計(jì)任務(wù)73.1.1方案擬定73.1.2模塊的劃分83.2 速度模塊93.2.1速度模塊元件圖設(shè)計(jì)93.2.2速度模塊仿真93.3計(jì)程模塊93.3.1計(jì)程模塊元件圖設(shè)計(jì)103.3.2計(jì)程模塊仿真103.4計(jì)時(shí)模塊103.4.1計(jì)時(shí)模塊元件圖設(shè)計(jì)113.4.2計(jì)時(shí)模塊仿真113.5計(jì)費(fèi)模塊113.5.1計(jì)費(fèi)模塊元件圖設(shè)計(jì)123.5.2計(jì)費(fèi)模塊仿真123.6控制電路頂層例化模塊123.6.1控制電路頂層例化模塊元件圖設(shè)計(jì)133.6.2控制電路頂

18、層例化模塊仿真133.7分頻模塊143.7.1分頻模塊元件圖設(shè)計(jì)143.7.2分頻模塊仿真143.8模8計(jì)數(shù)器模塊143.8.1模8計(jì)數(shù)器模塊元件圖設(shè)計(jì)153.8.2模8計(jì)數(shù)器模塊仿真153.98選1選擇器模塊153.9.18選1選擇器模塊元件圖設(shè)計(jì)153.9.28選1選擇器模塊仿真163.10七段數(shù)碼管顯示模塊163.10.1七段數(shù)碼管顯示模塊元件圖設(shè)計(jì)173.10.2七段數(shù)碼管顯示模塊仿真173.11頂層模塊173.11.1頂層模塊電路圖設(shè)計(jì)173.11.2頂層模塊仿真18第4章硬件環(huán)境及調(diào)試過(guò)程194.1芯片介紹194.2硬件實(shí)現(xiàn)194.2.1選擇芯片194.2.2引腳鎖定204.2.3

19、下載到硬件環(huán)境21第5章總結(jié)及完善235.1總結(jié)235.2完善23參考文獻(xiàn)24致謝25附錄26附錄a 外文資料26附錄b頂層文件電路圖43附錄c源代碼44 第1章緒論1.1設(shè)計(jì)研究的相關(guān)背景在我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的今天，隨著城市化水平的提高和人民生活水平的改善，各大中小城市的出租車營(yíng)運(yùn)事業(yè)也迅速發(fā)展，出租車的服務(wù)顯得越來(lái)越重要。出租車計(jì)價(jià)器是出租車營(yíng)運(yùn)收費(fèi)的專用智能化儀表，它安裝在出租車上，指示出載客路程數(shù)，以及乘客應(yīng)付費(fèi)用的總數(shù)，是出租車市場(chǎng)規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化以及減少司機(jī)與乘客之間發(fā)生糾紛的重要設(shè)備。一種功能完備、簡(jiǎn)單易用、計(jì)量準(zhǔn)確的出租車計(jì)價(jià)器是加強(qiáng)出租車行業(yè)管理、提高服務(wù)質(zhì)量的必備品。當(dāng)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)

20、在各大、中城市出租車中使用越來(lái)越廣泛，用戶對(duì)計(jì)費(fèi)器的要求也越來(lái)越高。以出租車多功能計(jì)費(fèi)器為例，用戶不僅要求計(jì)費(fèi)器性能穩(wěn)定，計(jì)費(fèi)準(zhǔn)確，有防作弊功能；同時(shí)還要求其具有車票打印、語(yǔ)音報(bào)話識(shí)別、電腦串行通信及稅控等功能；不同國(guó)家和地區(qū)的收費(fèi)方式存在差異，即使在同一地區(qū)，不同車型的出租車其收費(fèi)方式也有差別，而且出租車還面臨幾年一次的調(diào)價(jià)或調(diào)整收費(fèi)方式等問(wèn)題。出租車計(jì)價(jià)系統(tǒng)較多的是利用單片機(jī)進(jìn)行控制，但較易被私自改裝，且故障率相對(duì)較高，且不易升級(jí)；而fpga具有高密度、可編程及有強(qiáng)大的軟件支持等特點(diǎn)，所以設(shè)計(jì)的產(chǎn)品具有功能強(qiáng)、可靠性高、易于修改等特點(diǎn)1?；诂F(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列(fpga)的出租車多功能計(jì)費(fèi)

21、器，采用硬件描述語(yǔ)言vhdl和邏輯綜合為基礎(chǔ)的自頂向下的電路設(shè)計(jì)方法，開(kāi)發(fā)成本低，周期短，可靠性高，功能升級(jí)方便，滿足了用戶的要求。該系統(tǒng)在不改變硬件電路的前提下，具有可以重構(gòu)系統(tǒng)的功能；采用完全相同電路結(jié)構(gòu)，只要根據(jù)各地區(qū)的要求在vhdl程序中設(shè)置各參數(shù)，就可以適應(yīng)各地區(qū)出租車不同計(jì)費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)的需要，還可以根據(jù)各地區(qū)需求增加其他功能。1.2設(shè)計(jì)研究的意義隨著我國(guó)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通也越來(lái)越便利，特別是出租車，以快捷、方便的特點(diǎn)早已盛行各個(gè)城市，成為城市交通的重要工具。計(jì)程車市場(chǎng)從90年代初的起步階段到現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入了高峰期。隨著城市化水平的提高和人民生活水平的改善，計(jì)程車的服務(wù)也就顯得越來(lái)越重要，

22、因此計(jì)程車計(jì)價(jià)器也就應(yīng)運(yùn)而生了。由于現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列fpga具有開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單、靜態(tài)可重復(fù)編程和動(dòng)態(tài)再系統(tǒng)編程等特點(diǎn)，已經(jīng)成為當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的可編程專用集成電路之一。隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，速度更快、集成度更高的fpga不斷出現(xiàn)，芯片上包含的資源也越來(lái)越豐富，可實(shí)現(xiàn)的功能越來(lái)越強(qiáng)，這使得fpga在電子電路設(shè)計(jì)中扮演的角色越來(lái)越重要。1.3課題研究的主要內(nèi)容 我國(guó)在70年代開(kāi)始出現(xiàn)出租車，但那時(shí)的計(jì)時(shí)系統(tǒng)大都是國(guó)外進(jìn)口，不但不夠準(zhǔn)確，價(jià)格還十分昂貴。隨著改革開(kāi)放日益深入，出租車行業(yè)的發(fā)展勢(shì)頭已十分突出，國(guó)內(nèi)各機(jī)械廠家紛紛推出國(guó)產(chǎn)計(jì)價(jià)器。出租車計(jì)價(jià)器的功能從剛開(kāi)始的只顯示路程，到能夠自主計(jì)費(fèi)，以及現(xiàn)

23、在的能夠打發(fā)票和語(yǔ)音提示、按時(shí)間自主變更單價(jià)等功能。在國(guó)外，現(xiàn)在各大中城市出租車行業(yè)都已普及自動(dòng)計(jì)價(jià)器，所以計(jì)價(jià)器技術(shù)的發(fā)展已成定局，而部分小城市尚未普及，但隨著城市建設(shè)日益加快，計(jì)價(jià)器的普及也是毫無(wú)疑問(wèn)的。從國(guó)內(nèi)外的各種研究方法來(lái)看，實(shí)現(xiàn)出租車計(jì)費(fèi)系統(tǒng)總共有三種方案。利用大規(guī)模的數(shù)字邏輯器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，利用89c51實(shí)現(xiàn)，利用cpld/fpga來(lái)實(shí)現(xiàn)。二十世紀(jì)后半期，數(shù)字系統(tǒng)得到了飛速發(fā)展，同時(shí)為了提高系統(tǒng)的可靠性與通用性，微處理器和專業(yè)集成電路逐漸取代了通用全硬件電路。目前，業(yè)界大量可編程邏輯器件，尤其是現(xiàn)場(chǎng)可編程器件被大量地應(yīng)用在集成電路的制作當(dāng)中。理想的可編程邏輯開(kāi)發(fā)系統(tǒng)能符合大量的設(shè)計(jì)要

24、求：它能支持不同結(jié)構(gòu)的器件。在多種平臺(tái)運(yùn)行，提供易于使用的界面，并且有廣泛的特征?？删幊唐骷倪壿嫻δ苊枋鲆话惴譃樵韴D描述和硬件語(yǔ)言描述，原理圖描述是一種直觀簡(jiǎn)便的方法，它可以講現(xiàn)有的小規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)的功能直接用可編程器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，而不必去將現(xiàn)有的電路用語(yǔ)言來(lái)描述，但電路圖描述方法無(wú)法做到簡(jiǎn)練。而語(yǔ)言描述可以精確和簡(jiǎn)練地表示電路的邏輯功能，現(xiàn)在可編程器件的設(shè)計(jì)過(guò)程中廣泛使用。常用的硬件描述語(yǔ)言有abel、vhdl語(yǔ)言等，其中vhdl語(yǔ)言是一種行為描述語(yǔ)言，其編程結(jié)構(gòu)類似于計(jì)算機(jī)中的c語(yǔ)言，在描述復(fù)雜邏輯設(shè)計(jì)時(shí)，非常簡(jiǎn)潔，具有很強(qiáng)的邏輯描述和仿真能力，是未來(lái)硬件設(shè)計(jì)語(yǔ)言的主流。第2章實(shí)現(xiàn)工具簡(jiǎn)

25、介2.1fpga簡(jiǎn)介fpga是英文field programmable gate array的縮寫，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，它是在pal、gal、epld等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（asic）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)2。 fpga采用了邏輯單元陣列l(wèi)ca（logic cell array）這樣一個(gè)新概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊clb（configurable logic block）、輸出輸入模塊iob（input output block）和內(nèi)部連線（interconnect）三個(gè)部分。fpg

26、a的基本特點(diǎn)主要有： 1、采用fpga設(shè)計(jì)asic電路，用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片。 2、fpga可做其它全定制或半定制asic電路的中試樣片。 3、fpga內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和i/o引腳。 4、fpga是asic電路中設(shè)計(jì)周期最短、開(kāi)發(fā)費(fèi)用最低、風(fēng)險(xiǎn)最小的器件之一。 5、fpga采用高速chmos工藝，功耗低，可以與cmos、ttl電平兼容。 可以說(shuō)，fpga芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。 目前fpga的品種很多，有xilinx的xc系列、ti公司的tpc系列、altera公司的fiex系列等3。 fpga是由存放在片內(nèi)ram中的程序來(lái)設(shè)置其工作狀態(tài)的，因

27、此，工作時(shí)需要對(duì)片內(nèi)的ram進(jìn)行編程。用戶可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。 加電時(shí)，fpga芯片將eprom中數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程ram中，配置完成后，fpga進(jìn)入工作狀態(tài)。掉電后，fpga恢復(fù)成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此，fpga能夠反復(fù)使用。fpga的編程無(wú)須專用的fpga編程器，只須用通用的eprom、prom編程器即可。當(dāng)需要修改fpga功能時(shí)，只需換一片eprom即可。這樣，同一片fpga，不同的編程數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生不同的電路功能。因此，fpga的使用非常靈活。 fpga有多種配置模式：并行主模式為一片fpga加一片eprom的方式；主從模式可以支持一片prom編程多片fpg

28、a；串行模式可以采用串行prom編程fpga；外設(shè)模式可以將fpga作為微處理器的外設(shè)，由微處理器對(duì)其編程。2.2開(kāi)發(fā)軟件quartus ii簡(jiǎn)介quartus ii是altera公司推出的cpld/fpga開(kāi)發(fā)工具，quartus ii提供了完全集成且與電路結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的開(kāi)發(fā)包環(huán)境，具有數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)的全部特性。quartus ii設(shè)計(jì)流程：1、設(shè)計(jì)輸入：完成期間的硬件描述，包括文本編輯器、塊與符號(hào)編輯器、megawizard插件管理器、約束編輯器和布局編輯器等工具；2、綜合：包括分析和綜合器以、輔助工具和rtl查看器等工具；3、布局連線：將設(shè)計(jì)綜合后的網(wǎng)表文件映射到實(shí)體器件的過(guò)程，包括fitte

29、r工具、約束編輯器、布局圖編輯器、芯片編輯器和增量布局連線工具；4、仿真：quartus ii提供了功能仿真和時(shí)序仿真兩種工具；5、器件編程與配置：包括四種編程模式，即被動(dòng)串行模式、jtag模式、主動(dòng)串行模式和插座內(nèi)編程模式。使用new project wizard新建一個(gè)工程的過(guò)程：1、制定工程的文件存放目錄、工程名以及最頂層的設(shè)計(jì)實(shí)體名，在默認(rèn)情況下，工程名與最頂層的設(shè)計(jì)實(shí)體名是相同的。2、添加文件，包括最頂層的設(shè)計(jì)實(shí)體文件以及一些額外的電路模塊描述文件或定制的功能庫(kù)。3、選擇目標(biāo)芯片，具體芯片最好讓編譯器根據(jù)工程設(shè)計(jì)的實(shí)際情況自動(dòng)選擇。4、第三方eda工具設(shè)定，包括設(shè)計(jì)輸入與綜合工具、仿

30、真工具、時(shí)序分析工具等，默認(rèn)為quartus ii自帶的仿真器、綜合器以及時(shí)序分析器。5、最后一步系統(tǒng)將整體工程的各項(xiàng)參數(shù)和設(shè)置總結(jié)并顯示出來(lái)，這時(shí)即可完成工程的創(chuàng)建4。2.3硬件描述語(yǔ)言vhdl簡(jiǎn)介vhdl全名very-high-speed integrated circuit hardware description language(超高速集成電路硬件描述語(yǔ)言),誕生于1982年。1987年底，vhdl被ieee和美國(guó)國(guó)防部確認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語(yǔ)言。自ieee公布了vhdl的標(biāo)準(zhǔn)版本，ieee-1076（簡(jiǎn)稱87版)之后，各eda公司相繼推出了自己的vhdl設(shè)計(jì)環(huán)境，或宣布自己的設(shè)計(jì)工具可

31、以和vhdl接口。此后vhdl在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了廣泛的接受，并逐步取代了原有的非標(biāo)準(zhǔn)的硬件描述語(yǔ)言。1993年，ieee對(duì)vhdl進(jìn)行了修訂，從更高的抽象層次和系統(tǒng)描述能力上擴(kuò)展vhdl的內(nèi)容，公布了新版本的vhdl，即ieee標(biāo)準(zhǔn)的1076-1993版本（簡(jiǎn)稱93版）?，F(xiàn)在，vhdl和verilog作為ieee的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語(yǔ)言，又得到眾多eda公司的支持，在電子工程領(lǐng)域，已成為事實(shí)上的通用硬件描述語(yǔ)言。有專家認(rèn)為，在新的世紀(jì)中vhdl于verilog語(yǔ)言將承擔(dān)起大部分的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)5。vhdl主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為、功能和接口。除了含有許多具有硬件特征的語(yǔ)句外，vhdl

32、的語(yǔ)言形式和描述風(fēng)格與句法是十分類似于一般的計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言。vhdl的程序結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將一項(xiàng)工程設(shè)計(jì)，或稱設(shè)計(jì)實(shí)體（可以是一個(gè)元件，一個(gè)電路模塊或一個(gè)系統(tǒng)）分成外部（或稱可視部分及端口)和內(nèi)部（或稱不可視部分），既涉及實(shí)體的內(nèi)部功能和算法完成部分。在對(duì)一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)體定義了外部界面后，一旦其內(nèi)部開(kāi)發(fā)完成后，其他的設(shè)計(jì)就可以直接調(diào)用這個(gè)實(shí)體。這種將設(shè)計(jì)實(shí)體分成內(nèi)外部分的概念是vhdl系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本點(diǎn)。vhdl 語(yǔ)言能夠成為標(biāo)準(zhǔn)化的硬件描述語(yǔ)言并獲得廣泛應(yīng)用，它自身必然具有很多其他硬件描述語(yǔ)言所不具備的優(yōu)點(diǎn)。歸納起來(lái)，vhdl 語(yǔ)言主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、vhdl 語(yǔ)言功能強(qiáng)大，設(shè)計(jì)方式多樣 vhdl 語(yǔ)

33、言具有強(qiáng)大的語(yǔ)言結(jié)構(gòu)，只需采用簡(jiǎn)單明確的vhdl語(yǔ)言程序就可以描述十分復(fù)雜的硬件電路。同時(shí)，它還具有多層次的電路設(shè)計(jì)描述功能。此外，vhdl 語(yǔ)言能夠同時(shí)支持同步電路、異步電路和隨機(jī)電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，這是其他硬件描述語(yǔ)言所不能比擬的。vhdl 語(yǔ)言設(shè)計(jì)方法靈活多樣，既支持自頂向下的設(shè)計(jì)方式，也支持自底向上的設(shè)計(jì)方法；既支持模塊化設(shè)計(jì)方法，也支持層次化設(shè)計(jì)方法。 2、vhdl語(yǔ)言具有強(qiáng)大的硬件描述能力 vhdl語(yǔ)言具有多層次的電路設(shè)計(jì)描述功能，既可描述系統(tǒng)級(jí)電路，也可以描述門級(jí)電路；描述方式既可以采用行為描述、寄存器傳輸描述或者結(jié)構(gòu)描述，也可以采用三者的混合描述方式。同時(shí)，vhdl語(yǔ)言也支持慣性延

34、遲和傳輸延遲，這樣可以準(zhǔn)確地建立硬件電路的模型。vhdl語(yǔ)言的強(qiáng)大描述能力還體現(xiàn)在它具有豐富的數(shù)據(jù)類型。vhdl語(yǔ)言既支持標(biāo)準(zhǔn)定義的數(shù)據(jù)類型，也支持用戶定義的數(shù)據(jù)類型，這樣便會(huì)給硬件描述帶來(lái)較大的自由度。 3、vhdl語(yǔ)言具有很強(qiáng)的移植能力 vhdl語(yǔ)言很強(qiáng)的移植能力主要體現(xiàn)在：對(duì)于同一個(gè)硬件電路的vhdl語(yǔ)言描述，它可以從一個(gè)模擬器移植到另一個(gè)模擬器上、從一個(gè)綜合器移植到另一個(gè)綜合器上或者從一個(gè)工作平臺(tái)移植到另一個(gè)工作平臺(tái)上去執(zhí)行。 4、vhdl 語(yǔ)言的設(shè)計(jì)描述與器件無(wú)關(guān) 采用vhdl語(yǔ)言描述硬件電路時(shí)，設(shè)計(jì)人員并不需要首先考慮選擇進(jìn)行設(shè)計(jì)的器件。這樣做的好處是可以使設(shè)計(jì)人員集中精力進(jìn)行電路

35、設(shè)計(jì)的優(yōu)化，而不需要考慮其他的問(wèn)題。當(dāng)硬件電路的設(shè)計(jì)描述完成以后，vhdl語(yǔ)言允許采用多種不同的器件結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 5、vhdl語(yǔ)言程序易于共享和復(fù)用 vhdl 語(yǔ)言采用基于庫(kù)(library)的設(shè)計(jì)方法。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員可以建立各種可再次利用的模塊，一個(gè)大規(guī)模的硬件電路的設(shè)計(jì)不可能從門級(jí)電路開(kāi)始一步步地進(jìn)行設(shè)計(jì)，而是一些模塊的累加。這些模塊可以預(yù)先設(shè)計(jì)或者使用以前設(shè)計(jì)中的存檔模塊，將這些模塊存放在庫(kù)中，就可以在以后的設(shè)計(jì)中進(jìn)行復(fù)用6。 由于vhdl語(yǔ)言是一種描述、模擬、綜合、優(yōu)化和布線的標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語(yǔ)言，因此它可以使設(shè)計(jì)成果在設(shè)計(jì)人員之間方便地進(jìn)行交流和共享，從而減小硬件電路設(shè)計(jì)的工作量

36、，縮短開(kāi)發(fā)周期7。隨著eda技術(shù)的發(fā)展，使用硬件語(yǔ)言設(shè)計(jì)fpga成為一種趨勢(shì)。借用max+plus ii或quartus ii等軟件用vhdl語(yǔ)言開(kāi)發(fā)fpga的完整流程為：1、文本編輯：用任何文本編輯器都可以進(jìn)行，也可以用專用的hdl編輯環(huán)境。通常vhdl文件保存為.vhd文件。2、功能仿真：將文件調(diào)入hdl仿真軟件進(jìn)行功能仿真，檢查邏輯功能是否正確也叫前仿真，對(duì)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)可以跳過(guò)這一步，只在布線完成以后，進(jìn)行時(shí)序仿真8。3、邏輯綜合：將源文件調(diào)入邏輯綜合軟件進(jìn)行綜合，即把語(yǔ)言綜合成最簡(jiǎn)的布爾表達(dá)式和信號(hào)的連接關(guān)系。邏輯綜合軟件會(huì)生成.edf的eda工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)文件。4、布局布線：將edf文件調(diào)入

37、pld廠家提供的軟件中進(jìn)行布線，即把設(shè)計(jì)好的邏輯安放到pld/fpga內(nèi)。5、時(shí)序仿真：需要利用在布局布線中獲得的精確參數(shù)，用仿真軟件驗(yàn)證電路的時(shí)序（也叫后仿真）。6、編程下載：確認(rèn)仿真無(wú)誤后，將文件下載到芯片中。.sof文件用于直接下載到芯片（掉電后會(huì)消失），.pof文件用于rom芯片下載（掉電后不消失）9。第3章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)滿足日常生活所需功能的出租車計(jì)費(fèi)器。該項(xiàng)目主要由硬件電路設(shè)計(jì)和軟件控制兩部分組成。硬件部分主要完成出租車計(jì)費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要的fpga芯片及外圍顯示和撥檔開(kāi)關(guān)控制電路設(shè)計(jì)。軟件部分由主控器ep1c12控制完成，通過(guò)vhdl語(yǔ)言完成出租車計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的整個(gè)程

38、序設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)計(jì)費(fèi)器預(yù)置功能，能夠預(yù)置起步價(jià)、每公里收費(fèi)、車行加費(fèi)里程、計(jì)時(shí)收費(fèi)等?？梢阅M實(shí)際出租汽車的行駛、停止、暫停等狀態(tài)，并根據(jù)不同狀態(tài)進(jìn)行計(jì)費(fèi)。以十進(jìn)制顯示出租車行駛路程與車費(fèi)。3.1.1方案擬定1、方案對(duì)比方案一：該方案系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖，如圖3-1：時(shí)鐘信號(hào)等待信號(hào)公里脈沖計(jì)費(fèi)、復(fù)位分頻器控制器計(jì)費(fèi)計(jì)時(shí)計(jì)程譯碼顯示圖3-1 方案一系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖在該方案中，由分頻模塊、控制模塊、計(jì)量模塊、譯碼和動(dòng)態(tài)掃描顯示模塊組成，可以實(shí)現(xiàn)出租車計(jì)費(fèi)功能，但其使用公里脈沖信號(hào)做為公里計(jì)數(shù)的開(kāi)始信號(hào)，由于實(shí)驗(yàn)箱中時(shí)鐘信號(hào)的限制，不能完全實(shí)現(xiàn)計(jì)費(fèi)計(jì)程功能。方案二：該方案系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖，如圖3-2：速度模塊計(jì)時(shí)模塊

39、計(jì)費(fèi)模塊計(jì)程模塊總費(fèi)用總里程譯碼顯示 脈沖信號(hào) 速度 開(kāi)始鍵 復(fù)位鍵 時(shí)鐘信號(hào)圖3-2方案二系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖在該方案中，主要包括控制電路模塊、分頻模塊和掃描顯示模塊，其中控制電路模塊包括速度模塊、計(jì)程模塊、計(jì)時(shí)模塊、計(jì)費(fèi)模塊，掃描顯示模塊包括模8計(jì)數(shù)器模塊、8選1選擇器模塊、七段數(shù)碼管顯示模塊，最后由數(shù)碼管顯示計(jì)費(fèi)計(jì)程結(jié)果。2、方案的確定及功能分析：根據(jù)方案一與方案二的對(duì)比，方案一不能實(shí)現(xiàn)此次設(shè)計(jì)的所有功能，最終選擇方案二作為本次設(shè)計(jì)方案。本次設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個(gè)出租車計(jì)費(fèi)系統(tǒng)，具體功能設(shè)定如下：（1）車起步開(kāi)始計(jì)費(fèi)。首先顯示起步價(jià)（本次設(shè)計(jì)起步價(jià)設(shè)為3.00元），車在行駛3km以內(nèi)，只收起步價(jià)3.0

40、0元。（2）車行駛超過(guò)3km后，按每公里2元計(jì)費(fèi)（在3.00元基礎(chǔ)上每行駛1km車費(fèi)加2元），車費(fèi)依次累加。（3）當(dāng)遇到紅燈或遇客戶需要停車等待時(shí)，則按時(shí)間計(jì)費(fèi)，計(jì)費(fèi)單價(jià)為每20s收費(fèi)1元。（4）當(dāng)總費(fèi)用達(dá)到或超過(guò)40元時(shí)，每km收費(fèi)4元。3.1.2模塊的劃分如圖3-2，設(shè)計(jì)上總體分為芯片控制部分和掃描顯示部分。以ep1c12q240c8芯片作為核心控制電路，控制數(shù)碼管的顯示，具體顯示內(nèi)容及方式由軟件來(lái)完成。顯示部分由外圍設(shè)備數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)，顯示出租車行駛路程和計(jì)費(fèi)。出租車的開(kāi)始、暫停狀態(tài)及出租車速度均由撥檔開(kāi)關(guān)控制。分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求不難得知，整個(gè)出租車計(jì)費(fèi)系統(tǒng)大致可以分為控制電路模塊、分頻模塊和

41、掃描顯示模塊，其中控制電路模塊包括速度模塊、計(jì)程模塊、計(jì)時(shí)模塊、計(jì)費(fèi)模塊，掃描顯示模塊包括模8計(jì)數(shù)器模塊、8選1選擇器模塊、七段數(shù)碼管顯示模塊。3.2 速度模塊速度模塊首先根據(jù)start信號(hào)判斷是否開(kāi)始計(jì)費(fèi)，然后根據(jù)對(duì)輸入的速度檔位sp2.0的判斷，決定變量kinside的值。kinside即是進(jìn)行100m所需要的時(shí)鐘周期數(shù)，然后每行進(jìn)100m，則輸出一個(gè)clkout脈沖信號(hào)。同時(shí)由cnt對(duì)clk進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)cnt等于kinside時(shí)，把clkout信號(hào)置1，cnt清0。3.2.1速度模塊元件圖設(shè)計(jì)運(yùn)行速度模塊，生成速度模塊元件圖，如圖3-3：圖3-3速度模塊元件圖速度模塊元件圖(如圖3-3)

42、分析：clk為時(shí)鐘脈沖輸入端；reset為復(fù)位信號(hào)輸入端；start為開(kāi)始計(jì)費(fèi)信號(hào)輸入端；stop為停止計(jì)費(fèi)信號(hào)輸入端；sp2.0為出租車狀態(tài)輸入端（停止或不同行駛速度）；clkout為每行進(jìn)100m脈沖信號(hào)輸出端。3.2.2速度模塊仿真使用quartus ii對(duì)速度模塊進(jìn)行功能仿真，如圖3-4：圖3-4速度模塊仿真仿真圖(如圖3-4)分析：輸入時(shí)鐘脈沖，當(dāng)start開(kāi)始后，sp2.0設(shè)定出租車狀態(tài)，clkout根據(jù)sp2.0輸出脈沖信號(hào)，車每行駛100m輸出信號(hào)clkout輸出高電平。3.3計(jì)程模塊此模塊主要用于記錄行進(jìn)的距離。通過(guò)對(duì)clkout信號(hào)的計(jì)數(shù)，可以計(jì)算行駛的的距離kmcnt。一

43、個(gè)clkout脈沖相當(dāng)于行進(jìn)100m，所以只要記錄clkout的脈沖數(shù)目即可確定共行進(jìn)的距離。3.3.1計(jì)程模塊元件圖設(shè)計(jì)運(yùn)行計(jì)程模塊，生成計(jì)程模塊元件圖，如圖3-5： 圖3-5計(jì)程模塊元件圖計(jì)程模塊元件圖(如圖3-5)分析： reset為復(fù)位信號(hào)輸入端；clkout為每行進(jìn)100m脈沖信號(hào)輸入端；kmcnt13.0為行駛路程的十分位；kmcnt23.0為行駛路程的個(gè)位；kmcnt33.0為行駛路程的十位，分別為十進(jìn)制數(shù)。3.3.2計(jì)程模塊仿真使用quartus ii對(duì)計(jì)程模塊進(jìn)行功能仿真，如圖3-6： 圖3-6速度模塊仿真仿真圖(如圖3-6)分析：當(dāng)reset復(fù)位后，系統(tǒng)復(fù)位清零；否則，對(duì)輸

44、入信號(hào)clkout進(jìn)行十進(jìn)制計(jì)數(shù)，kmcnt1、kmcnt2、kmcnt3分別輸出行駛路程的十分位、個(gè)位、十位。3.4計(jì)時(shí)模塊在汽車啟動(dòng)后，當(dāng)遇到顧客等人或紅燈時(shí)，出租車采用計(jì)時(shí)收費(fèi)的方式。通過(guò)對(duì)速度信號(hào)sp的判斷決定是否開(kāi)始記錄時(shí)間。當(dāng)sp=0時(shí)，開(kāi)始記錄時(shí)間。當(dāng)時(shí)間達(dá)到足夠大時(shí)則產(chǎn)生timecount脈沖，并重新計(jì)時(shí)。一個(gè)timecount脈沖相當(dāng)于等待的時(shí)間達(dá)到了時(shí)間計(jì)費(fèi)的長(zhǎng)度。這里選擇系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為1khz，實(shí)現(xiàn)千分頻，1hz控制計(jì)時(shí)模塊，20s即計(jì)數(shù)值為20。3.4.1計(jì)時(shí)模塊元件圖設(shè)計(jì)運(yùn)行計(jì)時(shí)模塊，生成計(jì)時(shí)模塊元件圖，如圖3-7： 圖3-7計(jì)時(shí)模塊元件計(jì)時(shí)模塊元件圖(如圖3-7)分

45、析：clk為時(shí)鐘脈沖輸入端；reset為復(fù)位信號(hào)輸入端；start為開(kāi)始計(jì)費(fèi)信號(hào)輸入端；stop為停止計(jì)費(fèi)信號(hào)輸入端；sp2.0為出租車狀態(tài)輸入端（停止或不同行駛速度）；timecount為計(jì)時(shí)脈沖輸出端。3.4.2計(jì)時(shí)模塊仿真使用quartus ii對(duì)計(jì)時(shí)模塊進(jìn)行功能仿真，如圖3-8：圖 3-8計(jì)時(shí)模塊仿真計(jì)時(shí)模塊(如圖3-8)仿真分析：當(dāng)reset復(fù)位后，系統(tǒng)清零，start開(kāi)始計(jì)費(fèi)信號(hào)高電平有效，sp2.0設(shè)置速度為0，開(kāi)始記錄時(shí)間。預(yù)設(shè)20個(gè)時(shí)鐘周期為20s，對(duì)時(shí)鐘周期進(jìn)行計(jì)數(shù)，每計(jì)20個(gè)時(shí)鐘周期輸出高電平，指示計(jì)時(shí)20s。3.5計(jì)費(fèi)模塊由兩個(gè)進(jìn)程組成。其中，一個(gè)進(jìn)程根據(jù)條件對(duì)enab

46、le和price賦值：當(dāng)記錄的距離達(dá)到3公里后enable信號(hào)變?yōu)?，開(kāi)始進(jìn)行每公里計(jì)費(fèi)，當(dāng)總費(fèi)用大于40元后，則單價(jià)price由原來(lái)的每公里2元變?yōu)槊抗?元；第二個(gè)進(jìn)程在每個(gè)時(shí)鐘周期判斷timecount和clkout的值，當(dāng)其為1時(shí)，則在總費(fèi)用上加上相應(yīng)的費(fèi)用。3.5.1計(jì)費(fèi)模塊元件圖設(shè)計(jì)運(yùn)行計(jì)費(fèi)模塊，生成計(jì)費(fèi)模塊元件圖，如圖3-9：圖3-9計(jì)費(fèi)模塊元件圖計(jì)費(fèi)模塊元件圖(如圖3-9)分析：clk為時(shí)鐘脈沖輸入端；reset為復(fù)位信號(hào)輸入端； timecount為計(jì)時(shí)脈沖輸出端；clkout為每行進(jìn)100m脈沖信號(hào)輸入端； kmcnt23.0為行駛路程的個(gè)位；kmcnt33.0為行駛路程的

47、十位。count13.0為總費(fèi)費(fèi)的個(gè)位輸出端；count23.0為總費(fèi)費(fèi)的十位輸出端；count33.0為總費(fèi)費(fèi)的百位輸出端。3.5.2計(jì)費(fèi)模塊仿真使用quartus ii對(duì)計(jì)費(fèi)模塊進(jìn)行功能仿真，如圖3-10：圖3-10計(jì)費(fèi)模塊仿真計(jì)費(fèi)模塊仿真(如圖3-10)分析：當(dāng)reset信號(hào)有效時(shí)，系統(tǒng)復(fù)位清零；否則，當(dāng)計(jì)時(shí)計(jì)費(fèi)信號(hào)timecount和計(jì)程計(jì)費(fèi)信號(hào)clkout為高電平時(shí)，按照一定計(jì)費(fèi)規(guī)則進(jìn)行計(jì)費(fèi)。3.6控制電路頂層例化模塊控制模塊包括速度模塊、計(jì)程模塊、計(jì)時(shí)模塊和計(jì)費(fèi)模塊四個(gè)模塊。通過(guò)元件例化語(yǔ)句將以上四個(gè)模塊例化，形成一個(gè)總的控制模塊，產(chǎn)生需要的設(shè)計(jì)電路。3.6.1控制電路頂層例化模塊

48、元件圖設(shè)計(jì)運(yùn)行控制電路頂層例化模塊，生成元件圖，如圖3-11：圖3-11控制電路頂層例化模塊元件圖控制電路頂層例化模塊元件圖(如圖3-11)分析：clk為時(shí)鐘脈沖輸入端，上升沿有效；reset為復(fù)位信號(hào)輸入端，start為開(kāi)始計(jì)費(fèi)信號(hào)輸入端，stop為停止計(jì)費(fèi)信號(hào)輸入端，均為高電平有效；sp2.0為出租車狀態(tài)輸入端（停止或不同行駛速度）；kmcnt和count信號(hào)分別為出租車行駛的里程和花費(fèi)的輸出端。3.6.2控制電路頂層例化模塊仿真使用quartus ii對(duì)控制電路頂層例化模塊進(jìn)行功能仿真，如圖3-12：圖3-12控制電路頂層例化模塊仿真控制電路頂層例化模塊仿真(如圖3-12)分析：上圖中，

49、當(dāng)復(fù)位信號(hào)reset為高電平時(shí)，系統(tǒng)所有寄存器、計(jì)數(shù)器都清零；當(dāng)開(kāi)始計(jì)費(fèi)信號(hào)start信號(hào)有效時(shí)，計(jì)費(fèi)器開(kāi)始計(jì)費(fèi)，根據(jù)出租車行駛的速度sp2.0的取值計(jì)算所用花費(fèi)和行駛里程；當(dāng)停止計(jì)費(fèi)信號(hào)stop有效時(shí)，計(jì)費(fèi)器停止工作。3.7分頻模塊本設(shè)計(jì)用到1khz和1hz兩種時(shí)鐘頻率?；鶞?zhǔn)的時(shí)鐘脈沖是實(shí)驗(yàn)箱上提供的1khz的信號(hào)，僅能滿足控制電路模塊所需的頻率。分頻模塊對(duì)頻率為1khz的輸入脈沖進(jìn)行千分頻，得到頻率為1hz的信號(hào)。其中1khz用于控制電路模塊，1hz用于模8計(jì)數(shù)器模塊。3.7.1分頻模塊元件圖設(shè)計(jì)運(yùn)行分頻模塊，生成分頻模塊元件圖，如圖3-13： 圖3-13分頻模塊元件圖分頻模塊元件圖(如圖

50、3-13)分析：clkin為1khz時(shí)鐘信號(hào)輸入端；clkout為千分頻后的時(shí)鐘信號(hào)輸出端。3.7.2分頻模塊仿真使用quartus ii對(duì)分頻模塊進(jìn)行功能仿真，如圖3-14：圖3-14分頻模塊仿真分頻模塊仿真(如圖3-14)分析：輸入時(shí)鐘信號(hào)后，clkin被千分頻后輸出clkout。由于clkin的頻率比較大，所以顯示為一條黑帶。3.8模8計(jì)數(shù)器模塊本設(shè)計(jì)采用數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)箱中數(shù)碼管前連有一個(gè)74hc138譯碼器，可以用來(lái)控制數(shù)碼管位碼選擇。74hc138譯碼器可接受3位二進(jìn)制加權(quán)地址輸入，模8計(jì)數(shù)器通過(guò)對(duì)輸入信號(hào)clk的掃描輸出3位二進(jìn)制編碼。3.8.1模8計(jì)數(shù)器模塊元件圖設(shè)計(jì)運(yùn)行模

51、8計(jì)數(shù)器模塊程序，生成元件圖，如圖3-15：圖3-15模8計(jì)數(shù)器模塊元件圖模8計(jì)數(shù)器模塊元件圖(如圖3-15)分析：clk為時(shí)鐘頻率輸入端，a2.0為3位二進(jìn)制數(shù)輸出端。3.8.2模8計(jì)數(shù)器模塊仿真使用quartus ii對(duì)模8計(jì)數(shù)器模塊進(jìn)行功能仿真，如圖3-16：圖 3-16模8計(jì)數(shù)器模塊仿真模8計(jì)數(shù)器模塊仿真(如圖3-16)分析：上圖可以看到，每一個(gè)時(shí)鐘周期掃描輸出一個(gè)3位二進(jìn)制數(shù)。3.98選1選擇器模塊本設(shè)計(jì)需用數(shù)碼管顯示行駛里程及花費(fèi)。實(shí)驗(yàn)箱上共有八位數(shù)碼管。本次設(shè)計(jì)使用其中前三位顯示行駛里程，后三位顯示行駛花費(fèi)，中間兩位設(shè)為“-”。經(jīng)過(guò)8選1選擇器進(jìn)行數(shù)碼管位選。3.9.18選1選擇

52、器模塊元件圖設(shè)計(jì)運(yùn)行8選1選擇器模塊，生成元件圖，如圖3-17：圖3-178選1選擇器模塊元件圖8選1選擇器模塊元件圖(如圖3-17)分析：c2.0為3位二進(jìn)制輸入信號(hào)，a1a3為出租車行駛里程輸入端，b1b3信號(hào)為花費(fèi)輸入端；d3.0為4位二進(jìn)制輸出信號(hào)，dp為小數(shù)點(diǎn)指示信號(hào)。3.9.28選1選擇器模塊仿真使用quartus ii對(duì)8選1選擇器模塊進(jìn)行仿真，如圖3-18：圖3-188選1選擇器模塊仿真8選1選擇器模塊仿真(如圖3-18)分析：上圖可以看出，行駛里程為設(shè)為5km，行駛車費(fèi)為7元。數(shù)碼管前三位顯示行駛里程，后三位顯示行駛花費(fèi)，中間兩位設(shè)為“-”，則數(shù)碼管顯示為05.0-007。3

53、.10七段數(shù)碼管顯示模塊本設(shè)計(jì)采用七段數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示數(shù)據(jù)，其中前三位顯示行駛里程，后三位顯示車費(fèi)，中間兩位設(shè)為“-”。此模塊可以控制數(shù)碼管的段碼選擇，使數(shù)碼管顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)。該模塊頻率需選用1khz，因?yàn)轭l率低時(shí)數(shù)碼管會(huì)閃爍，當(dāng)頻率高到一定程度時(shí)給人的直觀感覺(jué)是所有數(shù)據(jù)同時(shí)顯示。3.10.1七段數(shù)碼管顯示模塊元件圖設(shè)計(jì)運(yùn)行七段數(shù)碼管顯示模塊，生成元件圖，如圖3-19：圖3-19七段數(shù)碼管顯示模塊元件圖七段數(shù)碼管顯示模塊元件圖(如圖3-19)分析：d3.0為二進(jìn)制數(shù)輸入端，q6.0為七段譯碼輸出端。3.10.2七段數(shù)碼管顯示模塊仿真使用quartus ii對(duì)七段數(shù)碼管顯示模塊進(jìn)行功能仿真，如圖3-20：圖3-20七段數(shù)碼管顯示模塊仿真七段數(shù)碼管顯示模塊仿真(如圖3-20)分析：上圖中可以看出，q6.0根據(jù)輸入信號(hào)d3.0的值顯示相應(yīng)的數(shù)字。3.11頂層模塊在此模塊中對(duì)前面的控制電路頂層例化模塊、分頻模塊、掃描顯示模塊（模8計(jì)數(shù)器模塊、8選1選擇器模塊和七段數(shù)碼管顯示模塊）進(jìn)行綜合編寫，輸出其綜合功能。3.11.1頂層模塊電路圖設(shè)計(jì)頂層電路圖，如圖3-21：圖3-21頂層模塊電路圖頂層模塊電路圖(如圖3-21)分析：將以上各模塊的元件進(jìn)行連接就完成了整個(gè)電路的連接，可以實(shí)現(xiàn)出租車計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功